Antena dan Propagsi Gelombang GELOMBANG
Antena dan Propagsi Gelombang
GELOMBANG RADIO & TELEKOMUNIKASI
Sejarah telekomunikasi listrik : 1873 Maxwell (C), 1880 H.R Herz (T.I Karlsruhe,lab.), 1901
Marconi (lapangan), 1931 Faraday (L),1938 SFB Morse hubungan telegrap 16 km.
Sekarang :
1. telepon, radio & TV → sehari-hari
2. jaringan global komunikasi suara, gambar, tulisan, data/komputer
3. penelitian & pertahanan : radar, telemetri, computer & communication beserta jaringannya
1.1 Elemen Sistem Komunikasi
Fungsi dasar sistem komunikasi sama : - transmisi/pengiriman informasi
- tiap macam sistem mempunyai kekhususan sendiri.
Definisi komunikasi : Proses pemindahan/penyaluran informasi dari suatu titik dalam ruang
pada waktu tertentu (titik sumber) ke titik lain yang merupakan tujuan atau pemakai.
Message merupakan salah satu manifestasi (bentuk fisik) informasi
Sumber informasi : orang, alat musik, mesin →messagenya huruf, tekanan
udara fungsi waktu, cahaya yang berubah-ubah, dll.
Tujuan komunikasi : menyediakan replika message pada tempat tujuan.
Transduser
: mengubah message menjadi sinyal listrik atau sebaliknya, f(t) ke i(t)
1. transduser input (TI)
2. transduser output (TO)
Elemen komunikasi
Elemen sistem komunikasi – menurut fungsinya, dalam hardware mungkin susah dipisahkan.
TI
SI
message
input
Tx
sinyal
input
CH
sinyal yg
ditransmisikan
Rx
sinyal
input
TO
sinyal
output
TT
message
output
redaman
derau
interferensi
distorsi
Gambar 1-1 Elemen sistem komunikasi
Pemancar Tx : mengkopel message dalam bentuk sinyal yang ditransmisikan ke
kanal transmisi . Signal prosesing untuk transmisi yang efektif dan efisien antara lain
modulasi, penyesuaian sinyal dengan sifat-sifat kanal transmisi.
Kanal transmisi : Sebagai penyambung listrik antara Tx - Rx sekaligus
menjembatani sumber informasi (SI) dan tempat tujuan (TT).
Contoh kanal transmisi : kabel coax, 2 kawat, waveguide, berkas laser, gelombang
radio dll.
Sifat utama : meredam, umumnya sangat besar.
Penerima Rx : mengambil sebagian kecil sinyal dari kanal transmisi, memproses
dan meneruskannya ke transduser output. Proses utama : demodulasi/deteksi, juga
penguatan karena sinyal pada umumnya sangat kecil.
Redaman dan derau
Dalam perjalanan sinyal dari SI ke TT terjadi perubahan dan pengaruh yang tidak dikehendaki:
1.
redaman
mudah diatasi dengan penguatan
distorsi
2.
- perubahan amplituda, frekuensi & fasa
- pada sinyal ada distorsi, tidak ada sinyal distorsi hilang.
- ditoleransikan sampai batas tertentu, hubungan dengan peralatan/kompensasi
- disebabkan oleh respon sistem yang tidak sempurna terhadap sinyal.
3.
interferensi
- gangguan yang disebabkan oleh sinyal di luar sinyal yang diinginkan,
biasanya buatan manusia
- gangguan yang serupa dengan sinyal
- diatasi dengan menghilangkan sinyal interferensi/sumbernya.
4.
derau
- gangguan yang tak mungkin dihilangkan walaupun secara teoritis
- sinyal sebarang dan tak teramalkan yang bersumber dari sebab alamiah
- informasi dapat tertutup oleh derau
- sinyal harus > derau. S/N > 40 db, 10 e-9 ≤ Pe ≤10 e-3
Telekomunikasi radio
1.1.1
Telekomunikasi Radio
Saluran transmisi antara Tx - Rx dapat berbentuk fisik atau non fisik (vakum, ruang bebas). Pada
komunikasi radio gelombang EM dilepaskan ke ruang bebas oleh antena. Ruang bebas
dapat berisi atmosfir bumi dan terhadap gelombang elektromagnetik terjadi :
1. pembiasan/pembelokan
2. pantulan, pembelokan dengan sudut datang = sudut pantul
3. hamburan atau penyebaran ke mana-mana
4. penyerapan sebagian /absorpsi
Antena
saluran transmisi
non fisik
Antena
saluran
transmisi fisik
Tx
Rx
pemancar
penerima
Gambar 1-2 Sistem Komunikasi Radio
Telekomunikasi radio
Tx : menghasilkan daya RF → saluran transmisi → antena → dipancarkan ke segala arah
Rx : mengambil sebagian kecil daya gelombang elektromagnetik dari pemancar yang ada di
ruang bebas melalui antena → saluran transmisi → Rx diproses.
