Radio dan Medan Elektromagnetik Gelombang Elektromagnetik Gelombang Elektromagnetik adalah gelombang yang dapat merambat, Energi elektromagnetik merambat dalam gelombang dengan beberapa karakter yang bisa diukur, yaitu: panjang gelombang/wavelength, frekuensi, amplitude/amplitude, kecepatan. Amplitudo adalah tinggi gelombang, sedangkan panjang gelombang adalah jarak antara dua puncak. Frekuensi adalah jumlah gelombang yang melalui suatu titik dalam satu satuan waktu. Frekuensi tergantung dari kecepatan merambatnya gelombang. Karena kecepatan energi elektromagnetik adalah konstan (kecepatan cahaya), panjang gelombang dan frekuensi berbanding terbalik. Semakin panjang suatu gelombang, semakin rendah frekuensinya, dan semakin pendek suatu gelombang semakin tinggi frekuensinya, berikut gambar ilustrasi medan elektromagnetik: Gambar 1. Propagasi gelombang elektromagnetik
Ciri-ciri gelombang elektromagnetik : Dari uraian tersebut diatas dapat disimpulkan beberapa ciri gelombang elektromagnetik adalah sebagai berikut: Perubahan medan listrik dan medan magnetik terjadi pada saat yang bersamaan, sehingga kedua medan memiliki harga maksimum dan minimum pada saat yang sama dan pada tempat yang sama. Arah medan listrik dan medan magnetik saling tegak lurus dan keduanya tegak lurus terhadap arah rambat gelombang dan bersifat transversal Seperti halnya gelombang pada umumnya, gelombang elektromagnetik mengalami peristiwa pemantulan, pembiasan, interferensi, dan difraksi. Juga mengalami peristiwa polarisasi karena termasuk gelombang transversal. Cepat rambat gelombang elektromagnetik hanya bergantung pada sifat-sifat listrik dan magnetik medium yang ditempuhnya. Gelombang elektromagnetik sendiri dikelompokkan kedalam beberapa level berdasarkan rentang frekuensi kerjanya, dan tiap kelompoknya memiliki karakteristik yang berbeda beda satu sama lain, berikut kelompok gelombang elektromagnetik tersebut:
Frekuensi Panjang Gelombang Nama Band 3-30 Hz 10 4 10 5 km ELF 30-300 Hz 10 3 10 4 km SLF 300-3000Hz 100 10 3 km ULF 3 30 KHz 10 100 km VLF 30 300 KHz 1 10 km LF 300 3000 KHz 100 m 1 km MF 3 30 MHz 10 100 m HF 30 300 MHz 1 10 m VHF 300 3000 MHz 10 cm 1 m UHF 3 30 GHz 1 10 cm SHF 30 300 GHz 1 mm 1 cm EHF Propagasi Gelombang Radio Dalam proses transmisinya gelombang radio akan mengalami pembelokan atau pembiasan yang disebabkan oleh atmosfir bumi. Pembiasan ini disebabkan oleh perbedaan indeks bias atmosfir berdasarkan beberapa factor seperti ketinggian, kelembapan area, density udara yang dipengaruhi oleh ketinggian dari permukaan laut dan indeks bias. Konstanta K ditentukan oleh perubahan indeks bias udara terhadap ketinggian lapisan atmosfir dari permukaan laut rata-rata, untuk nilai konstanta K sendiri tiap daerah atau lokasi memiliki
perbedaan propagasinya, secara garis besar dibedakan dengan lingkungan sekitar apakah itu lautan, daratan hutan, padang gurun dan daerah urban bahkan perkotaan. Faktor K adalah faktor skala yang digunakan untuk menunjukkan skala kelengkungan dari pemancaran gelombang radio, pada umunya link radio yang mana menggunakan propagasi line of sight pancarannya akan dibatasi oleh garis horizon, seperti ditunjukkan pada gambar 2 dengan keterangan gambaran variasi faktor kelengkungan dapat dilihat pada gambar berikut: Gambar 2 Pola Propagasi Gelombang Elektromagnetik Dapat dilihat dari gambar 2 mewakili beberapa nilai K yang berbeda, untuk Indonesia yang terdiri dari daerah tropis dan Sub Urban nilai konstanta K untuk perambatan gelombang mikro Elektromagnetik dibulatkan menjadi k=4/3 atau 1.33. Gelombang dalam perambatannya menuju antenna penerima dapat melalui berbagai macam lintasan. Jenis lintasan yang diambil tergantung dari frekuensi sinyal, kondisi atmosfir dan waktu transmisi. Ada 3 jenis lintasan
