BAB II TEORI DASAR ANTENA 2.1 Antena Dipole Antena dipole tunggal adalah suatu antena resonan yang mempunyai panjang total nominal ½ λ pada frekuensi pembawa, biasanya disebut antena dipole setengah gelombang atau antena dipole tunggal. Antena dipole sebenarnya merupakan sebuah antena yang dibuat dari kawat tembaga dan dipotong sesuai ukuran agar beresonansi pada frekwensi kerja yang diinginkan. Antena dipole bisa terdiri hanya satu kawat saja disebut single wire dipole, bisa juga dengan dua kawat yang ujung-ujungnya dihubungkan dinamakan two wire folded dipole, bisa juga terdiri atas 3 kawat yang ujung-ujungnya disambung dinamakan three wire folded dipole. Gambar 2.1 Antena dipole ½ λ 6
2.2 Antena Dipole Reflektor Antena dipole reflektor adalah antena direksional yaitu antena dalam bentuk satu arah sebagai pengembangan dari antena ½ λ dipole, dengan menggunakan reflektor yang dapat digunakan sebagai antena penerima pada sistem komunikasi. Setiap antena didesain dengan menentukan daerah panjang gelombang antena tersebut. Panjang gelombang (λ) antena dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan 2.1. Dimana c adalah kecepatan cahaya pada ruang hampa yang bernilai 3.10 8 m/det dan f adalah frekuensi kerja antena dalam Hz. Selanjutnya panjang elemen peradiasi antena (L) adalah : Selanjutnya untuk menentukan jarak antara antena (S) dengan reflektornya adalah: S = 0,5 λ... (2.3) Menghitung tinggi reflektor antena (H) menggunakan rumus : H = 0,6 λ... (2.4) Panjang reflektor antena (L) adalah : L = 2S..... (2.5) 7
2.3 Parameter-parameter Antena Pada sub-bab ini akan dibahas tentang parameter-parameter yang digunakan dalam membantu penyelesaian penelitian ini. Adapun parameter-parameter yang digunakan adalah VSWR, pola radiasi, direktivitas dan gain, half power beamwidth (HPBW). 2.3.1 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) VSWR adalah perbandingan antara tegangan maksimum dan minimum pada suatu gelombang berdiri akibat adanya pantulan gelombang yang disebabkan tidak matching-nya impedansi input antena dengan saluran feeder. V 1 +Γ( z) = = dimana Γ ( z) adalah koefisien pantul. 1 Γ ( ) max VSWR V min z Dengan 0 Γ( z) 1, sehingga nilai VSWR adalah 1 VSWR. 2.3.2 Pola Radiasi Pola radiasi suatu antena didefinisikan sebagai suatu pernyataan secara grafis yang menggambarkan sifat radiasi suatu antena (pada medan jauh) sebagai fungsi dari arah. Ada 3 jenis pola radiasi antena yaitu : a. Pola Isotropis Merupakan pola antena referensi dimana pola radiasi seperti bola menyebar ke segala arah, dalam kenyataanya tidak dapat direalisasikan, tetapi pola radiasi idealnya sebagai standart. b. Pola endfire (directional) Merupakan pola radiasi antena dimana pola radiasi terkuatnya diarahkan ke suatu arah tertentu. 8
c. Pola Broadside (omnidirectional) Merupakan pola radiasi antena yang menyebar ke segala arah. Gambar 2.2 Sifat Radiasi Antena Gambar 2.3 Pola radiasi antena 9
Gambar 2.4 Keterangan pola radiasi antena a. Beam utama (main beam) atau lobe utama (main lobe) adalah pancaran utama dari pola radiasi suatu antena. b. Lobe kecil (minor lobes) adalah pancaran-pancaran kecil selain pancaran utama dari pola radiasi antena. c. Lobe sisi (side lobes) adalah pancaran-pancaran kecil yang dekat dengan pancaran utama dari pola radiasi antena. d. Lobe belakang (back lobe) adalah pancaran yang letaknya berlawanan dengan pancaran utama dari pola radiasi antena. e. Titik setengah daya (Half power point) adalah suatu titik pada pancaran utama yang mempunyai nilai daya separuh dari harga maksimumnya. Half power beam width (HPBW) adalah lebar sudut yang memisahkan dua titik setengah daya pada pancaran utama dari pola radiasi. f. Front to back ratio adalah perbandingan antara daya maksimum yang di pancarkan pada lobe utama (main lobe) dan daya pada arah belakangnya. 10
