11 BAB III WAVEGUIDE 3.1 Bumbung Gelombang Persegi (waveguide) Bumbung gelombang merupakan pipa yang terbuat dari konduktor sempurna dan di dalamnya kosong atau di isi dielektrik, seluruhnya atau sebagian. Gelombang elektromagnetik yang menjalar dalam bumbung gelombang adalah mode TE dan mode TM. Berdasarkan bentuk penampangnya, bumbung gelombang dibagi menjadi beberapa jenis; yang banyak dikenal adalah bumbung gelombang dengan penampang persegi dan lingkaran. Bumbung gelombang persegi (rectangular waveguide) lebih populer dalam penggunaan daripada bumbung gelombang lingkaran (circular waveguide). Gambar 3.1 bumbung gelombang persegi dan lingkaran Cara menghubungkan sumber tegangan dan arus bumbung gelombang berbeda dengan pada saluran transmisi. Pada saluran transmisi, sumer terdiri dari line dan ground. Masing-masing dihubungkan dengan inner dan outer conductor
12 pada kasus kabel sesumbu (koaxial). Pada bumbung, tidak ada konduktor dalam dan konduktor luar, dan dinding-dinding bumbung seluruhnya terhubung dan membentuk short circuit, sehingga tidak mungkin menghubungkan sumber ke bumbung seperti pada saluran transmisi. Caranya adalah dengan melubangi dinding bumbung dan memasukkan probe kabel sesumbu ke dalamnya. Cara ini disebut pengeksitasian. Pada bumbung gelombang, konduktor dalam dari kabel sesumbu masuk ke dalam bumbung dan konduktor luarnya dihubungkan dengan dinding bumbung gelombang. Kabel ini bertindak sebagai antena. Pada ujung antena, gelombang menghambur ke segala arah dan memasuki ruangan bumbung. Berarti banyak sekali (secara teoritis tak berhingga) gelombang yang keluar dari probe antena tersebut sehingga dalam bumbung pun akan ada tak berhingga mode gelombang TE dan TM. Oleh sebab itu, mode-mode ini diberi notasi TE mn dan TM mn, dengan m dan n merupakan bilangan intejer dan menunjukkan banyaknya gelombang berdiri dalam arah yang normal terhadap arah jalar. Dalam praktek, dirancang supaya hanya satu mode gelombang yang menjalar. Mode ini disebut mode dominan. Mode yang lain mengalami redaman atau tidak menjalar. Mode yang tidak menjalar disebut mode cutoff dan mode yang diredam disebut mode evanescent. Pada mode cutoff dan evanescent, daya gelombang tidak hilang, tapi disimpan di sekitar diskontinyuitas dalam bentuk energi listrik dan energi magnetik. Sifat diskontinyuitas ditentukan oleh energi yang dominan. Bila energi listrik lebih dominan daripada energi magnetik, maka diskontinyuitas akan bersifat kapasitif, dan bila sebaliknya maka akan bersifat induktif. 3.2 Mode TM mn Pada mode TM, seluruh medan magnetik transversal terhadap arah jalar, berarti H z berharga nol. Konstanta k c disebut bilangan gelombang cutoff. Untuk impedansi gelombang dicari dengan rumus :
13 η o adalah impedansi intrinsik vakum dan berharga 120π = 377 Ω (impedansi intrinsik udara dianggap sama dengan η o ). 3.3 Mode TE mn Pada mode TE, semua medan listrik transversal pada arah propagasi, E z = 0, tapi ada medan magnetik yang longitudinal terhadap arah propagasi. Impedansi gelombang adalah : (m dan n tidak boleh berharga nol secara bersamaan,) Bila m = n = 0, adalah gelombang mode TEM, padahal dalam bumbung gelombang tidak ada mode TEM. Frekuensi cutoff mode-mode gelombang dapat dinyatakan dengan frekuensi cutoff mode TE 10, dan mode TE 10 frekuensi cutoffnya paling kecil. Dengan demikian frekuensi cutoff sebuah mode gelombang dalam bumbung gelombang persegi dapat dituliskan dalam bentuk. Waveguide harus dirancang dengan ukuran sedemikian rupa sehingga yang menjalar hanya satu mode gelombang, mode dominan. Agar hanya satu mode gelombang yang menjalar, maka gelombang tersebut harus mempunyai frekuensi cutoff paling kecil. Jadi pada bumbung gelombang persegi, dengan a > b mode dominannya adalah mode TE 10. Setelah mode TE 10, mode berikutnya adalah mode TE 20 atau mode TE 01, tergantung apakah a 2b atau a < 2b. Jadi lebar bidang frekuensi sebuah bumbung, agar hanya menjalarkan gelombang dengan mode tunggal, harus diperhatikan frekuensi cutoff ketiga mode ini. Untuk a < 2b, lebar bidang frekuensi ditentukan oleh mode TE 10 dan mode TE 01. 3.4 Gelombang Elektromagnetik dalam Waveguide 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 energi tersebut dikenal sebagai medan-medan elektromagnetik.