dasar yang dapat dilalui, yakni melalui permukaan tanah (gelombang tanah), melalui pantulan dari lapisan ionosfir di langit (gelombang langit), dan perambatan langsung dari antenna pemancar ke antenna penerima tanpa ada pemantulan (LOS). Gelombang tanah merambat dekat permukaan tanah dan mengikuti lengkungan bumi, sehingga dapat menempuh jarak melampaui horizon. Perambatan melalui lintasan ini sangat kuat pada daerah frekuensi 30 khz 3 MHz. Di atas frekuensi tersebut permukaan bumi akan meredam sinyal radio, karena benda-benda di bumi menjadi satu ukuran dengan panjang gelombang sinyal. Sinyal dari pemancar AM utamanya merambat melalui lintasan ini Gambar 3. Propagasi gelombang tanah Gelombang langit diradiasikan oleh antenna ke lapisan ionosfir yang terletak di atmosfir bagian atas dan dibelokkan kembali ke bumi. Ada beberapa lapisan ionosfir yakni lapisan D, E, F1 dan F2, dimana keberadaannya di langit berubah-ubah menurut waktu, dan sangat mempengaruhi perambatan sinyal. Lapisan D dan E adalah lapisan yang paling jauh dari
matahari sehingga kadar ionisasinya rendah. Lapisan ini hanya ada pada siang hari, dan cenderung menyerap sinyal pada daerah frekuensi 300 khz 3 MHz. Gambar 4. Propagasi gelombang langit Propagasi Gelombang Langsung sinyal yang dipancarkan oleh antenna pemancar langsung diterima oleh antenna penerima tanpa mengalami pantulan, disebut Line Of Sight (LOS). Karena perambatannya harus secara langsung, maka di lokasi- lokasi yang antenna penerimanya terhalang, tidak akan menerima sinyal (blocked spot).
Gambar 5. Propagasi Gelombang langsung (LOS) Dari tipe propagasi diatas dapat dilihat karakteristik umum dari gelombang elektromagnetik yaitu semakin tinggi frekuensi semakin tinggi factor redaman lingkungannya seperti terhadap kelembapan, suhu, dan intesitas hujan untuk noise akibat suhu dalam persamaan nyquist disebut N= ktbw dimana nilai noise berbanding lurus terhadap T(suhu dalam Kelvin) Bw (Lebar kanal) k(konstanta Boltzman 1.380 10 23 ). Freshnel Perambatan gelombang elektromagnetik memiliki sifat berbeda untuk tiap bandnya semakin tinggi frekuensi semakin rentan terhadap hambatan, oleh karena itu untuk menghindari obstacle(penghalang) yang dapat menurunkan kualitas gelombang radio digunakanlah hukum freshnel yang mana digunakan untuk memprediksi beamwidth gelombang elektromagnetik supaya beam tersebut tidak terhalang oleh obstacle yang berarti. Dalam
pentrasmisiannya untuk jarak transmisi yang lebih dari 10 km akan terdapat faktor kelengkungan bumi hal ini ditimbulkan dari bentuk bumi yang bulat yang mana sebenarnya bukanlah dataran yang mana factor itu akan memiliki efek dalam jarak 10 km oleh karena faktor ini dimasukkan pada salah satu titik untuk penambahan tinggi, dengan gambar 6 sebagai ilustrasi dan persamaan sebagai berikut: Gambar 6. Faktor kelengkungan bumi dengan h :Besar penambahan tinggi pada titik di ketinggian tertentu d1: Jarak antara lokasi titik d1 dengan titik yang dihitung d2: Jarak antara lokasi titik d2 dengan titik yang dihitung k :Koefisien jari-jari efektif bumi, Indonesia k=1.33 Koefisien kelengkungan bumi akan berpengaruh pada obstacle yaitu akan menambah tinggi titik obstacle tertentu yang dapat mengakibatkan pemasangan tower antena yang harus lebih tinggi agar tercapai kondisi bebas pandang. Menurut Fresnel, daerah Fresnel ke-n adalah kumpulan titik-titik pantul dimana perbedaan fasa antara gelombang langsung dengan gelombang pantul yang melalui titik tersebut merupakan kelipatan dari 180 atau perbedaannya merupakan kelipatan setengah dari panjang gelombang.
