BAB II TEORI ANTENA 2.1 Umum Penemuan teknologi radio adalah kemajuan besar dunia telekomunikasi. Awal 1800-an secara terpisah Joseph Henry, profesor dari Pinceton University, dan fisikawan Inggris Michael Faraday mengembangkan teori induksi. Percobaan mereka terhadap elektromagnet membuktikan arus listrik di sebatang kawat dapat menimbulkan arus di batang kawat lain, meski keduanya tidak berhubungan. Tahun 1864 fisikawan Inggris lain James Clerik Maxwell, berteori bahwa arus listrik dapat menciptakan medan magnet dan bahwa gelombang elektromagnet bergerak dengan kecepatan cahaya. Teori Maxwell itu belakangan dibuktikan kebenarannya oleh percobaan yang dilakukan fisikawan Jerman Heinrich Hertz, tahun 1880. Pada tahun 1886, Hertz memasang peralatan yang sekarang diketahui sebagai sistem radio dengan antena dipole sebagai pengirim dan antena loop segi empat sebagai penerima. Penemuan Hertz ini dilanjutkan oleh Guglielmo Marconi dengan menambah rangkaian tuning dan antena besar yang mampu melakukan yang sangat jauh. Kemudian Guglielmo Marconi pada 1895, berhasil mengirim sinyal komunikasi radio dengan gelombang elektromagnet sejauh ± 1,5 km. Tahun 1901, sinyal dari perangkat adio Marconi mampu melintasi Samudera Atlantik dari Inggris ke Newfoundland, Kanada [1].
2.2 Gelombang Elektromagnetik Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang mempunyai sifat listrik dan sifat magnet secara bersamaan. Gelombang radio merupakan bagian dari gelombang elektromagnetik pada spektrum frekuensi radio. Transmisi gelombang elektromagnetik diruang adalah sebagai gelombang transversal. Gelombang dikarakteristikkan oleh panjang gelombang dan frekuensi. Panjang gelombang (λ) memiliki hubungan dengan frekuensi (ƒ) dan kecepatan (ν) yang ditunjukkan pada Persamaan 1.1 : (2.1) Kecepatan (ν) bergantung pada medium. Ketika medium rambat adalah hampa udara (free space), maka : v = c = 3 x 10 8 m/s (2.2) 2.3 Pengertian Antena Dalam sejarah komunikasi, perkembangan teknik informasi tanpa menggunakan kabel ditetapkan dengan nama antena. Antena berasal dari bahasa latin antena yang berarti tiang kapal layar. Dalam pengertian sederhana kata latin ini berarti juga penyentuh atau peraba sehingga kalau dihubungkan dengan teknik komunikasi berarti bahwa antena mempunyai tugas menyelusuri jejak gelombang elektromagnetik, hal ini jika antena berfungsi sebagai penerima. Sedangkan jika sebagai pemancar maka tugas antena tersebut adalah menghasilkan sinyal gelombang elektromagnetik.
Antena dapat juga didefinisikan sebagai sebuah atau sekelompok konduktor yang digunakan untuk memancarkan atau meneruskan gelombang elektromagnetik menuju ruang bebas atau menangkap gelombang elektromegnetik dari ruang bebas. Energi listrik dari pemancar dikonversi menjadi gelombang elektromagnetik dan oleh sebuah antena yang kemudian gelombang tersebut dipancarkan menuju udara bebas. Pada penerima akhir gelombang elektromagnetik dikonversi menjadi energi listrik dengan menggunakan antena. Gambar 2.1 menunjukkan antena sebagai pengirim dan penerima[2]. Gambar 2.1 Antena Sebagai Pengirim dan Penerima 2.4 Parameter Parameter Antena Parameter-parameter antena digunakan untuk menguji atau mengukur performa antena yang akan digunakan. Berikut penjelasan beberapa parameter antena yang sering digunakan yaitu direktivitas antena, gain antena, pola radiasi antena, polarisasi antena, beamwidth antena dan bandwidth antena.
