Rancang Bangun Sistem Autotracking Antena Yagi Frekuensi 433 Mhz Menggunakan Data Gps
BAB II
TEORI DASAR
2.1 Umum
Kualitas suatu sistem komunikasi sangat ditentukan oleh kuat sinyal yang
diterima. Salah satu cara agar sinyal dapat diterima secara maksimal adalah
dengan mengarahkan antena penerima tepat ke antena pengirim. Pengarahan
antena akan mudah dilakukan jika target yang dituju tetap atau tidak bergerak, kita
hanya perlu mengetahui posisi target lalu mengarahkan antena ke posisi
tersebut[1].
Jika target yang dituju dapat bergerak, maka diperlukan suatu sistem tracking
untuk mengarahkan antena. Sistem tracking yang dibuat umumnya menggunakan
kuat sinyal sebagai referensi sebagai pengarah. Sistem tracking adalah suatu
sistem yang memungkinkan antena penerima untuk mendeteksi antena pengirim
lalu
mengarahkan
antena
tersebut.
Sistem
tracking
digunakan
untuk
mempertahankan level sinyal yang diterima pada level tertentu[2].
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 spectrum frekuensi radio. Gelombang
dikarakteristikkan oleh panjang gelombang dan frekuensi. Panjang gelombang (λ)
memiliki hubungan dengan frekuensi (ƒ) dan kecepatan (ν) yang ditunjukkan pada
Persamaan 2.1[3].
5
Universitas Sumatera Utara
(2.1)
Kecepatan (ν) bergantung pada medium. Ketika medium rambat adalah hampa
udara (free space), seperti pada persamaan 2.2[3]:
v = c = 3 x 108 m/s
(2.2)
Salah satu spektrum frekuensi gelombang elektromagnetik adalah
gelombang radio. Pembagian spektrum frekuensi gelombang radio dapat
ditunjukkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Spektrum Frekuensi Gelombang Radio
Band
Panjang
Nama Band
Singkatan
Frekuensi (f)
ITU
Gelombang (λ)
Extremely Low
100.000 km ELF
1
3-30 Hz
Frequency
10.000 km
Super Low
10.000 km-1000
SLF
2
30-300 Hz
Frequency
km
Ultra Low
1000 km – 100
ULF
3
300 – 3000 Hz
Frequency
km
Very Low
VLF
4
3 – 30 KHz
100 km – 10 km
Frequency
Low Frequency
LF
5
30 – 300 KHz
10 km – 1 km
Medium
MF
6
300 – 3000 KHz
1 km – 100 m
Frequency
High Frequency
HF
7
3 – 30 MHz
100 m – 10 m
Very High
VHF
8
30 – 300 MHz
10 m – 1 m
Frequency
Ultra High
UHF
9
300 – 3000 MHz
1 m – 100 mm
Frequency
Super High
100 mm – 10
SHF
10
3 – 30 GHz
Frequency
mm
Extremely High
EHF
11
30 – 300 GHz
10 mm – 1 mm
Frequency
6
Universitas Sumatera Utara
2.3 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.
Antena
Antena
Gelombang Elektromagnetik
Rx
Tx
Gambar 2.1 Antena Sebagai Pengirim dan Penerima
2.3.1 Parameter Karateristik 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, impedansi antena dan voltage
standing wave ratio (VSWR).
7
Universitas Sumatera Utara
2.3.1.1 Direktivitas Antena
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 2.3[4]:
Do = 10 ⋅ log
4 ⋅ π ⋅ U max
Prad
(2.3)
Dimana :
Do
= directivity (dB)
Umax
= intensitas radiasi maksimum (watt)
Prad
= daya radiasi total (watt)
2.3.1.2 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 decibel [4].
Gain dari sebuah antena adalah kualitas nyala yang besarnya lebih kecil
daripada penguatan antena tersebut yang dapat dinyatakan pada persamaan 2.4[5]
:
Gain = G = k. D
(2.4)
8
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
k = efisiensi antena, 0 ≤ k ≤1
Gain antena dapat diperoleh dengan mengukur power pada main lobe dan
membandingkan power-nya dengan power pada antena referensi. Gain antena
diukur dalam satuan decibel. Decibel dapat ditetapkan dengan dua cara yaitu [4] :
a.
