BAB II SALURAN TRANSMISI 2.1 Umum Sinyal merambat dengan kecepatan terbatas. Hal ini menimbulkan waktu tunda ketika sinyal bergerak didalam saluran interkoneksi. Jika digunakan sinyal sinusoidal, maka waktu tunda ini mengakibatkan pergeseran fasa negatif pada sinyal tersebut. Jika pergeseran fasanya signifikan, maka analisa saluran transmisi harus digunakan, karena sekarang interkoneksi akan memepengaruhi sinyal. Gelombang disekitar saluran memiliki besaran-besaran yang dapat dianalogikan dengan gelombang EM yang merambat didalam medium bebas, seperti yang terdaftar didalam Tabel 2.1[1]. Tabel 2.1 Analogi besaran-besaran EM dalam saluran dengan gelombang dalam medium bebas
Saluran transmisi banyak dipakai dalam kehidupan sehari-hari, misalnya untuk menyalurkan sinyal yang diterima antena ke pesawat TV, bumbung gelombang yang menyalurkan energi dari penguat RF ke antena parabola dan jalajala listrik yang menyalurkan energi dari pembangkit ke rumah-rumah. Berbagai contoh penggunaan saluran ini dilukiskan dalam Gambar 2.1[1]. Transmitter-antena Transceiver-antena Gambar 2.1 Berbagai macam saluran transmisi Konstanta fasa (β) untuk gelombang sinusoid dinyatakan sebagai berikut;...(2.1) Maka, pergeseran fasa pada domain spasial sejauh l, adalah:...(2.2)
Jadi ada ketergantungan antara pergeseran fasa ini dengan frekuensinya. Jika l/λ sangat kecil, pengaruh saluran transmisi bisa diabaikan (inilah yang terjadi pada analisa rangkaian listrik). Sedangkan jika l/λ ~0.1, maka pengaruhnya perlu diperhitungkan[1]. 2.2 Jenis Media Saluran Transmisi Walaupun secara umum media saluran transmisi yang digunakan pada frekuensi tinggi maupun gelombang mikro (microwaves) dapat berupa sepasang penghantar atau sebuah penghantar berongga, namun dalam aplikasinya dapat bedakan dalam 4 kategori, yakni[2]: a. Saluran transmisi dua kawat sejajar (two-wire transmission line) b. Saluran transmisi koaksial (coaxial transmission line) c. Microstrip dan Stripline d. Bumbung gelombang (waveguides) Saluran transmisi two-wire hanya cocok dipakai pada daerah frekuensi terendah dari spektrum frekuensi radio sebab pada frekuensi yang lebih tinggi saluran transmisi jenis ini memiliki redaman yang sangat besar. Untuk memperbaiki keterbatasan saluran two-wire ini maka pada frekuensi yang lebih tinggi, penggunaan sepasang penghantar sejajar digantikan oleh sepasang penghantar yang disusun dalam satu sumbu yang sama, disebut "coaxial". Dengan saluran ini redaman yang dialami medan elektromagnetik dapat dikurangi. Pada daerah frekuensi yang lebih tinggi lagi (gelombang mikro), saluran coaxial tidak cocok dipakai karena gelombang elektromagnetik merambat dalam bentuk radiasi
menembus bahan dielektrik saluran sehingga redamannya semakin besar. Untuk itu, digunakan suatu saluran berupa penghantar berongga yang disebut bumbung gelombang. Sedangkan untuk menghubungkan jarak yang dekat, pada frekuensi ini biasanya digunakan saluran transmisi yang disebut stripline dan microwave[2]. 2.3 Bumbung Gelombang (Waveguide) Waveguide adalah saluran tunggal yang berfungsi untuk menghantarkan gelombang elektromagnetik (microwave) dengan frekuensi 300 MHz 300 GHz. Dalam kenyataannya, waveguide merupakan media transmisi yang berfungsi memandu gelombang pada arah tertentu. Secara umum waveguide dibagi menjadi tiga yaitu, yang pertama adalah rectangular waveguide (waveguide dengan penampang persegi) dan yang kedua adalah circular waveguide (waveguide dengan penampang lingkaran), dan ellips waveguide (waveguide dengan penampang ellips) seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2[3]. Gambar 2.2 Jenis waveguide Dalam waveguide diatas mempunyai dua karakteristik penting, yaitu : 1. Frekuensi cut off, yang ditentukan oleh dimensi waveguide. 2. Mode gelombang yang ditransmisikan, yang memperlihatkan ada tidaknya medan listrik atau medan magnet pada arah rambat.
