ANALISA DAN DESAIN ANTENA DENGAN SOFTWARE MININEC BROADCAST PROFESSIONAL
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Kelulusan Pendidikan Strata Satu (S1)
Program Studi Teknik Elektro
Disusun Oleh :
NAMA : FERRY BUDI CAHYONO NIM : 0140312-047
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA
2006
i
ANALISA DAN DESAIN ANTENA DENGAN SOFTWARE MININEC BROADCAST PROFESSIONAL
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Guna Memperoleh Gelar Sarjana
Program Studi Teknik Elektro
Disusun Oleh :
NAMA : FERRY BUDI CAHYONO NIM : 0140312-047
Disetujui Oleh :
Pembimbing
(Dr.-Ing Mudrik Alaydrus)
Mengetahui,
Ketua Jurusan Teknik Elektro Universitas Mercu Buana
(Ir. Budi Yanto Husodo, Msc) Koordinator Tugas Akhir
(Ir. Yudhi Gunardi, MT)
v
Pada sistim komunikasi tanpa kabel, antena adalah salah satu dari beberapa komponen yang paling kritis. Perancangan antena yang baik akan mempertinggi performansi dari keseluruhan sistim itu. Yang menjadi masalah utama di dalam analisa antena tidak diketahuinya masalah-masalah dalam merancang antena seperti mengetahui besarnya arus, kuat medan listrik dan medan magnet, pola pancaran serta masalah elektromagnetika lainnya.
Dalam membuat antena secara nyata dengan metoda coba-coba, tentunya sangat memusingkan dan banyak menyita waktu. Analisa dan desain antena secara serius dewasa ini hanya bisa dilakukan dengan bantuan komputer. Hal ini disebabkan karena bantuan perhitungan secara eksak tidak bisa dilakukan dengan menggunakan kertas dan pensil saja. Pengamatan dalam rancangan antena dan analisanya dapat menggunakan software Mininec Broadcast Professional, sebuah software komersial yang direlease oleh perusahaan EM Scientific, Inc.
Tugas Akhir ini membahas analisa dan desain antena dengan menggunakan software Mininec Broadcast Professional, dimana sangat berguna sekali untuk memberikan gambaran secara detail mengenai masalah-masalah yang ditimbulkan dalam membuat antena dan perhitungan antena dengan menggunakan komputer ini dapat diketahui dan dijadikan sebagai pembanding dalam membuat antena secara real.
vi Halaman Judul
Halaman Pengesahan ……….
Halaman Motto ………..
Kata Pengantar ………...
Abstrak ………...
Daftar Isi ………
Daftar Gambar ………...
Daftar Tabel dan Diagram ……….
i ii iii v vi ix xii
BAB I PENDAHULUAN
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Latar Belakang ………...
Tujuan Penulisan ...
Pembatasan Masalah ………..
Metode Penulisan ....………...
Sistematika Penulisan ………
1 2 3 3 4
BAB II LANDASAN TEORI
2.1 2.2 2.3 2.4 2.4.1
Pengenalan Antena ……….
Esensi Antena pada Dunia Telekomunikasi ...
Besaran penting Antena ...
Jenis-jenis Antena ...
Antena Dipol ...
5 7 10 13 13
vii 2.5
2.6 2.7 2.8
Panjang Gelombang ...
Frekuensi ...
Spektrum Elektromagnetika ...
Standing Wave Ratio ...
21 22 23 24
BAB III ANALISA DAN DESAIN ANTENA DENGAN KOMPUTER
3.1 3.1.1 3.1.2 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3
Pengenalan Software Mininec Broadcast Profesional …………
Latar Belakang Perkembangan ………..
Aplikasi yang tersedia ………
Method of Moments Modeling ………..
Kelebihan dari Software Mininec Broadcast Profesional ……..
Batasan dari Software Mininec Broadcast Profesional ………..
Analisa dan Desain antenna ………...
Antena Dipol Kembar ………
Antena Yagi ………...
Antena Log Periodic Dipol Array (LPDA) ……….…...
26 26 27 30 31 31 32 32 39 47
BAB IV HASIL PERHITUNGAN
4.1 4.2 4.3
Antena Dipol Kembar ………
Antena Yagi ………...
Antena Log Periodic Dipol Array ………..
54 57 65
viii
5.2 Saran ... 74
DAFTAR PUSTAKA ……… 75 KARTU ASISTENSI
RIWAYAT HIDUP
xii 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
Tabel 2.1 Aplikasi Spektrum Radio ………....
Tabel 3.1 Kecepatan Menghitung Software MBPRO ………
Tabel 3.2 Eksperimen Antena Dipol Kembar ………...
Tabel 3.3 Current Nodes Antena Dipol Kembar ……….
Tabel 3.4 Geometry Antena Dipol Kembar ………...
Tabel 3.5 Geometry Antena dengan 15 Elemen ………....
Tabel 3.6 Geometry Antena dengan 12 Elemen ………....
Tabel 3.7 Geometry Antena LPDA dengan 10 Elemen ……….
Tabel 3.8 Geometry Antena LPDA 10 Elemen menggunakan program EZNEC/4 ver. 2.5 ………..
Tabel 3.9 Geometry Antena LPDA 18 Elemen ……….
Tabel 3.10 Geometry Antena LPDA 40 Elemen ………
Tabel 4.1 Hasil Impedansi Antena Dipol Kembar ………...
Tabel 4.2 Hasil Impedansi Antena Yagi 6 Elemen ………..
Tabel 4.3 Hasil Impedansi Antena Yagi 15 Elemen ………....
Tabel 4.4 Nilai VSWR Antena Yagi 6 Elemen dan Antena Yagi 15 Elemen ……….
Tabel 4.5 Nilai Power Gain Antena Yagi 6 Elemen dan Antena Yagi 15 Elemen ………
Tabel 4.6 Hasil Impedansi Antena Yagi 12 Elemen ………
Tabel 4.7 Nilai VSWR Antena Yagi 12 Elemen ………
24 32 34 37 38 43 46 48
49 50 52 55 57 59
62
62 63 63
xiii 21.
22.
23.
24.
Tabel 4.10 Nilai VSWR Antena Log Periodic 18 Elemen ………….
Tabel 4.11 Hasil Impedansi Antena Log Periodic 40 Elemen ……….
Tabel 4.12 Nilai VSWR Antena Log Periodic 40 Elemen ………….
Tabel 4.13 Hasil Percobaan Desain Antena Log Periodic …………...
68 70 71 72
ix 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
Gambar 2.1 Gambar 2.2 Gambar 2.3 Gambar 2.4 Gambar 2.5 Gambar 2.6 Gambar 2.7 Gambar 2.8 Gambar 2.9 Gambar 2.10 Gambar 2.11 Gambar 2.12 Gambar 2.13 Gambar 2.14 Gambar 2.15 Gambar 2.16 Gambar 2.17 Gambar 2.18 Gambar 2.19 Gambar 2.20 Gambar 3.1
Aplikasi Antena Omnidirectional ...
Data dari perusahaan Kathrein ...
Unidirectional Waveguide Antennas ………
Yagi-Uda antennas ………..
Diagram radiasi ………...
Model Gain ...
Bandwidth pada sinyal analog ……….
Antena Dipol ………...
Diagram Radiasi Antena Dipol ………...
Antena Yagi dengan 3 elemen ...
Geometri Yagi Uda Array ………...
Diagram RadiasiYagi Uda ………...
Susunan Dasar dari Log Periodic Dipole Antena ……
Elemen Antena Log Periodic ………..
Log-Periodic Antena ………...
Log-Periodic Antena Model LP80... ………...
Parameter tau dan sigma ………..
Spectrum Elektromagnetika ………
Spectrum Radio ………...
Standing Wave Ratio (SWR) ………..
Desain Antena Dipol Kembar ……….
7 8 8 9 11 12 13 14 15 16 16 17 19 19 20 20 21 23 23 25 31
x 24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
Gambar 3.4 Gambar 3.5 Gambar 3.6 Gambar 3.7 Gambar 3.8 Gambar 3.9 Gambar 3.10 Gambar 3.11
Gambar 3.12
Gambar 3.13
Gambar 3.14 Gambar 3.15 Gambar 3.16 Gambar 3.17 Gambar 3.18
Gambar 4.1 Gambar 4.2 Gambar 4.3
Kotak Dialog Frekuensi ………..
Kotak Dialog Voltage/Current Source ………
Kotak Dialog Radiation Pattern ………..
Kotak Dialog Run ………
Desain Yagi ……….
Desain Antena Yagi 6 elemen ……….
Desain Antena Yagi 15 elemen ………...
Geometri Antena Yagi 12 elemen dengan Software NEC4 ………...
Desain Antena Yagi 12 elemen dengan Software NEC4 ………...