Ketika mengacu pada pengukuran daya (power)
(2.5)
b.
Ketika mengacu pada pengukuran tegangan (volt)
(2.6)
Gain antena biasanya diukur relatif pada :
1) dBi (relatif pada radioator isotropic)
2) dBd (relatif pada radioator dipole)
Hubungan antara dBi dan dBd dapat dilihat pada persamaan 2.7[5] :
0 dBd = 2,15 dBi
(2.7)
Umumnya dBi digunakan untuk mengukur gain sebuah antena.
Gain dapat dihitung dengan membandingkan kerapatan daya maksimum
antena yang diukur dengan antena referensi yang diketahui gainnya. Maka dapat
dituliskan pada persamaan 2.8[4]:
(2.8)
Atau jika dihitung dalam nilai logaritmik dirumuskan oleh persamaan 2.9[4] :
Gt (dB) = [Pt(dBm) – Ps(dBm)] + Gs(dB)
(2.9)
Dimana :
9
Universitas Sumatera Utara
Gt
= Gain total antena.
Pt
= Nilai level sinyal maksimum yang diterima antena terukur (dBm).
Ps
= Nilai level sinyal maksimum yang diterima antena referensi (dBm).
Gs
= Gain antena referensi.
2.3.1.3 Pola Radiasi Antena
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].
Gambar 2.2 Sistem Koordinat Untuk Menganalisis Antena
2.3.1.4 Beamwidth Antena
10
Universitas Sumatera Utara
Beamwidth adalah besarnya sudut berkas pancaran gelombang frekuensi
radio utama (main lobe) yang dihitung pada titik 3 dB menurun dari puncak lobe
utama [5]. Besarnya beamwidth dapat dihitung dengan persamaan 2.10[6] :
(2.10)
Dimana :
B = 3 dB beamwidth (derajat)
= frekuensi (GHz)
d = diameter antena (m)
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
lobeutama. First Null Beamwidth (FNBW) adalah besar sudut bidang diantara dua
arah pada main lobe yang intensitas radiasinya nol
2.3.1.5 Bandwidth Antena
11
Universitas Sumatera Utara
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
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 2.11[5] :
(2.11)
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.
2.3.1.6 Impedansi Antena
Impedansi antena didefinisikan sebagai perbandingan antara medan
elektrik terhadap medan magnetik pada suatu titik [4]. Dengan kata lain pada
sepasang
terminal
maka
impedansi
antena
bisa
didefinisikan
sebagai
12
Universitas Sumatera Utara
perbandingan antara tegangan terhadap arus pada terminal tersebut. Seperti pada
persamaan 2.12.
ZT =
V
I
(2.12)
Dimana :
ZT = impedansi terminal (ohm)
V = beda potensial terminal (volt)
I = arus terminal (ampere)
2.3.1.7 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 (V0+) dan tegangan yang direfleksikan (V0-). Pebandingan tegangan
yang direfleksikan dengan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi
tegangan (Γ) [4] :
(2.13)
di mana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0 adalah impedansi saluran.
Rumus untuk mendari VSWR adalah [4] :
VSWR =
Vˆ max
Vˆ min
=
1+ Γ
1− Γ
(2.14)
13
Universitas Sumatera Utara
Kondisi yang baik adalah ketika VSWR bernilai 1, yang berarti tidak ada
refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun, kondisi ini
kenyataannya sulit diperoleh. Oleh karena itu, nilai standar VSWR yang diijinkan
dalam perancangan antena adalah ≤ 2.
