Rancang Bangun Antena pada Frekuensi HF sebagai Base Station untuk Komunikasi di Laut

Transkripsi

1 1/6 Rancang Bangun Antena pada Frekuensi HF sebagai Base Station untuk Komunikasi di Laut Dhika Dwiputra1), Dr. Ir. Achmad Affandi, DEA1),Eko Setijadi, S.T., M.T., Ph.D.1) 1) Bidang Studi Telekomunikasi dan Multimedia Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya Abstrak Teknologi komunikasi di laut yang saat ini digunakan adalah teknologi komunikasi melalui satelit atau dikenal dengan Vessel Monitoring System, tetapi untuk menggunakan teknologi tersebut diperlukan perangkat berukuran besar dan canggih yang sulit diterapkan pada kapal nelayan di bawah 30 Gross Ton. Oleh karena itu, dikembangkan sistem komunikasi melalui kanal High Frequency agar kapal nelayan yang melaut dapat berkomunikasi dengan pesisir pantai yang berlaku sebagai base station. Antena fixed dengan unjuk kerja yang baik, dengan dilihat dari parameter-parameter seperti pola radiasi, gain dan Voltage Standing Wave Ratio tentu diperlukan pada base station agar komunikasi dapat berjalan baik. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut, dilakukan perancangan antena folded dipole yang bekerja pada band maritim MHz. Dengan perhitungan ukuran geometri secara teoritis yang kemudian menjadi input untuk software 4NEC2 dapat diperoleh output berupa nilai-nilai dari parameternya. Setelah hasil simulasi menunjukkan nilai dari parameter yang memenuhi syarat, maka dilakukan pembuatan prototipe antena. Menurut simulasi, antena memiliki pola radiasi bidireksional yang menyerupai antena dipole 1/2λ. Dan dari hasil pengukuran antenna prototipe, didapatkan antena dengan VSWR antara 1.53 sampai dengan 1.9 dan bandwidth sebesar 350 khz. Gain antena bernilai 2.23 dbi didapatkan dari metode perbandingan dengan antena standard. Kata kunci : Antena folded dipole, Standing Wave Ratio, Pola radiasi, Gain. 1. PENDAHULUAN Sistem komunikasi untuk pemantauan kapal dan pertukaran informasi tentang keadaan laut sangat penting untuk para nelayan. Informasi yang dikirimkan dapat berupa data yang memuat koordinat posisi kapal, kadar garam di laut, kecepatan angin, keadaaan cuaca, kondisi bahan bakar dan lain-lain yang dapat memudahkan kapal untuk memanfaatkan potensi besar yang terkandung di laut. Di sisi terminal base station diharapkan mampu untuk mengontrol kapal agar tidak melampaui batas wilayah penangkapan maupun batas wilayah negara[1]. Sistem Vessel Monitoring System (VMS) yang sudah ada merupakan sistem monitoring kapal melalui satelit, tentu saja sistem ini memerlukan perangkat yang canggih dan biaya yang besar. Kapal nelayan tradisional di Indonesia yang pada umumnya kapal kecil berukuran di bawah 30 GT, memiliki banyak keterbatasan untuk menggunakan sistem VMS yang biasanya digunakan untuk kapal besar berukuran 60 GT ke atas. Oleh karena itu, dilakukan pengembangan sistem Vessel Messaging System (VMeS)[1]. Pertukaran informasi seputar keadaan kapal dan lingkungan laut dapat dikirimkan dengan peralatan yang lebih sederhana dan memungkinkan untuk digunakan pada kapal-kapal kecil. Sistem ini dikembangkan dengan menggunakan kanal HF yang biasa digunakan untuk komunikasi radio jarak jauh agar dapat menjangkau wilayah perairan yang luas. Dalam sistem VMeS, diperlukan suatu base