Desain Antena Yagi 12 elemen dengan Software MBPRO ………...
Desain LPDA ………..
Desain LPDA dengan 10 elemen ………
Desain LPDA dengan 18 elemen ………
Desain LPDA dengan 40 elemen ………
Desain LPDA dengan 40 elemen menggunakan program EZNEC ………..
Menu Display Options ……….
Current –RMS ……….
Power Gain Pattern ………..
36 36 37 38 40 41 42
45
47
47 48 49 50 51
51 54 56 57
xi 44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
51.
52.
53.
54.
55.
56.
Gambar 4.6 Gambar 4.7 Gambar 4.8 Gambar 4.9 Gambar 4.10
Gambar 4.11 Gambar 4.12 Gambar 4.13
Gambar 4.14 Gambar 4.15 Gambar 4.16 Gambar 4.17 Gambar 4.18
Arus Antena Yagi 15 elemen ……….
Power Gain Antena Yagi 15 Elemen ………..
Hasil NBS desain Antena Yagi 15 Elemen ………….
Power Gain Antena Yagi 12 Elemen ………..
Power Gain Antena Yagi 12 Elemen
menggunakan program NEC-4……….
Arus Antena Yagi 12 elemen ……….
Power Gain Antena Log Periodic 10 Elemen ……….
Power Gain Antena Log Periodic 10 Elemen dengan menggunakan Program EZNEC/4 ………...
Arus Antena log periodic 10 elemen ………..
Power Gain Antena Log Periodic 18 Elemen ……….
Arus Antena log periodic 18 elemen ………..
Power Gain Antena Log Periodic 40 Elemen ……….
Arus Antena log periodic 40 elemen ………..
60 61 61 64
64 65 66
67 67 69 70 71 72
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Dewasa ini, pelayanan telekomunikasi memainkan peran yang sangat penting dalam modernisasi kehidupan manusia dan menjadi sangat diperlukan dalam tiap aspek kehidupan seperti bisnis, perdagangan, rumah tangga, industri, dan sebagainya.
Perkembangannya dalam bidang teknologi informasi telah mengarah pada penggunaan teknologi tanpa kabel atau dikenal dengan istilah wireless. Untuk sistim komunikasi tanpa kabel, antena adalah salah satu dari beberapa komponen yang paling kritis. Perancangan antena yang baik akan mempertinggi performansi dari keseluruhan sistim itu.
Antena adalah sebuah komponen yang dirancang untuk bisa memancarkan dan atau menerima gelombang elektromagnetika. Dengan kata lain, antena sebagai alat pemancar (transmitting antenna) adalah sebuah transduser (pengubah) elektromagnetis, yang digunakan untuk mengubah gelombang tertuntun (pada saluran transmisi kabel) menjadi gelombang yang merambat di ruang bebas, dan sebagai alat penerima (receiving antenna) mengubah gelombang ruang bebas menjadi gelombang tertuntun.
Pada sistim komunikasi tanpa kabel yang modern, sebuah antena harus berfungsi sebagai antena yang bisa memancarkan dan menerima gelombang dengan baik untuk suatu arah tertentu dan untuk arah yang lain tak ada pemancaran dan penerimaan. Antena dipol (monopol) adalah jenis antena yang paling banyak
1
digunakan dalam aplikasi komunikasi tanpa kabel. Aplikasi pada penerima broadcast, yang pada penggunaannya tak mementingkan di arah sudut mana penerima terletak, maka antena jenis ini akan diprioritaskan, seperti antena pada handphone, pada komputer yang terhubungkan dengan WLAN, dsb.
Yang menjadi masalah utama di dalam analisa antena tidak diketahuinya besar dari arus itu. Sehingga problem penentuan medan listrik dan magnet berubah menjadi penentuan arus pada struktur antena yang ada. Bahkan problem penentuan arus ini menjadi lebih dominan dibandingkan dengan problem penentuan medan listrik magnet sesudah itu. Melihat permasalahan tersebut penulis mencoba mengkaji atau mengamati bagaimana cara mengatasi problem antena tersebut. Dalam membuat antena secara nyata dengan metoda coba-coba, tentunya sangat memusingkan dan banyak menyita waktu. Analisa dan desain antena secara serius dewasa ini hanya bisa dilakukan dengan bantuan komputer. Hal ini disebabkan karena bantuan perhitungan secara eksak tidak bisa dilakukan dengan menggunakan kertas dan pensil saja. Pengamatan antena dan analisanya dapat menggunakan software Mininec Broadcast Professional, sebuah software komersial yang direlease oleh perusahaan EM Scientific, Inc. Analisa dan desain antena sampai masalah-masalah yang ditimbulkan inilah penulis ambil melalui sebuah tugas akhir.
1.2 Tujuan Penulisan
Tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :
A. Mendesain dan merancang jenis-jenis antena dengan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional.
B. Mengetahui perubahan arus pada tiap elemen antena, pengaruh feeding antena serta diagram radiasi antena yang diuji pada range frekuensi dari jenis-jenis antena itu.
C. Menganalisa hasil perhitungan yang dapat diketahui dengan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional yaitu masalah-masalah numerik yang timbul dari antena dengan metode momen.
1.3 Pembatasan Masalah
Untuk menghindari kesimpangsiuran agar arah pembahasan lebih jelas, maka penulis merasa perlu untuk membatasi permasalahan yaitu dalam melakukan desain antena sesuai dengan batasan dalam Software MBPRO dan analisa permasalahan berdasarkan hasil dari faktor Geometry point (titik geometri), Straight wires (kawat lurus), Voltage/Current sources (sumber tegangan/arus), perubahan Frequency dan Radiation pattern (pola pancaran).
1.4 Metode Penulisan
Metode penulisan Tugas Akhir ini dilakukan dengan beberapa cara yaitu : A. Metode Kajian Pustaka
Yaitu dengan cara melakukan penulisan pustaka melalui referensi-referensi penunjang tema penulisan yang didapat dalam pelajaran kuliah, perpustakaan, Internet maupun buku-buku referensi lainnya.
B. Metode Eksperimen
Yaitu dengan melakukan analisa dan perhitungan masalah-masalah antena dengan software Mininec Broadcast Profesional secara langsung.
1.5 Sistematika Penulisan
Untuk memberikan gambaran mengenai Tugas Akhir ini, maka disusun sistematika penulisan sebagai berikut :
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini menjelaskan tentang latar belakang pemilihan judul, tujuan penulisan, pembatasan masalah dan metode penulisan.
BAB II LANDASAN TEORI
Bab ini menjelaskan tentang teori dasar yang digunakan antara lain pembahasannya mengenai pengenalan, teori, jenis-jenis antena dan diagram radiasinya, penjelasan tentang teori panjang gelombang, frekuensi, spektrum elektromagnetika, impedansi dan VSWR (Volatge Standing Wave Ratio).
BAB III ANALISA DAN DESAIN ANTENA DENGAN KOMPUTER
Bab ini menjelaskan tentang proses desain dan analisa jenis-jenis antena dengan bantuan komputer yaitu menggunakan Software Mininec Broadcast Professional.
BAB IV HASIL PERHITUNGAN
Bab ini memberikan gambaran dan penjelasan mengenai hasil simulasi dan perhitungan dari desain antena dengan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional.
BAB V PENUTUP
Bab ini berisi kesimpulan dari keseluruhan pembahasan serta memberikan saran.
LANDASAN TEORI
2.1 Pengenalan Antena
Untuk sistim komunikasi tanpa kabel, antena adalah salah satu dari beberapa komponen yang paling kritis. Perancangan antena yang baik akan mempertinggi performansi dari keseluruhan sistim itu. Sebuah contoh yang khas adalah pada aplikasi pesawat televisi yang penerimaan sinyalnya bisa diperbaiki dengan penggunaan antena yang memiliki gain yang tinggi.
Antena adalah sebuah komponen yang dirancang untuk bisa memancarkan dan atau menerima gelombang elektromagnetika. Dengan kata lain, antena sebagai alat pemancar (transmitting antenna) adalah sebuah transduser (pengubah) elektromagnetis, yang digunakan untuk mengubah gelombang tertuntun (pada saluran transmisi kabel) menjadi gelombang yang merambat di ruang bebas, dan sebagai alat penerima (receiving antenna) mengubah gelombang ruang bebas menjadi gelombang tertuntun. Pada sistim komunikasi tanpa kabel yang modern, sebuah antena harus berfungsi sebagai antena yang bisa memancarkan dan menerima gelombang dengan baik untuk suatu arah tertentu dan untuk arah yang lain tak ada pemancaran dan penerimaan.
Sejarah antena kembali pada konsep yang dikembangkan oleh James Clerk Maxwell, yang menyatukan teori listrik dan magnet menjadi teori elektromagnetika
5
yang dirangkumnya di dalam sebuah sistim persamaan yang kemudian dikenal dengan nama persamaan-persamaan Maxwell.