Penerimaan daya oleh antena sekitar 10-8 watt merupakan daya yang besar & mudah diproses.
Efisiensi transfer daya hampir sama dengan nol.
Efisiensi komunikasi → informasi yang diterima kalau replika diterima sempurna sepanjang
waktu → efisiensi 100 % . Reliabilitas dalam praktek ≈ 99.99 %.
Kualitas penerimaan informasi : S/N (analog) atau BER : Bit Error Rate (digital).
Spektrum Frekuensi dan Perambatan Gelombang
Kelakuan gelombang elektromagnetik antara Tx = Rx tunduk kepada hukum-hukum fisika yang tak dapat diatur atau kuasai. Salah satu parameter yang mempengaruhi frekuensi dengan pembagian sebagai berikut
(alokasi frekuensi):
pemakaian
media transmisi
Nama
f /Hz
λ
Ultraviolet
tampak
10-6 m
3000 G
1 mm
30 G
1 cm
3G
10 cm
300 M
1m
30 M
10 m
3M
100 m
0.3 M
1 km
k
10 km
percobaan-percobaan kom.
multi kanal TV, data, dsb.
inframerah
gelombang
EHF mm
super high freg.
SHF
ultra high freq.
UHF
very high freq.
VHF
high frequency
HF
medium freq.
MF
lower frequency
LF
very low freq.
VLF
audio frequency
AF
3 k 100 km
300
1 Mm
30
Sinar laser
1000 T
100 T
100 µm
300 G
30
Serat optik
Saluran
gelombang
radio
(waveguide)
kabel
koaksial
sepasang
kawat
G
300
40
27
18
radio
12
microwave 84
2
1
radio
gelombang
pendek
radio
gelombang
panjang
ELF
10 Mm
percoban-percobaan
navigasi
100 G
satelit-satelit
rele microwave
10 G
satelit - bumi
radar
1G
radiosound
TV
UHF
mobile, aeronautika
TV VHF, FM
100 M
radio mobile
komersial amateur international. 10 M
DF, CB
broadcast AM
1M
aeronautika kabel laut navigasi,
100 k
radio beacon, radio samudera
PLC, kom. kapal selam
sonar
telepon
telegrap
1 mm
Ka
K
KU
X
C
S
L 30 cm
I. T. U
:
International Telecommunication Union
CCIR
:
Comite Consultatif International de Radiocommunication
CCITT :
International Telegraph & Telephone Consultative Committee
Proses propagasi
Spesifikasi dapat ditentukan / disesuaikan, dikuasai sepenuhnya.
Dapat dikontrol
- Tx (mod)
- Rx (demod)
- Antena
- Frekuensi
- dll.
Tak dapat dikontrol : - perambatan gelombang
- parameter lain menyesuaikan diri
- diharapkan prediksi yang tepat
- probabilitas, tak dapat dikuasai sepenuhnya.
Penelitian/pengukuran untuk prediksi & penyesuaian :
- pemilihan frekuensi
- pengukuran sifat atmosfir bumi
penyerapan
pembiasan
redaman
pemantulan
fading
hamburan
- pengukuran sifat perambatan bumi
konduktivitas
permeabilitas
→ redaman
permitivitas
- penyebaran → redaman lintasan
Proses propagasi
Proses propagasi gelombang dapat dianalisis menggunakan gabungan dari
dua macam pendekatan yaitu: - empiris , (sempit)
- pengembangan teori
(hukum-hukum fisika) sulit.
Mekanisme perambatan gelombang antara Tx - Rx merupakan gabungan macam-macam
perambatan, tapi selalu ada yang dominan sebagai berikut :
a. Gelombang permukaan bumi, ground wave
P
E
H
+
+ + + + +
+
(a) ground wave , f < 3 MHz
b. Gelombang langit, sky wave
Ionosfir
Tx
Rx
(b) sky wave
Proses propagasi
c. Gelombang ruang , space wave
f > 30 MHz
d : dekat/ sedang
= 50 km
fading
d. Gelombang langsung , direct wave
satelit
f1
f2
Bumi
e. Hamburan troposfir, tropo scatter
d >>
f > 30 MHz
umumnya GHz
f > 30 MHz
d : jarak kom.
dekat
Karakteristik antena
f. Gabungan / kombinasi dari dua atau lebih macam propagasi di atas.