Faktor-faktor dalam pemilihan waveguide sebagai saluran transmisi antara lain[3]: 1. Band frekuensi kerja, tergantung pada dimensi 2. Transmisi daya, tergantung pada bahan 3. Rugi-rugi transmisi, tergantung mode yang digunakan Pemilihan waveguide sebagai pencatu karena pada frekuensi diatas 1 GHz, baik kabel pair, kawat sejajar, maupun kabel koaksial sudah tidak efektif lagi sebagai media transmisi gelombang elektromagnetik. Selain efek radiasinya yang besar, redamannya juga semakin besar. Pada frekuensi tersebut, saluran transmisi yang layak sebagai media transmisi gelombang elektromagnetik (microwave) adalah waveguide. Waveguide merupakan konduktor logam (biasanya terbuat dari brass atau aluminium) yang berongga didalamnya, yang pada umumnya mempunyai penampang berbentuk persegi (rectangular waveguide) atau lingkaran (circular waveguide). Saluran ini digunakan sebagai pemandu gelombang dari suatu sub sistem ke sub sistem yang lain. Pada umumnya di dalam waveguide berisi udara, yang mempunyai karakteristik mendekati ruang bebas. Sehingga pada waveguide persegi medan listrik E harus ada dalam waveguide pada saat yang bersamaan harus nol di permukaan dinding waveguide dan tegak lurus. Sedangkan medan H juga harus sejajar di setiap permukaan dinding waveguide. Karakteristik dari waveguide dapat dilihat pada grafik Gambar 2.3[3].
Gambar 2.3 Karakteristik waveguide Dari Gambar 2.3 dapat dilihat bahwa frekuensi kerja berada di antara fmin dan fmax, band frekuensi kerja : ω > ωc atau λ < λc. Selain itu waveguide juga memiliki karakteristik yang penting yaitu frekuensi cut off dan mode gelombang yang ditransmisikan. Impedansi karakteristik dan mode perambatan gelombang pada saluran jenis ini berbeda dengan jenis lainnya. Salah satu aplikasi dari bumbung gelombang ini adalah serat optik. Walaupun kondisinya berbentuk kabel, namun serat optik merupakan saluran transmisi jenis "bumbung gelombang", dalam hal ini, bumbung berpenampang lingkaran (circular waveguide). Aplikasi yang lainnya yaitu sebagai pengumpan (feeder) pada antena parabola. Adapun Gambar bumbung gelombang seperti pada Gambar 2.4[4]. Gambar 2.4 Waveguide : (a) rectangular waveguide, (b) circular waveguide
2.4 Karakteristik Saluran Transmisi Karakteristik listrik pada saluran transmisi berbeda dengan karakteristik dari rangkaian listrik biasa. Karakteristik listrik suatu saluran transmisi sangat bergantung pada konstruksi dan dimensi fisiknya. Ketika hubungan antara sumber sinyal dengan beban sedang berlangsung, maka sinyal akan merambat pada pasangan kawat penghantar saluran transmisi menuju ke ujung yang lain dengan kecepatan tertentu. Semakin panjang saluran transmisi, maka waktu tempuh dari rambatan sinyal itu akan semakin lama. Arus yang mengalir di sepanjang saluran akan membangkitkan suatu medan magnet yang menyelimuti kawat penghantar dan ada kalanya saling berimpit dengan medan magnet lain yang berasal dari kawat penghantar lain disekitarnya. Medan magnet yang dibangkitkan oleh kawat penghantar berarus listrik, merupakan suatu timbunan energi yang tersimpan dalam kawat penghantar tersebut sehingga dapat dianggap bahwa kawat penghantar bersifat induktif atau memiliki induktansi. Tegangan yang ada diantara dua kawat penghantar akan membangkitkan medan listrik. Medan listrik ini juga merupakan timbunan energi yang mungkin juga saling berimpit dengan medan listrik lain disekitarnya, sehingga akan timbul kapasitansi diantara dua kawat penghantar. Untuk saluran yang panjang, induktansi dan kapasitansi itu akan menyebar secara merata pada sepanjang saluran dan besarnya tergantung pada frekuensi sinyal atau gelombang yang merambat didalamnya. Setiap jenis saluran transmisi dua kawat juga mempunyai suatu nilai konduktansi yakni nilai yang merepresentasikan kemungkinan banyaknya
