BAB IV ANALISA ANTENA ARRAY PADA ANTENA RADAR CUACA PESAWAT EMBRAER 135 4.1 Analisa Single Slot antena Untuk menganalisa sebuah slot, maka slot tersebut dapat diasumsikan sebagai dua dipol dengan radius. Dengan prinsip Babinet Booker, kita dapat menggunakan prinsip matematika yang sama dengan yang antena dipol gunakan. Baik dipol maupun slot keduanya beradiasi dengan pola yang sama namun berbeda dalam polarisasi. Slot bisa diasumsikan sebagai dua buah dipol. Tegangan yang melalui slot berpropagasi sepanjang slot menuju ke akhir sirkuit. Dapat dilihat pada gambar 4.1 distribusi arus untuk slot/dipol dengan variasi panjang elemen (semua dalam lambda) dengan simulasi menggunakan software MATLAB. Panjang Elemen Distribusi arus Polar Plot.8.7 λ/4.6.5.4.3.2-9 9 12 12.1 15 15 -.2 -.15 -.1 -.5.5.1.15 18 λ/2 1.9.8.7.6.5.4.3.2-9 9 12 12.1 -.25 -.2 -.15 -.1 -.5.5.1.15.2.25 15 18 15 3/4λ 1.9.8.7.6.5.4.3.2-9 9 12 12.1 15 15 -.4 -.3 -.2 -.1.1.2.3.4 18 31
32 λ 1.9.8.7.6.5.4.3.2-9 9 12 12.1 15 15 -.5 -.4 -.3 -.2 -.1.1.2.3.4.5 18 1.5λ 1.9.8.7.6.5.4.3.2-9 9 12 12.1 15 15 -.8 -.6 -.4 -.2.2.4.6.8 18 3λ 1.9.8.7.6.5.4.3.2-9 9 12 12.1 15 15-1.5-1 -.5.5 1 1.5 18 Gambar 4.1. Simulasi slot antena dengan beberapa panjang gelombang Distribusi tegangan pada slot adalah sama dengan arus magnet pada dipol dan begitu sebaliknya. Dapat terlihat pada gambar bahwa tengah-tengah antena diasumsi sebagai sumber input, sehingga bentuk gelombang yang berpropagasi terlihat seperti pada gambar 4.1. Kemudian pada gambar dapat dilihat pula bahwa semakin besar panjang gelombang, maka akan semakin tinggi direktivitasnya, namun akan semakin menambah lobe yang ada. Berdasarkan perbandingan di atas, maka dapat dikatakan bahwa sebuah dipol atau slot akan mempunyai pola gelombang dan direktivitas terbaik tanpa adanya tambahan lobe pada panjang gelombang λ/2. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa pola radiasi berubah menurut faktor pengali setengah panjang gelombang. Jumlah lobe pada masing-masing sisi antena tergantung dari kelipatan ½ panjang gelombang (λ/2) yang digunakan. Arah arus menunjukkan bahwa fasa arus berubah 18 untuk setiap perpindahan dari satu potongan λ/2 ke potongan λ/2 berikutnya. Jumlah lobe pada antena dipol tunggal (L = ½ λ) hanya terdiri dari major lobe saja, sehingga lebih terarah ke tujuan yang sebenarnya daripada ke arah yang lain, sehingga lebih efisien. Kebutuhan akan direktivitas dan gain yang tinggi tidak dapat dipenuhi oleh sebuah slot antena. Menambah panjang gelombang tidak menyelesaikan
33 masalah, karena direktivitas bertambah namun juga disertai dengan keberadaan lobe lainnya yang juga bertambah. 4.2 Analisa Antena Array 4.2.1 Analisa Antena Array elemen sepanjang sumbu Z Array adalah gabungan antena yang dibentuk dari dua atau lebih radiator dasar. Setiap radiator dinamakan sebagai elemen. Elemen yang digunakan disini adalah terbentuk dari slot, dan analisa mengenai slot sudah diketahui di bagian sebelumnya. Analisa untuk antena array dimulai dengan linier array. Gambar 4.2 menunjukkan simulasi dua dimensi antena array linier yang terdiri dari beberapa elemen yang identik yang diletakkan pada sumbu Z. Elemen merupakan slot dengan jarak antar elemen yang disimulasikan pada jarak d yang berbeda. Jumlah elemen.25 λ.5 λ.75λ λ 4 8 1 12 Gambar 4. 