PENGONTROLAN POLARADIASI ANTENA ARRAY DENGAN ANTENA INDIVIDU DIPOLE ½ LAMBDA Firdaus 1 Sri Yusnita 2 ABSTRACT Control Polaradiasi for array antennas is electrically performed by changing a few parameters such as, the geometry of antenna array, the distance between elements of the antenna array, the amplitude and phase of the excitation. For the particular geometry and spacing between elements and the constant current amplitude control polaradisi antenna array can be done by adjusting the interelement phase array antenna with a phase shifter device. In this research, phase arrangement made with a method dentonature line. The antenna can be directed at an angle of 0 o, 20 o, 35 o, 40 o and 280 o. Antenna gain is obtained from measurements 8 db and antenna bandwidth is 34 MHz. In this research phase arrangement made with a method dentonature line. The antenna can be directed at an angle of 0o, 20o, 40o and 35o 280o. Antenna gain measurement is 8 db and the bandwidth of the antenna is 34 MHz Keywords: Array Antenna, polaradiasi, Gain INTISARI Pengontrolan polaradiasi antena array secara listrik dilakukan dengan merubah beberapa parameter diantaranya, geometri antenna array, jarak antar elemen antenna array, amplitudo dan fasa dari eksitasi. Untuk geometri tertentu dan jarak antar elemen dan amplitudo arus konstan maka pengendalian polaradisi antenna array dapat dilakukan dengan mengatur fasa antar elemen antena array dengan suatu perangkat penggeser fasa. Pada penelitian ini pengaturan fasa dilakukan dengan metoda dentonature line. Antena dapat diarahkan pada sudut 0 o, 20 o, 35 o 40 o dan 280 o. Gain antena yang didapat dari pengukuran adalah 8 db dan bandwidth antena adalah 34 MHz. Kata kunci : Antena array, polaradiasi, Gain 1 Program Studi Teknik Elektro Politeknik UNAND Padang 2 Program Studi Teknik Elektro Politeknik UNAND Padang 134
PENDAHULUAN Antena sebagai perangkat yang meradiasikan dan menerima gelombang elektromagnetik telah berkembang sangat luas sekali baik dalam bentuk dan aplikasinya. Salah satu pengembangan antena adalah penggunakan beberapa antena individual yang bekerja sama sehingga membentuk suatu antena dengan karakteristik yang sama sekali berbeda dari antena individualnya. Jenis antena ini dikenal dengan Antena Array. Keunikan antena array ini adalah bahwa beam (polaradiasi ) dari antena dapat dikendalikan dengan cara mengatur sedemikian rupa beda fasa arus catu masing-masing elemen antena dan mengatur jarak antar elemen. Apabila jarak antar elemen dibuat dua kali panjang gelombang yang akan dipancarkan dan beda fasa antar elemen dibuat konstan maka akan didapatkan polaradiasi yang menyebar serba sama kesegala arah. Sedangkan untuk jarak antar elemen sebesar ½λ dari frekuensi yang akan dipancarkan dan beda fasa arus untuk masing-masing elemen adalah 90 o maka didapatkan polaradiasi maksimum antena pada arah 0 o (sejajar dengan sumbu antena). Untuk jarak antar elemen sebesar ½ λ dan beda fasa antar elemen adalah 0 o didapat polaradiasi maksimum pada arah 90 o. Karakteristik antena array ini memungkinkan penggunaan yang lebih luas dalam sistem telekomunikasi seperti Smart Antena, Radar, Remote Sensing dan lain-lain. Untuk Aplikasi smart antena, memungkinkan dilakukan estimasi arah kedatangan sinyal (Direction of Arrival) terhadap sinyal terima antena Array, dan selanjutnya receiver smart antena mengendalikan fasa arus catu antena sehingga main beam (polaradasi maksimum) dapat diarahkan ke penerima yang dimaksud. Untuk sistem radar konvensional, antena