2.3.2
Antena Unidirectional
Antena unidirectional memancarkan dan menerima sinyal hanya dari satu
arah. Antena unidirectional mempunyai kemampuan direktivitas yang lebih
dibandingkan jenis–jenis antena lainnya. Kemampuan direktivitas ini membuat
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 unidirectional 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 unidirectional antara lain antena Yagi-Uda, antena
parabola, antena helix, antena log-periodik, dan lain–lain. Gambar 2.5 salah satu
jenis antena unidirectional yaitu antena Yagi-Uda.
Gambar 2.5 Antena Yagi-Uda
14
Universitas Sumatera Utara
2.4
Arduino
Arduino adalah kit elektronik atau papan rangkaian elektronik open source
yang didalamnya terdapat komponen utama yaitu sebuah chip mikrokontroler
dengan jenis AVR. Mikrokontroler itu sendiri adalah chip atau IC (integrated
circuit) yang bisa diprogram menggunakan komputer. Tujuan menanamkan
program pada mikrokontroler adalah agar rangkaian elektronik dapat membaca
input, memproses input tersebut dan kemudian menghasilkan output sesuai yang
diinginkan. Jadi mikrokontroler bertugas sebagai ‘otak’ yang mengendalikan
input, proses dan output sebuah rangkaian elektronik. Karena komponen utama
Arduino adalah mikrokontroler, maka Arduino dapat diprogram menggunakan
komputer sesuai kebutuhan kita. Arduino tidak perlu perangkat chip programmer
karena didalamnya sudah ada bootloader yang akan menangani upload program
dari komputer. Sudah memiliki sarana komunikasi USB, sehingga pengguna
laptop yang tidak memiliki port serial/RS323 bisa menggunakannya. Bahasa
pemrograman relatif mudah karena software Arduino dilengkapi dengan
kumpulan library yang cukup lengkap[8]. Memiliki modul siap pakai (shield)
yang bisa ditancapkan pada board Arduino. Misalnya shield GPS, Ethernet, SD
Card, dll.
Secara umum Arduino terdiri dari dua bagian, yaitu:
1.
Hardware = Papan input/output (I/O) . Gambar 2.6 merupakan Hadware
dari arduino, yaitu Arduino Nano[9].
15
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Arduino Nano
2. Software = Software Arduino meliputi IDE untuk menulis program, driver
untuk
koneksi
dengan
komputer,
contoh
program
dan
library
untuk
pengembangan program. Gambar 2.7 merupakan Tampilan Software Arduino
IDE.
Gambar 2.7 Tampilan Software Arduino IDE
2.5
Motor Servo
Motor servo adalah sebuah motor dengan sistem umpan balik tertutup di
mana posisi dari motor akan diinformasikan kembali ke rangkaian kontrol yang
ada di dalam motor servo. Gambar 2.8 menunjukkan motor servo.
16
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 Motor Servo
Motor ini terdiri dari sebuah motor DC, serangkaian gear, potensiometer
dan rangkaian kontrol. Potensiometer berfungsi untuk menentukan batas sudut
dari putaran servo. Sedangkan sudut dari sumbu motor servo diatur berdasarkan
lebar pulsa yang dikirim melalui pin sinyal dari kabel motor.
Secara umum terdapat 2 jenis motor servo, yaitu motor servo standard dan
motor servo Continous. Servo motor tipe standar hanya mampu berputar 180
derajat. Sedangkan servo motor continuous dapat berputar sebesar 360 derajat.
Pada badan servo tertulis tipe servo yang bersangkutan[8].
Untuk menggerakkan motor servo ke kanan atau ke kiri, tergantung dari
nilai delay yang diberikan. Untuk membuat servo pada posisi center, berikan pulsa
1ms sampai dengan 20 ms. Untuk memutar servo ke kanan, berikan pulsa = 2 ms untuk berputar ke kiri dengan delay 1 ms, seperti Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Menggerakkan motor servo ke kanan atau ke kiri
2.6 GPS(Global Positioning System)
17
Universitas Sumatera Utara
GPS atau Global Positioning System, merupakan sebuah alat atau sistem
yang dapat digunakan untuk menginformasikan penggunanya berada (secara
global) di permukaan bumi yang berbasiskan satelit. Data dikirim dari satelit
berupa sinyal radio dengan data digital.