elektron yang mengalir (arus) melewati atau menembus bahan dielektrik saluran. Jika saluran dianggap semode (uniform), dimana semua nilai besaran-besaran tersebut sama disepanjang saluran, maka potongan kecil saluran dapat dianggap merepresentasikan panjang keseluruhan. Tiga hal inilah yang menjadi alasan bahwa saluran transmisi berbeda dari rangkaian-rangkaian listrik pada umumnya, sehingga karakteristik saluran transmisi dapat dibedakan atas Lumped Constant dan Distributed Constant[4]. 2.4.1 Lumped Constant Saluran transmisi juga memiliki besaran atau konstanta seperti induktansi, kapasitansi dan resistansi sebagaimana seperti pada rangkaian listrik pada umumnya, akan tetapi pada rangkaian listrik konstanta-konstanta yang ada dalam rangkaian bertumpuk didalam piranti rangkaian itu sendiri, maka besaran atau konstanta yang demikian disebut dengan lumped constant[4]. 2.4.2 Distributed Constant Idealnya saluran transmisi juga memiliki nilai induktansi, kapasitansi dan resistansi yang berisfat bertumpuk (lumped), namun tidak demikian halnya, karena saluran transmisi memiliki besaran atau konstanta dengan nilai yang terdistribusi disepanjang saluran dan masing-masing tidak dapat dipisahkan satu dengan lainnya, maka besaran yang demikian disebut distributed constant, yang artinya nilainya terdistribusi disepanjang saluran, diameter penghantar, jarak antar
penghantar dan jenis bahan dielektrik yang memisahkan kedua penghantar. Maka ini berarti nilai-nilai konstanta ini akan berubah bila panjang saluran diubah[4]. 2.5 Impedansi Karakteristik Saluran Besaran-besaran terdistribusi seperti induktansi, kapasitansi, resistansi dan konduktansi merupakan parameter primer suatu saluran transmisi yang terdapat dalam semua jenis saluran, terlepas apakah pada saat itu saluran tersebut dihubungkan atau tidak dengan sumber sinyal. Tetapi ada juga parameter yang penting dari saluran transmisi yang disebut "impedansi karakteristik"[5]. Gelombang yang merambat pada saluran transmisi yang panjangnya tak berhingga, tidak akan mempengaruhi apa yang ada diujung saluran. Perbandingan antara tegangan dan arus diujung masukan saluran sesungguhnya dapat dianggap sama dengan perbandingan antara tegangan dan arus setelah mencapai ujung lainnya. Dapat diartikan bahwa arus dan tegangan diantara kedua kawat penghantar saluran itu memandang saluran transmisi sebagai suatu impedansi. Impedansi inilah yang disebut "Impedansi Karakteristik (Zo)" [5]. tegangan forward Z o =...(2.3) arus forward Jadi dapat dikatakan bahwa impedansi karakteristik adalah impedansi yang diukur diujung saluran transmisi yang panjangnya tak berhingga. Bila daya dirambatkan pada saluran transmisi dengan panjang tak berhingga, maka daya itu akan disekitarap seluruhnya disepanjang saluran sebagai akibat bocornya arus pada kapasitansi antar penghantar dan hilangnya tegangan pada induktansi saluran. Pengukuran impedansi karakteristik dapat dilihat pada Gambar 2.5[5].
Gambar 2.5 Pengukuran impedansi karakteristik Pada Gambar 2.5, diperlihatkan bahwa impedansi yang dipandang pada titik 1'-2' ke 1-2 berhingga) ke arah kanan adalah sebesar Zo juga. Tetapi dengan tingkat tegangan dan arus yang lebih kecil dibandingkan dengan tegangan pada titik 1-2. Sehingga bila impedansi pada titik 1'-2' digantikan dengan impedansi beban sebesar Zo, maka impedansi dititik 1-2 akan sebesar Zo juga[5]. Impedansi karakteristik saluran tanpa rugi-rugi (losses-line) dapat dituliskan sebagai[5]: dimana : L Zo = [ Ω / m]...(2.4) C L = induktansi total kedua kawat penghantar sepanjang saluran l (Henry) C = kapasitansi antar kedua kawat penghantar dalutan sepanjang l (Farad) Besar impedansi karakteristik suatu saluran transmisi maupun bumbung gelombang berbeda-beda dan nilainya ditentukan oleh ukuran fisik penampang dan bahan dielektrik yang digunakan sebagai isolator. Adapun impedansi karakteristik saluran transmisi dapat dilihat pada Tabel 2.2[5].