2.4.1 Direktivitas Antena Directivity dari sebuah antena atau deretan antena diukur pada kemampuan yang dimiliki antena untuk memusatkan energi dalam satu atau lebih ke arah khusus. Antena dapat juga ditentukan pengarahanya tergantung dari pola radiasinya. Dalam sebuah array propagasi akan diberikan jumlah energi, gelombang radiasi akan dibawa ketempat dalam suatu arah. Elemen dalam array dapat diatur sehingga akan mengakibatkan perubahan pola atau distribusi energi lebih yang memungkinkan ke semua arah (omnidirectional). Suatu hal yang tidak sesuai juga memungkinkan. Elemen dapat diatur sehingga radiasi energi dapat dipusatkan dalam satu arah (unidirectional) [2]. Direktivitas antena merupakan perbandingan kerapatan daya maksimum dengan kerapatan daya rata-rata. Maka dapat dituliskan pada Persamaan 2.3[2]. (2.3) 2.4.2 Gain Antena Gain (directive gain) adalah karakter antena yang terkait dengan kemampuan antena mengarahkan radiasi sinyalnya, atau penerimaan sinyal dari arah tertentu. Gain bukanlah kuantitas yang dapat diukur dalam satuan fisis pada umumnya seperti watt, ohm, atau lainnya, melainkan suatu bentuk perbandingan. Oleh karena itu, satuan yang digunakan untuk gain adalah desibel [3]. Gain dari sebuah antena adalah kualitas nyala yang besarnya lebih kecil dari pada penguatan antena tersebut yang dapat dinyatakan pada Persamaan 2.4[3]. Gain = G = k. D (2.4) Dimana : k = efisiensi antena, 0 k 1
Gain antena dapat diperoleh dengan mengukur power pada main lobe dan membandingkan powernya dengan power pada antena referensi. Gain antena diukur dalam desibel, bisa dalam dbi ataupun dbd. Jika antena referensi adalah sebuah dipole, antena diukur dalam dbd. d di sini mewakili dipole, jadi gain antena diukur relative terhadap sebuah antena dipole. Jika antena referensi adalah sebuah isotropic, jadi gain antena diukur relatif terhadap sebuah antena isotropic [4]. Gain dapat dihitung dengan membandingkan kerapatan daya maksimum antena yang diukur dengan antena referensi yang diketahui gainnya. Maka dapat dituliskan pada Persamaan 2.5[4]. (2.5) Atau jika dihitung dalam nilai logaritmik dirumuskan oleh Persamaan 2.6[4]. Dimana : Gt (db) = (Pt(dBm) Ps(dBm)) + Gs(dB) (2.6) Gt Pt Ps Gs = Gain total antena. = Nilai level sinyal maksimum yang diterima antena terukur (dbm). = Nilai level sinyal maksimum yang diterima antena referensi (dbm). = Gain antena referensi. Decibel (db) merupakan satuan gain antena. Decibel adalah perbandingan dua hal. Decibel ditetapkan dengan dua cara, yaitu : a. Ketika mengacu pada pengukuran daya[4]. (2.7)
b. Ketika mengacu pada pengukuran tegangan.x[4]. (2.8) 2.4.3 Pola Radiasi Antena Pola radiasi antena atau pola antena didefinisikan sebagai fungsi matematik atau representasi grafik dari sifat radiasi antena sebagai fungsi dari koordinat. Di sebagian besar kasus, pola radiasi ditentukan di luasan wilayah dan direpresentasikan sebagai fungsi dari koordinat directional [5]. Pola radiasi antena adalah plot 3- dimensi distribusi sinyal yang dipancarkan oleh sebuah antena, atau plot 3-dimensi tingkat penerimaan sinyal yang diterima oleh sebuah antena [3]. Pola radiasi antena menjelaskan bagaimana antena meradiasikan energi ke ruang bebas atau bagaimana antena menerima energi. a. Pola Radiasi Antena Unidirectional Antena unidirectional mempunyai pola radiasi yang terarah dan dapat menjangkau jarak yang relative jauh. Gambar 2.2 merupakan gambaran secara umum bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antena unidirectional. Gambar 2.2 Bentuk Pola Radiasi Antena Unidirectional
