BAB II
SALURAN TRANSMISI
2.1 Umum
Penyampaian informasi dari suatu sumber informasi kepada penerima
informasi dapat terlaksana bila ada suatu sistem atau media penyampaian di antara
keduanya. Jika jarak antara sumber informasi dengan penerima informasi dekat,
maka sistem transmisi yang dipakai cukup melalui udara. Namun bila jarak
keduanya jauh dan sangat jauh, maka dibutuhkan suatu sistem transmisi yang
lebih kompleks. Sistem transmisi itu dapat terdiri atas satu atau lebih media
transmisi. Media yang digunakan dalam sistem ini dapat berupa media fisik
(kabel) maupun non fisik (nirkabel).
Media transmisi fisik merupakan media transmisi yang mempunyai bentuk
fisik. Media fisik ini umumnya menggunakan kabel, bumbung gelombang atau
serat optik, sedangkan media non fisik berupa udara atau ruang bebas (free space).
Saluran transmisi merupakan suatu komponen yang sangat penting dalam sistem
transmisi baik sistem kabel maupun nirkabel. Pada sistem transmisi nirkabel,
saluran transmisi digunakan untuk menghubungkan pemancar dengan antena
2.2 Jenis Media Saluran Transmisi
Walaupun secara umum media saluran transmisi yang digunakan pada
frekuensi tinggi maupun gelombang mikro (microwaves) dapat berupa sepasang
penghantar atau sebuah penghantar berongga, namun dalam aplikasinya dapat kita
bedakan dalam 4 kategori, yaitu[1,4]:
a. Saluran transmisi dua kawat sejajar (two-wire transmission line)
b. Saluran transmisi koaksial (coaxial transmission line) c. Microstrip dan Stripline
d. Bumbung gelombang (waveguides)
Saluran transmisi two-wire hanya cocok dipakai pada daerah frekuensi terendah dari spektrum frekuensi radio sebab pada frekuensi yang lebih tinggi
saluran transmisi jenis ini memiliki redaman yang sangat besar. Untuk
memperbaiki keterbatasan saluran two-wire ini maka pada frekuensi yang lebih
tinggi, penggunaan sepasang penghantar sejajar digantikan oleh sepasang
penghantar yang disusun dalam satu sumbu yang sama, disebut "coaxial". Dengan saluran ini redaman yang dialami medan elektromagnetik dapat dikurangi. Pada
daerah frekuensi yang lebih tinggi lagi (gelombang mikro), saluran coaxial tidak
cocok dipakai karena gelombang elektromagnetik merambat dalam bentuk radiasi
menembus bahan dielektrik saluran sehingga redamannya semakin besar[1,3].
Untuk itu, digunakan suatu saluran berupa penghantar berongga yang
disebut bumbung gelombang. Sedangkan untuk menghubungkan jarak yang dekat,
microwave. Berdasarkan konstruksi fisik, saluran transmisi dapat dibedakan
menjadi yaitu:
2 Two-wire (Twin Lead)
Merupakan saluran dua kawat yang terdiri dari sepasang penghantar sejajar
yang dipisahkan oleh bahan dielektrik jenis polythylene. Saluran ini biasanya
mempunyai impedansi karakteristik 300Ω sampai 600Ω dan banyak dipakai
untuk menghubungkan penerima pesawat televisi dengan antena penerima pada
daerah Very High Frequency (VHF). Struktur fisiknya dapat dilihat pada Gambar
2.1. Garis putus-putus pada gambar tersebut menunjukkan medan magnet yang
timbul di sekeliling induktor, sedangkan garis yang tidak putus-putus
menunjukkan medan listrik[1,2].
Gambar 2.1 Two wire line
3 Coaxial Line
Merupakan saluran tidak seimbang (unbalanced line), dimana salah satu kawat penghantarnya digunakan sebagai pelindung bagi kawat penghantar yang
lain dalam satu sumbu yang sama. Kedua kawat penghantarnya dipisahkan oleh
Saluran transmisi ini paling banyak digunakan untuk mengirimkan energi
dengan frekuensi radio (RF), baik dalam sistem pemancar maupun penerima.
Impedansi karakteristiknya beragam, mulai dari 50 Ω sampai 75 Ω. Struktur fisik
dan pola medannya dapat dilihat pada Gambar 2.2 dimana garis putus-putus
menunjukkan medan magnet, sedangkan garis yang tidak putus-putus
menunjukkan medan listrik.