2.3.3 Half Power Beam Width (HPBW) Parameter lain didalam pola daya adalah half power beamwidth (HPBW), yang merupakan lebar sudut yang memisahkan antara dua titik pada beam utama dari suatu pola daya, dimana daya pada dua titik itu sama dengan separuh dari daya maksimumnya. Dimana θhp left dan θhp right adalah titik-titik disebelah kiri dan kanan dari maksimum beam utama dimana harga pola daya pada kedua titik itu sama dengan separuh dari harga maksimumnya. Berdasarkan bentuk pola radiasinya, antena dapat digolongkan menjadi antena Broad Side, apabila arah maksimum beam utamanya pada arah normal (tegak lurus) bidang yang memuat antena. Dan sebaliknya, apabila arah maksimum beam utama berada didalam bidang yang memuat antena, maka pancaran utama (main beam) sejajar dengan bidang yang memuat antena (endfire). Namun demikian ada juga antena yang mempunyai pola radiasi dimana arah maksimum beam utamanya berada diantara bentuk Broad Side dan Endfire (intermediate). Antena yang mempunyai radiasi intermediate ini banyak dijumpai pada phase array antena. 2.3.4 Gain Penguatan ( gain ) adalah besarnya perbandingan intensitas daya yang dipancarkan antena dengan total daya yang diterima. Gain juga merupakan suatu ukuran dalam pengukuran karakteristik antena yang menyatakan kemampuan antena untuk menyearahkan daya. Dengan penguatan antena standar yang 11
diketahui sebesar 2,15 db. Secara matematis gain dapat dihitung dengan persamaan : Gain = [ E1 E2 ] + 2,15...(2.8) Dimana E1 = Daya yang diterima dengan antena pembanding (db) dan E2 = Daya yang diterima dengan antena yang diukur (db). Pengukuran gain juga dapat dilakukan dengan mengukur gain absolut berdasarkan rumus transmisi Friis berikut : Dimana : Got : Gain absolute antena pengirim (db), Gor : Gain absolute antena penerima (db), R : Jarak minimum antara antena pengirim dan antena penerima (m), : Panjang gelombang (m), Pr : Daya terima (watt), Pt : Daya terkirim (watt). Berdasarkan rumus Friis diatas, pengukuran gain antena dapat diukur dengan menggunakan metode 3 antena yang diukur atas dasar 3 kombinasi pasangan antena. 3 persamaan yang didapat dari 3 kali pengukuran kombinasi antena (1-2), (1-3), dan (2-3), yaitu : Kombinasi antena 1-2 Kombinasi antena 1-3 12
Kombinasi antena 2-3 Dimana : G1 = Antena 1, G2 = antena 2 dan G3 = antena 3. Dari ketiga persamaan diatas setelah, R dan perbandingan daya diukur maka gain masingmasing antena dapat diketahui. 2.3.5 Direktivitas Direktivitas gain yang didefenisikan sebagai rasio perkalian 4 dari intensitas radiasi maksimum sebagi fungsi arah dan sudut terhadap total daya yang diradiasikan melalui antena. Salah satu karakteristik antena yang dapat memberikan gambaran berapa banyak energi yang dikonsentrasikan pada arah yang dikehendaki terhadap arah yang lain disebut directivity. Pengertian directivity ini akan sama dengan power gain apabila antena itu 100% efisien. Directive gain merupakan perbandingan dari intensitas radiasi maksimum pada suatu arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata. Sedangkan direktivitas merupakan harga maksimum dari directive gain, yang dapat dinyatakan dengan : Atau 13
Jika maka : Sehingga, Dimana, U m = intensitas radiasi maksimum,u av = intensitas radiasi rata-rata, Ω A = total beam area, HP = sudut pada titik setengah daya disebelah kanan (radian), HP = sudut pada titik setengah daya bidang disebelah kiri, 0 HP = sudut pada titik setengah daya sebelah kanan, 0 HP = sudut pada titik disetengah daya bidang disebelah kiri. Atau untuk menentukan direktivitas dalam satuan decibel (db) : D (db) = 10 log D... (2.18) 14