station sebagai pusat pemantauan yang menerima informasi-informasi yang dikirimkan kapal di laut. Tentunya pada perangkat penerima base station diperlukan suatu antena fixed yang mempunyai unjuk kerja yang memenuhi syarat dalam keadaan sebagai pemancar maupun penerima. Tetapi penggunaan antena pada base station belum diteliti lebih lanjut. Perancangan antena yang sesuai dengan keadaan pantai belum terlalu diperhatikan. Pengukuran yang dilakukan pada penelitian sebelumnya hanya menggunakan antena dipole sederhana yang memerlukan tuning terlebih dahulu untuk mendapatkan VSWR dengan nilai di bawah 2 pada frekuensi maritim. Sehingga dilakukan suatu penelitian tentang perancangan antena folded dipole yang memenuhi persyaratan pola radiasi bidireksional yang mengarah ke laut dan memiliki VSWR yang bernilai di bawah 2 pada frekuensi maritim MHz[2]. Selain itu, memiliki nilai gain yang mendekati nilai gain antena dipole standar yaitu 2.15 dbi[3]. Prototipe antena dibuat dengan ukuran hanya 60% dari full size dipole untuk alasan kepraktisan dan masih merupakan daerah current maxima dimana arus pada antena masih maksimum[4]. 2. TEORI PENUNJANG 2.1 Antena Folded Dipole Secara umum, untuk mengetahui panjang efektif dari suatu antena dapat diperoleh dari nilai panjang gelombangnya yang dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut [5]: (1) Dimana, c = Kecepatan cahaya ( m/s ) f = frekuensi tengah (MHz)

2 2/6 Antena akan bekerja dengan baik ketika panjang efektif antena l memiliki nilai mendekati panjang gelombang dari antena. Untuk panjang efektif antena dipole dapat diperoleh dari persamaan[6]: 3. Pada Tugas Akhir ini dijelaskan mengenai perencanaan antena dan pembuatan antena berdasarkan dengan metode yang dipilih untuk diimplementasikan. (2) dengan f yang merupakan frekuensi kerja antena, maka dihasilkan nilai panjang efektif dalam meter. Untuk jarak spasi antara kedua radiator antena folded dipole, didapatkan dengan beberapa hal, dan menghasilkan pula nilai yang berbeda. Di salah satu referensi menyebutkan bahwa nilai s yang biasa digunakan adalah 0.05λ[7], di referensi lain menyebutkan nilai s sebesar 1/64 λ[5]. Sedangkan untuk antena Terminating Tilted Folded Dipole, didapatkan dari persamaan sebagai berikut[8]: (3) METODOLOGI Mulai Penentuan kriteria awal antena yang akan dibangun Pemilihan jenis antena yang akan digunakan Penentuan Desain Awal Antena Perhitungan geometri antena secara teoritis Perencanaan antena menggunakan software 4NEC2 Pembuatan prototipe antena Antena folded dipole dibentuk dengan menghubungkan dua dipole secara paralel yang mempunyai radius a dan panjang l dan pada bagian ujungnya membentuk loop yang sempit. Pemisah dari pusat-ke-pusat dari kawat yang dihubungkan secara paralel adalah s. Jarak pemisah s selalu diasumsikan relatif kecil dengan panjang gelombang. Pengujian parameter antena Tidak Parameter memenuhi syarat? optimasi Ya Selesai Gambar 2 Diagram alir perencanaan dan pembuatan antena (a) Folded dipole (b) Regular Dipole Gambar 1 Antena Folded dipole dan dipole biasa 2.2 Parameter Antena Beberapa parameter antena yang dapat menunjukkan unjuk kerja dari suatu antena adalah pola radiasi, Gain dan Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)[9]. Pola radiasi suatu antena adalah pernyataan