radar diputar menggunakan rotator sehingga memungkinkan antena melakukan scanning area sekitar antena. Dengan aplikasi antena array maka memungkinkan dilakukan scanning secara elektrik pada antena radar, dimana dengan posisi antena tidak berubah tetapi polaradiasi bisa diarahkan dengan mengendalikan fasa arus catu pada antena individualnya. Dengan demikian kelemahan dari antena radar konvensional yang membutuhkan daya yang besar untuk memutar rotator antena bisa diatasi. Dalam aplikasi antena array dibutuhkan perangkat penggeser fasa (phase shifter) agar fasa antena individual antena array dapat diatur. Perubahan fasa dari phase shifter yang digunakan adalah 90 o, 155 o dan 180 o, sehingga polaradiasi antena dapat dikendalikan pada arah, 30 o, 60 o, dan 90 o.antena yang digunakan adalah antena dipole vertikal dimana polaradiasi untuk antena dipole vertikal adalah omnidirectional sehingga memungkinkan didapatkan daya maksimum pada seluruh arah horizontal. Diharapkan dengan menggunakan antena ini juga memungkinkan untuk mendapatkan daya maksimum pada arah 0 o. Hasil penelitian dapat digunakan untuk pengembangan antena radar dan penginderaan jarak jauh serta dapat dimanfaatkan sebagai modul ajar dan praktikum antena di labaoratorium Antena dan Propagasi Jurusan Elektro Program Studi Telekomunikasi. PENDEKATAN PEMECAHAN MASALAH 1. Bagaimana membuat antena dipole yang mempunyai polaradiasi omnidirectional 135
2. Bagaimana membuat antenna array yang terdiri dari elemen antenna dipole vertical 3. Bagaimana melakukan pergeseran fasa pada antenna array sehingga polaradiasi antenna bisa diarahkan secara horizontal TUJUAN 1. Mengatur polaradiasi antena array dengan cara scanning secara elektrik tanpa memutar antena secara fisik. 2. Mengatur fasa antar elemen antena array dengan suatu perangkat penggeser fasa. 3. Melakukan pengukuran Gain dan Bandwidth antena. HASIL DAN PEMBAHASAN Antena Array Antena array merupakan antena yang mempunyai beberapa antena individual yang disusun secara paralel dan dicatu secara simultan. Bentuk umum dari antena array dapat dilihat pada gambar 1 dimana antena individual penyusun antena array adalah antena dipole ½ λ. d Gambar 1. Antena Array L = ½ lamda Prinsip dari antena array dapat dijelaskan dengan mengasumsikan antenna array terdiri dari dua elemen sumber isotropis sebagaimana pada gambar 2.a. Apabila kedua sumber tersebut dipisahkan dengan jarak setengah panjang gelombang dan tidak ada perbedaan fasa arus pada elemen pertama dan kedua maka sinyal yang dipancarkan pada arah sumbu z akan saling menghilangkan. Ini dikarenakan sinyal yang datang dari elemen pertama menuju ke elemen kedua akan berbeda fasa sejauh 180 o karena telah menempuh jarak setengah lamda. Sehingga pada arah sumbu z positif maupun negative akan saling menghilangkan. Polaradiasi antenna maksimum pada arah tegak lurus bidang antenna seperti ditunjukkan pada gambar 2.b G (a) 136
(b) (c) Gambar 2. Dua sumber titik isotropik dengan amplitudo dan fase yang sama dan spasi 1 1/2 λ terpisah. (a) inspeksi metode (b) polar plot array faktor f(ѳ) = cos [(π/2) cos Ѳ]. (c) metode perhitungan. Untuk dua sumber isotropis dengan amplitudo arus sama dan fasa arus pada kedua elemen berbeda fasa 180 o ditunjukkan pada gambar 3. Sinyal yang datang dari elemen pertama menuju elemen kedua akan sefasa dengan sinyal yang ada pada elemen kedua karena sinyal kedua elemen saling berbeda fasa 180 o dan kembali fasanya tertinggal setelah menempuh jarak setengah lambda. Maka pada arah sumbu z sinyal akan saling menjumlahkan. Sedangkan pada arah sumbu x karena sinyal dari kedua antena berbeda fasa 180 o maka sinyal yang dipancarkan dari kedua elemen akan saling menghilangkan seperti ditunjukkan dalam gambar 3.a. Bentuk polaradiasi yang dihasilkan ditunjukkan pada gambar 3.b. 137