Dengan persamaan yang diturunkan di tahun 1863 ini ia meramalkan adanya medan listrik dan magnet yang merambat di ruang bebas tanpa adanya kabel. Medan listrik dan magnet yang berubah dengan waktu ini dan juga merambat di udara, di sebut juga gelombang elektromagnetik. Dengan bantuan persamaan ini juga Maxwell memprediksikan bahwa pada dasarnya cahaya juga merupakan gelombang elektromagnetika dan gelombang elektromagnetika merambat dengan kecepatan cahaya.Sembilan tahun setelah kematian Maxwell, di tahun 1888 Hertz melakukan verifikasi terhadap prediksi Maxwell secara eksperimen.
Dengan alat ini dia bisa membuktikan adanya induksi sinyal pada antena yang satu akibat sumber yang dipasangkan pada antena yang lainnya. Peristiwa ini merupakan momen kelahiran dari telekomunikasi tanpa kabel modern yang gunanya bisa kita rasakan sekali dewasa ini. Atas dasar eksperimen ini Hertz dikenal dengan nama Mr. Antenna. Setahun setelah kematian Hertz, di 1895 Marconi berhasil merealisasikan telekomunikasi jarak jauh, dari Inggris ke benua Amerika, dengan menggunakan gelombang elektromagnetika. Antena yang dipergunakan adalah 50 buah antena pemancar yang vertikal, yang dilibatkan dengan bantuan kawat secara horisontal dengan 2 tonggak kayu yang berjarak 60 meter. Sebagai antena penerima dipergunakan sebuah kawat vertikal dengan panjang 200 m yang mengambang di udara dengan bantuan sebuah layangan!. Sejak saat itu perkembangan antena makin cepat, dan berkembang pula jenis-jenis antena sesuai dengan tuntutan padanya di setiap bidang aplikasi.
2.2 Esensi Antena pada Dunia Telekomunikasi
Sebuah antena didefinisikan sebagai piranti yang dipergunakan untuk memancarkan dan menerima gelombang elektromagnetika. Gelombang radio ini akan merambat di ruang bebas dari pemancar ke penerima. Berikut ini diberikan tiga bidang aplikasi penting dari penggunaan antena, dan mengharuskan penggunaan antena dan yang akan membawa pengaruh pada perancangan antena itu sendiri :
1. Komunikasi.
Penggunaan antena didahulukan dari pada penggunaan kabel (saluran transmisi) dikarenakan oleh alasan-alasan ketidak-mungkinan, ketidak-praktisan dan ketidakefisienan :
a. Komunikasi antara pengguna yang bergerak, seperti sistim seluler atau komunikasi antara pesawat terbang/roket. Di sini diharapkan antena/receiver yang dipergunakan bisa melakukan proses ‘tracking’ atau jika tidak cukup menggunakan antena omnidireksional. Dibawah ini adalah berbagai bentuk aplikasi dari gambar antena omnidirectional, jenis antena dari perusahaan Kathrein dan Unidirectional Waveguide Antennas :
Gambar 2.1 Aplikasi Antena Omnidirectional
b. Komunikasi broadcast (televisi dan radio), antena pemancar ditempatkan di tengah-tengah wilayah yang akan disuplai dan antena yang dipergunakan antena omnidireksional. Jika antena pemancar terletak di pinggir wilayah penyuplaian, maka antena direksional-lah yang akan digunakan. Penggunaan antena pada aplikasi televisi mendapat saingan dengan penggunaan “TV- cable”, yang padanya dipergunakan kabel-kabel yang menghubungi setiap
Gambar 2.2 (data dari perusahaan Kathrein)
Gambar 2.3 Unidirectional Waveguide Antennas
rumah pelanggannya. Di sini tentu akan ada pemilihan mana yang lebih diprioritaskan. Tetapi pada dasarnya jika jarak pemancar – penerima cukup jauh, maka antena akan lebih mungkin dipergunakan karena faktor atenuasi kabel yang cukup besar. Antena yagi uda adalah salah satu bentuk aplikasi dari komunikasi broadcast (televisi).
c. Komunikasi Hubungan gelombang mikro (microwave link system), di sini dipergunakan antena direksional dengan gain yang sangat tinggi (beam width yang kecil), sehingga terbentuk hubungan komunikasi yang dinamakan point-to-point.
2. Radar
Antena merupakan pilihan satu-satunya untuk komunikasi dengan benda bergerak. Di teknik radar, antena yang dipergunakan harus memiliki beam width yang sangat kecil, sehingga bisa membedakan objek satu dengan yang lainnya (resolusi tinggi).
Gambar 2.4 Yagi-Uda antennas
3. Astronomi Radio, seperti juga halnya pada teknik radar, untuk aplikasi astronomi dipergunakan antena yang mempunyai beamwidth yang sangat sempit sehingga pancarannya kuat sekali dan sangat berguna untuk aplikasi luar angkasa.
2.3 Besaran-besaran penting dari Antena
Ada beberapa besaran penting sebagai karakteristik dari setiap antena. Besaran ini menentukan di mana antena tersebut akan diaplikasikan. Besaran-besaran penting dari setiap antena biasanya ditentukan pada pengamatan medan jauh (far-field).
Berikut karakteristik besaran tersebut :
1. Diagram radiasi : sebagai besaran yang menentukan ke arah sudut mana sebuah antena memancarkan energinya. Diagram radiasi merepresentasikan distribusi energi yang dipancarkan oleh antena di ruang. Besaran ini diukur/dihitung pada medan jauh (far-field) dengan jarak yang konstan ke antena, dan divariasikan terhadap sudut, biasanya sudut ϑ atau ϕ. Sehingga bisa dibedakan antena-antena yang mempunyai sifat pancar isotropik, yang hanya ada secara fiktif, antena omnidireksional, yang bersifat isotropik hanya di suatu bidang potong tertentu, dan antena direksional, yang bisa mengkonsentrasikan energinya ke arah sudut tertentu. Sebagai contoh yang sederhana adalah antena dipol yang diletakkan di sumbu asal dari sistem kordinat. Antena ini mempunyai diagram pancar secara tiga dimensi seperti yang terlihat di gambar 2.5. Sebuah bentuk konsentrasi energi yang seperti bentuk donat. Jika kita amati karakteristik radiasi dari antena ini pada bidang horisontal (bidang H/H-plane), maka kita akan memotong donat ini dengan
bidang xy, dan bidang yang terpotong berbentuk lingkaran (gambar 2.5b).
Dalam kordinat polar, artinya jika kita bergerak pada bidang horisontal pada jarak konstan, maka kita akan mendapatkan energi yang sama, ke sudut ϕ manapun kita bergerak. Tetapi jika kita amati pada bidang vertikal (bidang E/E-plane), kita potong donat tersebut misalnya dengan bidang yz, maka akan kita dapatkan bentuk seperti di (gambar 2.5a) di bawah ini. Dalam kordinat polar berarti, pada sudut ϑ=00tak ada pancaran, dan dengan membesarnya ϑ akan membesar pula kontribusi pancaran ke arah sudut itu, sampai mencapai maksimalnya pada ϑ=900, kemudian mengecil, dan kembali nol pada ϑ= 1800.
Gambar 2.5 Diagram radiasi
2. Direktivitas D : besaran yang menyatakan perbandingan antara kerapatan daya maksimal dengan kerapatan rata-rata.
3. Gain G : direktivitas dikurangi dengan kerugian pada antena. Pada antena yang tak memiliki kerugian, G = D. Di bawah ini gambaran dari gain pada diagram radiasi yang terdiri dari main lobe dan beberapa side lobe.
4. Polarisasi : menyatakan arah dan orientasi dari medan listrik dalam perambatannya dari antena pemancar.
5. Impedansi : impedansi masukan antena dilihat dari rangkaian elektronika, penting untuk menghindari mismatching. Didefinisikan sebagai impedansi yang diberikan kepada rangkaian di luar oleh antena pada suatu titik acuan tertentu, impedansi ini merupakan perbandingan tegangan dan arus atau perbandingan komponen medan listrik dan medan magnet yang sesuai dengan orientasinya. Impedansi masukan penting untuk pencapaian kondisi matching pada saat antena dihubungkan dengan sumber tegangan, sehingga semua sinyal yang dikirim ke antena akan terpancarkan. Atau pada antena penerima, jika kondisi matching tercapai, energi yang diterima antena akan bisa dikirimkan ke receiver.
