Modul #08
TE 3423
TE 3423
TE 3423
TE 3423
ANTENA DAN PROPAGASI
ANTENA DAN PROPAGASI
Propagasi Gelombang EM:
Gelombang Ruang
dan
Gelombang Ruang
dan
Gelombang Ruang Bebas
Program Studi S1 Teknik Telekomunikasi Jurusan Teknik Elektro - Sekolah Tinggi Teknologi Telkomgg g Bandung – 2007
Organisasi
Modul 8 Gelombang Ruang dan
Gelombang Ruang Bebas
g
g
• A. Pendahuluan
page 3
B H b
Li
Of Si ht
5
• B. Hubungan Line Of Sight
page 5
• C. Gelombang Ruang Bebas
page 20
D De ices
page 23
A. Pendahuluan
k d f k d 30 d l h k k
Komunikasi pada frekuensi di atas 30 MHz umumnya adalah komunikasi gelombang ruang ( Line Of Sight dan Wireless ) dan gelombang ruang bebas ( Space Communication )
Radio Communication
R di i lli
3 kHz 300 GHz
Radio, microwave, satellite
VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
3 kHz 30 kHz 300 kHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz Tropospheric
Surface Ionospheric Space & Line
A. Pendahuluan
Gelombang Ruang
Asumsi :
Terdapat gelombang
Komunikasi Line Of Sight
¿ Rugi lintasan umumnya dianggap free space
Komunikasi
p g g
langsung dan
gelombang pantul Komunikasi Jarak Dekat (mis. Mobile Communication)
gg p p
Komunikasi
di atas 30
MHz
( )
¿ Rugi lintasan orde β
¿ Plane Earth Propagation
Model
Gelombang Ruang Bebas
g
g
Asumsi :
Hanya terdapat gelombang langsung saja ¿ Rugi lintasan free space
B. Hubungan Line Of Sight
Overview
Hubungan Line Of Sight biasa digunakan untuk broadband connectivity
communication , dengan frekuensi pembawa umumnya diatas 1 GHz.
Informasi yang dibawa bisa jadi adalah satu atau campuran dari informasi
Overview
Informasi yang dibawa bisa jadi adalah satu atau campuran dari informasi
sbb :
• Kanal telepon • Informasi data
• Telegraph dan telex • Telegraph dan telex • Facsimile
• Video
• Program channel l
• Telemetry
Modulasi yang digunakan dalam komunikasi LOS bisa modulasi analog
(FM) ataupun dengan memakai modulasi digital (pelajari syarat2-nya)
Jarak Komunikasi
Link Line Of Sight, atau sering juga disebut hop, umumnya memiliki
panjang 10 100 km
4 Step Proses Desain
B. Hubungan Line Of Sight
4 Step Proses Desain
1. Perencanaan awal dan pemilihan lokasi menara
Meliputi perencanaan modulasi, beberapa syarat sistem komunikasi (digital / analog), besar informasi yang hendak dikirimkan, jenis service ( syarat QoS ) ,
2. Menggambar profil lintasan
g) y g j ( y )
dsb. Perencana juga harus mengetahui apakah komunikasi yang dilakukan adalah independen atau merupakan bagian dari network yang lebih besar
gg
p
3. Analisis lintasan
Yang diperhatikan : profile bumi sepanjang lintasan, path clearance, refleksi bumi.
3. Analisis lintasan
4. Survey lokasi
Daya pancar yang diperlukan, metoda-metoda perbaikan
Detail lokasi site (lintang dan bujur) lokasi antena ketersediaan catu daya Detail lokasi site (lintang dan bujur), lokasi antena, ketersediaan catu daya, data cuaca lokasi, survei EMI (Electromagnetic Interference), dan berbagai faktor pembatas lokasi lainnya.