Misalnya : ground wave & sky wave pada standard broadcast (primary & secondary
services). Tropo scatter dan difraksi.
g. Lain2 seperti : komunikasi dengan meteor burst, hamburan ionosfir
pantulan satelit, bulan dll.
1.2 Definisi-definisi & karakteristik antena
Antena digunakan dalam komunikasi radio sebagai :
a). pelepas energi elektromagnetik ke udara/ruang bebas sehingga berlaku sebagai pemancar
atau sumber gelombang elektromagnetik.
b). penerima energi elektromagnetik dari ruang bebas.
Contoh sehari-hari :
R
DE
D1
D2
D3 D4
Macam-macam antena
1.2.1 Macam-macam antena :
• Antena kawat
dipole
helix
whip
Loop
nx
Beverage
dll.
Macam-macam antena
Antena apertur : terutama untuk pesawat terbang & pesawat ruang angkasa.
Corong piramid
Bumbung gelombang terbuka
corong kerucut
celah pada dinding tabung, dll
Feed
Antena
susunan
pemantul
Antena pemantul
Feed
Macam-macam
antena
pemantul 2
pemantul 1
feed
pemantul
Macam-macam antena
Antena apertur : terutama untuk pesawat terbang & pesawat ruang angkasa.
Corong piramid
Bumbung gelombang terbuka
corong kerucut
celah pd dinding tabung, dll
1.3 Definisi & konsep
Gel. bebas
TX
sal. transmisi
(gelombang terbimbing)
RX
sal. transmisi
(gelombang terbimbing)
Gambar 1-6 Elemen sistem komunikasi radio
a. Antena : transformator antara gelombang terbimbing dengan gelombang
bebas atau sebaliknya.
: struktur transisi antara gelombang terbimbing dan gelombang bebas.
b. Saluran transmisi : alat untuk membimbing energi gelombang EM dari
suatu titik ke titik lain.
Syarat : - redaman minimum
- rugi-rugi panas
GELOMBANG RADIO & TELEKOMUNIKASI
Sejarah telekomunikasi listrik : 1873 Maxwell (C), 1880 H.R Herz (T.I Karlsruhe,lab.), 1901
Marconi (lapangan), 1931 Faraday (L),1938 SFB Morse hubungan telegrap 16 km.
Sekarang :
1. telepon, radio & TV → sehari-hari
2. jaringan global komunikasi suara, gambar, tulisan, data/komputer
3. penelitian & pertahanan : radar, telemetri, computer & communication beserta jaringannya
1.1 Elemen Sistem Komunikasi
Fungsi dasar sistem komunikasi sama : - transmisi/pengiriman informasi
- tiap macam sistem mempunyai kekhususan sendiri.
Definisi komunikasi : Proses pemindahan/penyaluran informasi dari suatu titik dalam ruang
pada waktu tertentu (titik sumber) ke titik lain yang merupakan tujuan atau pemakai.
Message merupakan salah satu manifestasi (bentuk fisik) informasi
Sumber informasi : orang, alat musik, mesin →messagenya huruf, tekanan
udara fungsi waktu, cahaya yang berubah-ubah, dll.
Tujuan komunikasi : menyediakan replika message pada tempat tujuan.
Transduser
: mengubah message menjadi sinyal listrik atau sebaliknya, f(t) ke i(t)
1. transduser input (TI)
2. transduser output (TO)
Elemen komunikasi
Elemen sistem komunikasi – menurut fungsinya, dalam hardware mungkin susah dipisahkan.
TI
SI
message
input
Tx
sinyal
input
CH
sinyal yg
ditransmisikan
Rx
sinyal
input
TO
sinyal
output
TT
message
output
redaman
derau
interferensi
distorsi
Gambar 1-1 Elemen sistem komunikasi
Pemancar Tx : mengkopel message dalam bentuk sinyal yang ditransmisikan ke
kanal transmisi . Signal prosesing untuk transmisi yang efektif dan efisien antara lain
modulasi, penyesuaian sinyal dengan sifat-sifat kanal transmisi.
Kanal transmisi : Sebagai penyambung listrik antara Tx - Rx sekaligus
menjembatani sumber informasi (SI) dan tempat tujuan (TT).