14 Perambatan energi listrik disepanjang saluran transmisi adalah dalam bentuk medan elektromagnetik transversal yaitu gelombang yang arah perambatannya tegak lurus terhadap perpindahannya. Ada dua tipe perambatan yang dikenal dalam bumbung gelombang waveguide yaitu tipe TE Transverse Elektric dan TM Transverse Magnetic yang umumnya terjadi pada bumbung gelombang waveguide. Medan magnet Medan magnet Medan listrik Medan listrik Gambar 3.2 TE mode dan TM mode 3.5 Saluran Transmisi Waveguide Ada dua masalah besar yang muncul pada saluran coaxial, yaitu redaman yang relatif besar dan power handling yang relatif rendah. Kedua masalah ini bahkan semakin memburuk ketika frekuensi sinyal yang disalurkannya semakin tinggi. Power handling adalah kemampuan menyalurkan daya. Besarnya daya RF maksimum pada saluran coaxial ditentukan oleh kemampuannya menahan tegangan tembus (voltage breakdown). Tegangan tembus adalah besarnya tegangan yang mampu menembus hambatan di antara dua konduktor hingga menghasilkan lompatan arus listrik (spark). Di dalam saluran koaxial tegangan tembus ini sangat berbahaya dan sedapat mungkin harus harus dihindari. Jika tidak, tegangan tembus ini akan membakar hangus dielektriknya. Sebaliknya, keberadaan tegangan tembus ini justru sangat dibutuhkan pada kendaraan bermotor, khususnya untuk
15 menghasilkan lompatan arus listrik pada busi. Lompatan listrik pada busi (spark) digunakan untuk membakar bahan bakar yang telah dimampatkan di ruang bakar, dan dari pembakaran inilah energi gerak dihasilkan. Jadi di satu sisi keberadaan tegangan tembus ini sangat dibutuhkan, tetapi di sisi lain harus dihindari. Salah satu cara untuk mengatasi tegangan tembus pada saluran coaxial adalah dengan memperlebar jarak konduktor, atau dengan memperbesar diameter konduktor luar. Dengan cara ini maka jarak antara inner dan outer akan makin lebar, sehingga makin besar pula kemampuannya dalam menahan tegangan tinggi. Tetapi makin besar ukuran saluran ini jelas harganya menjadi semakin mahal. Pada saluran koaxial, redaman yang diakibatkan oleh rugi-rugi dielektrik akan semakin memburuk ketika frekuensi sinyal yang disalurkannya semakin tinggi. Bahkan semakin tinggi frekuensi, redaman akibat rugi-rugi dielektrik malah semakin dominan dibanding redaman karena resistansi pada konduktornya. Hal ini disebabkan karena redaman akibat resistansi konduktor hanya sebanding dengan akar dari frekuensi, sedangkan redaman akibat rugi-rugi dielektrik berbanding lurus terhadap frekuensi. Gambar 3.3 kurva hubungan antara redaman pada saluran coaxial terhadap frekuensi Berdasarkan gambar kurva di atas mudah di lihat bahwa dua komponen yang sangat dominan dalam menyumbang redaman adalah inner dan dielektrik. Bila kedua komponen ini bisa dikurangi, atau bahkan dihilangkan, maka dengan sendirinya redaman saluran akan jauh berkurang. Solusi ini terjadi pada saluran transmisi jenis waveguide.