grafis yang menggambarkan sifat suatu antena pada medan jauh sebagai fungsi arah[10]. efisiensi suatu antena untuk memindahkan daya yang terdapat pada terminal input yang dikalikan dengan direktivitas sehingga menjadi daya radiasi[3]. Jika impedansi saluran transmisi tidak sesuai dengan transceiver maka akan timbul daya refleksi (reflected power) pada saluran yang berinterferensi dengan daya maju (forward power). Interferensi ini menghasilkan gelombang berdiri (standing wave) yang besarnya tergantung pada besarnya daya refleksi. Desain antena menggunakan software 4NEC2 dengan masukan nilai berdasarkan perhitungan secara teoritis[11]. Antena yang digunakan merupakan antena folded dipole dengan konfigurasi inverted V yang diberi matching impedance berupa rangkaian-l pada feed point dari antena. Langkah-langkah perencanaan, pembuatan hingga pengukuran mengikuti alur seperti gambar Perhitungan Geometri Antena Folded Dipole Antena yang dibangun merupakan antena yang harus memenuhi kriteria awal sebagai berikut: Dapat bekerja pada band maritim MHz Bandwidth yang dimiliki di atas 50 khz Memiliki VSWR di bawah 2 pada MHz Pola radiasi antena memiliki pola bidireksional Nilai gain mendekati full length size dipole Dari kriteria awal antena seperti yang disebutkan di atas, dapat dilakukan perancangan awal antena dengan melalui beberapa tahap, yaitu: Tahap yang pertama, dengan frekuensi kerja antara MHz, maka dapat dihitung frekuensi tengah untuk keperluan perancangan dengan melakukan perhitungan sederhana, yaitu (fmaks+fmin)/2 sehingga didapatkan frekuensi tengah sekitar 6.36 MHz.

3 3 / 6 Tahap selanjutnya, dari frekuensi tengah 6.36 MHz dapat dihitung panjang gelombang antena sesuai dengan persamaan (1), sehingga didapat panjang gelombang untuk antena dengan frekuensi tengah 6.36 MHz adalah sekitar m. Dari persamaan 2 didapat panjang radiator adalah m. Untuk mempermudah dalam pembuatan antena, diambil panjang antena sekitar 60-70% dari full length size dipole pada daerah ini, arus yang diradiasikan masih maksimum. Seperti yang telah dijelaskan pada pendahuluan bahwa antena yang digunakan merupakan antena folded dipole. Antena ini merupakan dua antena dipole yang dibentang bersamaan yang saling tersambung dan memiliki jarak pemisah tertentu. Gambar 3. Antena folded dipole Dapat dilakukan perhitungan untuk memperoleh nilai panjang antena seluruhnya (A), panjang tiap bentangan antena (B) dan jarak pemisah antara radiator yang dilipat (S) sebagai berikut: Nilai A yang paling baik adalah sepanjang full length size dipole, tetapi untuk mempermudah pembuatan, dipilih ukuran sekitar 60% dari full length size dipole. Sehigga didapat nilai A sepanjang 0.6 x yaitu 13.5 m. Nilai B merupakan setengah dari panjang antena keseluruhan, nilai B adalah 0.5 x 13.8 sehingga didapatkan panjang 6.75 m. Nilai S dapat diperoleh dari persamaan perhitungan pemisah jarak folded dipole antar radiator menurut persamaan 3, sehingga diperoleh 0.47 m untuk nilai S. 3.2 Simulasi Antena Menggunakan 4NEC Simulasi Geometri Antena dengan 4NEC2 Simulasi dari antena hasil perhitungan secara teoritis dibuat dengan software 4NEC2. Penggunaan software ini dilakukan dengan memasukkan nilai-nilai hasil perhitungan dari geometri antena yang akan dibangun. Pada software 4NEC2 yang