BAB II DASAR TEORI 2.1 Umum Antena radio pertama dibuat oleh Heinrich Hertz yang tujuannya untuk membuktikan keberadaan gelombang elektromagnetik yang sebelumnya telah diprediksi oleh James Clerk Maxwell. Pada tahun 1886, Hertz memasang peralatan yang sekarang diketahui sebagai sistem radio dengan antena dipole sebagai pengirim dan antena loop segi empat sebagai penerima [1]. Asal kata antena berhubungan dengan apa yang diciptakan oleh Guglielmo Marconi. Marconi melanjutkan penelitian Hertz dengan menambah rangkaian tuning dan antena besar yang mampu melakukan pensinyalan dalam jarak yang sangat jauh dengan menggunakan tiang yang tingginya 2,5 meter dan kawat. Kawat digunakan sebagai radiasi dan menerima aliran listrik yang dalam bahasa Itali dikenal sebagai l antenna centrale dan kawat yang melilitnya disebut l antenna. Pada pertengahan Desember 1901, Marconi mengejutkan dunia dengan penerimaan sinyal di St. Johns, New Foundland dari stasiun pengiriman yang telah dibangunnya di Poldhu, Cornwall, Inggris [2]. 2.2 Gelombang Elektromagnetik Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang mempunyai sifat listrik dan sifat magnet secara bersamaan. Gelombang radio merupakan bagian dari gelombang elektromagnetik pada spektrum frekuensi radio. Transmisi gelombang elektromagnetik di ruang adalah sebagai gelombang transversal [3]. 4
Gelombang berosilasi secara periodik atau berulang ulang ditandai dengan adanya frekuensi (rata rata pergerakan tiap pengulangan atau banyaknya getaran tiap detik), dapat diketahui dari Persamaan (2.1) [1]: (2.1) Dimana : f adalah frekuensi dalam hertz (Hz) T adalah periode dalam detik. Gelombang dikarakteristikkan oleh panjang gelombang dan frekuensi. Panjang gelombang (λ) memiliki hubungan dengan frekuensi (f) dan kecepatan (v) yang ditunjukan pada Persamaan (2.2) [1]: (2.2) Kecepatan (v) bergantung pada medium. Frekuensi adalah besaran yang lebih mendasar dan tidak bergantung pada medium. Ketika medium rambat adalah hampa udara (free space) [1], maka : c = 3 x 10 8 m/s (2.3) 2.3 Antena Antena adalah elemen terpenting pada setiap sistem telekomunikasi tanpa kabel (nirkabel/wireless), tidak ada sistem telekomunikasi wireless yang tidak memiliki sebuah antena. Antena merupakan suatu rangkaian yang dirancang untuk bisa memancarkan dan atau menerima gelombang elektromagnetik. Antena sebagai alat pemancar adalah sebuah alat yang digunakan mengubah gelombang elektomagnetis tertutun 5
didalam saluran transmisi kabel menjadi gelombang yang merambat di ruang bebas dan sebagai alat penerima mengubah gelombang elektromagnetis yang merambat di ruang bebas menjadi gelombang elektromagnetis tertutun dapat diperlihatkan pada Gambar 2.1 [4]. gelombang ruang bebas gelombang ruang bebas ` gelombang tertuntun gelombang tertuntun Gambar 2.1 Peran Antena di sistem komunikasi nirkabel Dengan definisi antena tersebut, adalah suatu kepastian, bahwa di setiap sistem komunikasi tanpa kabel terdapat komponen yang bisa mengubah gelombang tertutun menjadi gelombang ruang bebas dan kebalikannya, komponen ini adalah antenna. Pada sistem komunikasi tanpa kabel yang modern, sebuah antena harus berfungsi sebagai antena berfungsi sebagai antena yang bisa memancarkan dan menerima gelombang dengan baik untuk suatu arah tertentu [4]. Beberapa antena dikenal luas dengan berbagai bentuk dan kegunaan pada frekuensi kerja yang beragam, diantaranya kawat (wires), loop, aperture,reflektor, microstrip dan juga bentuk susunan dari antena-antena tersebut seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2. 6
