Rancang Bangun Autotracking Antena Stasiun Penerima Pada Frekuensi Kerja 2.4ghz Berdasarkan Sudut Azimuth dan Elevasi Menggunakan Mikrokontroler Arduino
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1
Antena
Antena adalah perangkat media transmisi wireless (nirkabel) yang
memanfaatkan udara atau ruang bebas sebagai media penghantar. Antena
mempunyai fungsi untuk merubah energi elektromagnetik terbimbing menjadi
gelombang elektromagnetik ruang bebas (gelombang mikro) yang merupakan
fungsi antena sebagai transmitter(Tx). Energi listrik dari transmitter dikonversi
menjadi gelombang elektromagnetik dan oleh sebuah antena yang kemudian
gelombang tersebut dipancarkan menuju udara bebas. Pada receiver(Rx) 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
2.1.1
Parameter Karakteristik Antena
Parameter karakteristik 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, beamwidth antena, bandwidth antena dan voltage standing wave ratio
(VSWR).
6
Universitas Sumatera Utara
2.1.1.1 Direktivitas
Keterarahan dari suatu antena didefinisikan sebagai ’’perbandingan antara
intensitas radiasi maksimum dengan intensitas radiasi dari antena referensi
isotropis”. Keterarahan dari sumber non-isotropis adalah sama dengan
perbandingan intensitas radiasi maksimumnya di atas sebuah sumber isotropis[4].
Keterarahan pada antena secara umum dinyatakan dari Persamaan 2.1[4]:
=
Dimana :
.
4.�. ���
���
(2.1)
= directivity (dB)
= intensitas radiasi maksimum (watt)
= daya radiasi total (watt)
2.1.1.2 Gain
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 decibel [7].
Gain dari sebuah antena adalah kualitas nyala yang besarnya lebih kecil
daripada penguatan antena tersebut yang dapat dinyatakan pada Persamaan 2.2[5]
Gain = G = k.D
(2.2)
Dimana :
k = efisiensi antena, 0 ≤ k ≤ 1
7
Universitas Sumatera Utara
Gain dapat dihitung dengan membandingkan kerapatan daya maksimum
antena yang diukur dengan antena referensi yang diketahui gainnya. Maka dapat
dituliskan pada Persamaan 2.3 [4]:
=
����
� �
����
(2.3)
�
Atau jika dihitung dalam nilai logaritmik dirumuskan oleh Persamaan 2.4
[4]:
Dimana :
=[
−
]+
(2.4)
= Gain total antena
= Nilai level sinyal maksimum yang diterima antena terukur (dBm)
= Nilai level sinyal maksimum yang diterima antena referensi (dBm)
= Gain antena referensi
2.1.1.3 Pola Radiasi
Pola radiasi dari sebuah antena didefinisikan sebagai fungsi matematis atau
gambaran secara grafis dari karakteristik radiasi sebuah antena sebagai fungsi dari
koordinat ruang. Pada kasus secara keseluruhan, pola radiasi dihitung/diukur pada
medan jauh dan digambarkan kembali sebagai koordinat arah. Karakteristik radiasi
mencakup rapat flux daya, intensitas radiasi, kuat medan, keterarahan/direktivitas,
fasa atau polarisasi. Karakteristik radiasi yang menjadi pusat perhatian adalah
distribusi energi radiasi dalam ruang 2 dimensi maupun 3 dimensi sebagai fungsi
dari posisi pengamat di sepanjang jalur dengan jari-jari yang konstan. Contoh
koordinat yang sesuai diperlihatkan pada Gambar 2.2[4]. Radiasi antena terdiri dari
tiga komponen medan elektromagnetik (medan listrik dan medan magnet) yaitu
,
8
Universitas Sumatera Utara
Ø,
ɵ
dan
,
Ø,
ɵ
dimana r adalah radius radiasi, Ø adalah lebar sudut radiasi
terhadap azimuth, dan ɵ adalah lebar sudut radiasi terhadap elevasi.
Gambar 2.2 Sistem koordinat untuk menganalisis antena
2.1.1.4 Beamwidth
Beamwidth adalah besamya sudut berkas pancaran gelombang frekuensi
radio utama (main lobe) yang dihitung pada titik 3 dB menurun dari puncak lobe
utama [2]. Besarnya beamwidth dapat dihitung dengan persamaan 2.5[6] :
Dimana :
=
,
.�
(2.5)
Bw = 3 dB beamwidth (derajat)
f = frekuensi (GHz)
D = diameter antena (m)
9
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 menunjukkan tiga daerah pancaran yaitu lobe utama (main lobe,
nomor 1), lobe sisi samping (side lobe, nomor 2) dan lobe sisi belakang (back lobe,
nomor 3).
Gambar 2.3 Beamwidth antena
Half Power Beamwidth (HPBW) adalah daerah sudut yang dibatasi oleh
titik-titik setengah 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.
2.1.1.5 Bandwidth
Bandwidth suatu antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi dimana
kerja yang berhubungan dengan berapa karakteristik (seperti impedansi masukan,
pola, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR, return loss, axial ratio)
memenuhi spesifikasi standar [4]. Gambar 2.4 menunjukkan bandwidth antena.