Contoh kanal transmisi : kabel coax, 2 kawat, waveguide, berkas laser, gelombang
radio dll.
Sifat utama : meredam, umumnya sangat besar.
Penerima Rx : mengambil sebagian kecil sinyal dari kanal transmisi, memproses
dan meneruskannya ke transduser output. Proses utama : demodulasi/deteksi, juga
penguatan karena sinyal pada umumnya sangat kecil.
Redaman dan derau
Dalam perjalanan sinyal dari SI ke TT terjadi perubahan dan pengaruh yang tidak dikehendaki:
1.
redaman
mudah diatasi dengan penguatan
distorsi
2.
- perubahan amplituda, frekuensi & fasa
- pada sinyal ada distorsi, tidak ada sinyal distorsi hilang.
- ditoleransikan sampai batas tertentu, hubungan dengan peralatan/kompensasi
- disebabkan oleh respon sistem yang tidak sempurna terhadap sinyal.
3.
interferensi
- gangguan yang disebabkan oleh sinyal di luar sinyal yang diinginkan,
biasanya buatan manusia
- gangguan yang serupa dengan sinyal
- diatasi dengan menghilangkan sinyal interferensi/sumbernya.
4.
derau
- gangguan yang tak mungkin dihilangkan walaupun secara teoritis
- sinyal sebarang dan tak teramalkan yang bersumber dari sebab alamiah
- informasi dapat tertutup oleh derau
- sinyal harus > derau. S/N > 40 db, 10 e-9 ≤ Pe ≤10 e-3
Telekomunikasi radio
1.1.1
Telekomunikasi Radio
Saluran transmisi antara Tx - Rx dapat berbentuk fisik atau non fisik (vakum, ruang bebas). Pada
komunikasi radio gelombang EM dilepaskan ke ruang bebas oleh antena. Ruang bebas
dapat berisi atmosfir bumi dan terhadap gelombang elektromagnetik terjadi :
1. pembiasan/pembelokan
2. pantulan, pembelokan dengan sudut datang = sudut pantul
3. hamburan atau penyebaran ke mana-mana
4. penyerapan sebagian /absorpsi
Antena
saluran transmisi
non fisik
Antena
saluran
transmisi fisik
Tx
Rx
pemancar
penerima
Gambar 1-2 Sistem Komunikasi Radio
Telekomunikasi radio
Tx : menghasilkan daya RF → saluran transmisi → antena → dipancarkan ke segala arah
Rx : mengambil sebagian kecil daya gelombang elektromagnetik dari pemancar yang ada di
ruang bebas melalui antena → saluran transmisi → Rx diproses.
Penerimaan daya oleh antena sekitar 10-8 watt merupakan daya yang besar & mudah diproses.
Efisiensi transfer daya hampir sama dengan nol.
Efisiensi komunikasi → informasi yang diterima kalau replika diterima sempurna sepanjang
waktu → efisiensi 100 % . Reliabilitas dalam praktek ≈ 99.99 %.
Kualitas penerimaan informasi : S/N (analog) atau BER : Bit Error Rate (digital).
Spektrum Frekuensi dan Perambatan Gelombang
Kelakuan gelombang elektromagnetik antara Tx = Rx tunduk kepada hukum-hukum fisika yang tak dapat diatur atau kuasai. Salah satu parameter yang mempengaruhi frekuensi dengan pembagian sebagai berikut
(alokasi frekuensi):
pemakaian
media transmisi
Nama
f /Hz
λ
Ultraviolet
tampak
10-6 m
3000 G
1 mm
30 G
1 cm
3G
10 cm
300 M
1m
30 M
10 m
3M
100 m
0.3 M
1 km
k
10 km
percobaan-percobaan kom.
multi kanal TV, data, dsb.
inframerah
gelombang
EHF mm
super high freg.
SHF
ultra high freq.
UHF
very high freq.
VHF
high frequency
HF
medium freq.
MF
lower frequency
LF
very low freq.