(a) (b) Gambar 3. Dua sumber titik isotropik dengan amplitudo yang sama dan fase berlawanan, dan spasi 1 1/2 λ terpisah. (a) inspeksi metode plot (b) polar dari besarnya faktor array f(ѳ) = sin[(π/2) cos Ѳ]. Dengan demikian polaradiasi antenna berubah sesuai dengan beda fasa arus yang diberikan. Pola umum dari antenna array dapat dituliskan secara matematis pada persamaan 1. sin( N )... 1 AF A 2 0 N sin( ) Dimana : 2 N = Jumlah Elemen D = Jarak antar elemen λ = Pusat jari-jari AF d cos 2 Untuk array linier berjarak sama, akan didapat arus identik dimana A 0 = A 1 = A 2 = A 3.= A n, dimana A n adalah amplitudo arus ke n. Sudut θ adalah beda fasa arus antar elemen antenna. Penggambaran pola radiasi (AF) dapat dilakukan dengan menggunakan polar plot dan universal pattern dalam fungsi persamaan 2 : sin( N ) f ( ) 2... 2 N sin( ) 2 Pada gambar 4 dapat diamati polaradiasi maksimum berada pada θ = 90 o. Dengan cara yang sama pada gambar 5 ditunjukkan polaradiasi antenna array untuk jumlah elemen antenna N = 5, jarak antar elemen d = λ/2 dengan nilai θ = 0, 30 o, 45 o, 60 o, 90 o dan 120 o. Berdasarkan gambar 3 dapat dilihat bahwa polaradiasi maksimun antenna sesuai dengan perubahan nilai θ. Dengan demikian dengan mengatur beda fasa antenna array dari arah 0 o sampai dengan 360 o maka polaradiasi antenna array akan bergerak dari 0 sampai dengan 360 derajat tanpa harus memutar antenna secara fisik. 138
Gambar 4 Polaradiasi untuk jumlah elemen N= 5 Spasi antar elemen d= λ/2, θ = 0 o dan θ=30 o Gambar 5. Polaradiasi untuk jumlah elemen N= 5 Spasi antar elemen d= λ/2, θ = 45 o,θ=60 o θ=90 o dan θ=120 o Phase Shifter (Penggeser Fasa) Phase shifter adalah suatu perangkat untuk menggeser atau menambah fasa dari sinyal yang ditransmisikan pada system. Dalam aplikasi antenna phase shifter digunakan untuk menggeser fasa sinyal yang di umpankan ke antenna. Ada beberapa metoda yang bisa digunakan untuk menggeser fasa dari sinyal diantaranya High pass /Low pass phase shifter, dan Loaded line phase shifter, dan switched line phase shifter, 139
a. High pass /Low pass phase shifter Penggunaan reaktansi variable secara seri atau shunt dapat digunakan untuk melakukan penggeseran fasa. Sebuah high pass/low pass phase shifter dengan model π network menggunakan kapasitor diskrit ditunjukkan oleh gambar 6. Pada konfigurasi high pass yang ditunjukkan pada gambar, untuk kondisi circuit match, X = 2B/(1+B 2 ) dan fasa adalah sebesar tan -1 (2B/(B 2-1)). Sebagai saklar bisa digunakan PIN diode atau MESFETs. Dengan rangkaian ini memungkin melakukan penggeseran fasa sebesar 180 o. Gambar 6. High pass/low pass π network phase shifter b. Loaded Line Phase Shifter Jenis phase shifter dengan loaded line ini memungkinkan penggeseran fasa 22.5 o sampai dengan 45 o.rangkaian dari loaded line phase shifter ditunjukkan pada gambar 7. Beban reaktif pada gambar sepanjang ¼ panjang gelombang dipasang secara shunt pada saluran transmisi untuk menghasilkan penggeseran fasa. Susceptance kedua (jb) dipasang untuk menghasilkan pantulan, dimana secara terpisah menghilangkan pantulan pada susceptance pertama (jb). Jika suceptansi adalah kapasitif, maka kecepatan fasa berkurang dan jika suseptansi induktif maka kecepatan fasa bertambah. Loaded