digunakan dalam perancangan antena, dimasukkan nilai-nilai seperti pada tabel 1 sebagai berikut: Dimana nilai masukan dari variabel-variabel yang digunakan untuk membangun antena dengan 4NEC2 adalah sebagai berikut: h = 5 m L = 6.75 m θ 1 = 120 Z 1 = L*cos(θ 1 /2) X 1 = L*sin(θ 1 /2) θ 2 =120 Z 2 = L *cos(θ 2 /2) X 2 = L *sin(θ 2 /2) S = 0.47 m Variabel h menunjukkan tinggi penyangga tegak lurus dari antena, L menunjukkan panjang dari setengah bentangan antena, θ 1 dan θ 2 merupakan sudut pemasangan antena, Z 1 dan Z 2 adalah jarak antena dengan ground arah z, X 1 dan X 2 adalah jarak dari pertengahan sampai ujung antena pada arah x, dan S merupakan panjang spreader. Dari variabel masukan tersebut, muncul tampilan pada menu geometry 4NEC2 seperti pada gambar 4. Gambar 4. Tampilan geometri pada software 4NEC Simulasi Matching Impedance Network dengan 4NEC2 Pada simulasi antena dengan menggunakan 4NEC2 didapatkan VSWR yang nilainya masih di atas 2. Sehingga dari simulasi, diperlukan matching impedance network seperti pada gambar 5 dengan Xs adalah kapasitor bernilai 18 pf dan Xp adalah induktor bernilai 31.6 uh untuk menyesuaikan impedansi antena ke saluran transmisinya. Tabel 1. Masukan nilai pada pembangunan geometri antena menggunakan 4NEC2 X 1 Y 1 Z 1 X 2 Y 2 Z 2 Radius - X 1 0 h-z h 1 mm h h 1 mm h X 2 0 h-z 2 1 mm - X 1 S h-z S h 1 mm 0.1 S h X 2 S h- Z 2 1 mm -0.1 S h 0.1 S h 1 mm - X 1 0 h- Z 1 - X 2 S h- Z 2 1 mm X 1 0 h- Z 1 X 2 S h- Z 2 1 mm Gambar 5. L network matching impedance 3.4 Pembuatan Prototipe Antena Folded Dipole Antena yang dibangun merupakan antena folded dipole dengan panjang 13.5 m dan spasi antara kedua radiatornya adalah 0.47 m. Antena ini dipasang dengan menggunakan konfigurasi inverted vee. Spreader berfungsi memisah radiator bagian depan

4 4 / 6 dengan belakang agar tetap berada pada spasi sesuai dengan perhitungan. Kawat yang digunakan sebagai radiator adalah kawat yang memiliki diameter sebesar 1 mm. Panjang total kawat yang diperlukan adalah sekitar 28 m dengan bagian yang terbuka pada tengah radiator yang akan diberi feed point. Spreader-nya terbuat dari pipa paralon berdiameter 0.5 inch yang dipotong sepanjang 0.5 m dan diberi lubang pada ujungnya, jarak antar lubang sebesar 0.47 m. Feed point-nya dihubungkan dengan kabel coaxial RG58A/U. Untuk rangkaian penyesuai impedansi L memerlukan induktor sebesar 31.6 uh yang dirangkai secara paralel dan kapasitor 18 pf yang dirangkai secara seri dengan antena. Konfigurasi inverted vee pada pemasangan antena folded dipole ini dapat terlihat pada gambar 6 Level daya penerimaan relatif bernilai antara 1.11 sampai dengan 1.23 dbi pada bidang vertikal. Karena rentang level daya penerima relatifnya tidak terlalu besar, maka jika di plot pada diagram pola radiasi maka akan membentuk pola omnidireksional. Penerimaan paling besar terdapat pada sudut 100,110 dan 120 pada bidang pola radiasi. Gambar 8. Pola Radiasi bidang horizontal Gambar 6. Antena dipasang dengan konfigurasi inverted vee di pesisir pantai Rembang 4. PENGUJIAN DAN PENGUKURAN ANTENA Dari hasil simulasi dan pengukuran dapat diambil beberapa data terkait dengan parameter-parameter antena untuk memperlihatkan unjuk kerja dari antena seperti pola radiasi, gain dan VSWR dan sebagai pengujian antena pada keadaan