2.4 Teori Efisiensi Antena Pada sub-bab ini akan dijelaskan tentang tinjauan kepustakaan yang menjadi acuan teoritis pada penelitian ini. ada pun tinjauan kepustakaan tersebut di kelompokkan dalam 2 bagian, antara lain ; tinjauan kepustakaan yang terkait dengan efisiensi antena dan tinjauan kepustakaan yang terkait dengan metode pengukuran efisiensi antena. Berikut akan dijelaskan secara rinci pada sub-bab dibawah ini. 2.4.1 Efisiensi Antena Antena merupakan media yang dapat merubah besaran listrik dari saluran transmisi menjadi suatu gelombang elektromagnetik (GEM) untuk diradiasikan ke udara bebas. Sebaliknya antena juga menangkap gelombang elektromagnetik (GEM) dari udara bebas untuk dejadikan listrik kembali melalui saluran transmisi. Untuk menghitung efisiensi antena dapat menggunakan persamaan-persamaan berikut. Umi Fadlillah menjelaskan dalam artikelnya bahwa untuk mengetahui efisiensi antena dihitung dengan persamaan : Dimana: 2 : rugi konstruksi, R rad : rugi radiasi, R a : rugi total. Nilai Ra diketahui dari persamaan : Ra = Rdc + Rg + Rrad......................................... (2.20) Dimana: Ra : rugi-rugi total, Rdc : rugi resistif dan rugi isolasi, Rg : rugi tanah, Rrad : resistansi radiasi atau resistansi khayal. 15
Ketika antena dicatu oleh suatu daya masukkan Pin di terminal input, maka daya tersebut tidak akan seluruhnya untuk dipancarkan oleh antena ke udara. Faktor rugi-rugi antena yang disebabkan oleh material, sangat berpengaruh terhadap efisiensi antena. Dengan teori saluran transmisi, daya masukkan Pin yang masuk terminal akan terbagi menjadi dua bagian, yaitu Prad dan Pohmic. P in = P rsd + P ohmic........................................ (2.21) dimana : Prad = daya radiasi yang dipancarkan oleh antena, Pohmic = daya akibat rugi-rugi oleh material. Gambar 2.5 Transmisi saluran dari generator menuju antena Sedangkan Pohmic dapat dinyatakan sebagai : P ohmic = I 2 R ohmic... (2.22) Definisi efisiensi antena dapat dinyatakan dengan persamaan : untuk mengetahui efisiensi antena dapat dihitung dengan menggunakan hasil pengukuran direktivitas dan gain. Persamaan untuk menghitung efisiensi dapat menggunakan persamaan : 16
Dimana : e = efisiensi, G = gain, D = direktivitas. 2.4.2 Metode Pengukuran Efisiensi Antena Bagaimanapun juga, efisiensi ini sulit untuk dihitung secara tepat, karena daya radiasi total Prad dan arus antena I sulit dihitung secara tepat. Sehingga penetuan efisiensi antena pada umumnya dilakukan dengan cara pengukuran eksperimental. Untuk menghitung efisiensi antena, yaitu dengan cara membandingkan gain dan direktivitas seperti yang di jelaskan Budi Aswoyo dalam artikelnya menggunakan persamaan (2.20) sebagai pendekatan. 2.4.3 Metode Pengukuran Gain Pengukuran gain dilakukan menggunakan metode membandingkan antena yang satu dengan antena lain yang dianggap sebagai antena standard. Gambar 2.6 Metode pengukuran gain antena 17
2.4.4 Metode Pengukuran Direktivitas Direktivitas suatu antena dapat diperkirakan dengan menggunakan pola radiasi yang dihasilkan pada pengukuran pola radiasi. Untuk menghitung direktivitas dapat menggunakan persamaan 2.17 Gambar 2.7 Metode pengukuran pola radiasi 2.4.5 Metode Pengukuran VSWR VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) merupakan perbandingan antara tegangan maksimum (Emax) dengan tegangan minimum (Emin). Dan koefisien refleksi : Hubungan VSWR dengan koefesien pantul (Г) adalah : Dimana, Γ = Koefisien pantul. 18
Dari persamaan (2.28) dapat diperoleh VSWR, yaitu : Koefesien pantul [Γ] juga dapat diperoleh dengan pengukuran return loss berikut : RL= 20 log [Г]... (2.30) Dimana, RL : Return Loss (db) Gambar 2.8 Metode pengukuran VSWR 2.5 Bahan Reflektor Adapun bahan yang digunakan untuk pembuatan reflektor pada antena ini adalah aluminium. 2.5.1 Aluminium Aluminium ialah unsur kimia. Lambang aluminium ialah (Al), dan nomor atomnya 13. Aluminium ialah logam paling berlimpah. Aluminium bukan merupakan jenis logam berat, namun merupakan elemen yang berjumlah sekitar 19
8% dari permukaan bumi dan paling berlimpah ketiga. Aluminium terdapat dalam penggunaan aditif makanan, antasida, buffered aspirin, astringents, semprotan hidung, antiperspirant, air minum, knalpot mobil, asap tembakau, penggunaan aluminium foil, peralatan masak, kaleng, keramik, dan kembang api. Aluminium merupakan konduktor listrik yang baik. Terang dan kuat. Merupakan konduktor yang baik juga buat panas. Dapat ditempa menjadi lembaran, ditarik menjadi kawat dan diekstrusi menjadi batangan dengan bermacam-macam penampang dan tahan korosi. 20