Detail dari perencanaan komunikasi LOS diberikan dikuliah Perencanaan Radio p
Terestrial. Kuliah Antena dan Propagasi terutama membahas tentang point 2 dan 3 di atas
Tipikal Kanal Propagasi
B. Hubungan Line Of Sight
Tipikal Kanal Propagasi
• Umumnya diasumsikan terdapat
gelombang langsung dan
gelombang pantul
Fading Margin
Reliability
10 dB
90%
gelombang pantul
• Terdapat fading cepat ( short
term fading / rayleigh ), dan
fading lambat ( lons term fading
10 dB
20 dB
30 dB
40 dB
90%
99%
99,9%
99 99%
fading lambat ( lons term fading
/ lognormal )
40 dB
99,99%
¿ Pelajari kembali dari modul 1, berbagai teknik mengatasi fading ( fading margin diversitas dsb )
• Redaman hujan kadang
dipertimbangkan dan kadang
id k
fading ( fading margin, diversitas, dsb )
p
g
g
tidak
• Teknik perbaikan :
¿ Fading Marginad g a g ¿ Diversitas
B. Hubungan Line Of Sight
Rumus Barnett-Vignant
untuk menghitung fading margin microwave link stasioner (LOS terrestrial) …Daerah Fresnell
B. Hubungan Line Of Sight
Daerah Fresnell
• Teori difraksi Fresnell-Kirchoff dikembangkan mula-mula untuk menjelaskan difraksi cahaya yang melalui suatu celah
• Teori ini berdasarkan prinsip Huygens yang menyatakan bahwa tiap titik yang p p yg y g y p y g dilalui gelombang dapat dianggap sebagai sumber titik gelombang, sehingga
gelombang yang dipancarkan dapat dianggap sebagai superposisi gelombang dari sumber-sumber titik tersebut
Lih t b b ik t
• Lihat gambar berikut :
Rn ln l1 d d Tx Rx dinding d1 d2 d
Bidang lingkaran yang dibatasi R1
R1
R O
g g y g 1
¿ Daerah Fresnell I
Bidang lingkaran yang dibatasi R2 ¿ Daerah Fresnell II
R2
B. Hubungan Line Of Sight
Rn
ln l1
d1 d2
Tx Rx Jari-jari Fresnell diperoleh darikonsep perbedaan fasa antara
gelombang pantul dan gelombang
dinding d langsung, 2 1 t
E
E
E
=
+
( ) j jφ φ φ R1 R2 O ( 1 R) 1 j xo j xo tE
e
R
E
e
E
=
φ+
φ +φ Karena,Jarak Tx-Rx >> tinggi menara,
maka biasa dianggap REV = REH = 1 , dan φR = π ( Lihat modul 1 ! )
(
l
1+
l
n) (
−
d
1+
d
2)
=
n
λ
(
) (
)
2
2 1 n 1 Untuk d1 >> 10 d2, maka : l1 ≈ d1 Sehingga,d
l
λ
2
n
d
l
n−
2=
• Jari jari Fresnell
dapat dihitung sbb :B. Hubungan Line Of Sight
• Jari-jari Fresnell
dapat dihitung sbb :2 2 2 n 2 n
d
2
n
l
2
n
d
l
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
λ
+
=
⇒
λ
=
−
⎠
⎝
2 2 2 2 2 n 2 2 2 n 2 nd
d
2
n
R
d
l
R
⎟
−
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
λ
+
=
⇒
−
=
2⎞
⎛ λ
2 2 nn
d
2
n
R
⎟
−
λ
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ λ
=
Karena nλ << d , maka :Agustien Jean Fresnel
2
n
n
d
R
=
λ
Rn akan berubah kontinyu terhadap perubahan d1 dan d2Untuk kasus yang lebih umum, d1 ≈ d2
d
d
n
R
=
λ
1 2R
nn
d
λ
=
d
R
n=
max untuk d 1 = d24
n• Rumus Praktis Jari Jari Fresnell I
B. Hubungan Line Of Sight
• Rumus Praktis Jari_Jari Fresnell I
2 1 I
d
d
3
.
17
R
=
R1 jari-jari fresnell ( dalam meter )
d1 , d2, dan d jarak ( dalam kilometer ) GHz I
f
.
d
3
.
17
R
1 2 j ( ) f frekuensi ( dalam GHz )d
d
R j i j i f ll ( d l f t ) GHz 2 1 If
.
d
d
d
1
.