VLF
audio frequency
AF
3 k 100 km
300
1 Mm
30
Sinar laser
1000 T
100 T
100 µm
300 G
30
Serat optik
Saluran
gelombang
radio
(waveguide)
kabel
koaksial
sepasang
kawat
G
300
40
27
18
radio
12
microwave 84
2
1
radio
gelombang
pendek
radio
gelombang
panjang
ELF
10 Mm
percoban-percobaan
navigasi
100 G
satelit-satelit
rele microwave
10 G
satelit - bumi
radar
1G
radiosound
TV
UHF
mobile, aeronautika
TV VHF, FM
100 M
radio mobile
komersial amateur international. 10 M
DF, CB
broadcast AM
1M
aeronautika kabel laut navigasi,
100 k
radio beacon, radio samudera
PLC, kom. kapal selam
sonar
telepon
telegrap
1 mm
Ka
K
KU
X
C
S
L 30 cm
I. T. U
:
International Telecommunication Union
CCIR
:
Comite Consultatif International de Radiocommunication
CCITT :
International Telegraph & Telephone Consultative Committee
Proses propagasi
Spesifikasi dapat ditentukan / disesuaikan, dikuasai sepenuhnya.
Dapat dikontrol
- Tx (mod)
- Rx (demod)
- Antena
- Frekuensi
- dll.
Tak dapat dikontrol : - perambatan gelombang
- parameter lain menyesuaikan diri
- diharapkan prediksi yang tepat
- probabilitas, tak dapat dikuasai sepenuhnya.
Penelitian/pengukuran untuk prediksi & penyesuaian :
- pemilihan frekuensi
- pengukuran sifat atmosfir bumi
penyerapan
pembiasan
redaman
pemantulan
fading
hamburan
- pengukuran sifat perambatan bumi
konduktivitas
permeabilitas
→ redaman
permitivitas
- penyebaran → redaman lintasan
Proses propagasi
Proses propagasi gelombang dapat dianalisis menggunakan gabungan dari
dua macam pendekatan yaitu: - empiris , (sempit)
- pengembangan teori
(hukum-hukum fisika) sulit.
Mekanisme perambatan gelombang antara Tx - Rx merupakan gabungan macam-macam
perambatan, tapi selalu ada yang dominan sebagai berikut :
a. Gelombang permukaan bumi, ground wave
P
E
H
+
+ + + + +
+
(a) ground wave , f < 3 MHz
b. Gelombang langit, sky wave
Ionosfir
Tx
Rx
(b) sky wave
Proses propagasi
c. Gelombang ruang , space wave
f > 30 MHz
d : dekat/ sedang
= 50 km
fading
d. Gelombang langsung , direct wave
satelit
f1
f2
Bumi
e. Hamburan troposfir, tropo scatter
d >>
f > 30 MHz
umumnya GHz
f > 30 MHz
d : jarak kom.
dekat
Karakteristik antena
f. Gabungan / kombinasi dari dua atau lebih macam propagasi di atas.
Misalnya : ground wave & sky wave pada standard broadcast (primary & secondary
services). Tropo scatter dan difraksi.
g. Lain2 seperti : komunikasi dengan meteor burst, hamburan ionosfir
pantulan satelit, bulan dll.
1.2 Definisi-definisi & karakteristik antena
Antena digunakan dalam komunikasi radio sebagai :
a). pelepas energi elektromagnetik ke udara/ruang bebas sehingga berlaku sebagai pemancar
atau sumber gelombang elektromagnetik.
b). penerima energi elektromagnetik dari ruang bebas.
Contoh sehari-hari :
R
DE
D1
D2
D3 D4
Macam-macam antena
1.2.1 Macam-macam antena :
• Antena kawat
dipole
helix
whip
Loop
nx
Beverage
dll.
Macam-macam antena
Antena apertur : terutama untuk pesawat terbang & pesawat ruang angkasa.
Corong piramid
Bumbung gelombang terbuka
corong kerucut
celah pada dinding tabung, dll
Feed
Antena
susunan
pemantul
Antena pemantul
Feed
Macam-macam
antena
pemantul 2
pemantul 1
feed
pemantul
Macam-macam antena
Antena apertur : terutama untuk pesawat terbang & pesawat ruang angkasa.
Corong piramid
Bumbung gelombang terbuka
corong kerucut
celah pd dinding tabung, dll
1.3 Definisi & konsep
Gel. bebas
TX
sal. transmisi
(gelombang terbimbing)
RX
sal. transmisi
(gelombang terbimbing)
Gambar 1-6 Elemen sistem komunikasi radio
a. Antena : transformator antara gelombang terbimbing dengan gelombang
bebas atau sebaliknya.
: struktur transisi antara gelombang terbimbing dan gelombang bebas.
b. Saluran transmisi : alat untuk membimbing energi gelombang EM dari
suatu titik ke titik lain.
Syarat : - redaman minimum
- rugi-rugi panas