line phase shifter adalah phase shifter untuk pita sempit, dan bisa menghasilkan fasa yang konstan terhadap frekuensi. Gambar 7. Loaded line phase shifter c. Switched line phase Shifter. Switched line phase shifter ditunjukkan pada gambar 8. Saklar SPDT digunakan untuk mengalihkan antara saluran transmisi yang mempunyai panjang yang berbeda. Berbeda dengan dua model sebelumnya, delay yang dihasilkan sesuai dengan dengan waktu (true time delay) sehingga memungkinkan menghasilkan fasa respon fasa yang sesuai dengan frekuensi. Pergeseran fasa diberikan oleh :... 3 Dimana β adalah konstanta propagasi dari saluran transmisi. 140
Gambar 8. Switched line phase shifter. Dari ketiga model phase shifter yang dijelaskan diatas, switched line phase shifter yang memungkinkan penggeseran multi fasa sehingga memungkinkan diaplikasikan untuk menggeser fasa variabel dari 0 o 360 o. Pembuatan Antena Array Pada penelitian ini dibuat antena array tiga elemen dimana elemen individualnya merupakan antena dipole ½ λ dengan frekuensi kerja 733 MHz. Elemen antena dibuat dari batang alumunium dengan diameter 0.9 cm. Elemen antena ditempatkan disebuah kotak penyangga terbuat dari isolator. Konstruksi antena dapat dilihat pada gambar 9. Berdasarkan frekuensi kerja dari antenna maka dihitung panjang elemen antena dengan menggunakan rumus persamaan 3: Dimana : dan...4 c = kecepatan cahaya diruang hampa (3 x 10 8 m/s) L= Panjang antena (cm) λ= panjang gelombang (cm) F= frekuensi (MHz) Gambar 9. Elemen antena dan kotak antenna. Setelah didapat ukuran antena selanjutnya dilakukan perancangan antena sesuai dengan hasil desain. Bentuk akhir antenna ditunjukkan pada gambar 10. 141
Kabel catu dipasangkan pada kedua elemen antenna sebagaimana yang ditunjukkan pada gambar 11. Gambar 10. hasil akhir dari antena dipole Gambar 11. Hasil akhir pemasangan konektor Antena dipole ini dibuat sebanyak tiga bua dengan ukuran yang identik. Hasil akhir dari antena array ditunjukkan dalam gambar 12. Gambar 12. Hasil akhir dari antenna array Untuk menggeser fasa antar elemen antenna array dilakukan dengan mengatur panjang kabel masingmasing elemen antenna. Pada penelitian ini dibuat beberapa kabel untuk pengujian dengan ukuran panjang masing-masingnya ditunjukkan pada tabel 1. 142
Table 1 Ukuran kabel yang akan di uji.dimana : λ = 40,9 cm. No Panjang kabel (lamda) Panjang kabel (mm) 1 2 3 4 5 λ, λ, λ λ, 1 1/16λ, 1 1/8 λ λ, 1 1/8λ, 1 ¼ λ λ, 1 ¼ λ, 1 ½ λ λ, 1 ½ λ, 2 λ, 409, 409, 409 409, 434,56, 460,125 409, 460,125, 511.25 409, 511.25, 613.5 409, 613.5, 818 Masing-masing kabel akan digunakan sebagai pencatu antena array dalam pengukuran dan pengujian antnna array. Pemasangan kabel ditunjukkan pada gambar 13. Gambar 13. Pencatuan Antena Gambar 14. Pengukuran Antena array Pemasangan antenna dan alat ukur ditunjukkan pada gambar 15. Pada pengujian antenna array ditempatkan sebagai antenna penerima. Alat ukur yang digunakan pada penerima adalah spectrum Analyzer Instek GSB-810 1000MHz. Sedangkan pemancar yang digunakan adalah RF Generator HP 8657B dengan frekuensi kerja 0,1 2060 MHz. Antena pemancar yang digunakan adalah antena dipole ½ λ. Pengukuran Gain Antena Array Pengukuran gain antenna array dilakukan dengan membandingkan daya terima antenna array dengan antenna dipole ½ λ. Dari hasil pengukuran didapatkan daya terima antenna dipole ½ λ sebesar -56 dbm sedangkan daya terima dengan antenna array adalah -48 dbm dengan demikian didapatkan gain antenna sebesar 8 db. Gain yang didapatkan lebih kecil dari antenna