Daerah Fresnel pertama dapat dihitung dengan: ( ) R1 f :Jari-jari fresnel pertama :Frekuensi kerja sistem n :1 untuk daerah Fresnel 1 d1,d2 :Jarak dari titik yang ditinjau ke pemancar dan ke penerima Peninjauan bebas Fresnel 1 pada suatu obstacle yaitu, obstacle tidak masuk dalam daerah ellips yang terbentuk dari kumpulan lingkaran dengan jari-jari 1 seperti pada gambar 7 dan untuk nilai freshnel paling tinggi ada pada titik tengah link oleh karena itu pada titik tersebut harus sangat dipastikan tidak ada obstacle, sebenarnya freshnel memiliki beberapa lapis tingkatan namun untuk gelombang dengan tipe frekuensi Super High Frequency memiliki toleransi optimum pada freshnel 1 dengan toleransi clearance 30% untuk link minimum. Dengan memenuhi persamaan Fresnel 1 maka kondisi bumi sudah cukup jauh dari lintasan gelombang radio efektif dengan kata lain hanya pada daerah Fresnel 1 yang harus diusahakan tidak adanya obstacle dengan toleransi 30%.
Gambar 7 Daerah Fresnel Pertama Redaman Propagasi Redaman propagasi yang digunakan untuk menganalisis sistem adalah redaman Free Space Loss (FSL), yaitu redaman dengan anggapan transmisi terjadi di ruang hampa udara dengan menggunakan antena isotropis.antena isotropis adalah antena ideal yang memiliki daya pancar merata ke segala arah. Daya pancar sebesar Pt dipancarkan oleh antena A satu titik B dengan anggapan dalam ruang hampa udara dengan tidak adanya pengaruh atmosfir, maka rapat daya yang dipancarkanadalah sama di setiap titiknya. Pola radiasi antena isotropis dapat dimisalkan sebagai sebuah bola dengan jari-jari d, sehingga rapat daya pada permukaan bola diberikan oleh:
Gambar 2. Pola Radiasi Isotropis ( ) Bila antena penerima mempunyai luas efektif maka daya yang diterima adalah: ( ) Luas efektif antena istropis adalah: Dengan memsubtitusikan persamaan (2.6) ke (2.5), maka diperoleh: ( ) dengan
= panjang gelombang yang dipancarkan ( ) { c adalah kecepatan cahaya dan untuk nilai digunakan untuk menentukan panjang antena yang digunakan} r = jari-jari atau jarak komunikasi (r=d) Sehingga besar daya yang dipancarkan dibanding dengan daya yang diterima adalah sebagai berikut: ( ( ) ( ) ) Redaman untuk ruang bebas dapat dinyatakan sebagai berikut: [ ] ( ) ( ) [ ] ( ) ( ) [ ] ( ) ( ) FSL dalam satuan decibel adalah 10 log FSL. [ ] ( ) ( ) Maka Didapat persamaan untuk perhitungan loss free space sebagai berikut: ( ) ( ) 3 ( ) ( ) Perhitungan EIRP (Effective Isotropic Radiated Power)
EIRP merupakan besaran yang menyatakan kekuatan daya pancar suatu antena, dapat dihitung dengan persamaan : EIRP = Ptx + Gtx Ltx dimana : PTX = daya pancar (dbm) GTX = penguatan antena pemancar (db) LTX = rugi-rugi pada pemancar (db) Perhitungan RSL (Receive Signal Level) RSL (Receive Signal Level) adalah level sinyal yang diterima di penerima dan nilainya harus lebih besar dari sensitivitas perangkat penerima (RSL Sensitivitas minimum perangkat). Sensitivitas perangkat penerima merupakan kepekaan suatu perangkat pada sisi penerima yang dijadikan ukuran threshold. Nilai RSL dapat dihitung dengan persamaan berikut : RSL = EIRP Lpropagasi ( ) + Grx Lrx, dimana : EIRP = Effective Isotropic Radiated Power (dbm) Lpropagasi = rugi-rugi gelombang saat berpropagasi (db) GRX = penguatan antena penerima (db) LRX = rugi-rugi saluran penerima (db)