Gambar 2.6 Model Gain
6. Bandwidth : lebar pita frekuensi, di interval ini performance antena masih dianggap baik dan dalam antena bekerja sesuai dengan yang ditetapkan oleh spesifikasi yang diberikan. Spesifikasi yang di atas meliputi : diagram radiasi, tinggi dari side lobe, gain, polarisasi, impedansi masukan. Untuk sinyal analog, yang mana bandwidth adalah lebar yang diukur dalam satuan hertz, dan digambarkan sebagai berikut :
2.4 Jenis-jenis Antena
Ada beberapa jenis dari antena yang akan dibahas dalam tugas akhir ini seperti antena dipol kembar, antena yagi dan antena log periodic, lebih jelasnya sebagai berikut :
2.4.1 Antena Dipol
Antena yang paling sederhana dan yang paling luas penggunaannya adalah antena dipol. Antena dipol terdiri dari dua buah kawat yang terpisah satu dengan lainnya, yang pada fungsinya sebagai antena pemancar, ia akan dihubungkan dengan sumber tegangan, dan pada fungsi sebagai antena penerima, akan dihubungkan dengan load. Antena itu sendiri oleh sebab itu dianggap berfungsi secara resiprok,
Gambar 2.7 Bandwidth pada sinyal analog
artinya, karakteristik dari antena sama apakah ia dipakai sebagai antena pemancar ataupun sebagai antena penerima. Antena dipol bersifat omnidireksional, artinya antena ini memancarkan energinya, pada suatu potongan bidang tertentu, sama rata ke semua arah.
Dengan memanfaatkan bidang penghantar, dengan bantuan sebuah kawat yang berada vertikal di atasnya, kita bisa mendapatkan antena dipol dengan kawat bayangan. Analisa arus pada posisi feeding sangat penting untuk menentukan impedansi/resistansi masukan dari antena, pada saat dihubungkan dengan sumber tegangan (generator). Jika pada feeding dihubungkan sumber tegangan V, maka pada antena yang di posisi feedingnya memiliki arus maksimal akan memiliki resistansi masukan yang kecil, karena R I in ∝1/I . Sedangkan antena yang memiliki arus nol pada posisi feeding, akan mendapatkan resistansi masukan yang sangat besar.
Untuk mendapatkan resistansi masukan yang sesuai dengan yang kita inginkan, kita bisa menggeser posisi feedingnya. Gambaran real dari antena dipol adalah seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini :
Gambar 2.8 Antena Dipol
Antena dipol seperti gambar 2.8 adalah yang sering digunakan dalam transmitter dalam sebuah experimen. Sebuah dipol dibuat dari pipa PVC sehingga bisa lebih mudah dirancang dengan tipe yang berbeda horisontal dan vertikal. Antena dipol yang bekerja dalam frekuensi tertentu akan diketahui diagram radiasi seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini.
2.4.2 Antena Yagi
Antena Yagi dikembangkan oleh engineer dari Jepang Yagi-Uda. Antena Yagi mudah dibuat dan sangat populer dikalangan amatir radio. Keuntungan Antena Yagi mudah didesain dengan harga murah, mempunyai kemampuan gain yang tinggi, mudah dalam pembuatannya dan Unidirectional beam (front-to-back ratio) yang dapat digunakan pada HF (3-30 MHz), VHF (30-300 MHz) dan UHF (300 MHz–3 GHz). Antena yagi terdiri dari dipol yang disusun dengan beberapa jenis elemen parasitis. Ada dua tipe dari elemen parasitis yang bisa digunakan untuk merubah pola pancaran (radiation pattern) adalah sebagai berikut :
1. Sebuah batang Reflektor yang biasa disebut demikian, berpengaruh pada refleksi pancaran dari antena driven.
2. Satu atau lebih batang direktor yang berfungsi sebagai penguat arah pancaran.
Gambar 2.9 Diagram Radiasi Antena Dipol
Pada umumnya batang reflektor akan lebih panjang 5% daripada batang eksitasi (driven element) dan batang direktor akan lebih pendek 5% dari batang eksitasi (driven element). Batang eksitasi (driven element) adalah batang yang diberikan tegangan listrik di tengahnya. Arus yang mengalir di sana relatif besar. Antena- antena yang lain (elemen pasif/elemen parasitis) walaupun tidak di-driven, tetapi di sana akibat induksi dari antena driven, mengalir pula arus listrik dengan besar yang relatif lebih kecil dari yang di-driven.
Model antena yagi dengan tiga elemen seperti terlihat pada gambar di bawah ini.
Untuk perhitungan dan analisa geometri dari antena yagi adalah diberikan gambaran sebagai berikut :
Gambar 2.10 Antena Yagi dengan 3 elemen
Gambar 2.11 Geometri Yagi Uda Array
Diagram radiasi Antena Yagi terlihat pada gambar 2.12 berikut ini :
Diagram radiasi dari sebuah antena biasanya relatif lebar, berarti memiliki direktivitas (gain) yang rendah. Untuk komunikasi jarak jauh atau pada aplikasi radar, sering kali diperlukan antena yang memiliki direktivitas yang sangat tinggi. Untuk mendapatkan antena yang seperti ini, kita bisa memperbesar ukuran dari antena itu sampai melebihi panjang gelombangnya. Tetapi alternatif seperti ini akan memberikan masalah baru, yaitu munculkan side lobe tambahan, yang makin panjang/besar antena tersebut, makin banyak pula side lobe-nya, juga masalah yang berkaitan dengan mekanis dari antena yang terus membesar.
Susunan beberapa antena menurut konfigurasi geometris dan elektris tertentu ini disebut dengan Array (grup antena). Antena-antena yang disusun menjadi grup/kelompok ini biasanya antenna yang se-jenis (missal array dipole, array waveguide, array mikrostrip), hal ini diprioritaskan untuk mempermudah analisa, sintesa dan juga fabrikasi. Medan listrik/magnet total dari array adalah superposisi
Gambar 2.12 Diagram RadiasiYagi Uda
secara vektorial medan yang dihasilkan dari masing-masing antena. Di dalam menghasilkan suatu diagram radiasi tertentu, ke arah pancar yang diprioritaskan untuk mendapatkan direktivitas yang tinggi, diupayakan medan vektornya saling bersuperposisi secara konstruktif, sedangkan ke arah pancar yang diprioritaskan untuk mendapatkan direktivitas yang tinggi, diupayakan medan vektornya saling bersuperposisi secara konstruktif, sedangkan ke arah pancar lain yang diinginkan memiliki direktivitas rendah superposisinya diupayakan berlangsung secara destruktif.
Ada lima parameter yang bisa digunakan untuk mengontrol diagram radiasi dari array :
1. Konfigurasi geometris array
a. Linier : antena disusun pada suatu garis tertentu b. Circular : disusun di atas suatu lingkaran
c. Planar : tersusun pada suatu bidang dua dimensi d. Secara tiga dimensi di ruang
2. Jarak dari satu elemen antena ke elemen yang lain
3. Amplitudo arus atau tegangan yang dipasangkan pada feeding elemen antenna
4. Phase arus atau tegangan pada feeding 5. Diagram radiasi dari masing-masing elemen
2.4.3 Antena Log-Periodic
Antena log-periodic lebih sulit dalam pembuatannya daripada antena dipol dan antena yagi, hal ini karena ukuran elemen yang dibuat lebih kecil dari elemen yang sebelumnya sehingga sampai membentuk sudut 2α. Elemen pada log-periodic antena bekerja dengan baik sesuai dengan yang diharapkan, daerah aktifnya benar-
benar menyebar atau menerima radiasi secara efisien, bergeser dan sesuai frekuensinya. Elemen yang kiri dalam Gambar 2.13 elemen terpanjang adalah aktif di frekuensi yang paling rendah dan elemen yang kanan elemen terpendek yang sebagai batas aktif di frekuensi tinggi.
Untuk lebih jelasnya susunan elemen dari antena log-periodic adalah terlihat pada gambar 2.14 dimana sampai membentuk sudut 2α dan jarak tiap elemen dibagi dalam sebuah skala faktor τ yaitu :
dimana τ<1.