72
R
=
R1 jari-jari fresnell ( dalam feet )
d1 , d2, dan d jarak ( dalam statute mile ) f frekuensi ( dalam GHz )
• Arti Fisis Jari-Jari Fresnell
B. Hubungan Line Of Sight
Arti Fisis Jari Jari Fresnell
a. Medan yang diterima dari daerah Fresnell ganjil adalah sefasa, demikian juga yang berasal dari daerah Fresnell genap. Tetapi antar keduanya berlawanan fasa b Jik d b h l d l t k b hi dil b i b d h
b. Jika ada sebuah layar dengan luas tak berhingga, dilubangi sebesar daerah
Fresnell I, maka penerimaan kuat medan di penerima adalah 2 kali penerimaan kuat medan tanpa layar
Jik l b di b l i l d h F ll II k i k t c. Jika lubang diperbesar lagi seluas daerah Frenell II, maka penerimaan kuat
medan di penerima adalah = 0
d. Pembesaran lubang dilanjutkan, maka diperoleh penerimaan kurang dari 2 k li il i 1 k li ti t l
kali….mengecil….sampai 1 kali seperti tanpa layar
e. Pada lubang dengan jari-jari = 0,6 jari-jari fresnell I, maka kuat medan penerimaan sama dengan kuat medan penerimaan jika tanpa layar
f. Didefinisikan Clearance Factor :
C
clearance
C
=
=
I RIR
radius
fresnell
first
C
=
=
• Rugi Lintasan
B. Hubungan Line Of Sight
• Rugi Lintasan
a. Hubungan LOS banyak diaplikasikan untuk VHF/UHF serta terutama
gelombang mikro, keadaan perambatan rata-rata dianggap sebagai gelombang llangsung
b. Redaman lintasan (pathloss) dianggap seolah adalah redaman ruang bebas (free space loss) , jika clearance factor = 0,6
) km ( ) MHz ( fs
(
dB
)
32
,
5
20
log
f
20
log
d
L
=
+
+
d
log
20
f
log
20
45
92
)
dB
(
L
fs(
dB
)
=
92
,
45
+
20
log
f
(GHz)+
20
log
d
(km)L
=
+
+
) mi ( ) MHz ( fs(
dB
)
36
,
5
20
log
f
20
log
d
L
=
+
+
c. Path loss akan berubah dari harga free space pathloss jika clearance factor ≠ 0,6 d. Clearance Factor = 0,6 sangat disukai dalam desain , karena Lp = Lfs untuk
jenis medium pemantul apapun jenis medium pemantul apapun
• Perubahan Harga Pathloss
B. Hubungan Line Of Sight
+ 10
Obstruction zone Interference zone
Fresnell zone numbers
1 2 3 4 5 6
B
)
Perubahan Harga Pathloss
10 0 Flat Earth R = -1 0 Knif e Edg e Diffr actio n
p
ace ( d
B
- 20 - 10 Line Of Sight R = 0 R = 0.3 Diff ract ionFree S
p
- 30 R= 1.0 S moo th S pher e DFrom
0 0.5 1.0 1.5 - 0.5 - 1 - 40 R R = Koefisien RefleksiClearance Factor
2.0 2.5Sumber :
Clearance Factor
• Profil Bumi
B. Hubungan Line Of Sight
Silakan dilihat Modul 1, mengenai profile chart !
900 m K = 4/3 700 m 800 m 900 m xB yB h 400 m 500 m 600 m Jari-Jari Fresnell hr 200 m 400 m 300 m obstacle ht 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 100 m obstacle d1 d2
Digambar, verifikasikan daerah fresnel-nya, dan rekomendasikan ketinggian antena yang diperlukan !
• Peranan Antena
B. Hubungan Line Of Sight
Peranan Antena
Gelombang ruang terdiri 2 komponen, yaitu gelombang langsung dan gelombang pantul , yang komposisinya selain tergantung pada koefisien refleksi, juga
tergantung pada diagram arah antenag g p g
θ
θ
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
• Pada antena dengan gain besar dan jarak Tx-Rx kecil
ϕ besar sehingga GEM langsung cukup besar dibandingkan GEM pantul ϕ besar, sehingga GEM langsung cukup besar dibandingkan GEM pantul (pengaruh gelombang pantul cukup kecil )
• Pada jarak yang jauh,
ϕ Æ 0 besar perbandingan gelombang langsung terhadap gelombang ϕ Æ 0 besar, perbandingan gelombang langsung terhadap gelombang pantul mendekati 1
B. Hubungan Line Of Sight
• Contoh :
GA = 40 dB ⇒ beamwidth : o 4 1 1 2,1 10 4π ≈ = φ = θ 10 hA = 100 m ; d = 60 km ⇒ sudut 1 4 0,2o 10 . 3 100 tan ⎟ ≈ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ≈ ϕ −Sehingga perbandingan antara GEM langsung dan GEM pantul gg p g g g p mendekati 1 !!
• Untuk ϕ << , dan
≈
jπe
.