Tabel 2.2 Impedansi karakteristik saluran transmisi Jenis Saluran Twin Lead Coaxial Zo (Ω) 120 2D ln k d 60 D k ln d Balanced Shielded 2 120 1 σ ln 2v 2 k 1+ σ v = h / d σ = h / D Bumbung Gelombang (Rectangular b η Z og = waveguide) a 2 f c 1 f L (H/m) µ 2D ln π d µ ln 2π D d C (F/m) µε 2D ln d 2µε D ln d dimana: D = Jarak antar konduktor (pada twist pair) atau diameter konduktor outer (pada coaxial dan balanced shielded) (m) d = Diameter konduktor inner (m) h = Jarak antar konduktor (pada balanced shielded) (m) k = Konstanta dielektrik bahan isolator e = Permitivitas µ = Permeabilitas e t = Konstanta dielektrik relatif pada PCB (Printed Cabling Board) a = Dimensi penampang sisi a rectangular waveguide (cm) b = Dimensi penampang sisi b rectangular waveguide (cm) η = Impedansi gelombang udara (Ω) f c = Frekuensi cut-off (GHz)
2.6 Rugi-Rugi (Losses) pada Saluran Transmisi Tegangan maupun arus dari sinyal yang merambat disepanjang saluran transmisi akan mengalami penurunan seiring dengan jarak yang makin panjang, ini berarti saluran transmisi memiliki rugi-rugi[4]. Pada umumnya ada tiga macam rugi-rugi yang terdapat pada saluran transmisi yang sedang dilalui sinyal, yaitu[4]: a. Rugi-Rugi Tembaga Rugi-Rugi ini antara lain berupa disipasi daya (I 2 R) yang berupa panas yang bersifat resistif dan rugi-rugi akibat efek kulit (skin effect). Makin tinggi frekuensi, makin besar resistansi yang timbul akibat skin effect ini, sehingga ini mengakibatkan rugi-rugi saluran makin besar. Jadi selain disebabkan oleh resistansi penghantarnya sendiri, rugi-rugi tembaga ini juga disebabkan oleh skin effect, yang menyebabkan resistansi penghantar pada frekuensi tinggi juga meningkat. b. Rugi-Rugi Dielektrik Rugi-rugi ini timbul diakibatkan oleh pemanasan yang terjadi pada kawat penghantar sewaktu dilalui arus bolak-balik. Daya yang dikirimkan sumber sinyal sebagian berubah menjadi panas yang terjadi pada bahan dielektrik. Ketika dilalui arus bolak-balik, maka struktur atom dari bahan dielektrik akan mengalami perubahan dan perubahan ini membutuhkan energi. Energi inilah yang mengakibatkan timbulnya rugirugi daya. Semakin sulit struktur atom suatu bahan dielektrik berubah,
maka semakin besar energi yang dibutuhkannya, yang berarti semakin besar rugi daya yang disebabkannya. c. Rugi-Rugi Radiasi dan induksi Rugi-rugi ini terjadi akibat adanya medan-medan elektromagnetik yang ada disekitar kawat penghantar. Rugi-rugi induksi terjadi ketika medan elektromagnetik disekeliling penghantar terkena langsung dengan suatu penghantar tersebut, akibatnya daya hilang pada penghantar tersebut. Rugi-rugi radiasi merupakan rugi-rugi yang disebabkan hilangnya sebagian garis-garis gaya magnet karena memancar keluar dari saluran transmisi. Redaman muncul akibat adanya rugi-rugi pada saluran transmisi yang dinyatakan dalam satuan decibel per satuan ataupun neper per satuan panjang. 2.7 Gelombang Elektromagnetik dalam Saluran Transmisi Ketika pengiriman sinyal melalui suatu saluran, maka medan-medan (listrik dan magnet) yang dikirimkan dari sumber sampai ke beban dan setelah sampai di beban, energi yang tersimpan dalam medan-medan tersebut diubah menjadi energi yang diinginkan, dimana medan-medan ini dikenal sebagai medan elektromagnetik. Perambatan energi listrik disepanjang saluran transmisi adalah bentuk medan elektromagnetik transversal yaitu gelombang yang arah perambatannya tegak lurus terhadap perpindahannya.