Gambar 2.4 Bandwidth antena
10
Universitas Sumatera Utara
Dari Gambar 2.4 diketahui f1 adalah frekuensi bawah, f2 adalah frekuensi
atas dan fc merupakan frekuensi tengah. Dengan melihat Gambar 2.4 bandwidth
dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 2.6 [5] :
−
%=
%
(2.6)
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.
2.1.1.6 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)
VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing
wave) maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min). Pada saluran transmisi ada
dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (
−
tegangan yang direfleksikan (
+
) dan
). Pebandingan tegangan yang direfleksikan
dengan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (Γ) yang dapat
dicari dengan Persamaan 2.7 [8] :
di mana
�
Γ=
�
�
−
+
=
�− �
(2.7)
�+ �
adalah impedansi beban (load) dan
adalah impedansi saluran.
Rumus untuk mencari VSWR dituliskan pada Persamaan 2.8 [4] :
=
| |
| | �
=
+|Γ|
−|Γ|
(2.8)
Kondisi yang baik adalah ketika VSWR bemilai 1, yang berarti tidak ada
refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun, kondisi ini
11
Universitas Sumatera Utara
kenyataannya sulit diperoleh. Oleh karena itu, nilai standar VSWR yang diijinkan
dalam perancangan antena adalah < 2.
2.1.2
Antena Omnidireksional
Antena omnidireksional adalah sebuah perangkat antena yang mampu
mengirim dan menerima sinyal ke dan dari segala arah. Antena jenis ini memiliki
sudut pancaran (beamwidth) yang besar, namun memiliki jarak jangkauan yang
kecil. Antena omnidireksional biasanya digunakan untuk keperluan hotspot atau
access point karena cocok untuk hubungan komunikasi point-to-multi-point. Pola
radiasi dari antena omnidireksional berbentuk seperti donat, seperti yang
ditunjukkan oleh Gambar 2.5. Contoh dari antena omnidireksional yaitu antena ¼
lamda, antena monopole, antena rubber duck, dan lain-lain.
Gambar 2.5 Pola radiasi antena omnidireksional
2.1.3
Antena Unidireksional
Antena unidireksional memancarkan dan menerima sinyal hanya dari satu
arah. Antena unidireksional mempunyai kemampuan direktivitas yang lebih
dibandingkan jenis-jenis antena lainnya. Kemampuan direktivitas ini membuat
12
Universitas Sumatera Utara
antena ini lebih banyak digunakan untuk koneksi jarak jauh. Dengan kemampuan
direktivitas ini membuat antena mampu mendengar sinyal yang relatif kecil dan
mengirimkan sinyal lebih jauh. Umumnya antena unidireksional mempunyai
spesifikasi gain tinggi tetapi beamwidth kecil. Hal ini menguntungkan karena
kecilnya beamwidth menyebabkan berkurangnya derau yang masuk kedalam
antena. Semakin kecil bidang tangkapan(aperture), semakin naik selektivitas
antena terhadap sinyal wireless yang berarti semakin sedikit derau yang ditangkap
oleh antena tersebut[7].
Beberapa macam antena unidireksional antara lain antena Yagi-Uda, antena
parabola, antena helix, antena biquad, antena log-periodik, dan lain-lain. Gambar
2.6 menunjukkan pola radiasi dari antena unidireksional.
Gambar 2.6 Pola radiasi antena unidireksional
2.2
Azimuth dan Elevasi
Azimuth ialah sudut dalam derajat yang diukur sepanjang garis horizon,
diantara utara yang sesungguhnya dan titik posisi satelit yang ditranslasikan ke garis
horizon. Azimuth selalu direpresentasikan searah jarum jam dari utara sebenarnya,
dan selalu menunjukan nilai positif.
13
Universitas Sumatera Utara
Elevasi (altitude) ialah sudut yang diukur sepanjang garis vertikal, antara
horizon dengan target. Secara teori, elevasi dapat bernilai positif dan negatif, namun
pada prakteknya nilai negatif tidak mungkin ditemui, karena hal itu berarti target
berada di bawah garis horizon (di bawah permukaan bumi). Gambar 2.7
menunjukkan posisi dari sudut azimuth dan elevasi.
Gambar 2.7 Posisi sudut azimuth dan elevasi
Karena sudut azimuth dan elevasi terbentuk dari posisi stasiun pengirim dan
stasiun penerima, maka dapat digunakan persamaan segitiga pythagoras untuk
menentukan besar sudut azimuth maupun sudut elevasi.
Gambar 2.8 Segitiga Pythagoras
14
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 Merupakan segitiga siku-siku. Jika kita ingin mencari besar
sudut di titik A, maka dapat dinyatakan pada Persamaan 2.9 [14] :
=
2.2.1
tan ⁄
(2.9)
GPS (Global Positioning System)
GPS adalah sistem satelit navigasi dan penentuan posisi global yang
dimungkinkan dengan beroperasinya satelit penentu posisi milik negara Amerika
Serikat. Asalnya adalah NAVSTAR GPS (Navigation Satelite Timing and Ranging
Global Positioning System), yang kemudian disingkat GPS merupakan sistem radio
navigasi satelit yang dikembangkan oleh United State Departement of Defense
(DoD) untuk keperluan militer dalam penentuan posisi, kecepatan dan waktu secara
teliti dalam segala cuaca pada sembarang waktu dimuka bumi (darat, laut dan
udara). Selanjutnya dengan persetujuan US
Congress, GPS kemudian
dikembangkan untuk keperluan non–militer. Secara Teknis GPS adalah perpaduan
satelit dan receiver yang mampu menunjukkan dan mencatat posisi suatu obyek
dimuka bumi secara global.