2.6.1 Sistem koordinat pada GPS
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)[10]. Gambar 2.10 merupakan
tampak globe yang menunjukan letak lintang dan bujur pada bumi[10].
Gambar 2.10 Sistem Koordinat Latitude dan Longitude
Dari berbagai format penulisan koordinat, ada tiga macam format koordinat yang
dipakai pada GPS sebagai titik penentu lokasi suatu area, yakni[11]:
18
Universitas Sumatera Utara
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
Arti: Pada Lintang Selatan 6, 257508 derajat, Pada Bujur Timur 106,745980
derajat.
2.7
Azimuth dan Bearing
Azimuth adalah sudut yang diukur searah jarum jam dari sembarang
meridian acuan. Azimuth berkisar antara 0 sampai 360° dan tidak memerlukan
huruf-huruf untuk menunjukkan kuadran. Refrensi sudut azimuth adalah arah
utara bumi.
19
Universitas Sumatera Utara
Bearing merupakan satu sistem penentuan arah garis dengan memakai
sebuah sudut dan huruf-huruf kuadran. Sudutnya diukur dari utara maupun selatan
ke arah timur ataupun barat, untuk menghasilkan sudut kurang dari 90°[13].
Gambar 2.11 menunjukkan perbedaan antara Bearing dan Azimuth.
Gambar 2.11 Azimuth dan Bearing
2.8
Kompas
Kompas adalah alat navigasi untuk menentukan arah berupa sebuah panah
penunjuk
magnetis
yang
bebas
menyelaraskan
dirinya
denganmedan
magnet bumi secara akurat. Kompas memberikan rujukan arah tertentu, sehingga
sangat membantu dalam bidang navigasi. Arah mata angin yang ditunjuknya
adalah utara, selatan, timur, dan barat[14].
Gambar 2.12 Tampilan Kompas dari Smartphone
20
Universitas Sumatera Utara
2.9
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 atasbawah 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 [2].
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 [8].
21
Universitas Sumatera Utara
TEORI DASAR
2.1 Umum
Kualitas suatu sistem komunikasi sangat ditentukan oleh kuat sinyal yang
diterima. Salah satu cara agar sinyal dapat diterima secara maksimal adalah
dengan mengarahkan antena penerima tepat ke antena pengirim. Pengarahan
antena akan mudah dilakukan jika target yang dituju tetap atau tidak bergerak, kita
hanya perlu mengetahui posisi target lalu mengarahkan antena ke posisi
tersebut[1].
Jika target yang dituju dapat bergerak, maka diperlukan suatu sistem tracking
untuk mengarahkan antena. Sistem tracking yang dibuat umumnya menggunakan
kuat sinyal sebagai referensi sebagai pengarah. Sistem tracking adalah suatu
sistem yang memungkinkan antena penerima untuk mendeteksi antena pengirim
lalu
mengarahkan
antena
tersebut.
Sistem
tracking
digunakan
untuk
mempertahankan level sinyal yang diterima pada level tertentu[2].
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 spectrum frekuensi radio. Gelombang
dikarakteristikkan oleh panjang gelombang dan frekuensi. Panjang gelombang (λ)
memiliki hubungan dengan frekuensi (ƒ) dan kecepatan (ν) yang ditunjukkan pada
Persamaan 2.1[3].