Hubungan antara sudut α dengan τ
Gambar 2.13 Susunan Dasar dari Log Periodic Dipole Antena
Gambar 2.14 Elemen Antena Log Periodic
Untuk melihat model dari jenis antena log-periodic secara nyata perhatikanlah gambar 2.15 berikut ini :
Jenis antena log-periodic Model LP80 dari Sunol Sciences Corporation yaitu sebuah antena directional yang didesain untuk pemancar dan penerima sinyal RF dari 80 MHz - 2.0 GHz, spesifikasi Model LP80 maksimum gain 6 dBi, VSWR < 2:1, impedansi 50 ohms, konektor type N female, polarisasi linear, seperti gambar 2.16 :
Desain Log Periodic Dipole :
Dari gambar dan persamaan rumus diatas kita dapat simpulkan untuk merancang dan memecahkan masalah desain antena log-periodic yaitu :
Gambar 2.15 Log-Periodic Antena
Gambar 2.16 Log-Periodic Antena Model LP80
Untuk faktor jarak yang sebagai fungsi dari faktor skala diberikan direktivitas maksimum Do. Perhitungan desain bandwidth Bs adalah
Untuk panjang elemen dari terpendek sampai elemen terpanjang (L) adalah : dimana
Jadi rumus total jumlah elemen yang didesain dari antena log-periodic adalah :
Dalam desain rancangan antena log-periodic kita juga bisa menentukan besar dari tauτ dan sigmaσ berdasarkan perkiraan maksimum gain yang diinginkan seperti yang ditunjukkan pada grafik berikut ini :
2.5 Panjang gelombang
Panjang gelombang adalah sebuah jarak antara satuan berulang dari sebuah pola gelombang. Biasanya memiliki denotasi huruf Yunani lambda (λ). Dalam sebuah gelombang sinus, panjang gelombang adalah jarak antara puncak:
Gambar 2.17 Parameter tau dan sigma
Axis x mewakilkan panjang, dan I mewakilkan kuantitas yang bervariasi (misalnya tekanan udara untuk sebuah gelombang suara atau kekuatan listrik atau medan magnet untuk cahaya), pada suatu titik dalam fungsi waktu x. Panjang gelombang λ memiliki hubungan inverse terhadap frekuensi f, jumlah puncak untuk melewati sebuah titik dalam sebuah waktu yang diberikan. Panjang gelombang sama dengan kecepatan jenis gelombang dibagi oleh frekuensi gelombang. Ketika berhadapan dengan radiasi elektromagnetik dalam ruang hampa, kecepatan ini adalah kecepatan cahaya c, untuku sinyal (gelombang) di udara, ini merupakan kecepatan suara di udara.
Hubungannya adalah : dimana :
• λ = panjang gelombang dari gelombang elektromagnetik
• c = kecepatan cahaya = 300,000,000 m/d
• f = frekuensi gelombang dengan satuan Hertz.
2.6 Frekuensi
Frekuensi adalah ukuran jumlah putaran ulang per peristiwa dalam selang waktu yang diberikan. Untuk memperhitungkan frekuensi, seseorang menetapkan jarak waktu, menghitung jumlah kejadian peristiwa, dan membagi hitungan ini dengan panjang jarak waktu. Hasil ini diberikan dalam satuan hertz (Hz) setelah pakar fisika Jerman Heinrich Rudolf Hertz, di mana 1 Hz adalah peristiwa yang terjadi satu kali per detik. Secara alternatif, seseorang bisa mengukur waktu antara
dua kejadian peristiwa (periode) dan lalu memperhitungkan frekuensi sebagai yang timbal balik kali ini. Di mana 'T' adalah periode.
2.7 Spectrum Elektormagnetika
Pemahaman terhadap spectrum elektromagnetika sangat penting untuk mengetahui aplikasi antena bekerja pada range frekuensinya, adapun gambarannya adalah sebagai berikut :
Gelombang radio di permukaan bumi dan aplikasi yang digunakan digambarkan sebagai berikut :
Gambar 2.18 Spectrum Elektromagnetika
Gambar 2.19 Spectrum Radio
Band Frekuensi Panjang
Gelombang Aplikasi
VLF 3 - 30 kHz 100 km - 10 km Long range navigation and marine radio
LF 30 - 300 kHz 10 km - 1 km Aeronautical and marine navigation
MF 300 kHz - 3 MHz 1 km - 100 m radio AM dan telekomunikasi radio
HF 3 - 30 MHz 100 m - 10 m Bands Amateur radio, NRC time signal
VHF 30 - 300 MHz 10 m - 1 m TV, FM, cordless phones, air traffic control(ATC)
UHF 300 MHz - 3 GHz 1 m - 10 cm UHF TV, satelit, air traffic radar, dsb
SHF 3 - 30 GHz 10 cm - 1 cm Mostly satellite TV dan satelit yang lainnya
EHF 30 - 300 GHz 1 cm - 1 mm Remote sensing dan satelit yang lainnya
2.8 Standing Wave Ratio (SWR)
Dalam dunia telekomunikasi, standing wave ratio (SWR) adalah perbandingan nilai tegangan maksimal dengan tegangan minimal sehingga sering disebut VSWR. Komponen tegangan dari standing wave dalam bentuk transmission line terdiri dari forward wave (dengan amplitudo Vf) dan dibagi dengan reflected wave (dengan amplitudo Vr). Definisi koefisien refleksi Γ adalah :
Γ menjelaskan kedua magnitude dan phase shift dari faktor refleksi. Penyebab yang paling sederhana, ketika nilai Γ adalah nol, lebih jelasnya adalah :
• Γ = − 1: maksimum negatif refleksi, ketika line short-circuit, Tabel 2.1 Aplikasi Spectrum Radio
• Γ = 0: tidak ada refleksi, ketika line sempurna berada pada posisi matching,
• Γ = + 1: maksimum positif refleksi, ketika line open-circuit.
Untuk menghitung dari VSWR, hanya magnitude dari Γ, yang ditandai oleh ρ, pada line ada dua gelombang yang bersifat membangun, dan menghasilkan amplitudo Vmax
Sedangkan untuk gelombang dengan sifat merusak, dan menghasilkan amplitudo Vmin adalah :
Jadi nilai voltage standing wave ratio adalah :
Misalnya, dari gambar diatas SWR = = = 1.5 Ketika ρ seperti magnitude dari Γadalah ≥ 0, maka nilai VSWR selalu ≥ +1
SWR juga bisa diartikan sebagai rasio dari amplitudo maksimum dari kuat medan listrik dengan amplitudo minimum, yaitu Emax / Emin.
Gambar 2.20 Standing Wave Ratio (SWR)
Vmax
Vmin
1,5
-1,5 V(H) 0 1
Vmax Vmin
1.5 1
ANALISA DAN DESAIN ANTENA DENGAN KOMPUTER
3.1 PENGENALAN SOFTWARE MININEC BROADCAST
PROFESSIONAL
Mininec Broadcast Professional dibuat sebagai software (perangkat lunak) untuk desain dan analisa kawat antena. Software ini sangatlah cocok untuk pengalaman bagi pelajar dan engineer professional dalam mendesain dan menganalisa kawat antena. Software ini dapat dijalankan dalam Microsoft Windows (seperti Windows 3.0 dan yang lebih tinggi termasuk Windows 98, Windows NT dan Windows XP). Pem-visualisasian input data menggunakan kotak dialog dengan lembaran-lembaran terpisah seperti display data. Produk output yang dihasilkan termasuk tabulasi dan grafik.
3.1.1 Latar Belakang Perkembangan
Software Mininec Broadcast Professional asli ditulis oleh John Rockway dengan dukungan Jim Logan. Tim Rockway-Logan telah bertanggung jawab selama bertahun-tahun atas perkembangan kode dari yang terkenal dan metode paling berguna, dari model momen antena yang tersedia. Suatu hari, di tahun 1980, John Rockway dan Jim Logan berdiskusi tentang metode yang terdapat pada radio amatir untuk desain antena. Ini adalah momen penting untuk mengembangkan lebih lanjut program komputer tentang modeling antena, seperti Numerical Electromagnetics Code (NEC). Bagaimana tentang penerapan NEC sehingga dapat dioperasikan dalam PC? Saat itu bukanlah sesuatu yang mudah, karena PC terbatas pada memorinya
26
yaitu 16K dengan panjang kata 8 bit. Tidak pula tersedia FORTRAN. Program harus ditulis dalam BASIC. Program yang terdapat dalam komputer tersebut sangat terbatas. Beberapa pertanyaan muncul. Dapatkah kode yang terbatas dapat digunakan untuk desain yang serius atau analisis? Umumnya , penulis yakin bahwa kode, pada akhirnya, adalah sebuah alat pelajaran untuk lebih mengerti beberapa dari prinsip dasar antena. Diskusi beralih menjadi bagaimana tim Rockway-Logan dapat melengkapi program komputer yang ada. Sehingga dibuatlah versi MININEC untuk melengkapi program komputer dalam desain dan analisa antena dimana mesin perhitungannya tertulis dalam FORTRAN untuk menghasilkan kecepatan yang lebih besar dan menghasilkan penggunaan memori secara maksimum untuk mengatur ukuran penyesuaian. Formula yang digunakan menggunakan basis fungsi segitiga untuk menghasilkan keakuratan. Dari tim Rockway-Logan yang telah membuat Mininec Broadcast Professional menjadi desain antena yang lebih diterima dan digunakan sebagai alat analisa sampai saat ini.