sebenarnya, dilakukan suatu skema pengukuran di laut. 4.1 Hasil Pola Radiasi Secara teori, antena folded dipole mempunyai pola radiasi seperti antena dipole biasa yang memiliki sifat omnidireksional pada bidang vertikal dan bidireksional pada bidang horizontal. Pola radiasi ini didapatkan pada frekuensi tengah 6.36 MHz. Dari hasil simulasi dengan 4NEC2, didapatkan output sebagai berikut: Dari hasil plot data output simulasi pola radiasi bidang horizontal, dapat terlihat bahwa pola dari bidang ini mengarah ke arah tegak lurus bidang horizontal dan menghasilkan main lobe dan back lobe dengan besar yang hampir sama sehingga dapat dikatakan bahwa antena ini memiliki pola radiasi bidireksional. Pada arah 90, antena memiliki level daya penerimaan paling besar, yaitu 1.23 dbi. 4.2 Perbandingan Gain Hasil simulasi dan pengukuran Hasil simulasi 4NEC2 menunjukkan nilai gain berkisar antara 1.09 sampai dengan 1.36 pada frekuensi MHz. Gain dengan nilai terkecil adalah 1.09 dbi dan nilainya cenderung stabil pada nilai di bawah 1.4 dbi. Pada frekuensi tengah 6.36 MHz, gain yang diperoleh adalah 1.23 dbi. Gain antena folded dipole yang diukur memiliki nilai yang bervariasi pada frekuensi maritim 6.2 sampai dengan MHz yaitu antara dbi. Nilai tertinggi terdapat pada frekuensi MHz, dan nilai terendah ada pada frekuensi Pada frekuensi tengah 6.36 didapatkan nilai gain sebesar 2.23 dbi. 4 Gain (dbi) Frekuensi (MHz) simulasi pengukuran Gambar 7. Pola Radiasi bidang vertikal Gambar 9. Perbandingan gain hasil simulasi dan pengukuran

5 5 / Perbandingan VSWR Hasil simulasi dan pengukuran Pada simulasi, antara frekuensi 6.27 sampai dengan 6.36 MHz memiliki nilai VSWR di bawah 2 dengan nilai VSWR paling kecil adalah 1.12 pada 6.32 MHz, bandwidth dari hasil simulasi adalah sekitar 90 khz. Dari pengukuran terlihat bahwa pada frekuensi antara 6.2 sampai dengan 6.55 MHz memiliki nilai VSWR di bawah 2. Nilai VSWR terkecil ada pada frekuensi 6.45 MHz yaitu Diperoleh bandwidth sekitar 350 khz. Bandwidth antena prototipe hasil pengukuran memiliki rentang yang lebih lebar dibandingkan dengan hasil simulasi. SWR Frekuensi (MHz) simulasi pengukuran Gambar 10 Grafik perbandingan VSWR hasil simulasi dan pengukuran 4.4 Hasil Skema Pengukuran di Laut Pengukuran di laut dimaksudkan untuk menguji performa antena pada keadaan propagasi sebenarnya. Pengukuran ini menghasilkan data dari fluktuasi level daya penerima terhadap jarak. Gambar 11. Rute pengukuran di laut Rembang Dari gambar 11 dapat dilihat rute pengukuran di laut Rembang, pengukuran dilakukan dari jarak 0.67 Km dari base station sampai dengan 2.44 Km. Level Daya (dbm) Jarak (Km) Gambar 12. Grafik level daya terima terhadap jarak terlihat bahwa nilai dari level daya terima cenderung menurun ketika jarak antara pemancar dan penerima semakin jauh. Level penerimaan terbesar berada pada titik terdekat, yaitu sekitar dbm pada 0.67 Km dari base station dan semakin lama semakin mengecil hingga pada jarak 2.44 Km bernilai dbm. 5. KESIMPULAN Dari hasil perencanaan dan pembuatan antena, serta hasil data antena folded dipole prototipe yang diukur, didapatkan kesimpulan sebagai berikut: Hasil pengukuran dengan metode perbandingan menunjukkan bahwa gain dari antena prototipe memiliki nilai 2.23 dbi. Dari hasil pengukuran dengan