Koordinat Geografi diukur dalam lintang dan bujur dalam besaran derajat
desimal, derajat menit desimal, atau derajat menit detik. Lintang diukur terhadap
ekuator sebagai titik NOL (0° sampai 90° positif kearah utara dan 0° sampai 90°
kearah selatan). Bujur diukur berdasarkan titik NOL di greenwich (0° sampai 180°
kearah timur dan 0° sampai 180° kearah barat)[9]. Gambar 2.9 merupakan tampak
globe yang menunjukan letak lintang dan bujur pada bumi[8].
15
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.9 Sistem kordinat latitude dan longitude
Dari berbagai format penulisan koordinat, ada tiga macam format koordinat
yang dipakai pada GPS sebagai titik penentu lokasi suatu area, yakni[9]:
1. Koordinat yang mengandung derajat (degree), menit (minutes), dan detik
(seconds), disebut juga DMS.
Format: derajat menit detik koma detik (dd mm ss.ss)
Contoh: 40:26:46.302N 79:56:55.903W
Arti: Pada Lintang Utara (Latitude North) 40 derajat 26 menit 46,302 detik,
Pada Bujur Barat (Longitude West) 79 derajat 56 menit 55,903 detik.
2. Koordinat yang mengandung derajat (degree) dan menit (minutes), disebut juga
MinDec.
Format: derajat menit koma menit (dd mm.mmmm)
Contoh: 76° 77.4564, -54° 34.5657
Arti : Pada Lintang Utara 76 derajat 77,4564 menit, Pada Bujur Barat 54 derajat
34,5657 menit.
3. Koordinat yang mengandung derajat saja (DegDec)
Format: derajat koma derajat (dd.dddddd)
Contoh: -06.257508,106.745980
16
Universitas Sumatera Utara
Arti: Pada Lintang Selatan 6, 257508 derajat, Pada Bujur Timur 106,745980
derajat.
2.2.2
Teorema Euclidean Distance
Euclidean distance adalah perhitungan jarak dari 2 buah titik dalam
Euclidean space. Euclidean space diperkenalkan oleh Euclid, seorang
matematikawan dari Yunani sekitar tahun 300 B.C.E. untuk mempelajari hubungan
antara sudut dan jarak. Euclidean ini berkaitan dengan Teorema Phytagoras dan
biasanya diterapkan pada 1, 2 dan 3 dimensi. Gambar 2.10 menunjukkan jarak
antara dua titik koordinat. Untuk mencari jarak antara dua titik dinyatakan pada
Persamaan 2.10 [14]:
Dimana :
=√
−
+
−
(2.10)
d = jarak antara kedua titik
x1 = posisi titik A pada sumbu x
x2 = posisi titik B pada sumbu x
y1 = posisi titik A pada sumbu y
y2 = posisi titik B pada sumbu y
Gambar 2.10 Perhitungan jarak dengan persamaan euclidean
17
Universitas Sumatera Utara
Teori ini dapat digunakan untuk mencari jarak antara dua buah koordinat
latitude dan longitude yang dapat dilihat pada Persamaan 2.11 [14]:
=√ �
−�
+ �
−�
(2.11)
Hasil perhitungan dari persamaan jarak diatas masih dalam satuan decimal
degree (sesuai dengan format latitude dan longitude yang digunakan) sehingga
untuk menyesuaikannya perlu dikalikan dengan 111,319 km (1 derajat bumi =
111,319 km) agar satuannya berubah menjadi km.
2.3
Dasar Teori Sistem Kontrol
Sistem kendali dapat didefinisikan sebagai hubungan antara komponen yang
membentuk sebuah konfigurasi sistem, yang akan menghasilkan tanggapan sistem
yang diharapkan. Jadi harus ada yang dikendalikan, yang merupakan suatu sistem
fisis, yang biasa disebut dengan kendalian (plant).
Masukan dan keluaran merupakan variabel atau besaran fisis. Keluaran
merupakan hal yang dihasilkan oleh kendalian, artinya yang dikendalikan;
sedangkan masukan adalah yang mempengaruhi kendalian, yang mengatur
keluaran.
A. Sistem kendali lup terbuka
Sistem kendali lup terbuka merupakan sebuah sistem dimana tidak terdapat
elemen yang mengamati keluaran yang terjadi untuk dibandingkan dengan
masukannya (yang diinginkan), meskipun menggunakan sebuah pengendali
(controller) untuk memperoleh tanggapan yang diinginkan[10]. Gambar 2.11
menunjukkan bentuk diagram blok sistem kendali open loop.