Dari gambar diatas dapat kita lihat bahwa pada antena Uniirectional memiliki pancaran pada satu arah, yaitu pada arah yang dituju saja. Antena Unidirectional ini memiliki jarak tempuh yang cukup jauh dari antena lain. Ini dikarenakan pola radiasinya hanya memiliki satu arah saja. b. Pola Radiasi Antena Omnidirectional Antena omnidirectional mempunyai pola radiasi yang digambarkan seperti bentuk kue donat (doughnut) dengan pusat berimpit. Antena Omnidirectional pada umumnya mempunyai pola radiasi 360 0 jika dilihat pada bidang medan magnetnya. Gambar 2.3 merupakan gambaran secara umum bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antena omnidirectional. Gambar 2.3 Bentuk Pola Radiasi Antena Omnidirectional Dari gambar diatas dapat kita lihat bahwa pada antena Omnidirectional memiliki pancaran kesegala arah. Antena Omnidirectional ini memiliki jarak tempuh yang cukup sempit. Ini dikarenakan pola radiasinya menyebar dan tidak terfokus pada satu arah.
2.4.4 Beamwidth Antena Beamwidth Adalah besarnya sudut berkas pancaran gelombang frekuensi radio utama (main lobe) yang dihitung pada titik 3 db menurun dari puncak lobe utama [6]. Besarnya beamwidth adalah sebagai berikut[6] : (2.9) Dimana : B = 3 db beamwidth (derajat) = frekuensi (GHz) d = diameter antena (m) Apabila beamwidth mengacu kepada perolehan pola radiasi, maka beamwidth dapat dirumuskan sebagai[6] : β = θ 2 θ 1 (2.10) Gambar 2.4 Beamwidth Antena Gambar 2.4 menunjukkan tiga daerah pancaran yaitu lobe utama (main lobe,nomor 1), lobe sisi samping (side lobe, nomor dua), dan lobe sisi belakang (back lobe, nomor 3). Half Power Beamwidth ( HPBW) adalah daerah sudut yang dibatasi oleh titiktitik ½ daya atau -3 db atau 0.707 dari medan maksimum pada lobe utama. First Null Beamwidth (FNBW) adalah besar sudut bidang diantara dua arah pada main lobe yang intensitas radiasinya nol.
2.4.5 Bandwidth Antena Pemakaian sebuah antena dalam sistem pemancar atau penerima selalu dibatasi oleh daerah frekuensi kerjanya. Pada range frekuensi kerja tersebut antena dituntut harus dapat bekerja dengan efektif agar dapat menerima atau memancarkan gelombang pada band frekuensi tertentu seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5 Gambar 2.5 Bandwidth Antena Daerah frekuensi kerja dimana antena masih dapat bekerja dengan baik dinamakan bandwidth antena. Misalnya sebuah antena bekerja pada frekuensi tengah sebesar f C, namun Bandwidth ini juga masih dapat bekerja dengan baik pada frekuensi f 1 (di bawah f C ) sampai dengan f 2 (di atas f C ), maka bandwidth antena tersebut adalah : (2.11) f 2 = frekuensi tertinggi f 1 = frekuensi terendah f c = frekuensi tengah Bandwidth yang dinyatakan dalam persen seperti ini biasanya digunakan untuk menyatakan bandwidth antena yang memiliki band sempit (narrow band). Sedangkan untuk band yang lebar (broad band) biasanya digunakan definisi rasio antara batas frekuensi atas dengan frekuensi bawah [7].