(a) (b) (c) (d) (e) Gambar 2.2 Macam-Macam Antena (a) Thin dipole (b) loop (c) horn (d) helix (e) microstrip Untuk komunikasi 2 arah, dapat digunakan antena yang sama untuk transmisi dan penerimaan. Hal ini dapat dilakukan karena antena apa pun ketika memindahkan energi dari lingkungan sekeliling ke terminal penerima masukan memiliki efisiensi yang sama saat antena memindahkan energi dari terminal pemancar keluar ke lingkungan sekeliling, dengan anggapan frekuensi yang sama digunakan pada kedua arah [5]. 2.4 Pola Radiasi Pola radiasi antena merupakan representasi grafis yang menggambarkan komponen radiasi pada antena sebagai fungsi ruang. Pola radiasi antena menjelaskan bagaimana antena meradiasikan energi ke ruang bebas atau bagaimana antena menerima energi. Gambar 2.3 menunjukkan pola radiasi antena dalam dua dimensi dan tiga dimensi. 7
Gambar 2.3 Dimensi Pola Radiasi Antena Dua Gambaran pola radiasi yang paling penting adalah pola bidang medan listrik E dan pola bidang medan magnet H. Pada bidang medan listrik E merupakan Gambaran pola radiasi yang diperoleh dari nilai maksimum pengarahan radiasi di mana medan listrik E terbentang pada bidang Gambar. Sama halnya dengan pola bidang medan listrik E, pola bidang medan magnet H merupakan Gambaran pola radiasi yang diperoleh dari nilai maksimum pengarahan radiasi di mana medan magnet H terbentang pada bidang Gambar. Bidang medan listrik E dan bidang medan magnet H saling tegak lurus. Gambar2.4 menunjukkan koordinat bidang pada pola radiasi, di mana warna ungu menyatakan bidang medan listrik E dan warna biru menyatakan bidang medan magnet H [6]. 8
Gambar 2.4 Ilustrasi Bidang Pola Radiasi Antena Antena unidirectional mempunyai pola radiasi yang terarah dan dapat menjangkau jarak yang relatif jauh. Gambar 2.5 merupakan Gambaran secara umum bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antena unidirectional. Gambar 2.5 Bentuk Pola Radiasi Antena Unidirectional Apabila dalam koordinat polar atau grafik, pola radiasi bidang medan magnet H dan E ditunjukkan pada Gambar 2.6. 9
Gambar 2.6 Bentuk Pola Radiasi Antena Unidirectional Dalam Koordinat Polar Antena omnidirectional mempunyai pola radiasi yang digambarkan seperti bentuk kue donat (doughnut) dengan pusat berimpit. Antena omnidirectional pada umumnya mempunyai pola radiasi 360 derajat jika dilihat pada bidang medan magnetnya. Gambar 2.7 merupakan Gambaran secara umum bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antena omnidirectional. Gambar 2.7 Bentuk Pola Radiasi Antena Omnidirectional Apabila dalam koordinat polar atau grafik, pola radiasi bidang meda magnet H dan E ditunjukkan pada Gambar 2.8. 10
Gambar 2.8 Bentuk Pola Radiasi Antena Omnidirectional Dalam Koordinat Polar Definisi definisi pola radiasi antena adalah sebagai berikut [6] : a. Pola isotropis adalah pola sebuah antena didefinisikan sebagai radiasi serba sama ke segala arah, pola ini dibentuk oleh sebuah radiator isotropis (sumber titik, sebuah antena non-fisik yang tidak mempunyai arah). b. Pola keterarahan merupakan sebuah pola dikarakterisasi oleh beberapa radiasi yang efisien dalam satu arah dibandingkan arah lainnya (secarafisik antena yang dapat direalisasikan adalah antena pengarah saja). c. Pola omnidirectional merupakan sebuah pola yang serba sama dalam pemberian ruang radiasinya. d. Pola bidang utama yaitu pola bidang E dan bidang H dari sebuah polarisasi linier antena. Bidang E adalah bidang yang terdiri vektor medan elektrik dan arah radiasinya maksimum. Bidang H adalah bidang yang terdiri vektor medan magnetik dan arah radiasinya maksimum. Parameter parameter pola radiasi antena adalah sebagai berikut [6] : 11