18
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.11 Blok diagram sistem kendali open loop
B. Sistem kendali lup tertutup
Sistem kendali lup tertutup adalah sistem kendali yang mempunyai umpan
balik, yang berfungsi untuk mengamati keluaran yang terjadi untuk dibandingkan
dengan masukannya (yang diinginkan). Gambar 2.12 menunjukkan bentuk diagram
blok sistem kendali close loop.
Gambar 2.12 Blok diagram sistem kendali close loop
2.4
Arduino
Arduino didefinisikan sebagai sebuah platform elektronik yang open
source, berbasis pada sofwtare dan hardware yang fleksibel dan mudah digunakan,
yang ditujukan untuk para seniman, desainer, hobbies, dan setiap orang yang
tertarik dalam membuat objek atau lingkungan yang interaktif[11].
Nama Arduino di sini tidak hanya dipakai untuk menamai papan
rangkaiannya
saja,
tetapi
juga
untuk
menamai
bahasa
dan
software
pemrogramannya, serta lingkungan pemrogramannya atau IDE-nya (IDE =
19
Universitas Sumatera Utara
Integrated Development Environment). Gambar 2.13 menujukkan tampilan dari
beberapa Arduino.
Gambar 2.13 Jenis-jenis Arduino
Kelebihan Arduino dari platform hardware mikrokontroler lainnya adalah:
1. IDE Arduino merupakan multiplatform, yang dapat dijalankan di
berbagai sistem operasi, seperti Windows, Macintosh, dan Linux.
2. IDE Arduino dibuat berdasarkan pada IDE Processing, yang sederhana
sehingga mudah digunakan.
3. Pemrograman Arduino menggunakan kabel yang terhubung dengan
port USB, bukan port serial. Fitur ini berguna karena banyak komputer
yang sekarang ini tidak memiliki port serial.
4. Arduino adalah hardware dan software open source.
5. Biaya hardware cukup murah.
6. Proyek Arduino ini dikembangkan dalam lingkungan pendidikan,
sehingga bagi pemula akan lebih cepat dan mudah mempelajarinya.
7.
Memiliki begitu banyak pengguna dan komunitas di internet yang dapat
membantu setiap kesulitan yang dihadapi.
20
Universitas Sumatera Utara
Arduino menggunakan software processing yang digunakan untuk menulis
program kedalam arduino. Processing arduino merupakan penggabungan antara
bahasa C++ dan Java. Gambar 2.14 menunjukkan tampilan utama software Arduino
IDE. Software Arduino IDE ini dapat di-install di berbagai Operating System (OS)
seperti : LINUX, Mac OS, Windows. Software Arduino IDE terdiri dari 3 bagian :
1. Editor program, sebuah window yang memungkinkan pengguna menulis
dan mengedit program dalam bahasa processing.
2. Compiler, modul yang berfungsi mengubah bahasa processing (kode
program) ke dalam kode biner karena kode biner adalah satu-satunya bahasa
program yang dipahami oleh mikrokontroller.
3. Uploader, modul yang berfungsi memasukkan kode biner kedalam
mikorokontroler. Struktur perintah pada arduino secara garis besar terdiri
dari dua bagian yaitu void setup dan void loop. Void setup berisi perintah
yang akan dieksekusi hanya satu kali sejak arduino dihidupkan sedangkan
void loop berisi perintah yang akan dieksekusi berulang ulang selama
arduino dinyalakan.
Gambar 2.14 Tampilan Arduino IDE
21
Universitas Sumatera Utara
2.5
Tracking Antena
Pergerakan muatan dapat menimbulkan masalah pada sisi stasiun bumi. Hal
ini terjadi karena untuk dapat menerima data dengan baik, stasiun bumi harus
terarah ke muatan. Oleh karena itu, antena stasiun bumi harus memiliki mount yang
dapat digerakkan dan sistem tracking. Mount antena yang biasa digunakan adalah
EL/AZ mount yang memungkinkan antena untuk digerakkan ke arah atas- bawah
dan kiri-kanan. Sistem tracking diperlukan pada situasi dimana sebuah jaringan
komunikasi mengharuskan level sinyal yang diterima dan yang dikirimkan berada
didalam batas tertentu. Sistem tracking akan mencari arah sinyal terkuat yang
dikirimkan oleh muatan sehingga memungkinkan antena stasiun bumi untuk
pointing ke muatan [12].
Secara umum, sistem tracking terbagi menjadi 3, yaitu manual tracking,
program tracking dan autotracking. Sistem manual tracking adalah sistem yang
membutuhkan seorang operator untuk menggerakkan antena sampai didapat sinyal
yang maksimal. Program tracking adalah sistem dimana antena digerakkan
berdasarkan data-data prediksi lintasan muatan. Data ini bisa berupa data hasil
perhitungan komputer maupun data rekaman lintasan muatan dari waktu-waktu
sebelumnya. Sistem autoracking antena adalah suatu sistem yang memungkinkan
antena stasiun bumi untuk mendeteksi dan bergerak ke arah sinyal terkuat secara
otomatis dengan menggunakan sistem kontrol dan motor penggerak. Apabila sinyal
yang diterima stasiun bumi menurun, maka sistem kontrol akan mendeteksi lokasi
sinyal terkuat dan memberikan perintah agar motor penggerak mengerakkan antena
ke arah tersebut [13].