2.5 Antena Yagi Antena Yagi adalah salah satu jenis antena radio atau televisi yang diciptakan oleh Hidetsugu Yagi. Antena ini bersifat direksional, yaitu menambah gain hanya pada salah satu arahnya. Sisi antena yang berada di belakang reflektor memiliki gain yang lebih kecil daripada di depan director, Terdiri dari 3 bagian Driven Element, Reflector dan Director. 2.5.1 Pengertian Antena Yagi Antena Yagi adalah salah satu jenis antena radio atau televisi yang diciptakan oleh Hidetsugu Yagi. Antena ini bersifat direksional, yaitu menambah gain hanya pada salah satu arahnya. Sisi antena yang berada di belakang reflektor memiliki gain yang lebih kecil daripada di depan direktor. Antena Yagi atau antena Yagi-Uda RF digunakan secara luas dan merupakan salah satu antena desain paling sukses atau banyak digunakan untuk aplikasi RF direktif. Antena Yagi-Uda adalah nama lengkapnya, pada umumnya dikenal dengan sebutanyagi atau antena Yagi. RF singkatan dari Radio frequency atau frekuensi radio. Antena ini diciptakan oleh dua penemu asal Jepang Yagi dan Uda (muridnya). Antena ada banyak macamnya dan tiap jenis antena masing-masing diciptakan sesuai untuk tujuan yang berbeda dan masing-masing berfungsi terbaik pada frekuensi tertentu. Antena Yagi digunakan untuk menerima atau mengirim sinyal radio. Antena ini dulu banyak digunakan pada Perang Dunia ke 2 karena antena ini amat mudah dibuat dan tidak terlalu ribet. Antena Yagi adalah antena direktional, artinya dia hanya dapat mengambil atau menerima sinyal pada satu arah (yaitu depan), oleh
karena itu antena ini berbeda dengan antena dipole standar yang dapat mengambil sinyal sama baiknya dalam setiap arah. Antena dipole adalah antena paling sederhana, dia hanya menggunakan satu elemen tunggal. Antena Yagi biasanya memiliki Gain sekitar 3 20 dbi. Gambar 2.6 Karakteristik Antena Yagi Antena Yagi terdiri dari tiga bagian yang mempunyai fungsi tersendiri, yaitu : 1. Driven adalah titik catu dari kabel antenna, biasanya panjang fisik driven adalah setengah panjang gelombang (0,5 λ) dari frekuensi radio yang dipancarkan atau diterima. 2. Reflektor adalah bagian belakang antenna yang berfungsi sebagai pemantul sinyal,dengan panjang fisik lebih panjang daripada driven. panjang biasanya adalah 0,55 λ (panjang gelombang). 3. Director adalah bagian pengarah antena, ukurannya sedikit lebih pendek daripada driven. Penambahan batang director akan menambah gain antena, namun akan membuat pola pengarahan antena menjadi lebih sempit. Semakin banyak jumlah director, maka semakin sempit arahnya.
4. Boom adalah bagian ditempatkanya driven, reflektor, dan direktor. Boom berbentuk sebatang logam atau kayu yang panjangnya sepanjang antena itu. Antena Yagi, juga memiliki spasi (jarak) antara elemen. Jaraknya umumnya sama, yaitu 0.1 λ dari frekuensi. Gambar 2.7 Perangkat yang terdapat pada antena Yagi 2.6 Thrid Generation Technology (3G) Arti atau pengertian 3G pada koneksi ponsel, smartphone dan perangkat telekomunikasi secara bahasa memiliki pemahaman berupa teknologi generasi ketiga atau third generation technology. 3G sendiri merupakan salah satu standar yang sekarang telah menjadi ketetapan badan persatuan telekomunikasi internasional (International Telecommunication Union/ITU) sebagai standar konektifitas untuk digunakan pada perangkat jaringan ponsel secara global hampir semua negara maju dan berkembang.