5
Universitas Sumatera Utara
(2.1)
Kecepatan (ν) bergantung pada medium. Ketika medium rambat adalah hampa
udara (free space), seperti pada persamaan 2.2[3]:
v = c = 3 x 108 m/s
(2.2)
Salah satu spektrum frekuensi gelombang elektromagnetik adalah
gelombang radio. Pembagian spektrum frekuensi gelombang radio dapat
ditunjukkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Spektrum Frekuensi Gelombang Radio
Band
Panjang
Nama Band
Singkatan
Frekuensi (f)
ITU
Gelombang (λ)
Extremely Low
100.000 km ELF
1
3-30 Hz
Frequency
10.000 km
Super Low
10.000 km-1000
SLF
2
30-300 Hz
Frequency
km
Ultra Low
1000 km – 100
ULF
3
300 – 3000 Hz
Frequency
km
Very Low
VLF
4
3 – 30 KHz
100 km – 10 km
Frequency
Low Frequency
LF
5
30 – 300 KHz
10 km – 1 km
Medium
MF
6
300 – 3000 KHz
1 km – 100 m
Frequency
High Frequency
HF
7
3 – 30 MHz
100 m – 10 m
Very High
VHF
8
30 – 300 MHz
10 m – 1 m
Frequency
Ultra High
UHF
9
300 – 3000 MHz
1 m – 100 mm
Frequency
Super High
100 mm – 10
SHF
10
3 – 30 GHz
Frequency
mm
Extremely High
EHF
11
30 – 300 GHz
10 mm – 1 mm
Frequency
6
Universitas Sumatera Utara
2.3 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.
Antena
Antena
Gelombang Elektromagnetik
Rx
Tx
Gambar 2.1 Antena Sebagai Pengirim dan Penerima
2.3.1 Parameter Karateristik 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, impedansi antena dan voltage
standing wave ratio (VSWR).
7
Universitas Sumatera Utara
2.3.1.1 Direktivitas Antena
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 2.3[4]:
Do = 10 ⋅ log
4 ⋅ π ⋅ U max
Prad
(2.3)
Dimana :
Do
= directivity (dB)
Umax
= intensitas radiasi maksimum (watt)
Prad
= daya radiasi total (watt)
2.3.1.2 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 decibel [4].
Gain dari sebuah antena adalah kualitas nyala yang besarnya lebih kecil
daripada penguatan antena tersebut yang dapat dinyatakan pada persamaan 2.4[5]
:
Gain = G = k. D
(2.4)
8
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
k = efisiensi antena, 0 ≤ k ≤1
Gain antena dapat diperoleh dengan mengukur power pada main lobe dan
membandingkan power-nya dengan power pada antena referensi. Gain antena
diukur dalam satuan decibel. Decibel dapat ditetapkan dengan dua cara yaitu [4] :
a.
Ketika mengacu pada pengukuran daya (power)
(2.5)
b.
Ketika mengacu pada pengukuran tegangan (volt)
(2.6)
Gain antena biasanya diukur relatif pada :
1) dBi (relatif pada radioator isotropic)
2) dBd (relatif pada radioator dipole)
Hubungan antara dBi dan dBd dapat dilihat pada persamaan 2.7[5] :
0 dBd = 2,15 dBi
(2.7)
Umumnya dBi digunakan untuk mengukur gain sebuah antena.
Gain dapat dihitung dengan membandingkan kerapatan daya maksimum
antena yang diukur dengan antena referensi yang diketahui gainnya. Maka dapat
dituliskan pada persamaan 2.8[4]:
(2.8)
Atau jika dihitung dalam nilai logaritmik dirumuskan oleh persamaan 2.9[4] :
Gt (dB) = [Pt(dBm) – Ps(dBm)] + Gs(dB)
(2.9)
Dimana :
9
Universitas Sumatera Utara
Gt
= Gain total antena.
Pt
= Nilai level sinyal maksimum yang diterima antena terukur (dBm).
Ps
= Nilai level sinyal maksimum yang diterima antena referensi (dBm).
Gs
= Gain antena referensi.
2.3.1.3 Pola Radiasi Antena
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].
Gambar 2.2 Sistem Koordinat Untuk Menganalisis Antena
2.3.1.4 Beamwidth Antena
10
Universitas Sumatera Utara
Beamwidth adalah besarnya sudut berkas pancaran gelombang frekuensi
radio utama (main lobe) yang dihitung pada titik 3 dB menurun dari puncak lobe
utama [5]. Besarnya beamwidth dapat dihitung dengan persamaan 2.10[6] :
(2.10)
Dimana :
B = 3 dB beamwidth (derajat)
= frekuensi (GHz)
d = diameter antena (m)
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
lobeutama. First Null Beamwidth (FNBW) adalah besar sudut bidang diantara dua
arah pada main lobe yang intensitas radiasinya nol
2.3.1.5 Bandwidth Antena
11
Universitas Sumatera Utara
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
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 2.11[5] :
(2.11)
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.