22
Universitas Sumatera Utara
LANDASAN TEORI
2.1
Antena
Antena adalah perangkat media transmisi wireless (nirkabel) yang
memanfaatkan udara atau ruang bebas sebagai media penghantar. Antena
mempunyai fungsi untuk merubah energi elektromagnetik terbimbing menjadi
gelombang elektromagnetik ruang bebas (gelombang mikro) yang merupakan
fungsi antena sebagai transmitter(Tx). Energi listrik dari transmitter dikonversi
menjadi gelombang elektromagnetik dan oleh sebuah antena yang kemudian
gelombang tersebut dipancarkan menuju udara bebas. Pada receiver(Rx) 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
2.1.1
Parameter Karakteristik Antena
Parameter karakteristik 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, beamwidth antena, bandwidth antena dan voltage standing wave ratio
(VSWR).
6
Universitas Sumatera Utara
2.1.1.1 Direktivitas
Keterarahan dari suatu antena didefinisikan sebagai ’’perbandingan antara
intensitas radiasi maksimum dengan intensitas radiasi dari antena referensi
isotropis”. Keterarahan dari sumber non-isotropis adalah sama dengan
perbandingan intensitas radiasi maksimumnya di atas sebuah sumber isotropis[4].
Keterarahan pada antena secara umum dinyatakan dari Persamaan 2.1[4]:
=
Dimana :
.
4.�. ���
���
(2.1)
= directivity (dB)
= intensitas radiasi maksimum (watt)
= daya radiasi total (watt)
2.1.1.2 Gain
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 decibel [7].
Gain dari sebuah antena adalah kualitas nyala yang besarnya lebih kecil
daripada penguatan antena tersebut yang dapat dinyatakan pada Persamaan 2.2[5]
Gain = G = k.D
(2.2)
Dimana :
k = efisiensi antena, 0 ≤ k ≤ 1
7
Universitas Sumatera Utara
Gain dapat dihitung dengan membandingkan kerapatan daya maksimum
antena yang diukur dengan antena referensi yang diketahui gainnya. Maka dapat
dituliskan pada Persamaan 2.3 [4]:
=
����
� �
����
(2.3)
�
Atau jika dihitung dalam nilai logaritmik dirumuskan oleh Persamaan 2.4
[4]:
Dimana :
=[
−
]+
(2.4)
= Gain total antena
= Nilai level sinyal maksimum yang diterima antena terukur (dBm)
= Nilai level sinyal maksimum yang diterima antena referensi (dBm)
= Gain antena referensi
2.1.1.3 Pola Radiasi
Pola radiasi dari sebuah antena didefinisikan sebagai fungsi matematis atau
gambaran secara grafis dari karakteristik radiasi sebuah antena sebagai fungsi dari
koordinat ruang. Pada kasus secara keseluruhan, pola radiasi dihitung/diukur pada
medan jauh dan digambarkan kembali sebagai koordinat arah. Karakteristik radiasi
mencakup rapat flux daya, intensitas radiasi, kuat medan, keterarahan/direktivitas,
fasa atau polarisasi. Karakteristik radiasi yang menjadi pusat perhatian adalah
distribusi energi radiasi dalam ruang 2 dimensi maupun 3 dimensi sebagai fungsi
dari posisi pengamat di sepanjang jalur dengan jari-jari yang konstan. Contoh
koordinat yang sesuai diperlihatkan pada Gambar 2.2[4]. Radiasi antena terdiri dari
tiga komponen medan elektromagnetik (medan listrik dan medan magnet) yaitu
,
8
Universitas Sumatera Utara
Ø,
ɵ
dan
,
Ø,
ɵ
dimana r adalah radius radiasi, Ø adalah lebar sudut radiasi
terhadap azimuth, dan ɵ adalah lebar sudut radiasi terhadap elevasi.
Gambar 2.2 Sistem koordinat untuk menganalisis antena
2.1.1.4 Beamwidth
Beamwidth adalah besamya sudut berkas pancaran gelombang frekuensi
radio utama (main lobe) yang dihitung pada titik 3 dB menurun dari puncak lobe
utama [2]. Besarnya beamwidth dapat dihitung dengan persamaan 2.5[6] :
Dimana :
=
,
.�
(2.5)
Bw = 3 dB beamwidth (derajat)
f = frekuensi (GHz)
D = diameter antena (m)
9
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 menunjukkan tiga daerah pancaran yaitu lobe utama (main lobe,
nomor 1), lobe sisi samping (side lobe, nomor 2) dan lobe sisi belakang (back lobe,
nomor 3).
Gambar 2.3 Beamwidth antena
Half Power Beamwidth (HPBW) adalah daerah sudut yang dibatasi oleh
titik-titik setengah 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.
2.1.1.5 Bandwidth
Bandwidth suatu antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi dimana
kerja yang berhubungan dengan berapa karakteristik (seperti impedansi masukan,
pola, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR, return loss, axial ratio)
memenuhi spesifikasi standar [4]. Gambar 2.4 menunjukkan bandwidth antena.