Peranan perangkat telepon selular di masa kini telah meningkat secara signifikan serta mengalami pergeseran fungsi yaitu dari fungsi utamanya yang hanya untuk mengirimkan sejumlah teks yang berupa layanan SMS dan telponan menjadi pengaksesan melalui internet serta melakukan streaming video dan multimedia secara langsung dari sumber-sumber di internet. Pergeseran inilah yang kemudian menjadikan 3G menjadi populer sehingga menjadi semacam persyaratan yang wajib tersedia pada ponsel-ponsel berteknologi canggih atau yang sekarang dikenal dengan nama smartphone. Dengan menggunakan 3G, maka pengguna smartphone atau telepon selular berbasis jaringan 3G akan dapat menikmati kecepatan akses hingga 384kbps dalam kondisi statis atau pada saat melaju dengan momentum pergerakan berjalan kaki, pergerakan ini bisa diasumsikan memiliki kecepatan 10-15 km/jam saat perangkatnya terkoneksi ke internet. Namun kecepatan paket koneksi internet 3G bisa berkurang menjadi 128kbps manakala momentum pergerakannya dipercepat. Misalnya saja saat Anda menggunakannya diatas sebuah kendaraan bermotor seperti saat di dalam sebuah mobil yang tengah berjalan ataupun saat berada diatas sepeda motor yang tengah melaju. Berkat pengembangan dari 3G, maka saat ini beberapa perangkat sudah memungkinkan penggunanya untuk melakukan akses video lewat internet tanpa adanya gangguan koneksi. Begitu juga dengan panggilan telepon dengan menggunakan fitur video atau yang biasa disebut dengan video call. Dengan adanya teknologi 3G, tentu bentuk komunikasi yang bisa dilakukan bukan hanya melalui panggilan suara saja, akan tetapi juga pengguna dapat secara langsung melakukan
panggilan video dan melihat lawan bicaranya. Teknologi ini kemudian diadaptasikan oleh sebagian besar produsen elektronik, khususnya para produsen smartphone dengan memberikan kelengkapan fitur dual kamera depan dan belakang pada perangkat yang dirilisnya guna mengakomodir keinginan calon pengguna yang memerlukan fasilitas video call ini. Beberapa produsen perangkat ponsel pintar yang merilis produknya di tanah air bahkan telah bekerjasama dengan layanan operator lokal guna mengakomodasi fitur ini kepada penggunanya. Seiring waktu, perkembangan 3G mengalami pergeseran ke 3.5G dan yang terakhir adalah 4G. 3.5G merupakan sebuah jaringan koneksi nirkabel yang mengadaptasikan teknologi berbasis HSDPA atau High-Speed Downlink Packet Access seperti yang digunakan pada modem GSM masa kini. Dan yang tak kalah penting sebagai panduan serta menjadi catatan Anda, 3G hanya mampu dihadirkan dengan adanya layanan operator yang juga mendukung koneksi berbasis 3G. Tanpa adanya layanan operator, 3G tidak dapat digunakan oleh sebuah perangkat telekomunikasi meskipun perangkat tersebut telah mendukung koneksi ini. Sedangkan cara termudah bagi Anda untuk mengenali apakah perangkat ponsel Anda telah mendukung fasilitas 3G atau tidak adalah dengan mengecek gelombang frekuensi yang terdapat pada ponsel yang Anda gunakan. Untuk ponsel GSM, fasilitas 3G hanya didukung oleh perangkat yang berada pada frekuensi 1900Mhz, sedangkan untuk perangkat CDMA frekuensi yang didukung adalah 800Mhz. Untuk mengeceknya sangatlah mudah, jika Anda membeli sebuah smartphone baru, maka Anda bisa melihat fasilitas ini pada tabel koneksi yang terdapat pada brosur yang disertakan didalamnya. Pada umumnya, rata-rata