2.3.1.6 Impedansi Antena
Impedansi antena didefinisikan sebagai perbandingan antara medan
elektrik terhadap medan magnetik pada suatu titik [4]. Dengan kata lain pada
sepasang
terminal
maka
impedansi
antena
bisa
didefinisikan
sebagai
12
Universitas Sumatera Utara
perbandingan antara tegangan terhadap arus pada terminal tersebut. Seperti pada
persamaan 2.12.
ZT =
V
I
(2.12)
Dimana :
ZT = impedansi terminal (ohm)
V = beda potensial terminal (volt)
I = arus terminal (ampere)
2.3.1.7 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 (V0+) dan tegangan yang direfleksikan (V0-). Pebandingan tegangan
yang direfleksikan dengan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi
tegangan (Γ) [4] :
(2.13)
di mana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0 adalah impedansi saluran.
Rumus untuk mendari VSWR adalah [4] :
VSWR =
Vˆ max
Vˆ min
=
1+ Γ
1− Γ
(2.14)
13
Universitas Sumatera Utara
Kondisi yang baik adalah ketika VSWR bernilai 1, yang berarti tidak ada
refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun, kondisi ini
kenyataannya sulit diperoleh. Oleh karena itu, nilai standar VSWR yang diijinkan
dalam perancangan antena adalah ≤ 2.
2.3.2
Antena Unidirectional
Antena unidirectional memancarkan dan menerima sinyal hanya dari satu
arah. Antena unidirectional mempunyai kemampuan direktivitas yang lebih
dibandingkan jenis–jenis antena lainnya. Kemampuan direktivitas ini membuat
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 unidirectional 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 unidirectional antara lain antena Yagi-Uda, antena
parabola, antena helix, antena log-periodik, dan lain–lain. Gambar 2.5 salah satu
jenis antena unidirectional yaitu antena Yagi-Uda.
Gambar 2.5 Antena Yagi-Uda
14
Universitas Sumatera Utara
2.4
Arduino
Arduino adalah kit elektronik atau papan rangkaian elektronik open source
yang didalamnya terdapat komponen utama yaitu sebuah chip mikrokontroler
dengan jenis AVR. Mikrokontroler itu sendiri adalah chip atau IC (integrated
circuit) yang bisa diprogram menggunakan komputer. Tujuan menanamkan
program pada mikrokontroler adalah agar rangkaian elektronik dapat membaca
input, memproses input tersebut dan kemudian menghasilkan output sesuai yang
diinginkan. Jadi mikrokontroler bertugas sebagai ‘otak’ yang mengendalikan
input, proses dan output sebuah rangkaian elektronik. Karena komponen utama
Arduino adalah mikrokontroler, maka Arduino dapat diprogram menggunakan
komputer sesuai kebutuhan kita. Arduino tidak perlu perangkat chip programmer
karena didalamnya sudah ada bootloader yang akan menangani upload program
dari komputer. Sudah memiliki sarana komunikasi USB, sehingga pengguna
laptop yang tidak memiliki port serial/RS323 bisa menggunakannya. Bahasa
pemrograman relatif mudah karena software Arduino dilengkapi dengan
kumpulan library yang cukup lengkap[8]. Memiliki modul siap pakai (shield)
yang bisa ditancapkan pada board Arduino. Misalnya shield GPS, Ethernet, SD
Card, dll.
Secara umum Arduino terdiri dari dua bagian, yaitu:
1.
Hardware = Papan input/output (I/O) . Gambar 2.6 merupakan Hadware
dari arduino, yaitu Arduino Nano[9].