3.2.2 Aplikasi yang tersedia
Dalam modeling antena dan analisanya ada beberapa aplikasi dari Mininec Broadcast Professional untuk diketahui dan merupakan penjelasan beberapa problem dari masalah antena yang ada. Jadi penjelasan masalah desain antena terdapat dalam menu problem definition adalah sebagai berikut :
1. Pilihan Deskripsi geometri termasuk :
• Convergence test
• Coordinate selection
• Geometry points
• Geometry points iteration
• Helix/spiral
• Numerical Green's function
• Straight wires
• Symmetry
• Transformations
• Wire arc
• Wire mesh
• Spiral wires
2. Pilihan Deskripsi elektrik termasuk :
• Frequency
• Ground
• Loaded wires
• Lumped loads
• Passive circuits
• Plane wave source
• Transmission lines
• Voltage/current sources 3. Solusi pilihan deskripsi termasuk :
• Near fields
• Radiation Pattern
• Two-port coupling
• Medium wave array synthesis
Integrasi grafik dari MININEC BROADCAST PROFESSIONAL termasuk :
• 3-D geometry displays with rotation, zoom and mouse support. Jadi disini ada gambaran dari desain antena dalam bentuk gambar 3 dimensi yang dapat dilihat dari beberapa sudut melalui proses rotasi, untuk memperbesar desain antena ini bisa menggunakan zoom dan semuanya didukung dengan menggunakan mouse.
• 3-D currents, charges and pattern displays. Besar dari arus dan alirannya pada antena bisa dilihat melalui gambar 3 dimensi, serta aliran arus pada kawat antena juga dapat diketahui pada tiap frekuensi dengan hasil nilai dan dalam bentuk diagram polar.
• Linear, semilog, and log-log plots of currents, coupling, near fields, impedance and admittance. Hasil dari desain antena akan diketahui dari text sebagai evaluasi dan plot untuk melihat gambar dari desain dan bisa dianalisa hasilnya.
• Linear and polar pattern plots, bentuk pola pancarannya juga bisa dilihat melalui gambar polar pattern plots baik dalam dBi or electric fields, power or directive gain.
Sebagai kesimpulan MININEC BROADCAST PROFESSIONAL merupakan penyelesaian untuk :
• Currents and charges on wires (peak or RMS)
• Impedance, admittance, S11 and S12
• Effective height and current moments
• Power and voltage losses
• Multi-port (antenna-to-antenna ) coupling
• Near electric and magnetic fields
• Radiation patterns (dBi or electric fields, power or directive gain)
• Medium wave array design
• Auxiliary calculations of ground wave, stub matching , and tower footing impedance
3.2 METODA MOMEN (METHOD OF MOMENT/MoM)
Dalam Mininec Broadcast Professional, pemecahan masalah arus tergantung pada penyelesaian secara numerik dari perhitungan integral yang diwakili oleh medan listrik. Proses dari penyelesaian ini dimulai dengan beberapa anggapan yang benar dari kawat tipis antena, yaitu : radius kawat adalah sangat kecil dari panjang gelombang dan panjang kawat, kawat harus dibagi menjadi beberapa segmen pendek sehingga akan diketahui problem arus dari tiap segmen, serta kombinasi jarak (spasi) pada tiap kawat antena juga menjadi perhitungan untuk analisa antena yang baik.
Metode momen dapat digunakan untuk aplikasi antena, karena metoda momen bisa secara eksak (benar) mensimulasikan ruang tanpa bidang batas. Metode momen melakukan proses diskretisasi hanya pada parmukaan struktur, dan akhir dari proses ini adalah persamaan matrix yang harus diinversikan. Matrix yang dibentuk oleh metode momen (MoM) berukuran kecil, tetapi adalah matrix yang dense (seluruh atau hampir seluruh elemen matrix ini tidak nol), sedangkan solusi dari MoM berupa arus yang mengalir di atas permukaan struktur, dan melakukan integrasi didapatkan besaran yang berhubungan langsung dengan medan listrik dan magnet. Jadi dalam metoda momen penyelesaiannya meliputi : Perhitungan Integral, Prosedur Numerik,
Ground plane, Beban (loads), Medan dekat (near field), Diagram radiasi dan Real Ground. Metode momen inilah yang digunakan oleh Software Mininec Broadcast Professional dalam mendesain dan menganalisa model antena.
3.2.1 Kelebihan dari Software Mininec Broadcast Professional
Software Mininec Broadcast Professional mempunyai beberapa kelebihan dalam desain dan analisa kawat antena :
1. Dalam desain dan analisa antena menggunakan perhitungan dalam bahasa FORTRAN sehingga menghasilkan kecepatan yang lebih besar dan menghasilkan penggunaan memori secara maksimum.
2. Dapat diketahui beberapa problem antena seperti penentuan besarnya arus pada kawat antena dengan pembagiannya pada tiap-tiap segmen, impedansi dan diagram radiasi dari antena dapat diketahui dengan jelas.
3. Desain dalam software (perangkat lunak) Mininec Broadcast Professional akan dihasilkan data yang dapat dijadikan sebagai bahan perbandingan dalam pengukuran secara real.
3.2.2 Batasan dari Software Mininec Broadcast Professional
Software Mininec Broadcast Professional mempunyai batasan-batasan dalam desain dan analisa kawat antena :
1. Dalam desain antena yang melebihi standart yang telah ditentukan dalam software ini (misal: pada frekuensinya) menyebabkan pesan warning (warna kuning) dan bahkan error (warna ungu) dapat dilihat melalui gambar 3D.
2. Untuk waktu kecepatan menghitung dalam Software Mininec Broadcast Professional yang merupakan implementasi dari Fortran mempunyai batasan pada jumlah segmennya yaitu :
Jumlah segmen Kecepatan menghitung 500
1000 1500 2000
18 Detik 142 Detik 473 Detik 1558 Detik
3.3 ANALISA DAN DESAIN ANTENA
Dalam membuat antena secara nyata dengan metoda coba-coba, tentunya sangat memusingkan dan banyak menyita waktu. Oleh sebab itulah, Penulis akan mencoba bagaimana cara mendesain antena dengan memanfaatkan software (perangkat lunak) Mininec Broadcast Professional sehingga akan dihasilkan data untuk dijadikan perbandingan dalam pengukuran secara real. Dengan menggunakan program ini, penulis telah dibantu untuk merancang antena seperti antena dipol kembar, antena yagi dan antena log periodic. Uraian lebih jelasnya akan dibahas sebagai berikut :
3.3.1 ANTENA DIPOL KEMBAR
Antena dipol adalah jenis antena yang paling banyak digunakan dalam aplikasi komunikasi tanpa kabel. Aplikasi pada penerima broadcast, yang pada
Tabel 3.1 Kecepatan Menghitung Software MBPRO
penggunaannya tak mementingkan di arah sudut mana penerima terletak, maka antena jenis ini akan diprioritaskan. Keuntungan lain dari jenis antena ini adalah mudah untuk dipoduksi, murah dan mudah dalam merancangnya. Dalam eksperimen ini penulis akan mendesain antena dipol kembar dan menganalisa dengan melakukan perhitungan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional. Penulis akan mengkombinasikan jarak antar antena dipol sehingga akan diketahui dan dapat ditarik kesimpulan untuk mendapatkan hasil dari performansi antena dipol kembar ini, lebih jelasnya dari antena dipol kembar digambarkan sebagai berikut :
Gambar 3.1 terdiri dua kawat antena dipol sehingga dinamakan antena dipol kembar, dimana setiap kawat dibagi kedalam segmen-segmen untuk dianalisa. Sebagai contoh tiap dipol mempunyai enam segmen seperti yang ditunjukkan gambar diatas. Ada sepuluh titik arus (current nodes) pada parallel dipol gambar diatas, kawat pertama diberikan tegangan listrik di tengahnya tepatnya pada titik arus (current nodes) ketiga
Gambar 3.1 Desain Antena Dipol Kembar x
y z
1 2
segmen feeding
d
dan sebagai sumber arus, jadi pengaruh apa saja yang terjadi untuk mendapatkan performansi antena yang baik adalah dengan mengamati kombinasi jarak antena dipol kembar tersebut, lebih jelasnya sebagai berikut :
ANTENA DIPOL KEMBAR
Panjang (cm) Jarak/Spasi Tiap Kawat (cm) 50
50 30 30
10 20 10 20
Antena dipol kembar pada Gambar 3.1 diatas, diuji pada range frekuensi 200- 300MHz. Untuk mengetahui analisa dari desain antena dipol kembar ini maka dihitung dengan menggunakan komputer yaitu penggunaan Software Mininec Broadcast Professional. Proses perhitungan berikut ini adalah eksperimen antena dipol kembar dengan panjang l=50cm dan jaraknya d=20cm :
1. Menentukan titik geometri dalam koordinat kartesian pada tiap kawat antena dipol. Panjang l=50cm=0.5m dan jaraknya d=20cm=0.2m, untuk ½λ l=0.25m dan ½λ d=0.1m. Jadi pada antena dipol kembar untuk kawat 1 berada pada posisi (0,-0.1,-0.25) dan (0,-0.1,0.25) sedangkan untuk kawat 2 berada pada posisi (0,0.1,-0.25) dan (0,0.1,0.25) pada titik geometri dalam satuan meter di udara bebas (free space). Untuk lebih jelasnya perhatikan pengisiannya dalam kotak dialog gambar 3.2 berikut ini :
Tabel 3.2 Eksperimen Antena Dipol Kembar
¾ OK – menerima semua input pengguna dan menutup kotak dialog.