2 Simulasi untuk sejumlah N elemen sepanjang sumbu Z dengan variasi jarak d (dalam λ) Sesuai dengan hasil yang didapat pada sebuah slot antena, maka dapat dilihat bahwa total medan dari sebuah linier array adalah sama dengan perkalian dari satu elemen dengan faktor array. Pada gambar dua dimensi perhitungan yang
34 dilakukan dengan MATLAB di atas, terlihat bahwa pola radiasi dipengaruhi oleh jumlah elemen dan juga jarak antar elemen atau salah satunya. Pada jumlah elemen yang lebih kecil dengan jarak antar elemen yang kecil, terlihat direktivitas yang terjadi menjadi kecil dan lobe tambahan yang ada tidak banyak. Pada saat elemen ditambah dengan jarak antar elemen yang kecil, terdapat perbaikan pada direktivitas, tapi sejalan juga dengan tambahan lobe lainnya. Begitu juga saat jumlah elemen sedikit tapi jarak antar elemen ditambah, maka akan terjadi penambahan direktivitas dan penambahan lobe tambahan. Sesuai tujuan antena array yaitu untuk mendapatkan gain yang tinggi tanpa harus menambah panjang antena, maka penambahan elemen dengan jarak antar elemen kurang dari λ merupakan pilihan terbaik, namun juga tetap harus diperhitungkan adanya penambahan lobe, sehingga antena array linier menjadi terbatas hanya untuk mendapatkan direktivitas atau gain yang tidak terlalu tinggi karena akan dibatasi oleh L atau jumlah total panjang antena berdasarkan jumlah jarak antar elemen yang terjadi. Tabel berikut memperlihatkan hasil perhitungan untuk Half Power Beamwidth (HPBW) dan Direktivitas (D) oleh software matlab berdasarkan gambar 4.2. Tabel 4.1. Perbandingan perhitungan HPBW dan D Jumlah HPBW D elemen λ/4 λ/2 ¾ λ λ λ/4 λ/2 ¾ λ λ 4 54 26 17 55 3 6 7 6 8 25 12 8 38 6 9 1 9 1 2 1 6 34 7 1 11 1 12 17 8 5 31 8 11 12 1 Dari table 4.1 ini dapat dilihat suatu perbandingan bahwa Half Power Beamwidth (HPBW) berbanding terbalik dengan direktivitas. Semakin kecil HPBW, maka akan semakin besar direktivitas dan pola radiasi semakin terarah.
35 Jumlah elemen λ/4 λ/2 ¾ λ λ 4 8 1 12 Gambar 4. 3 Simulasi polar plot untuk sejumlah N elemen sepanjang sumbu Z dengan variasi jarak d (dalam λ) Dari gambar 4.3 juga dapat diketahui bahwa semakin banyak jumlah lobe, maka major lobe yang paling dekat dengan sumbu akan selalu lebih besar dari yang lain sedangkan lobe yang lainnya yaitu minor lobe berada di luar major lobe. Saat panjang gelombang bertambah, direktivitas akan semaikin runcing namun pola radiasi akan semakin tidak terarah atau tidak jelas dikarenakan banyaknya lobe tambahan terutaman keberadaan major lobe. 4.2.2 Analisa Antena Array elemen sepanjang sumbu X Gambar 4.4 menunjukkan pola radiasi dari faktor array dan direktivitas serta polar plot dari beberapa elemen yang diletakkan sepanjang sumbu X.