yagi 7 elemen dimana gain atena adalah sebesar 12 db. Dengan demikian gain yang dihasilkan cukup baik karena antenna array terdiri dari 3 elemen antenna dipole. Apabila jumlah elemen antenna array ditambah maka juga akan memperbesar nilai Gain. Pengukuran Respon Frekuensi Respon frekuensi antenna array dapat dilihat pada saat antena beresonansi pada frekuensi 733 MHz dimana pada frekuensi tersebut daya terima antenna maksimum -57 dbm. Bandwidth antenna yaitu pada level - 3 db yaitu sebesar 34 MHz. Polaradiasi Antena Array Polaradiasi antenna array ditunjukkan pada gambar 15 sampai dengan gambar 19 untuk kombinasi panjang yang berbeda pada setiap elemen antenna array. Pada gambar 15 pengukuran polaradiasi maksimum didapat pada arah 40 o, panjang kabel yang digunakan untuk masing-masing elemen antena 1λ. Apabila dibandingkan dengan polaradiasi secara teori (persaman 2) 143
untuk sudut 40 o maka panjang kabel 1 λ merupakan pergeseran fasa 137 o. Gambar 15. Diagram polaradiasi antenna array dengan panjang kabel catu λ, λ, λ Gambar 17. Diagram polaradiasi antenna array dengan panjang kabel catu λ, 1 1/8λ, 1 1/4λ Gambar 18. Diagram polaradiasi antenna array dengan panjang kabel catu λ, 1 1/4λ, 1 1/2λ Gambar 16. Diagram polaradiasi antenna array dengan panjang kabel catu λ, 1 1/16λ, 1 1/8λ Pada gambar 16 polaradiasi antenna maksimum pada arah 0 o dan ada lobe lain pada arah arah 100 o.gambar ini mendekati polaradiasi secara teoritis menggunakan persamaan 2 untuk arah maksimum 0 o. dengan demikian panjang kabel λ, 1 1/16λ, 1 1/8λ mendekati pergeseran fasa -180 o untuk masing-masing elemen antenna. Gambar 19. Diagram polaradiasi antenna array dengan panjang kabel catu λ, 1 1/2λ, 2λ Untuk gambar 17 polaradiasi maksimum antenna adalah pada sudut 40 o dimana mendekati polaradiasi secara teoritis untuk beda fasa antar elemen adalah -173 o. Sedangkan untuk gambar 18 polaradiasi maksim antenna adalah 144
pada arah 20 o dimana mendekati bentuk polaradiasi secara teoritis untuk beda fasa antar elemen sebesar 170 o. Untuk gambar 19 polaradiasi antenna maksimum pada arah 280 o mendekati bentuk polaradiasi secara teoritis untuk beda fasa antar elemen 31 o. Dari keseluruhan hasil pengukuran polaradiasi dapat dilihat bahwa dengan variasi kebel yang digunakan pada pengukuran maka polaradiasi antenna dapat digeser secara elektrik untuk arah 40 o, 35 o, 20 o, 0 o dan 280 o. Bentuk Polaradiasi semua hasil pengukuran tidak berhimpit dengan polaradiasi teoritis. Hal ini dikarenakan elemen antena dipole vertikal secara individual tidak benarbenar omnidirectional dan untuk ketiga antenna polaradiasi antenna tidak benar-benar sama [3] Warrant L Stutmant. 1981. Antena Theori and Design. John Willey & Son, USA. Radar tutorial, http://www.radartutorial.eu/01.basics/ rb05.en.html RF, RFIC & microwave Desaing, www.rfic.co.uk KESIMPULAN 1. Gain antena array cukup baik yaitu sebesar 8 db dengan 3 elemen. Ada perbaikan Gain dibanding dengan elemen individunya. 2. Frekuensi kerja dari antena adalah 733 MHz. dengan bandwidth 34 MHz. 3. Polaradiasi dari antena dapat dikendalikan dengan cara merubah arus catu antar elemen. Arah yang didapatkan adalah untuk sudut 0 o 20 o, 35 o, 40 o dan 280 o tetapi belum bisa diarahkan pada arah yang lain. DAFTAR PUSTAKA [1] Firdaus, R. Dewi, Ramiati, A. Dahlan. 2011. Pembuatan Penggeser Fasa (Phase Shifter) Gelombang Frekuensi radio 700 MHz Untuk aplikasi praktikum antena array dan radar. [2] Robert R. Romanofsky. 2007 Array Phase Shifters: Theory and Technology. NASA 145