¾ Apply – menerima seluruh input pengguna, tetapi tidak menutup kotak dialog.
¾ Reset – mengabaikan seluruh input pengguna sejak kotak dialog menghilang atau sejak pengguna terakhir menekan tombol Apply, tetapi tidak menutup kotak dialog.
¾ Cancel – mengabaikan seluruh input pengguna sejak kotak dialog hilang atau sejak pengguna menekan tombol Apply, tetapi menutup kotak dialog.
2. Menentukan radius dan segmen tiap kawat antena dengan mengisi pada kotak dialog straight wires. Radius antena dipol kembar ini 1mm, ada 6 segmen pada tiap kawat antena, seperti terlihat dalam kotak dialog gambar berikut ini :
Gambar 3.2 Kotak Dialog Geometry Points
Gambar 3.3 Kotak Dialog Straight Wires
3. Menentukan besarnya frekuensi antena dipol kembar, sebagai contoh dalam eksperimen ini antena dipol kembar diuji pada range frekuensi antara 200-300 MHz. Masukkan nilai seperti terlihat dalam gambar 3.4. Penjelasan dari kotak dialognya adalah untuk initial frekuensi tentukan batas frekuensi awal (fx) yang akan dicari yaitu 200, increment/factor (i) adalah 1 kali dan jumlah frekuensi (n) adalah 101. Untuk mencari batas frekuensi akhir (fz) adalah ((i.n)+(fx))-1= ((1.101)+200) -1 MHz = 301-1 = 300 MHz. Range frekuensi ini dicari untuk menganalisa performansi antena dipol kembar ini bekerja dengan baik pada frekuensi range-nya.
4. Menentukan Current/voltage Source untuk mengetahui letak posisi feeding ada posisi mana. Pada posisi feeding diberikan tegangan sehingga mengalir arus diposisi ini yang nilainya dapat diketahui dari hasil simulasi. Dalam hal ini feeding berada pada posisi titik ketiga.
Gambar 3.4 Kotak Dialog Frekuensi
Gambar 3.5 Kotak Dialog Voltage/Current
5. Untuk melihat diagram radiasi/pola pancaran antena dipol ini, maka nilai-nilai ini akan dimasukkan seperti gambar 3.6. Untuk melihat pola pancaran vertikal adalah pada titik nadir (Zenith) dalam derajat dan pola pancaran horisontal adalah pada sudut azimuth.
6. Setelah mendesain antena dipol kembar pada problem definition, maka bisa dilihat dari hasil pada proses desain secara keseluruhan dengan menjalankan menu diagnostics pada software MBPRO ini baik itu current nodes, desain 3D dan definition summary. Berikut ini current nodes dan definition summary pada desain antena dipol kembar diatas :
Gambar 3.6 Kotak Dialog Radiation Pattern
CURRENT NODES
coordinates (meters) connections node wire X Y Z end1 end2 no.
1 0 -.1 -.1666667 END 1 1 1 0 -.1 -.08333333 1 1 2 1 0 -.1 0 1 1 3 1 0 -.1 .08333334 1 1 4 1 0 -.1 .1666667 1 END 5 2 0 .1 -.1666667 END 2 6 2 0 .1 -.08333333 2 2 7 2 0 .1 0 2 2 8 2 0 .1 .08333334 2 2 9 2 0 .1 .1666667 2 END 10
Tabel 3.3 Current Nodes Antena Dipol Kembar
7. Untuk melakukan perhitungan pada software MBPRO, klik menu Run dan klik run option kemudian ceklist untuk parameter yang dihitung, misal arus (currents) dan radiation pattern, kemudian klik Ok. Lebih jelasnya perhatikan gambar berikut ini :
GEOMETRY
Dimensions in meters Environment: FREE SPACE
wire caps X Y Z radius segs 1 none 0 -.1 -.25 .001 6 0 -.1 .25
2 none 0 .1 -.25 .001 6 0 .1 .25
Number of wires = 2 current nodes = 10
minimum maximum Individual wires wire value wire value segment length 1 .08333334 1 .08333334 segment/radius ratio 1 83.33333 1 83.33333 radius 1 .001 1 .001
ELECTRICAL DESCRIPTION Frequencies (MHz)
frequency no. of segment length (wavelengths) no. lowest step steps minimum maximum
1 200. 1. 101 .08338893 .05559262 Sources
source node sector magnitude phase type 1 3 1 1. 0 voltage
Tabel 3.4 Geometry Antena Dipol Kembar
Gambar 3.7 Kotak Dialog Run
8. Proses desain dan perhitungan telah dilakukan, untuk melihat hasil simulasi bisa menggunakan menu output display dengan mengklik display option dan akan dibahas lebih lanjut pada Bab IV.
3.3.2 ANTENA YAGI
Antena Yagi mudah dibuat dan sangat populer dikalangan amatir radio.
Keuntungan Antena Yagi mudah didesain dengan harga murah, mempunyai kemampuan gain yang tinggi dan mudah dalam pembuatannya. Antena yagi terdiri dari dipol yang disusun dengan beberapa jenis elemen parasitis. Pada umumnya batang reflektor akan lebih panjang 5% daripada batang eksitasi (driven element) dan batang direktor akan lebih pendek 5% dari batang eksitasi (driven element).
Untuk jarak tiap batang kawat dan penambahan kawat direktor antena akan ditentukan dan disimpulkan untuk melihat performansi antena yagi. Penentuan titik geometrinya adalah pada arah sumbu Y untuk menentukan jarak tiap kawat antena, pada arah sumbu Z untuk menentukan panjang dari kawat antena yang dihitung setengah panjang gelombang (½λ).
Dalam desain antena yagi ini penulis mencoba membuat rancangan antena yagi dengan 6 elemen. Apabila hasil dari jenis antena yagi 6 elemen ini tidak menghasilkan performansi yang baik, maka akan ditambahkan beberapa direktor untuk tujuan yang diinginkan dan pancaran yang baik. Jadi pengaruh apa saja yang terjadi untuk mendapatkan performansi antena yagi yang baik adalah dengan menambahkan beberapa elemen direktor sehingga akan didapatkan gain yang tinggi dan SWR mendekati 1, lebih jelasnya diberikan gambaran desain antena yagi sebagai berikut :
Desain awal dari antena yagi digambarkan sebagai berikut :
Gambar antena yagi diatas terdiri dari beberapa elemen, pada kawat paling kiri adalah sebagai batang reflektor, kemudian batang eksitasi (driven element) dan beberapa batang direktor. Dimana setiap kawat dibagi kedalam segmen-segmen untuk dianalisa juga. Sebagai contoh tiap batang kawat diatas mempunyai empat belas segmen seperti yang ditunjukkan gambar diatas. Ada tiga belas titik arus (current nodes) pada tiap batang kawat antena yagi gambar 3.8 , kawat kedua yang sebagai batang eksitasi (driven element) diberikan tegangan listrik di tengahnya yang dinamakan feeding tepatnya pada titik arus (current nodes) keduapuluh dan sebagai sumber arus, arus yang mengalir di sana relatif besar. Antena-antena yang lain (elemen pasif/elemen parasitis) walaupun tidak di-driven, tetapi di sana akibat induksi dari antena driven, mengalir pula arus listrik dengan besar yang relatif lebih kecil dari yang di-driven.
Desain antena yagi yang dimulai dengan 6 elemen dan sebagai pembanding dari hasil analisa adalah dengan ditambahkan beberapa elemen direktor sehingga dari eksperimen ini bisa diambil kesimpulan dengan tujuan mendapatkan performansi antena yang baik dengan SWR mendekati 1, lebih jelasnya perhatikan desain gambar
Gambar 3.8 Desain Yagi
antena yagi 6 elemen dengan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional berikut ini :
Desain antena yagi 6 elemen diatas, diuji pada range frekuensi 250-350MHz. Untuk mengetahui analisa dari desain antena yagi ini maka dihitung dengan menggunakan komputer yaitu penggunaan Software Mininec Broadcast Professional. Dengan ukuran desain yang sama dan sebagai pembanding dari hasil analisa adalah dengan ditambahkan beberapa elemen direktor, sehingga antena yagi menjadi 15 elemen.
