BAB II SALURAN TRANSMISI 2.1 Umum Penyampaian informasi dari suatu sumber informasi kepada penerima informasi dapat terlaksana bila ada suatu sistem atau media penyampaian di antara keduanya. Jika jarak antara sumber informasi dengan penerima informasi dekat, maka sistem transmisi yang dipakai cukup melalui udara. Namun bila jarak keduanya jauh dan sangat jauh, maka dibutuhkan suatu sistem transmisi yang lebih kompleks. Sistem transmisi itu dapat terdiri atas satu atau lebih media transmisi. Media yang digunakan dalam sistem ini dapat berupa media fisik (kabel) maupun non fisik (nirkabel). Media transmisi fisik merupakan media transmisi yang mempunyai bentuk fisik. Media fisik ini umumnya menggunakan kabel, bumbung gelombang atau serat optik, sedangkan media non fisik berupa udara atau ruang bebas (free space). Saluran transmisi merupakan suatu komponen yang sangat penting dalam sistem transmisi baik sistem kabel maupun nirkabel. Pada sistem transmisi nirkabel, saluran transmisi digunakan untuk menghubungkan pemancar dengan antena pemancar dan penerima dengan antena penerima[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 kita bedakan dalam 4 kategori, yaitu[1,4]: 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[1,3]. 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. Berdasarkan konstruksi fisik, saluran transmisi dapat dibedakan menjadi yaitu: 2 Two-wire (Twin Lead) Merupakan saluran dua kawat yang terdiri dari sepasang penghantar sejajar yang dipisahkan oleh bahan dielektrik jenis polythylene. Saluran ini biasanya mempunyai impedansi karakteristik 300 Ω sampai 600 Ω dan banyak dipakai untuk menghubungkan penerima pesawat televisi dengan antena penerima pada daerah Very High Frequency (VHF). Struktur fisiknya dapat dilihat pada Gambar 2.1. Garis putus-putus pada gambar tersebut menunjukkan medan magnet yang timbul di sekeliling induktor, sedangkan garis yang tidak putus-putus menunjukkan medan listrik[1,2]. Gambar 2.1 Two wire line 3 Coaxial Line Merupakan saluran tidak seimbang (unbalanced line), dimana salah satu kawat penghantarnya digunakan sebagai pelindung bagi kawat penghantar yang lain dalam satu sumbu yang sama. Kedua kawat penghantarnya dipisahkan oleh bahan dielektrik Polyethelyne atau teflon.
Saluran transmisi ini paling banyak digunakan untuk mengirimkan energi dengan frekuensi radio (RF), baik dalam sistem pemancar maupun penerima. Impedansi karakteristiknya beragam, mulai dari 50 Ω sampai 75 Ω. Struktur fisik dan pola medannya dapat dilihat pada Gambar 2.2 dimana garis putus-putus menunjukkan medan magnet, sedangkan garis yang tidak putus-putus menunjukkan medan listrik. Gambar 2.2 Kabel Coaxial 4 Balanced Shielded Line Merupakan perpaduan dari saluran two wire line dan coaxsial, dimana kedua kawat penghantarnya saling sejajar, namun untuk mengurangi rugi-rugi radiasi digunakan pelindung (shielded) dari jalinan serat logam seperti pada saluran coaxial. Kabel ini mempunyai karakteristik yang lebih baik dibandingkan kabel two-wire.
5 Microstrip dan Stripline Merupakan saluran transmisi yang bentuk fisiknya berupa kabel yang bersifat kaku. Saluran transmisi jenis ini biasanya digunakan untuk bekerja pada daerah frekuensi gelombang mikro (orde GHz) dan digunakan untuk menghubungkan piranti elektronik yang berjarak dekat. Saluran microstrip biasanya dibuat dalam bentuk Primed Cabling Board (PCB) dengan bahan khusus yang mempunyai rugi-rugi rendah pada frekuensi gelombang mikro[1]. 6 Bumbung gelombang (waveguides) Bumbung gelombang (waveguides) merupakan 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. Pada frekuensi yang sangat tinggi, diatas 1 GHz, saluran transmisi tidak efektif lagi sebagai media transmisi gelombang elektromagnetik, karena pada frekuensi tersebut efek radiasi dari redaman saluran sudah terlalu besar[1,5]. Impedansi karakteristik dan mode perambatan gelombang pada saluran jenis ini berbeda dengan jenis sebelumnya. 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 2.3[1,6].
Gambar 2.3 Waveguide : (a) Rectangular Waveguide, (b) Circular Waveguide 2.3 Karakteristik Saluran Transmisi 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[1,3]. 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 seragam (uniform), dimana semua nilai besaran-besaran tersebut sama disepanjang saluran, maka potongan kecil saluran dapat dianggap merepresentasikan panjang keseluruhan[1,5]. 2.4 Impedansi Karakteristik 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)" [1,2]. tegangan forward Z o =...(2.1) 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 diserap seluruhnya disepanjang saluran sebagai akibat bocornya arus pada kapasitansi antar penghantar dan hilangnya tegangan pada induktansi saluran[1]. Gambar 2.4 Pengukuran Impedansi Karakteristik Pada Gambar 2.4, 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[1]. Impedansi karakteristik saluran tanpa rugi-rugi (losses-line) dapat dituliskan sebagai berikut: L Zo = [ Ω / m]...(2.2) C dimana : 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 2.1[1, 2]: Tabel 2.1 Impedansi Karakteristik Saluran Transmisi Jenis Saluran Zo (Ω) L (H/m) C (F/m) Twin Lead 120 2D µ 2D µε ln ln k d π d 2D ln d Coaxial 60 D k ln µ D 2µε ln d 2π d D ln d Balanced Shielded 2 120 1 σ ln 2v 2 k 1+ σ v = h / d σ = h / D Microstrip/ Strip line 377 T e t W Bumbung Gelombang η Zog = (Circular Waveguide) 2 fc 2π 1 f dimana: D = Jarak antar konduktor (pada twist pair) atau diameter konduktor outer (pada coaxial dan balanced shielded) (meter) d = Diameter konduktor inner (meter) h = Jarak antar konduktor (pada balanced shielded) (meter) k = Konstanta dielektrik bahan isolator
e = Permitivitas µ = Permeabilitas e t = Konstanta dielektrik relatif η = Impedansi gelombang udara (Ω) f c = Frekuensi cut-off (GHz) 2.5 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 (waveguides)[1,6]. 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 : 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[1,3]: 8 3x10 v =...(2.3) k dimana : 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 2.2[1,3]:
Tabel 2.2 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 106 207 x 106 165 x 106 136 x 106 190 x 106 Untuk saluran transmisi tanpa rugi-rugi (losses line), kecepatan rambat gelombang dalam saluran dapat dituliskan sebagai[1,4]: dimana: v =...(2.4) LC 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[1,4]: c λ = (meter)...(2.5) f k
dimana: c = Kecepatan rambat gelombang elektromagnetik pada ruang hampa (3 x 10 8 m/detik), f = Frekuensi gelombang tersebut (Hz), dan k = Konstanta dielektrik 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[1,4]. Pada umumnya ada tiga macam rugi-rugi yang terdapat pada saluran transmisi yang sedang dilalui sinyal, yaitu : 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.