a. Cuping radiasi (Radiation Lobe) merupakan puncak intensitas radiasi tertinggi disekitar daerah intensitas radiasi terendah. b. Cuping utama (Main Lobe) merupakan cuping radiasi pada arah radiasi maksimum. c. Cuping minor (Minor Lobe) merupakan cuping radiasi lainnya dari pada cuping utama. d. Cuping sisi (Side Lobe) merupakan sebuah cuping radiasi dalam arah lainnya daripada arah radiasi yang dipusatkan. Parameter-parameter pola radiasi antena tersebut diatas terlihat pada Gambar 2.9. Gambar 2.9 Parameter - Parameter Pola Antena (Pola Daya Ternormalisasi) 2.5 Jenis-jenis Antena Beberapa jenis antena yang sering digunakan yaitu antenna isoptropis dan antena direksional. 12
2.5.1 Antena Isoptropis Antena isotropis merupakan sumber titik yang memancarkan daya ke segala arah dengan intensitas yang sama, seperti permukaan bola. Karena itu dikatakan pola radiasi antena isotropis berbentuk bola. Antena ini tidak ada dalam dunia nyata dan hanya digunakan sebagai dasar untuk merancang dan menganalisa struktur antena yang lebih kompleks [3]. Gambar 2.10 menunjukkan pola pancaran antena isotropis. Gambar 2.10 Antena Isoptropis 2.5.2 Antena Direksional Berdasarkan direktivitasnya, antena directional dibagi menjadi antena unidirectional dan antena omnidirectional. Antena unidiretional adalah antena yang memancarkan dan menerima sinyal hanya dari satu arah. Sedangkan antena omnidirectional adalah antena yang memancarkan dan menerima sinyal dari segala arah. 13
2.5.2.1 Antena Unidirectional Antena unidirectional memancarkan dan menerima sinyal hanya dari satu arah. Hal ini ditunjukkan dengan bentuk pola radiasinya yang terarah. Antena unidirectional mempunyai kemampuan direktivitas yang lebih dibandingkan jenis jenis antena lainnya. Kemampuan direktivitas ini membuat antena ini lebih banyak digunakan untuk koneksi jarak jauh. Dengan kemampuan direktivitas ini membuat antena mampu mendengar sinyal yang relatif kecil dan mengirimkan sinyal lebih jauh. Umumnya antena unidirectional mempunyai spesifikasi gain tinggi tetapi beamwidth kecil. Hal ini menguntungkan karena kecilnya beamwidth menyebabkan berkurangnya derau yang masuk ke dalam antena. Semakin kecil bidang tangkapan (aperture), semakin naik selektivitas antena terhadap sinyal wireless yang berarti semakin sedikit derau yang ditangkap oleh antena tersebut [7]. Beberapa macam antena unidirectional antara lain antena Yagi-Uda, antena parabola, antena helix, antena log-periodik, dan lain lain [8]. Gambar 2.11 salah satu jenis antena unidirectional yaitu antena Yagi-Uda. Gambar 2.11 Antena Yagi-Uda 14
2.5.2.2 Antena Omnidirectional Antena omnidirectional memancarkan dan menerima sinyal dari segala arah dengan daya yang sama. Untuk menghasilkan cakupan area yang luas, gain antena omnidirectional harus memfokuskan dayanya secara horizontal, dengan mengabaikan pola pancaran ke atas dan ke bawah. Dengan demikian, keuntungan dari antena jenis ini adalah dapat melayani jumlah pengguna yang lebih banyak dan biasanya digunakan untuk posisi pengguna yang melebar. Kesulitannya adalah pada pengalokasian frekuensi untuk setiap sel agar tidak terjadi interferensi. Antena jenis ini biasanya