Gambar 2.2 Kabel Coaxial
4 Balanced Shielded Line
Merupakan perpaduan dari saluran two wire line dan coaxsial, dimana
kedua kawat penghantarnya saling sejajar, namun untuk mengurangi rugi-rugi
radiasi digunakan pelindung (shielded) dari jalinan serat logam seperti pada
saluran coaxial. Kabel ini mempunyai karakteristik yang lebih baik dibandingkan
5 Microstrip dan Stripline
Merupakan saluran transmisi yang bentuk fisiknya berupa kabel yang
bersifat kaku. Saluran transmisi jenis ini biasanya digunakan untuk bekerja pada
daerah frekuensi gelombang mikro (orde GHz) dan digunakan untuk
menghubungkan piranti elektronik yang berjarak dekat. Saluran microstrip
biasanya dibuat dalam bentuk Primed Cabling Board (PCB) dengan bahan khusus
yang mempunyai rugi-rugi rendah pada frekuensi gelombang mikro[1].
6 Bumbung gelombang (waveguides)
Bumbung gelombang (waveguides) merupakan saluran tunggal yang
berfungsi untuk menghantarkan gelombang elektromagnetik (microwave) dengan frekuensi 300 MHz – 300 GHz. Dalam kenyataannya, waveguide merupakan media transmisi yang berfungsi memandu gelombang pada arah tertentu. Pada
frekuensi yang sangat tinggi, diatas 1 GHz, saluran transmisi tidak efektif lagi
sebagai media transmisi gelombang elektromagnetik, karena pada frekuensi
tersebut efek radiasi dari redaman saluran sudah terlalu besar[1,5].
Impedansi karakteristik dan mode perambatan gelombang pada saluran
jenis ini berbeda dengan jenis sebelumnya. Salah satu aplikasi dari bumbung
gelombang ini adalah serat optik. Walaupun kondisinya berbentuk kabel, namun
serat optik merupakan saluran transmisi jenis "bumbung gelombang", dalam hal
Gambar 2.3 Waveguide : (a) Rectangular Waveguide, (b) Circular Waveguide
2.3 Karakteristik Saluran Transmisi
Ketika hubungan antara sumber sinyal dengan beban sedang berlangsung,
maka sinyal akan merambat pada pasangan kawat penghantar saluran transmisi
menuju ke ujung yang lain dengan kecepatan tertentu. Semakin panjang saluran
transmisi, maka waktu tempuh dari rambatan sinyal itu akan semakin lama. Arus
yang mengalir di sepanjang saluran akan membangkitkan suatu medan magnet
yang menyelimuti kawat penghantar dan ada kalanya saling berimpit dengan
medan magnet lain yang berasal dari kawat penghantar lain disekitarnya. Medan
magnet yang dibangkitkan oleh kawat penghantar berarus listrik, merupakan suatu
timbunan energi yang tersimpan dalam kawat penghantar tersebut sehingga dapat
dianggap bahwa kawat penghantar bersifat induktif atau memiliki induktansi[1,3].
Tegangan yang ada diantara dua kawat penghantar akan membangkitkan
medan listrik. Medan listrik ini juga merupakan timbunan energi yang mungkin
juga saling berimpit dengan medan listrik lain disekitarnya, sehingga akan timbul
induktansi dan kapasitansi itu akan menyebar secara merata pada sepanjang
saluran dan besarnya tergantung pada frekuensi sinyal atau gelombang yang
merambat didalamnya.
Setiap jenis saluran transmisi dua kawat juga mempunyai suatu nilai
konduktansi yakni nilai yang merepresentasikan kemungkinan banyaknya
elektron yang mengalir (arus) melewati atau menembus bahan dielektrik saluran.
Jika saluran dianggap seragam (uniform), dimana semua nilai besaran-besaran
tersebut sama disepanjang saluran, maka potongan kecil saluran dapat dianggap
merepresentasikan panjang keseluruhan[1,5].
2.4 Impedansi Karakteristik
Gelombang yang merambat pada saluran transmisi yang panjangnya tak
berhingga, tidak akan mempengaruhi apa yang ada diujung saluran. Perbandingan
antara tegangan dan arus diujung masukan saluran sesungguhnya dapat dianggap
sama dengan perbandingan antara tegangan dan arus setelah mencapai ujung
lainnya. Dapat diartikan bahwa arus dan tegangan diantara kedua kawat
penghantar saluran itu memandang saluran transmisi sebagai suatu impedansi.