VSWR meter, antena memiliki bandwidth sebesar 350 khz pada selang frekuensi MHz. VSWR terbaik dari hasil pengukuran ada pada frekuensi 6.45 MHz dengan nilai Pola radiasi antena memiliki sifat bidireksional pada bidang horizontal. Hal ini sesuai dengan kondisi sebagai base station di pantai yang membutuhkan arah tegak lurus terhadap laut. Dengan gain dan VSWR yang terukur, dapat dikatakan bahwa antena ini dapat memancar dan menerima dengan baik. 6. SARAN Dari penelitian yang telah dilakukan, dapat diberikan saran untuk pengembangan pada penelitian berikutnya, antara lain: Perlunya peningkatan ketelitian pada saat pembuatan dan pengukuran sehingga didapatkan hasil yang lebih akurat karena karakteristik antena sangat ditentukan oleh ketelitian dalam pembuatan dan pengambilan data pengukuran. Diperlukan peningkatan kualitas dalam pemilihan bahan-bahan pembangun antena folded dipole ini. antena folded dipole ini dapat dikembang menjadi antena T2FD (Terminating Tilted Folded Dipole) dengan mengubah rangkaian penyesuai impedansinya dengan balun yang sesuai sehingga dapat menjadikan antena dengan struktur ini menjadi antena wideband. 7. REFERENSI [1] Trisnanti, Lucky F. Karakterisasi Kanal Propagasi High Frequency Bergerak di Atas Permukaan Laut, Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro ITS, [2] Keputusan Menteri Perhubungan Nomor : KM 5 Tahun 2001 Tentang Tabel Alokasi Spektrum Frekuensi Radio Indonesia.2001

6 6 / 6 [3] W.L. Stunzman, Antenna Theory and Design Second Edition, New Jersey, John Wiley and Son. 1998,Ch. 1. [4] Soetrisno, Bambang, Shortened Fan Dipole. BeOn ORARI.2005 [5] Balanis, Constantine A, Antenna Theory Third Edition : Analysis and Design, John Wiley & Sons, INC, New York Ch 1 [6] J. Carr, Practical Antenna Handbook Fourth Edition, Mc-Grawhill Companies. 2001, Ch. 6. [7] Basuki, H.S. Antena ½ Folded Dipole Vertikal untuk Komunikasi Jarak Sedang. Pusat Penelitian Informatika LIPI [8] G. L. Countryman, An Experimental All-Band Nondirectional Transmitting Antenna some possibilities offered by the tilted folded dipole,qst magazine [9] IEEE Standards Association. IEEE Standard Test Procedure. New York: IEEE Press; [10] J.D. Krauss, Antennas, New York, Mc- Grawhill, 1988 Ch. 2. [11] 4nec2 NEC based antenna modeler and optimizer <URL: April Riwayat Hidup Penulis Dhika Dwiputra, lahir di Bogor pada tanggal 18 Agustus 1989, merupakan anak kedua dari tiga bersaudara pasangan Ir. Sukardi dan Dra. Nani Mulyana. Penulis memulai pendidikan formalnya di SDN Merdeka V Bandung. Beranjak ke kelas II SD, penulis pindah sekolah ke SD Mangkura III Makassar hingga kelas V dan kemudian pindah lagi ke SD Laboratorium STKIP Negeri Singaraja dan menyelesaikan bangku SD di sekolah tersebut. Penulis meneruskan pendidikan di SMPN 6 Denpasar hingga lulus tahun Pada tahun yang sama, penulis melanjutkan jenjang pendidikannya di SMAN 1 Denpasar. Lulus pada tahun 2007, kemudian penulis melanjutkan studi di Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya dengan mengambil Bidang Studi Telekomunikasi Multimedia. Semasa kuliah penulis pernah aktif dalam kegiatan kemahasiswaan dengan menjadi staff di Himatektro. Pada tahun terakhirnya di dunia perkuliahan, penulis mengabdikan dirinya sebagai asisten praktikum Dasar Sistem Telekomunikasi.