Gambar 2.4 Bandwidth antena
10
Universitas Sumatera Utara
Dari Gambar 2.4 diketahui f1 adalah frekuensi bawah, f2 adalah frekuensi
atas dan fc merupakan frekuensi tengah. Dengan melihat Gambar 2.4 bandwidth
dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 2.6 [5] :
−
%=
%
(2.6)
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.
2.1.1.6 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)
VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing
wave) maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min). Pada saluran transmisi ada
dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (
−
tegangan yang direfleksikan (
+
) dan
). Pebandingan tegangan yang direfleksikan
dengan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (Γ) yang dapat
dicari dengan Persamaan 2.7 [8] :
di mana
�
Γ=
�
�
−
+
=
�− �
(2.7)
�+ �
adalah impedansi beban (load) dan
adalah impedansi saluran.
Rumus untuk mencari VSWR dituliskan pada Persamaan 2.8 [4] :
=
| |
| | �
=
+|Γ|
−|Γ|
(2.8)
Kondisi yang baik adalah ketika VSWR bemilai 1, yang berarti tidak ada
refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun, kondisi ini
11
Universitas Sumatera Utara
kenyataannya sulit diperoleh. Oleh karena itu, nilai standar VSWR yang diijinkan
dalam perancangan antena adalah < 2.
2.1.2
Antena Omnidireksional
Antena omnidireksional adalah sebuah perangkat antena yang mampu
mengirim dan menerima sinyal ke dan dari segala arah. Antena jenis ini memiliki
sudut pancaran (beamwidth) yang besar, namun memiliki jarak jangkauan yang
kecil. Antena omnidireksional biasanya digunakan untuk keperluan hotspot atau
access point karena cocok untuk hubungan komunikasi point-to-multi-point. Pola
radiasi dari antena omnidireksional berbentuk seperti donat, seperti yang
ditunjukkan oleh Gambar 2.5. Contoh dari antena omnidireksional yaitu antena ¼
lamda, antena monopole, antena rubber duck, dan lain-lain.
Gambar 2.5 Pola radiasi antena omnidireksional
2.1.3
Antena Unidireksional
Antena unidireksional memancarkan dan menerima sinyal hanya dari satu
arah. Antena unidireksional mempunyai kemampuan direktivitas yang lebih
dibandingkan jenis-jenis antena lainnya. Kemampuan direktivitas ini membuat
12
Universitas Sumatera Utara
antena ini lebih banyak digunakan untuk koneksi jarak jauh. Dengan kemampuan
direktivitas ini membuat antena mampu mendengar sinyal yang relatif kecil dan
mengirimkan sinyal lebih jauh. Umumnya antena unidireksional mempunyai
spesifikasi gain tinggi tetapi beamwidth kecil. Hal ini menguntungkan karena
kecilnya beamwidth menyebabkan berkurangnya derau yang masuk kedalam
antena. Semakin kecil bidang tangkapan(aperture), semakin naik selektivitas
antena terhadap sinyal wireless yang berarti semakin sedikit derau yang ditangkap
oleh antena tersebut[7].
Beberapa macam antena unidireksional antara lain antena Yagi-Uda, antena
parabola, antena helix, antena biquad, antena log-periodik, dan lain-lain. Gambar
2.6 menunjukkan pola radiasi dari antena unidireksional.
Gambar 2.6 Pola radiasi antena unidireksional
2.2
Azimuth dan Elevasi
Azimuth ialah sudut dalam derajat yang diukur sepanjang garis horizon,
diantara utara yang sesungguhnya dan titik posisi satelit yang ditranslasikan ke garis
horizon. Azimuth selalu direpresentasikan searah jarum jam dari utara sebenarnya,
dan selalu menunjukan nilai positif.
13
Universitas Sumatera Utara
Elevasi (altitude) ialah sudut yang diukur sepanjang garis vertikal, antara
horizon dengan target. Secara teori, elevasi dapat bernilai positif dan negatif, namun
pada prakteknya nilai negatif tidak mungkin ditemui, karena hal itu berarti target
berada di bawah garis horizon (di bawah permukaan bumi). Gambar 2.7
menunjukkan posisi dari sudut azimuth dan elevasi.
Gambar 2.7 Posisi sudut azimuth dan elevasi
Karena sudut azimuth dan elevasi terbentuk dari posisi stasiun pengirim dan
stasiun penerima, maka dapat digunakan persamaan segitiga pythagoras untuk
menentukan besar sudut azimuth maupun sudut elevasi.
Gambar 2.8 Segitiga Pythagoras
14
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 Merupakan segitiga siku-siku. Jika kita ingin mencari besar
sudut di titik A, maka dapat dinyatakan pada Persamaan 2.9 [14] :
=
2.2.1
tan ⁄
(2.9)
GPS (Global Positioning System)
GPS adalah sistem satelit navigasi dan penentuan posisi global yang
dimungkinkan dengan beroperasinya satelit penentu posisi milik negara Amerika
Serikat. Asalnya adalah NAVSTAR GPS (Navigation Satelite Timing and Ranging
Global Positioning System), yang kemudian disingkat GPS merupakan sistem radio
navigasi satelit yang dikembangkan oleh United State Departement of Defense
(DoD) untuk keperluan militer dalam penentuan posisi, kecepatan dan waktu secara
teliti dalam segala cuaca pada sembarang waktu dimuka bumi (darat, laut dan
udara). Selanjutnya dengan persetujuan US
Congress, GPS kemudian
dikembangkan untuk keperluan non–militer. Secara Teknis GPS adalah perpaduan
satelit dan receiver yang mampu menunjukkan dan mencatat posisi suatu obyek
dimuka bumi secara global.