16 Di dalam waveguide tidak ada lagi konduktor dalam (inner). Sebab daya RF yang disalurkannya tidak lagi berupa arus listrik melainkan gelombang elektromagnetik yang menjalar melalui mekanisme pantulan. Sinyal yang hendak disalurkan cukup dimasukkan kedalam waveguide melalui port input yang terhubung ke antena dalam waveguide. Fungsi antena dalam waveguide ini adalah untuk memancarkan gelombang elektromagnetik yang selanjutnya akan dipantulkan oleh dinding-dinding waveguide untuk kemudian dibimbing menuju ke tempat tujuan. Dengan tidak adanya inner di dalam waveguide maka diperoleh keuntungan yang berlipat ganda. Pertama, resistansi inner sebagai penyumbang redaman paling besar menjadi hilang. Kedua, tidak diperlukan lagi dielektrik untuk memegang inner, sehingga konstruksi saluran menjadi lebih sederhana. Ketiga, bahan dielektrik yang dibutuhkan hanyalah udara, dimana udara justru merupakan bahan dielektrik yang bermutu tinggi (resistansinya sangat tinggi), mudah diperoleh dan gratis. Keempat, nilai resistansi udara yang demikian tinggi berarti rugi-rugi yang timbul di dalamnya juga semakin kecil, dengan kata lain redaman yang ditimbulkannya semakin kecil. Kelima, daya rata-rata yang bisa disalurkan meningkat drastis, karena arus listrik yang diserap oleh dielektrik ini menjadi jauh berkurang. Keenam, jarak antar konduktor yang semakin jauh menjadikan waveguide lebih tahan terhadap tegangan tembus (tegangan tinggi), dengan kata lain peak power rating-nya meningkat tajam. Dari keuntungan yang berlipat ganda ini waveguide langsung menuntaskan dua masalah besar yang ada pada saluran koaxial : redaman dan power handling. Namun keunggulan waveguide ini tentu bukannya tanpa konsekuensi. Bagian dalam waveguide yang kosong melompong (hanya berisi udara) membutuhkan perlakuan khusus. Kedua ujung waveguide harus ditutup rapat dan dibutuhkan sebuah dehydrator untuk menjaga udara di dalamnya agar tetap kering. Ini berarti pemakaian waveguide membutuhkan perawatan ekstra dan tambahan dana. Penjalaran gelombang elektromagnetik di dalam waveguide pada prinsipnya sama dengan penjalarannya di ruang terbuka, tetapi tidak sama persis /
17 tidak identik. Di ruang terbuka gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh antena akan menyebar ke segala arah, sedangkan di dalam waveguide penyebaran gelombang elektromagnetik ini dibatasi oleh dinding-dinding yang terbuat dari logam / konduktor. Gelombang elektromagnetik tidak bisa menembus logam, tetapi sebaliknya malah akan dipantulkan. Pantulan sempurna dari dinding waveguide inilah yang membuat gelombang elektromagnetik seolah-olah mengalir didalamnya. Itulah sebabnya saluran transmisi ini disebut dengan waveguide yang berarti membimbing gelombang (melalui dinding-dindingnya). Dalam bahasa Indonesia waveguide diterjemahkan sebagai bumbung gelombang. Ada dua syarat batas (boundary condition) yang harus dipenuhi agar gelombang elektromagnetik menjalar di dalam waveguide. Syarat pertama adalah medan listrik dari gelombang elektromagnetik itu harus tegak lurus terhadap dinding waveguide, dan syarat yang kedua adalah medan magnetnya harus berbentuk lingkaran tertutup, sejajar dengan dinding waveguide dan harus tegak lurus dengan arah medan listriknya. Dalam praktek kedua syarat ini mudah dipenuhi dengan cara meletakkan konektor pada titik yang tepat. 3.6 Karakteristik Waveguide Dalam waveguide ada dua karakteristik penting yaitu : 1. Frekuensi cut off, yg di tentukan 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: 1. Band frekuensi kerja, tergantung pada dimensi. 2. Transmisi daya, tergantung pada bahan. 3. Rugi-rugi transmisi, tergantung mode yang digunakan.
18 3.7 Waveguide Input / Output Metode Sebuah waveguide beroperasi secara berbeda dari saluran transmisi biasa. Oleh karena itu, perangkat khusus harus digunakan untuk meletakkan energi menjadi Waveguide di satu ujung dan keluarkan dari ujung lain. Tiga perangkat yang digunakan untuk menyuntikkan atau menghapus waveguides adalah energi dari probe, loop, dan slot. Slots juga mungkin disebut apertures atau WINDOWS. Sebagaimana dibahas sebelumnya, ketika probe kecil dimasukkan ke dalam Waveguide dan disertakan dengan energi gelombang mikro, ia bertindak sebagai antena gelombang seperempat. Arus mengalir pada probe dan mendirikan sebuah bidang E. E garis melepaskan diri dari pemeriksaan. Bila probe terletak pada titik efisiensi tertinggi, E garis membentuk sebuah bidang E intensitas yang cukup besar. 