perangkat telepon genggam modern telah menggunakan frekuensi 850, 900, 1800 dan 1900Mhz yang telah mendukung jaringan 3G ini. 2.6.1 Arsitektur 3G Arsitektur jaringan UMTS yang menggunakan WCDMA sebagai air interface dapat dilihat pada Gambar 2.8. Gambar 2.8 Arsitektur 3G Jaringan arsitektur UMTS digambarkan seperti gambar, dimana menggunakan air interface WCDMA dan merupakan evolusi atau perkembangan dari jaringan inti GSM, terdiri atas 3 daerah yang saling berinteraksi, yaitu Core Network (CN), UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN), dan User Equipment (UE) atau Mobile Station (MS). Core Network dibagi dalam daerah Circuit Switched dan Packet Switched. Beberapa elemen dari Circuit Switched adalah Mobile services Switching Centre (MSC) merupakan interface yang menangani MS untuk menangani circuit switched data, Gateway MSC (GMSC) merupakan gerbang penghubung antara UMTS dan jaringan luar circuit switched seperti PSTN, Visitor Location Register (VLR), dan Gateway MSC. Elemen Packet Switched adalah Serving GPRS Support Node
(SGSN) merupakan interface yang berfungsi sama dengan MSC tetapi digunakan untuk layanan packet switched dan Gateway GPRS Support Node (GGSN) merupakan gerbang yang menghubungkan UMTS menuju jaringan packet switched. Beberapa elemen jaringan yang lain seperti HLR dan AUC digunakan bersama oleh kedua daerah tersebut. Arsitektur CN dapat berubah ketika terdapat layanan atau fitur yang baru. Transfer data di dalam jaringan inti didukung oleh GGSN (gateway GPRS support node) dan SGSN (serving GPRS support node). Pada dasarnya, GGSN adalah sebuah fitur pengaturan mobilitas tambahan, dan menghubungkan dengan berbagai macam elemen jaringan melalui standart interface. Pada jaringan ini GGSN merupakan interface fisik yang terhubung ke jaringan packet data external (misalnya Internet). SGSN menangani pengiriman packet dari dan ke terminalterminal mobile. Masing-masing SGSN memungkinkan untuk mengirimkan packet ke terminal di dalam service area. GGSN dan SGSN dapat mengirim data dengan kecepatan hingga 2 Mbps. UTRAN terdiri dari satu atau lebih Radio Network System (RNS), dimana RNS tersebut terdiri darisebuah pengendali jaringan radio yang disebut dengan Radio Network Controller (RNC), beberapa node B (UMTS Base Station) dan User Equipment. UTRAN terhubung pada bagian Core Network (CN) melalui Interface Iu dan menggunakan Interface Iub untuk mengontrol node B. Sedangkan Interface Iur yang menhubungkan antar RNC berfungsi untuk mengatur terjadinya soft handover diantara RNC tersebut. RNC berfungsi untuk mengendalikan sumber-sumber radio dari beberapa node B, fungsinya serupa dengan BSC di GSM. RNC juga berperan penting untuk
mengontrol radio resources UTRAN, seperti power control (PC) atau handover control (HC), dimana sebagiandiantaranya terdapat pada bagian RNC. BS di UMTS disebut dengan node B. Node B pada jaringan ini sama seperti pada GSM Base Station (BS/BS), merupakan unit untuk sistem pengiriman dan penerimaan radio dari sel. Node B menunjukkan proses dari air interface yang digunakan (WCDMA), meliputi channel coding, interleaving, rate adaptation, dan spreading. Node B juga memungkinkan terjadinya softer handovers dan power control. Ikatan antara RNC dan node B disebut dengan Radio Network Subsystem (RNS), yang memiliki interface Iub. Tidak seperti ekuivalennya, yakni interface Abis dalam GSM, interface Iub memiliki standar yang terbuka sehingga dimungkinkan masing-masing node B dan RNC dibuat oleh pabrik yang berbeda. Jika dalam GSM tidak ada hubungan antar BSC, dalam UMTS yang disebut dengan UTRAN justru sebaliknya. RNC satu dihubung dengan RNC lainnya melalui interface Iur. UTRAN dihubungkan ke jaringan inti melalui interface Iu. User Equipment (UE) mempunyai prinsip yang sama seperti pada GSM Mobile Station (MS), memiliki modul identitas user, yang serupa dengan SIM pada GSM. UE terdiri dari dua bagian, yaitu Mobile Equipment (ME) dan UMTS Subscriber Identity Module (USIM) yang dihubungkan oleh interface Cu. ME adalah perangkat untuk pengiriman radio, sedangkan USIM merupakan sebuah kartu yang memuat identitas user dan informasi pribadi. Interface UE dengan jaringannya disebut interface Uu, yang merupakan air interface WCDMA.