digunakan untuk posisi pelanggan yang melebar. Direktivitas antena omnidirectional berada dalam arah vertikal. Bentuk pola radiasi antena omnidirectional digambarkan seperti bentuk kue donat (doughnut) dengan pusat berimpit. Kebanyakan antena ini mempunyai polarisasi vertikal, meskipun tersedia juga polarisasi horizontal. Antena omnidirectional dalam pengukuran sering digunakan sebagai pembanding terhadap antena yang lebih kompleks [7]. Contoh antena omnidirectional antara lain antena dipole, antena Brown, antena coaxial, antena super-turnstile, antena groundplane, antena collinear, antena slotwave guide, antenna wifi dan lain lain [8]. Gambar 2.12 menunjukan salah satu contoh antena omnidirectional yaitu antena wifi. Gambar 2.12 Antena Wifi 15
2.6 Antena Array Pada komunikasi jarak jauh digunakan antena yang memiliki gain yang tinggi. Dengan gain yang tinggi ini, bisa didapatkan nilai Equivalent Isotrop Radiated Power (EIRP) yang juga tinggi, yang akan menjamin jangkauan yang lebih besar. Pada aplikasi radar digunakan antenna yang memiliki beamwidh yang sangat sempit, yang akan menentukan resolusi sudut dari radar tersebut, sehingga bisa mendeteksi objek-objek yang berdekatan sebagai objek deteksi yang terpisah. Untuk mendapatkan antena yang seperti ini, kita bisa memperbesar ukuran dari antena itu sampai melebihi panjang gelombangnya. Tetapi alternatif seperti ini akan memberikan masalah baru, yaitu munculnya side lobe tambahan dengan peredaman yang menggangu. Makin panjang/besar antena tersebut, makin banyak side lobe-nya, juga masalah yang yang berkaitan dengan mekanis dari antenna yang terus membesar. Dengan menggunakan beberapa antena yang disusun menurut konfigurasi geometris dan elektris tertentu. Susunan antena ini disebut antena Array. Antena yang disusun menjadi kelompok biasanya antenna yang sejenis, hal ini diprioritaskan untuk mempermudah analisis, sintesis dan juga fabrikasi [4]. Ada beberapa parameter yang digunakan untuk mengontrol pola radiasi dari antena array: 1. Konfigurasi geometris array 2. Jarak dari satu elemen antena ke antena lainnya 3. Amplitudo arus atau tegangan yang dipasangkan feeding elemen antenna 16
4. Phase arus atau tegangan pada feeding 5. Pola radiasi masing-masing elemen Pada antena array terdapat array factor yang merupakan faktor pengali dari medan listrik dari elemen tunggal. Array factor ini yang menentukan bagaimana pola radiasi dan seberapa besar tingkat daya yang diradiasikan oleh antena tersebut. 2.7 Antena Smart Antena Smart adalah suatu teknologi yang menggabungkan sistem antena array dengan kemampuan proses sinyal untuk mengoptimalkan pola radiasi penerimaan baik secara adaptive maupun otomatis. Dengan teknologi ini dapat menggubah pola radiasi secara otomatis sebagai respon terhadap lingkungan sinyalnya sehingga dapat meningkatkan performa sistem komunikasi nirkabel yang digunakan [9]. Skema antena smart pada Gambar 2.13. Gambar 2.13 Skema Antena smart 2.8 Sistem Antena Smart Ada dua jenis sistem antena smart yaitu sistem switched beam array dan sistem adaptive array. 17