Koordinat Geografi diukur dalam lintang dan bujur dalam besaran derajat
desimal, derajat menit desimal, atau derajat menit detik. Lintang diukur terhadap
ekuator sebagai titik NOL (0° sampai 90° positif kearah utara dan 0° sampai 90°
kearah selatan). Bujur diukur berdasarkan titik NOL di greenwich (0° sampai 180°
kearah timur dan 0° sampai 180° kearah barat)[9]. Gambar 2.9 merupakan tampak
globe yang menunjukan letak lintang dan bujur pada bumi[8].
15
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.9 Sistem kordinat latitude dan longitude
Dari berbagai format penulisan koordinat, ada tiga macam format koordinat
yang dipakai pada GPS sebagai titik penentu lokasi suatu area, yakni[9]:
1. Koordinat yang mengandung derajat (degree), menit (minutes), dan detik
(seconds), disebut juga DMS.
Format: derajat menit detik koma detik (dd mm ss.ss)
Contoh: 40:26:46.302N 79:56:55.903W
Arti: Pada Lintang Utara (Latitude North) 40 derajat 26 menit 46,302 detik,
Pada Bujur Barat (Longitude West) 79 derajat 56 menit 55,903 detik.
2. Koordinat yang mengandung derajat (degree) dan menit (minutes), disebut juga
MinDec.
Format: derajat menit koma menit (dd mm.mmmm)
Contoh: 76° 77.4564, -54° 34.5657
Arti : Pada Lintang Utara 76 derajat 77,4564 menit, Pada Bujur Barat 54 derajat
34,5657 menit.
3. Koordinat yang mengandung derajat saja (DegDec)
Format: derajat koma derajat (dd.dddddd)
Contoh: -06.257508,106.745980
16
Universitas Sumatera Utara
Arti: Pada Lintang Selatan 6, 257508 derajat, Pada Bujur Timur 106,745980
derajat.
2.2.2
Teorema Euclidean Distance
Euclidean distance adalah perhitungan jarak dari 2 buah titik dalam
Euclidean space. Euclidean space diperkenalkan oleh Euclid, seorang
matematikawan dari Yunani sekitar tahun 300 B.C.E. untuk mempelajari hubungan
antara sudut dan jarak. Euclidean ini berkaitan dengan Teorema Phytagoras dan
biasanya diterapkan pada 1, 2 dan 3 dimensi. Gambar 2.10 menunjukkan jarak
antara dua titik koordinat. Untuk mencari jarak antara dua titik dinyatakan pada
Persamaan 2.10 [14]:
Dimana :
=√
−
+
−
(2.10)
d = jarak antara kedua titik
x1 = posisi titik A pada sumbu x
x2 = posisi titik B pada sumbu x
y1 = posisi titik A pada sumbu y
y2 = posisi titik B pada sumbu y
Gambar 2.10 Perhitungan jarak dengan persamaan euclidean
17
Universitas Sumatera Utara
Teori ini dapat digunakan untuk mencari jarak antara dua buah koordinat
latitude dan longitude yang dapat dilihat pada Persamaan 2.11 [14]:
=√ �
−�
+ �
−�
(2.11)
Hasil perhitungan dari persamaan jarak diatas masih dalam satuan decimal
degree (sesuai dengan format latitude dan longitude yang digunakan) sehingga
untuk menyesuaikannya perlu dikalikan dengan 111,319 km (1 derajat bumi =
111,319 km) agar satuannya berubah menjadi km.
2.3
Dasar Teori Sistem Kontrol
Sistem kendali dapat didefinisikan sebagai hubungan antara komponen yang
membentuk sebuah konfigurasi sistem, yang akan menghasilkan tanggapan sistem
yang diharapkan. Jadi harus ada yang dikendalikan, yang merupakan suatu sistem
fisis, yang biasa disebut dengan kendalian (plant).
Masukan dan keluaran merupakan variabel atau besaran fisis. Keluaran
merupakan hal yang dihasilkan oleh kendalian, artinya yang dikendalikan;
sedangkan masukan adalah yang mempengaruhi kendalian, yang mengatur
keluaran.
A. Sistem kendali lup terbuka
Sistem kendali lup terbuka merupakan sebuah sistem dimana tidak terdapat
elemen yang mengamati keluaran yang terjadi untuk dibandingkan dengan
masukannya (yang diinginkan), meskipun menggunakan sebuah pengendali
(controller) untuk memperoleh tanggapan yang diinginkan[10]. Gambar 2.11
menunjukkan bentuk diagram blok sistem kendali open loop.
18
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.11 Blok diagram sistem kendali open loop
B. Sistem kendali lup tertutup
Sistem kendali lup tertutup adalah sistem kendali yang mempunyai umpan
balik, yang berfungsi untuk mengamati keluaran yang terjadi untuk dibandingkan
dengan masukannya (yang diinginkan). Gambar 2.12 menunjukkan bentuk diagram
blok sistem kendali close loop.