15
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Arduino Nano
2. Software = Software Arduino meliputi IDE untuk menulis program, driver
untuk
koneksi
dengan
komputer,
contoh
program
dan
library
untuk
pengembangan program. Gambar 2.7 merupakan Tampilan Software Arduino
IDE.
Gambar 2.7 Tampilan Software Arduino IDE
2.5
Motor Servo
Motor servo adalah sebuah motor dengan sistem umpan balik tertutup di
mana posisi dari motor akan diinformasikan kembali ke rangkaian kontrol yang
ada di dalam motor servo. Gambar 2.8 menunjukkan motor servo.
16
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 Motor Servo
Motor ini terdiri dari sebuah motor DC, serangkaian gear, potensiometer
dan rangkaian kontrol. Potensiometer berfungsi untuk menentukan batas sudut
dari putaran servo. Sedangkan sudut dari sumbu motor servo diatur berdasarkan
lebar pulsa yang dikirim melalui pin sinyal dari kabel motor.
Secara umum terdapat 2 jenis motor servo, yaitu motor servo standard dan
motor servo Continous. Servo motor tipe standar hanya mampu berputar 180
derajat. Sedangkan servo motor continuous dapat berputar sebesar 360 derajat.
Pada badan servo tertulis tipe servo yang bersangkutan[8].
Untuk menggerakkan motor servo ke kanan atau ke kiri, tergantung dari
nilai delay yang diberikan. Untuk membuat servo pada posisi center, berikan pulsa
1ms sampai dengan 20 ms. Untuk memutar servo ke kanan, berikan pulsa = 2 ms untuk berputar ke kiri dengan delay 1 ms, seperti Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Menggerakkan motor servo ke kanan atau ke kiri
2.6 GPS(Global Positioning System)
17
Universitas Sumatera Utara
GPS atau Global Positioning System, merupakan sebuah alat atau sistem
yang dapat digunakan untuk menginformasikan penggunanya berada (secara
global) di permukaan bumi yang berbasiskan satelit. Data dikirim dari satelit
berupa sinyal radio dengan data digital.
2.6.1 Sistem koordinat pada GPS
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)[10]. Gambar 2.10 merupakan
tampak globe yang menunjukan letak lintang dan bujur pada bumi[10].
Gambar 2.10 Sistem Koordinat Latitude dan Longitude
Dari berbagai format penulisan koordinat, ada tiga macam format koordinat yang
dipakai pada GPS sebagai titik penentu lokasi suatu area, yakni[11]:
18
Universitas Sumatera Utara
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
Arti: Pada Lintang Selatan 6, 257508 derajat, Pada Bujur Timur 106,745980
derajat.
2.7
Azimuth dan Bearing
Azimuth adalah sudut yang diukur searah jarum jam dari sembarang
meridian acuan. Azimuth berkisar antara 0 sampai 360° dan tidak memerlukan
huruf-huruf untuk menunjukkan kuadran. Refrensi sudut azimuth adalah arah
utara bumi.
19
Universitas Sumatera Utara
Bearing merupakan satu sistem penentuan arah garis dengan memakai
sebuah sudut dan huruf-huruf kuadran. Sudutnya diukur dari utara maupun selatan
ke arah timur ataupun barat, untuk menghasilkan sudut kurang dari 90°[13].
Gambar 2.11 menunjukkan perbedaan antara Bearing dan Azimuth.
Gambar 2.11 Azimuth dan Bearing
2.8
Kompas
Kompas adalah alat navigasi untuk menentukan arah berupa sebuah panah
penunjuk
magnetis
yang
bebas
menyelaraskan
dirinya
denganmedan
magnet bumi secara akurat. Kompas memberikan rujukan arah tertentu, sehingga
sangat membantu dalam bidang navigasi. Arah mata angin yang ditunjuknya
adalah utara, selatan, timur, dan barat[14].
Gambar 2.12 Tampilan Kompas dari Smartphone
20
Universitas Sumatera Utara
2.9
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 atasbawah 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 [2].
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 [8].
21
Universitas Sumatera Utara