Impedansi inilah yang disebut "Impedansi Karakteristik (Zo)"[1,2].
forward arus
forward tegangan
Zo= ...(2.1)
Jadi dapat dikatakan bahwa impedansi karakteristik adalah impedansi yang
diukur diujung saluran transmisi yang panjangnya tak berhingga. Bila daya
akan diserap seluruhnya disepanjang saluran sebagai akibat bocornya arus pada
kapasitansi antar penghantar dan hilangnya tegangan pada induktansi saluran[1].
Gambar 2.4 Pengukuran Impedansi Karakteristik
Pada Gambar 2.4, diperlihatkan bahwa impedansi yang dipandang pada
titik 1'-2' ke 1-2 berhingga) ke arah kanan adalah sebesar Zo juga. Tetapi dengan
tingkat tegangan dan arus yang lebih kecil dibandingkan dengan tegangan pada
titik 1-2. Sehingga bila impedansi pada titik 1'-2' digantikan dengan impedansi
beban sebesar Zo, maka impedansi dititik 1-2 akan sebesar Zo juga[1].
Impedansi karakteristik saluran tanpa rugi-rugi (losses-line) dapat
dituliskan sebagai berikut:
[
m]
C L
Zo= Ω/ ...(2.2)
dimana :
L = induktansi total kedua kawat penghantar sepanjang saluran l (Henry)
Besar impedansi karakteristik suatu saluran transmisi maupun bumbung
gelombang berbeda-beda dan nilainya ditentukan oleh ukuran fisik penampang
dan bahan dielektrik yang digunakan sebagai isolator. Adapun impedansi
karakteristik saluran transmisi dapat dilihat pada Tabel 2.1[1, 2]:
Tabel 2.1 Impedansi Karakteristik Saluran Transmisi
Jenis Saluran Zo (Ω) L (H/m) C (F/m)
Microstrip/ Strip line
(Circular Waveguide) 2
1
D = Jarak antar konduktor (pada twist pair) atau diameter konduktor
outer (pada coaxial dan balanced shielded) (meter) d = Diameter konduktor inner (meter)
h = Jarak antar konduktor (pada balanced shielded) (meter)
e = Permitivitas
µ = Permeabilitas
et = Konstanta dielektrik relatif
η = Impedansi gelombang udara (Ω)
fc = Frekuensi cut-off (GHz)
2.5 Gelombang Elektromagnetik dalam Saluran Transmisi
Ketika pengiriman sinyal melalui suatu saluran, maka medan-medan
(listrik dan magnet) yang dikirimkan dari sumber sampai ke beban dan setelah
sampai di beban, energi yang tersimpan dalam medan-medan tersebut diubah
menjadi energi yang diinginkan, dimana medan-medan ini dikenal sebagai medan
elektromagnetik.
Perambatan energi listrik disepanjang saluran transmisi adalah bentuk
medan elektromagnetik transversal yaitu gelombang yang arah perambatannya
tegak lurus terhadap perpindahannya.
Ada tiga tipe perambatan yang dikenal pada saluran transmisi maupun
bumbung gelombang, yaitu tipe TEM (Transverse Electric Magnetic), TE (Transverse Electric) dan TM (Transverse Magnetic), biasanya tipe TEM yang
terjadi pada saluran transmisi, sedangkan tipe TE dan TM umumnya terjadi pada
bumbung gelombang (waveguides)[1,6].
Daerah atau bagian dari saluran transmisi yang paling padat diselimuti oleh
medan elektromagnetik adalah bagian diantara kedua kawat penghantarnya, yang
Parameter yang penting dari bahan isolator adalah konstanta dielektrik (k).