Eksperimen ini dilakukan untuk mendapatkan hasil baik dengan SWR mendekati 1 dan untuk mendapatkan gain yang tinggi, sehingga performansi antena akan didapatkan dari hasil analisa percobaan ini yang tentunya sebagai data kita untuk mencoba membuat antena yagi yang sebenarnya sesuai dengan aplikasi dari antena yagi ini. Lebih jelasnya perhatikan desain gambar 3.9 antena yagi 15 elemen dengan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional berikut ini :
feeding
RF
DE
DR1 DR2 DR3 DR4
Gambar 3.9 Desain Antena Yagi 6 elemen
Antena yagi pada Gambar diatas, mempunyai ukuran panjang L=4.2λ. Antena ini diuji pada range frekuensi 250-350MHz. Eksperimen ini juga dilakukan oleh National Bureau of Standards (NBS Design), penulis akan mengamati hasil analisa dari antena yagi ini dengan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional, detail ukurannya adalah Jumlah elemen (element number) N=15; Radius dari tiap elemen a=0.00425; Panjang direktor l1=l2=0.424, l3=0.420, l4=0.407, l5=0.403, l6=0.398, l7=0.394, dan l8 – l13=0.390; Panjang reflektor l14=0.475; Panjang direktor l15=0.466; Jarak antar elemen = 0.308 dan Jarak antara reflektor dan driven elemen = 0.2m. Untuk mengetahui analisa dari desain antena yagi ini maka dihitung dengan menggunakan komputer yaitu penggunaan Software Mininec Broadcast Professional.
Prosesnya adalah sebagai berikut :
1. Menentukan titik geometri dalam koordinat kartesian (x,y,z) pada tiap kawat antena yagi sesuai dengan desain antena yagi pada 6 elemen dan 15 elemen.
Untuk kawat relektor berada pada posisi (0,-0.2,-0.2375) dan (0,-0.2,0.2375), kawat driven elemen berada pada posisi (0,0,-0.233) dan (0,0,0.233), kawat
x
y
feeding
RF
DE
DR1 DR2 DR13
Gambar 3.10 Desain Antena Yagi 15 elemen
direktor1 berada pada posisi (0,0.308,-0.212) dan (0,0.308,0.212), kawat direktor2 berada pada posisi (0,0.616,-0.212) dan (0,0.616,0.212), kawat direktor3 berada pada posisi (0,924,-0.21) dan (0,924,0.21) masukan nilai- nilai tersebut sampai dengan direktor13 pada kotak dialog titik geometri dalam satuan meter di udara bebas (free space). Untuk lebih jelasnya perhatikan tabel berikut ini :
GEOMETRY
Dimensions in meters Environment: FREE SPACE
wire caps X Y Z radius segs 1 1,2 0 -.2 -.2375 .00425 14 0 -.2 .2375
2 1,2 0 0 -.233 .00425 14 0 0 .233
3 1,2 0 .308 -.212 .00425 14 0 .308 .212
4 1,2 0 .616 -.212 .00425 14 0 .616 .212
5 1,2 0 .924 -.21 .00425 14 0 .924 .21
6 1,2 0 1.232 -.2035 .00425 14 0 1.232 .2035
7 1,2 0 1.54 -.2015 .00425 14 0 1.54 .2015
8 1,2 0 1.848 -.199 .00425 14 0 1.848 .199
9 1,2 0 2.156 -.197 .00425 14 0 2.156 .197
10 1,2 0 2.464 -.195 .00425 14 0 2.464 .195
11 1,2 0 2.772 -.195 .00425 14 0 2.772 .195
12 1,2 0 3.08 -.195 .00425 14 0 3.08 .195
13 1,2 0 3.388 -.195 .00425 14 0 3.388 .195
14 1,2 0 3.696 -.195 .00425 14 0 3.696 .195
15 1,2 0 4.004 -.195 .00425 14 0 4.004 .195
Number of wires = 15 current nodes = 195
Tabel 3.5 Geometry Antena dengan 15 Elemen
2. Menentukan radius dan segmen tiap kawat antena dengan mengisi pada kotak dialog straight wires. Radius antena yagi ini 4.25mm, ada 14 segmen pada tiap kawat antena dan lebih jelasnya dapat dilihat pada tabel...
3. Menentukan besarnya frekuensi antena yagi, sebagai contoh dalam hal ini antena yagi diuji pada range frekuensi antara 250-350 MHz. Berikut ini penjelasan dari electrical description :
ELECTRICAL DESCRIPTION Frequencies (MHz)
frequency no. of segment length (wavelengths)
no. lowest step steps minimum maximum 1 250. 1. 101 .03323049 .02879896
4. Menentukan Current/voltage Source untuk mengetahui letak posisi feeding ada di posisi mana. Pada posisi feeding diberikan tegangan sehingga mengalir arus diposisi ini yang nilainya dapat diketahui dari hasil simulasi. Dalam hal ini feeding berada pada posisi titik keduapuluh.
Sources
source node sector magnitude phase type 1 20 1 1. 0 voltage
5. Untuk melihat diagram radiasi/pola pancaran antena yagi ini, maka tentukan arah sudut yang ingin dilihat pada kotak dialog radiation pattern. Untuk melihat pola pancaran vertikal adalah pada titik nadir (Zenith) dalam derajat dan pola pancaran horisontal adalah pada sudut azimuth.
6. Setelah mendesain antena yagi pada problem definition, maka bisa dilihat dari hasil pada proses desain secara keseluruhan dengan menjalankan menu diagnostics pada software MBPRO ini baik itu current nodes, desain 3D dan definition summary.
7. Untuk melakukan perhitungan pada software MBPRO, klik menu Run dan klik run option kemudian ceklist untuk parameter yang dihitung, misal arus (currents) dan radiation pattern, kemudian klik Ok.
8. Proses desain dan perhitungan telah dilakukan, untuk melihat hasil simulasi antena yagi ini, bisa menggunakan menu output display dengan mengklik display option dan akan dibahas lebih lanjut pada Bab IV.
PEMBANDING DESAIN ANTENA YAGI :
Eksperimen ini dilakukan guna mendapatkan perbandingan dari hasil uji dalam desain antena yagi yang baik dengan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional. Desain antena yagi ini telah dilakukan dan dalam hal ini penulis ingin mendapatkan dari hasil ini dengan mencoba dan mendesain antena yagi dalam Software MBPRO. Untuk lebih jelasnya sebagai berikut :
¾ Desain antena yagi 12 elemen dengan menggunakan Software NEC4 diuji pada range frekuensi 100-200 MHz. Geometri antena yagi 12 elemen tersebut adalah sesuai dengan gambar berikut ini :
Gambar 3.11 Geometri Antena Yagi 12 elemen dengan Software NEC4
Seperti proses desain dan perhitungan dalam Software MBPRO yang telah dilakukan sebelumnya, penulis akan menentukan titik geometri, straight wires, voltage/current source, frekuensi dan radiation pattern, untuk lebih jelasnya desain antena yagi 12 elemen adalah dengan melihat difinition summary sebagai berikut :
GEOMETRY
Dimensions in meters Environment: FREE SPACE
wire caps X Y Z radius segs 1 1,2 -.5194 0 0 .00238 21 .5194 0 0
2 1,2 -.5016 .22331 0 .00238 21 .50165 .22331 0
3 1,2 -.4699 .34215 0 .00238 21 .46991 .34215 0
4 1,2 -.4613 .64461 0 .00238 21 .46136 .64461 0
5 1,2 -.4622 1.03434 0 .00238 21 .46224 1.03434 0
6 1,2 -.4598 1.55909 0 .00238 21 .45989 1.55909 0
7 1,2 -.447 2.19682 0 .00238 21 .44704 2.19682 0
8 1,2 -.4356 2.9464 0 .00238 21 .43561 2.9464 0
9 1,2 -.4267 3.72364 0 .00238 21 .42672 3.7264 0
10 1,2 -.4178 4.53136 0 .00238 21 .41783 4.53136 0
11 1,2 -.4089 5.334 0 .00238 21 .40894 5.334 0
12 1,2 -.3962 6.0452 0 .00238 21 .39624 6.0452 0
Number of wires = 12 current nodes = 240
minimum maximum Individual wires wire value wire value segment length 12 .03796191 1 .04969334 segment/radius ratio 12 15.95038 1 20.87955 radius 1 .00238 1 .00238 ELECTRICAL DESCRIPTION
Frequencies (MHz)
frequency no. of segment length (wavelengths)
no. lowest step steps minimum maximum 1 100. 1. 101 .02532482 .0165755 Sources
source node sector magnitude phase type 1 31 1 1. 0 voltage
Tabel 3.6 Geometry Antena Yagi dengan 12 Elemen