3.8 Electromagnetic Interference (EMI) EMI (interferensi gelombang elektromagnetik) merupakan suatu fenomena perambatan energi elektromagnetik. Terjadinya EMI ditandai dengan tiga buah syarat, yaitu : a. Sumber interferensi (source). b. Media pembawa/penghantar/perambatan energi elektromagnetik (coupling path) yang berperan untuk merambatkan /meneruskan energi elektromagnetik dari sumber interferensi (source) ke penerima interferensi (receptor). c. Penerima interferensi (receptor) Dimana ketiga syarat tersebut tersusun/terhubung. Apabila ketiga syarat di atas telah terpenuhi, maka telah terjadi apa yang kita sebut dengan interferensi gelombang elektromagnetik (EMI). Selanjutnya yang perlu diperhatikan adalah efek dari EMI terhadap receptor : Bila receptor tersebut sensitif terhadap EMI, maka tentunya akan berakibat pada penurunan/degradasi kinerja receptor yang
19 selanjutnya dapat dijadikan sebagai indikasi utama dalam melakukan suatu analisa EMI. Bila receptor tersebut tidak atau kurang sensitif terhadap EMI, maka tentunya tidak atau belum akan terdeteksi terjadinya penurunan kinerja receptor. Dengan kata lain, penurunan kinerja dari suatu receptor merupakan salah satu indikasi utama yang dapat digunakan sebagai pendekatan awal dalam melakukan suatu analisa EMI. 3.9 Karakteristik EMI Setelah kita mengetahui secara umum mengenai syarat-syarat dan indikasi terjadinya EMI, selanjutnya yang perlu diperhatikan adalah determinasi dari ketiga syarat tersebut. Secara umum, determinasi dari ketiga faktor tersebut dapat dilakukan dengan mengelompokkan peralatan elektronik berdasarkan amplitudo dan frekuensinya masing-masing. Yang dimaksud dengan amplitudo di sini adalah tegangan, arus, maupun kuat medan (field strength) gelombang elektromagnetik, baik yang dinyatakan sebagai fungsi arus f(i), maupun fungsi tegangan f(v). Pada kenyataannya, cukup sulit untuk melakukan pemisahan-pemisahan apakah sebuah perangkat elektronik berperan sebagai source atau sebagai receptor. Akan tetapi terdapat kecenderungan yang dapat dijadikan sebagai acuan bahwa suatu peralatan elektronik dengan amplitudo atau frekuensi yang lebih tinggi akan cenderung berperan sebagai sumber interferensi bagi peralatan elektronik lainnya dengan amplitudo atau frekuensi yang lebih rendah. 3.10 Kuat Medan Kuat medan merupakan salah satu parameter seberapa besar pengaruh EMI dari suatu source terhadap receptor. Kuat medan dinyatakan dalam volt/meter dan diperoleh melalui persamaan : Dimana : E = nilai rms kuat medan (volt/meter) P = rapat daya (watt/meter)
20 120π = impedansi ruang bebas (ohm) Rapat daya ditunjukkan dengan persamaan berikut : Dimana : P = rapat daya (watt/meter) P T = daya yang ditransmisikan (watt) r = jarak (meter) Kita dapat mengetahui besar kuat medan dari suatu transmiter (yang berperan sebagai source) dengan melakukan pengukuran yang menggunakan antena sebagai indikatornya. Di bawah ini adalah gambar set-up pengukuran kuat medan dari suatu transmiter. Tipe WG Tabel 1. Dimensi dan cut-off frekuensi untuk bumbung gelombang persegi waveguide Frekuensi Frekuensi cut-off Redaman db / 30m Bahan Dimensi waveguide (mm) WG00 0.32-0.49 0.256 0.051-0.031 Alumunium 584 x 292 WG0 0.35-0.53 0.281 0.054-0.034 Alumunium 533 x 267 WG1 0.41-0.625 0.328 0.056-0.038 Alumunium 457 x 229 WG2 0.49-0.75 0.393 0.069-0.050 Alumunium 381 x 191 WG3 0.64-0.96 0.513 0.128-0.075 Alumunium 292 x 146 WG4 0.75-1.12 0.605 0.137-0.095 Alumunium 248 x 124 WG5 0.96-1.45 0.766 0.201-0.136 Alumunium 196 x 98 WG6 1.12-1.70 0.908 0.317-0.212 Kuningan 165 x 83 WG6 1.12-1.70 0.908 0.269-0.178 Alumunium 165 x 83 WG7 1.45-2.20 1.157 131 x 65 WG8 1.70-2.60 1.372 0.588-0.385 Kuningan 109 x 55 WG8 1.70-2.60 1.372 0.501-0.330 Alumunium 109 x 55 WG9A 2.20-3.30 1.736 0.877-0.572 Kuningan 86 x 43 WG9A 2.20-3.30 1.736 0.751-0.492 Alumunium 86 x 43 WG10 2.60-3.95 2.078 1.102-0.752 Kuningan 72 x 34 WG10 2.60-3.95 2.078 0.940-0.641 Alumunium 72 x 34 WG11A 3.30-4.90 2.577 59 x 29 WG12 3.95 x 5.85 3.152 2.08-1.44 Kuningan 48 x 22 WG12 3.95 x 5.85 3.152 1.77-1.12 Alumunium 48 x 22 WG13 4.90-7.05 3.711 40 x 20 WG14 5.85-8.20 4.301 2.87-2.30 Kuningan 35 x 16 WG14 5.85-8.20 4.301 2.45-1.94 Alumunium 35 x 16 WG15 7.05-10.0 5.26 4.12-3.21 Kuningan 29 x 13 WG15 7.05-10.0 5.26 3.50-2.74 Alumunium 29 x 13