36 Dapat terlihat dari gambar 4.4 untuk antena linier array yang diletakkan sepanjang sumbu X dan dibandingkan dengan gambar 4.3 untuk antena linier array dengan penempatan elemen sepanjang sumbu Z, terdapat perbedaan orientasi pola radiasi. Semua yang berlaku pada antena linier array untuk elemen sepanjang sumbu Z akan berlaku juga untuk antena dengan penempatan elemen pada sumbu X ataupun Y. Maka dapat ditarik kesimpulan bahwa secara numerik dan perhitungan terdapat perbedaan untuk kedua antena, namun pola radiasi yang terbentuk akan sama dengan perbedaan pada arah orientasi pola radiasinya yang akan selalu keluar dari tengah slot. Jumlah elemen λ/4 λ/2 ¾ λ λ 4 8 (< φ <3 derajat) 1-4 -18-32 1-46 9 9 12 12 15 18 15 12 Gambar 4.4 Simulasi polar plot untuk sejumlah N elemen sepanjang sumbu X dengan variasi jarak d (dalam λ)
37 4.2.3 Analisa antena planar array Antena linier array diketahui mampu mendapatkan direktivitas atau gain yang lebih baik daripada antena single slot, namun kembali menemui keterbatasan saat dia diminta untuk mendapatkan gain yang lebih tinggi tanpa adanya lobe tambahan yang akan terus bertambah dan terjadinya major lobe yang akan mengganggu pola radiasi yang diinginkan. Marilah kita lihat gambar tiga dimensi array planar yang telah dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak MATLAB dan berdasarkan data yang didapatkan. Gambar 4.5. Gambar tiga dimensi antena planar array dengan jumlah elemen 12 dan jarak dx,6λ dan jarak dy,8λ Gambar di atas adalah gambar tiga dimensi dari antena planar array dengan dimensi Mx (jumlah elemen pada sumbu x) berjumlah 12 dan Ny (jumlah elemen pada sumbu y) sebanyak 12, jarak antar elemen pada sumbu x (dx) adalah,6 λ jarak antar elemen pada sumbu y (dy) sebesar,8λ. Pola radiasi tiga dimensi yang dihasilkan perangkat lunak tidak memperlihatkan secara jelas karakteristik antena yang diinginkan, karena pada dasarnya pola radiasi akan terlihat hampir sama. Maka hasil simulasi dua dimensi
38 kembali digunakan untuk mendapatkan analisa yang lebih baik dari antena array planar dengan dimensi yang berubah. Mx = 4, Ny = 4 dx =,6 dy =,8 dx =,6 dy =,6 dx =,8 dy =,8 dx =,8 dy =,6 9 9 9 9 2 4 12 28 44 db 44 28 12 4 2 9 9 2 4 12 28 44 db 44 28 12 4 2 2 4 12 28 44 db 44 28 12 4 2 Mx = 8, Ny = 8 HPBW = 2.5 ; D = 15.6 HPBW = 22.33 ; D = 14,6 HPBW = 16.7 ; D = 16.5 HPBW = 17.6 ; D = 15,6 9 9 9 9 9 9 12 6 24 42 db 42 24 6 12 12 6 24 42 db 42 24 6 12 12 6 24 42 db 42 24 6 12 Mx = 12, Ny = 12 HPBW = 9.9 ; D = 21.8 HPBW = 1.87 ; D = 2.9 HPBW = 8.2 ; D = 22.7 HPBW = 8.6 ; D = 21.9 9 9 12 6 24 42 db 42 24 6 12 9 9 9 9 12 6 24 42 db 42 24 6 12 12 6 24 42 db 42 24 6 12 Mx = 16, Ny = 16 HPBW = 6.6 ; D = 25.7 HPBW = 6.6 ; D = 25.6 HPBW = 5.4 ; D = 26.5 HPBW = 5.7 ; D = 25,6 9 9 9 9 9 9 12 6 24 42 db 42 24 6 12 12 6 24 42 db 42 24 6 12 12 6 24 42 db 42 24 6 12 Mx = 32 Ny = 32 HPBW = 4.9 ; D = 28.35 HPBW = 5.4 ; D = 27.3 HPBW = 4.1 ; D = 29.4 HPBW = 4.3 ; D = 28.3 9 9 9 9 9 9 4 2 2 4 db 4 2 2 4 4 2 2 4 db 4 2 2 4 4 2 2 4 db 4 2 2 4 HPBW = 2.5 ; D = 34.9 HPBW = 2.7 ; D = 33.7 HPBW =2. ; D = 36.1 HPBW = 2.1 ; D = 34.9 Gambar 4.6. Matriks perbandingan planar array dengan variasi jumlah elemen (Mx dan Ny) dan variasi jarak antar elemen (dx dan dy dalam λ) Gambar matriks di atas adalah gambar dua dimensi dari antena dengan variasi jarak yang berbeda dan jumlah elemen Mx dan Ny yang berbeda pula yang berhasil disimulasikan dengan MATLAB yang dipotong horizontal.