Harga konstanta dielektrik ini merupakan harga relatif terhadap konstanta
dielektrik dari ruang hampa. Ada dua hal penting yang mempengaruhi suatu
gelombang, yaitu :
1. Kecepatan Rambat Gelombang
Gelombang yang merambat disepanjang saluran transmisi bisa memiliki
kecepatan yang berbeda-beda tergantung pada jenis dan karakteristik propagasi
saluran tersebut. Kecepatan merambat medan elektromagnetik disepanjang
saluran transmisi juga ditentukan oleh besarnya konstanta dielektrik dari isolator
kawat penghantarnya. Semakin besar harga k, maka kecepatan merambat akan
semakin pelan. Hubungan antara konstanta dielektrik dengan kecepatan rambat
gelombang dapat dituliskan sebagai[1,3]:
k x v
8
10 3
= ...(2.3)
dimana :
k = konstanta dielektrik bahan isolator
Harga konstanta dielektrik bahan isolator yang harganya adalah relatif
terhadap konstanta dielektrik udara (ruang hampa), sehingga tidak memiliki
satuan. Konstanta dielektrik beberapa bahan isolator ditampilkan pada Tabel
Tabel 2.2 Konstanta Dielektrik dan Kecepatan Rambat Gelombang
Elektromagnetik pada Bahan Isolator
Material Konstanta Dielektrik (k)
Untuk saluran transmisi tanpa rugi-rugi (losses line), kecepatan rambat
gelombang dalam saluran dapat dituliskan sebagai[1,4]:
LC
v= ...(2.4)
dimana:
ℓ = Panjang potongan saluran (meter)
L = Induktansi total kedua kawat penghantar saluran sepanjang ℓ (Henry)
C = Kapasitansi antar kedua kawat penghantar sepanjang saluran ℓ (Farad)
2. Panjang Gelombang
Panjang gelombang didefenisikan sebagai jarak dimana gelombang tersebut
bergeser atau berjalan sejauh satu siklus (identik dengan perubahan sudut 2π).
Bila suatu sinyal frekuensi tinggi merambat pada suatu saluran transmisi, maka
panjang gelombang sinyal tersebut didalam saluran akan bergantung pada harga
konstanta dielektrik (k) dari bahan isolator tersebut menurut hubungan[1,4]:
dimana:
c = Kecepatan rambat gelombang elektromagnetik pada ruang hampa
(3 x 108 m/detik),
f = Frekuensi gelombang tersebut (Hz), dan
k = Konstanta dielektrik
2.6 Rugi-Rugi (Losses) pada Saluran Transmisi
Tegangan maupun arus dari sinyal yang merambat disepanjang saluran
transmisi akan mengalami penurunan seiring dengan jarak yang makin panjang,
ini berarti saluran transmisi memiliki rugi-rugi[1,4].
Pada umumnya ada tiga macam rugi-rugi yang terdapat pada saluran
transmisi yang sedang dilalui sinyal, yaitu :
a.Rugi-Rugi Tembaga
Rugi-Rugi ini antara lain berupa disipasi daya (I2R) yang berupa
panas yang bersifat resistif dan rugi-rugi akibat efek kulit (skin effect).
Makin tinggi frekuensi, makin besar resistansi yang timbul akibat skin
effect ini, sehingga ini mengakibatkan rugi-rugi saluran makin besar.
Jadi selain disebabkan oleh resistansi penghantarnya sendiri, rugi-rugi
tembaga ini juga disebabkan oleh skin effect, yang menyebabkan
resistansi penghantar pada frekuensi tinggi juga meningkat.
b. Rugi-Rugi Dielektrik
Rugi-rugi ini timbul diakibatkan oleh pemanasan yang terjadi pada
kawat penghantar sewaktu dilalui arus bolak-balik. Daya yang
pada bahan dielektrik. Ketika dilalui arus bolak-balik, maka struktur
atom dari bahan dielektrik akan mengalami perubahan dan perubahan ini
membutuhkan energi. Energi inilah yang mengakibatkan timbulnya
rugi-rugi daya. Semakin sulit struktur atom suatu bahan dielektrik berubah,
maka semakin besar energi yang dibutuhkannya, yang berarti semakin
besar rugi daya yang disebabkannya.
c. Rugi-Rugi Radiasi dan induksi
Rugi-rugi ini terjadi akibat adanya medan-medan elektromagnetik
yang ada disekitar kawat penghantar. Rugi-rugi induksi terjadi ketika
medan elektromagnetik disekeliling penghantar terkena langsung dengan
suatu penghantar tersebut, akibatnya daya hilang pada penghantar
tersebut. Rugi-rugi radiasi merupakan rugi-rugi yang disebabkan
hilangnya sebagian garis-garis gaya magnet karena memancar keluar
dari saluran transmisi.
Redaman muncul akibat adanya rugi-rugi pada saluran transmisi
yang dinyatakan dalam satuan decibel per satuan ataupun neper per