Gambar 2.12 Blok diagram sistem kendali close loop
2.4
Arduino
Arduino didefinisikan sebagai sebuah platform elektronik yang open
source, berbasis pada sofwtare dan hardware yang fleksibel dan mudah digunakan,
yang ditujukan untuk para seniman, desainer, hobbies, dan setiap orang yang
tertarik dalam membuat objek atau lingkungan yang interaktif[11].
Nama Arduino di sini tidak hanya dipakai untuk menamai papan
rangkaiannya
saja,
tetapi
juga
untuk
menamai
bahasa
dan
software
pemrogramannya, serta lingkungan pemrogramannya atau IDE-nya (IDE =
19
Universitas Sumatera Utara
Integrated Development Environment). Gambar 2.13 menujukkan tampilan dari
beberapa Arduino.
Gambar 2.13 Jenis-jenis Arduino
Kelebihan Arduino dari platform hardware mikrokontroler lainnya adalah:
1. IDE Arduino merupakan multiplatform, yang dapat dijalankan di
berbagai sistem operasi, seperti Windows, Macintosh, dan Linux.
2. IDE Arduino dibuat berdasarkan pada IDE Processing, yang sederhana
sehingga mudah digunakan.
3. Pemrograman Arduino menggunakan kabel yang terhubung dengan
port USB, bukan port serial. Fitur ini berguna karena banyak komputer
yang sekarang ini tidak memiliki port serial.
4. Arduino adalah hardware dan software open source.
5. Biaya hardware cukup murah.
6. Proyek Arduino ini dikembangkan dalam lingkungan pendidikan,
sehingga bagi pemula akan lebih cepat dan mudah mempelajarinya.
7.
Memiliki begitu banyak pengguna dan komunitas di internet yang dapat
membantu setiap kesulitan yang dihadapi.
20
Universitas Sumatera Utara
Arduino menggunakan software processing yang digunakan untuk menulis
program kedalam arduino. Processing arduino merupakan penggabungan antara
bahasa C++ dan Java. Gambar 2.14 menunjukkan tampilan utama software Arduino
IDE. Software Arduino IDE ini dapat di-install di berbagai Operating System (OS)
seperti : LINUX, Mac OS, Windows. Software Arduino IDE terdiri dari 3 bagian :
1. Editor program, sebuah window yang memungkinkan pengguna menulis
dan mengedit program dalam bahasa processing.
2. Compiler, modul yang berfungsi mengubah bahasa processing (kode
program) ke dalam kode biner karena kode biner adalah satu-satunya bahasa
program yang dipahami oleh mikrokontroller.
3. Uploader, modul yang berfungsi memasukkan kode biner kedalam
mikorokontroler. Struktur perintah pada arduino secara garis besar terdiri
dari dua bagian yaitu void setup dan void loop. Void setup berisi perintah
yang akan dieksekusi hanya satu kali sejak arduino dihidupkan sedangkan
void loop berisi perintah yang akan dieksekusi berulang ulang selama
arduino dinyalakan.
Gambar 2.14 Tampilan Arduino IDE
21
Universitas Sumatera Utara
2.5
Tracking Antena
Pergerakan muatan dapat menimbulkan masalah pada sisi stasiun bumi. Hal
ini terjadi karena untuk dapat menerima data dengan baik, stasiun bumi harus
terarah ke muatan. Oleh karena itu, antena stasiun bumi harus memiliki mount yang
dapat digerakkan dan sistem tracking. Mount antena yang biasa digunakan adalah
EL/AZ mount yang memungkinkan antena untuk digerakkan ke arah atas- bawah
dan kiri-kanan. Sistem tracking diperlukan pada situasi dimana sebuah jaringan
komunikasi mengharuskan level sinyal yang diterima dan yang dikirimkan berada
didalam batas tertentu. Sistem tracking akan mencari arah sinyal terkuat yang
dikirimkan oleh muatan sehingga memungkinkan antena stasiun bumi untuk
pointing ke muatan [12].
Secara umum, sistem tracking terbagi menjadi 3, yaitu manual tracking,
program tracking dan autotracking. Sistem manual tracking adalah sistem yang
membutuhkan seorang operator untuk menggerakkan antena sampai didapat sinyal
yang maksimal. Program tracking adalah sistem dimana antena digerakkan
berdasarkan data-data prediksi lintasan muatan. Data ini bisa berupa data hasil
perhitungan komputer maupun data rekaman lintasan muatan dari waktu-waktu
sebelumnya. Sistem autoracking antena adalah suatu sistem yang memungkinkan
antena stasiun bumi untuk mendeteksi dan bergerak ke arah sinyal terkuat secara
otomatis dengan menggunakan sistem kontrol dan motor penggerak. Apabila sinyal
yang diterima stasiun bumi menurun, maka sistem kontrol akan mendeteksi lokasi
sinyal terkuat dan memberikan perintah agar motor penggerak mengerakkan antena
ke arah tersebut [13].
22
Universitas Sumatera Utara