39 Melihat perbandingan di atas, dapat terlihat bahwa jumlah elemen yang sedikit akan menghasilkan pola radiasi dengan gain atau direktivitas yang tidak terlalu terarah atau tidak direktif walaupun jarak antar elemen divariasikan. Sedikit perubahan terjadi namun tidak signifikan bila kita menginginkan direktivitas yang terarah. Dengan penambahan jumlah elemen masing-masing pada sumbu x dan sumbu y, maka terjadi perubahan pola radiasi yang lebih baik. Pola radiasi kembali berulang sama seperti pada antena yang lainnya, bahwa pada saat direktivitas bertambah, maka akan bertambah pula jumlah lobe tambahan. Bertambahnya lobe tambahan yang terlalu banyak tentu saja tidak diharapkan, karenanya dengan perbandingan yang dihasilkan dari simulasi di atas, pemilihan jumlah slot planar 12 x 12 dan dengan jarak dx =.6 λ dan dy =.8 λ adalah merupakan keputusan terbaik mengingat antena radar yang terpasang pada pesawat Embraer 135 ini berukuran 12 inch atau sekitar cm dengan slot berukuran ½ λ. Selain hal tersebut di atas yang didapatkan, maka bila kita lihat perbandingan gain atau direktivitas yang dihasilkan oleh planar array dengan yang dihasilkan oleh linier array, maka didapat kesimpulan bahwa planar array mampu menghasilkan gain yang lebih tinggi. Itulah sebabnya pula, planar array dijadikan pilihan untuk antena radar ini yang diharapkan mampu menghasilkan gain dan direktivitas yang maksimum dengan dimensi yang minimum. 4.2.4 Perbandingan hasil pengukuran pabrik dan hasil perhitungan simulasi MATLAB Gambar 4.7 memperlihatkan hasil perhitungan dengan menggunakan perangkat lunak MATLAB (- - -) dan hasil pengukuran yang dilakukan oleh pabrik (-----). Gambar dengan menggunakan MATLAB adalah gambar perhitungan planar array dengan dimensi Mx yaitu jumlah elemen pada sumbu x = 12, Ny yaitu jumlah elemen pada sumbu y = 12, dx yaitu jarak antar elemen pada sumbu x =,6λ dan dy yaitu jarak antar elemen pada sumbu y =,8 λ.
4 Gambar 4.7. Perbandingan hasil pengukuran dan hasil perhitungan Pada gambar di atas dapat dilihat, bahwa hasil berdasarkan perhitungan MATLAB dan hasil pengukuran pabrik tidak terlihat jauh berbeda. Pola radiasi yang terbentuk hampir mirip, side lobe yang terbentuk dari hasil pengukuran masih dalam batas yang diinginkan berdasarkan pengukuran, dan hasil perhitungan memperlihatkan bahwa side lobe yang terbentuk tidak sebanyak yang terdapat pada pengukuran. Besarnya amplitudo yang terbentuk-pun hampir sama, dengan hasil pada perhitungan terlihat lebih direktif. Gain yang didapat dari hasil perhitungan MATLAB seperti terlihat pada gambar 4.6 adalah 25,7 db, sementara melihat spesifikasi pabrik untuk antena ini disebutkan bahwa gain antena ini adalah 28 db. Memang ada sedikit perbedaan antara hasil pengukuran dan hasil perhitungan, namun hal ini dapat dikatakan masih dalam batas toleransi sebuah alat untuk berkinerja. Hasil perhitungan yang didapat adalah murni dengan asumsi semua dalam keadaan ideal dan juga dipengaruhi oleh keakuratan data yang dimasukkan ke dalam perangkat lunak. Hasil pengukuran pabrik akan sangat dipengaruhi oleh berbagai macam hal diantaranya antena itu sendiri, alat
41 pengukurnya, komponen-komponen tambahan pada antena yang akan dapat menambah kinerja antena dan hal lainnya. Namun berdasarkan hasil yang ada, maka dapat disimpulkan bahwa bila data yang dimasukkan serta program yang dijalankan benar, maka akan didapat hasil yang cukup akurat. Perangkat lunak MATLAB dapat dijadikan solusi dalam analisa ataupun perancangan sebuah antena dikarenakan hasilnya yang cukup memadai.