2.8.1 Sistem Adaptive Array Sistem adaptive array memberikan sudut yang lebih luas dikarenakan memiliki kemampuan untuk beradaptasi pola radaisi terhadadap sinyal RF. Dengan kata lain, sistem ini dapat langsung mengirimkan sinyal pengarahan ketika penekanan pola beam antena di dalam interferensi langsung. Secara sederhana, Sistem adapative array dapat menyesuaikan pola radiasi yang cocok untuk masing-masing pengguna [10]. 2.8.2 Sistem Swiched Beam Array Sistem switched beam adalah teknik paling mudah antena smart. Sistem ini membentuk beam tetap dengan sensitivitas yang tinggi diarah tertentu. Sistem antena seperti ini mendeteksi kekuatan sinyal, kemudiaan memilih dari salah satu beam, dan mengganti dari satu beam ke beam yang lain seiring dengan telepon yang bergerak sepanjang sektor, dapat di ilustrasikan pada Gambar 2.14 [10]. Gambar 2.14 Switched beam Coverage Pattern Switched beam merupakan dasar fungsi switching, dapat memilih beam yang memberikan sinyal yang diterima paling kuat. Dengan mengganti perbedaan 18
phasa dari sinyal yang digunakan untuk mendistribusi element antena, beam utama dapat diarahkan ke berbagai arah berbeda sepanjang ruang. Daripada membentuk pola antena direksional, switched beam mengkombinasikan output dari multiple antena sehingga membentuk sektor area beam sempit dengan lebih selektivitas spatial yang dapat tercapai secara konvensional, pendekatan antena tunggal. Sumber literature yang lain disebut dengan phased array antena atau multibeam antena. Konfigurasi tersebut terdiri dari beberapa buah fix beam dengan satu beam diarahkan ke arah sinyal yang diinginkan atau beam tunggal (dengan pergeseran phasa) yang diarahkan ke arah sinyal yang diinginkan. Secara umum konsep Switched-lobe adalah dynamical phased array (DPA). Berdasarkan konsep, direction of arrival (DOA) algoritma tertanam dalam sistem. DOA adalah estimasi pertama dan kemudian parameter di dalam sistem mengatur berdasarkan arah sudut yang diinginkan. Dengan cara ini daya terima maksimal tapi dibutuhkan cara desain antena yang lebih rumit. Elemen yang digunakan dalam sistem array ini harus dihubungkan dengan sumber atau penerima oleh jaringan distribusi. Salah satu jaringan multiple beamforming yang paling umum digunakan adalah matriks butler [10]. 2.9 Matriks Butler Salah satu metode merancang fixed beam dengan menggunakan matriks butler. Matriks butler adalah metode yang menghasilkankan simulasi fixed beam yang menggunakan phase shifter. Asumsikan array linear berjumlah N elemen, jika N=2 n elemen, array faktor dapat ditulis [11]: (2.3) 19
Dengan adalah: Adapun cakupan berkas yang dihasilkan menggunakan matriks butler (2.4) Cakupan berkas adalah cakupan antara pusat arah paling sebelah kiri ke sebelah paling kanan. Maka berdasarkan Persamaan 2.4 terlihat bahwa untuk jaringan butler 4x4, dengan N=4, d= 1 / 2 λ, maka area cakupannya adalah 97 0. Dalam merancang switchables beam menggunakan matriks butler (N x N) membutuhkan quad-hybrid atau directional coupler dan phase shifter. Asumsikan N jumlah antena, n quad-hybrid dan m phase shifter sehingga [12]: (2.5) (2.6) dengan i 20
2.9.1 Phase Shifter Phase shifter merupakan bagian saluran transmisi dengan panjang tertentu yang digunakan untuk menggeser fasa sinyal yang melewatinya. Setiap saluran yang lebih panjang dengan nilai tertentu dari dari saluran referensi merupakan phase shifter. 2.9.2 Quad Hybrid Quadrature hybrid adalah directional coupler 3 db yang menghasilkan beda fasa 90 0 pada kedua keluarannya. Hybrid 90 0 terdiri dari saluran utama yang mengkopel saluran sekunder dengan 2 seperempat panjang gelombang. Gambar 2.15 menunjukkan quad hybrid. Gambar 2.15 Hybrid 90 0 Dengan semua port pada keadaan matched, jika sinyal masuk pada port 1, sinyal keluaran pada dua port lainnya (2,3) akan memiliki amplitudo yang sama tetapi berbeda fasa. 21