Ada tiga tipe perambatan yang dikenal pada saluran transmisi maupun bumbung gelombang, yaitu tipe TEM (Transverse Electric Magnetic), TE (Transverse Electric) dan TM (Transverse Magnetic), biasanya tipe TEM yang terjadi pada saluran transmisi, sedangkan tipe TE dan TM umumnya terjadi pada bumbung gelombang (waveguide). Pada tipe TEM, medan magnet (H) dan medan listrik (E), gelombang saling tegak lurus dan melintang terhadap sumbu perambatan, sehingga tidak ada komponen medan yang searah dengan sumbu perambatannya, sedangkan pada tipe lainnya, salah satu komponen medannya akan searah dengan sumbu perambatan. Daerah atau bagian dari saluran transmisi yang paling padat diselimuti oleh medan elektromagnetik adalah bagian diantara kedua kawat penghantarnya, yang biasanya diisi oleh suatu bahan isolator. Parameter yang penting dari bahan isolator adalah konstanta dielektrik (k). Harga konstanta dielektrik ini merupakan harga relatif terhadap konstanta dielektrik dari ruang hampa. Ada dua hal penting yang mempengaruhi suatu gelombang, yaitu[5]: 1. Kecepatan Rambat Gelombang Gelombang yang merambat disepanjang saluran transmisi bisa memiliki kecepatan yang berbeda-beda tergantung pada jenis dan karakteristik propagasi saluran tersebut. Kecepatan merambat medan elektromagnetik disepanjang saluran transmisi juga ditentukan oleh besarnya konstanta dielektrik dari isolator kawat penghantarnya. Semakin besar harga k, maka kecepatan merambat akan
semakin pelan. Hubungan antara konstanta dielektrik dengan kecepatan rambat gelombang dapat dituliskan sebagai[5]: dimana : 8 3x10 v =...(2.5) k K = konstanta dielektrik bahan isolator Harga konstanta dielektrik bahan isolator yang harganya adalah relatif terhadap konstanta dielektrik udara (ruang hampa), sehingga tidak memiliki satuan. Konstanta dielektrik beberapa bahan isolator ditampilkan pada Tabel 2.3[5]. Tabel 2.3 Konstanta dielektrik dan kecepatan rambat gelombang elektromagnetik pada bahan isolator Material Ruang Hampa Udara Teflon PVC Nylon Polystryrene Konstanta Dielektrik (k) 1.000 1.006 2.100 3.300 4.900 2,500 Kecepatan Rambat (v) [m/detik] 300 x 10 6 299.2 x 10 6 207 x 10 6 165 x 10 6 136 x 10 6 190 x 10 6 Untuk saluran transmisi tanpa rugi-rugi (losses line), kecepatan rambat gelombang dalam saluran dapat dituliskan sebagai[5]: v =...(2.6) LC dimana: l = Panjang potongan saluran (meter) L = Induktansi total kedua kawat penghantar saluran sepanjang l (Henry) C = Kapasitansi antar kedua kawat penghantar sepanjang saluran l (Farad)
2. Panjang Gelombang Panjang gelombang didefenisikan sebagai jarak dimana gelombang tersebut bergeser atau berjalan sejauh satu siklus (identik dengan perubahan sudut 2π). Bila suatu sinyal frekuensi tinggi merambat pada suatu saluran transmisi, maka panjang gelombang sinyal tersebut didalam saluran akan bergantung pada harga konstanta dielektrik (k) dari bahan isolator tersebut menurut hubungan[5]: dimana: c λ = (meter)...(2.7) f k c = Kecepatan rambat gelombang elektromagnetik pada ruang hampa (3 x 10 8 m/detik), f = Frekuensi gelombang tersebut (Hz), dan k = Konstanta dielektrik