1
R
d
h
h
2
sin
E
2
E
tot 1 t rλ
π
=
Lihat penurunannya, analisis geometri pada Diktat P Heroe hal VII-25Pola pancar dari antena juga menjadi dasar bagi perhitungan
Pola pancar dari antena juga menjadi dasar bagi perhitungan
interferensi. Diskusikan !!
• Rugi Lintasan Orde β
B. Hubungan Line Of Sight
g
β
• Secara umum, penerima tidak hanya menerima gelombang langsung dan
gelombang pantul, tetapi juga gelombang pantulan dari obyek-obyek yang lain.
• Pada jarak yang semakin dekat, tidak tepat lagi pemodelan satu lintasan gelombang
l hi d i h d d ki i d dik b k
langsung, sehingga rumus daya terima terhadap daya kirim dapat dikembangkan sbb : ( ) 2 n j2 d d
cos
e
)
(
R
cos
P
P
∑
λ i− 0 πφ
φ
λ
+
φ
λ
=
1 i i i i i 0 0 Tx RxR
(
)
e
cos
d
4
cos
d
4
P
P
∑
=φ
φ
π
+
φ
π
=
Dengan :cos φ = PLF masing masing lintasan cos φ PLF masing masing lintasan n = jumlah lintasan pantul
Ri(φI) = koefisien refleksi masing-masing pemantul
• Tetapi pengembangan model Friis tersebut diatas sulit diaplikasikan karena jumlahTetapi pengembangan model Friis tersebut diatas sulit diaplikasikan karena jumlah lintasan yang sangat banyak , sehingga mendorong pemodelan yang lebih
sederhana sbb :
β
= d
P
Tx= d
d = jarak Tx ke RxP
β = orde rugi lintasanRugi Lintasan Orde
β
B. Hubungan Line Of Sight
g
β
• Untuk aplikasi Sistem Komunikasi Bergerak umumnya :
5
1
<
β
<
5
tergantung dari tipikal daerah yang ditinjau : urban, suburban atau rural1
<
β
<
suburban, atau rural• Untuk aplikasi Sistem Line Of Sight
, dengan asumsi bahwa gelombangpantul sangat signifikan ( terdapat 1 gelombang langsung dan satu gelombang t l ) k pantul ), maka :
4
=
β
sehingga 4 Txd
P
P
=
Pelajari penurunannya di diktat PRx
P
Heroe hal VII-29j p y• Harga β = 4 tersebut di atas sering juga digunakan sebagai model
i i
d
i
k
ik i b
k
i
di b
b
i
teoritis pada sistem komunikasi bergerak, sering disebut sebagai
C. Gelombang Ruang Bebas
Overview
Gelombang ruang bebas (space wave)
atau disebut juga sebagai gelombang
langsung (direct wave) dipakai pada
Overview
Band Name Frequency
L band S band
1 - 2 GHz 2 - 4 GHz
g
g (
)
p
p
komunikasi antara stasiun bumi dengan
satelit, atau komunikasi antar satelit itu
sendiri. Seperti juga komunikasi Line Of
Si ht
k
ik i
t lit
b
C band X band Ku band K band 4 – 8 GHz 8 – 12 GHz 12 – 18 GHz 18 – 27 GHzSight,
komunikasi
satelit
membawa
beragam informasi, suara ataupun data.
Jarak Komunikasi
Ka band 27 – 40 GHz
Jarak Komunikasi
Tipikal Kanal
C. Gelombang Ruang Bebas
Tipikal Kanal
• Fading sangat kecil karena hampir tidak ada pantulan, kecuali
karena hujan dan awan yang menyebabkan resonansi bagi
j
y
g
y
g
frekuensi tertentu ⇒ Fading margin tidak perlu
• Redaman akibat cuaca dan hujan biasanya dipertimbangkan
dalam perencanaan
⇒ Disebut Margin Hujan
dalam perencanaan ⇒ Disebut Margin Hujan
• Karena fading kecil, maka ketelitian 0,1 dB sering
diperhitungkan untuk redaman sekitar 100 dB, terutama pada 4
GHz dimana deraunya rendah
GHz dimana deraunya rendah
Perbaikan Sistem dan Device
• Peralatan PA, HPA, dan LNA sangat peka dan mahal
• Sistem deteksi rumit, TED (Threshold Extension Devices),
d
i
i
l
t k iti d l
h l l
l d
d
3 Tipe Karakteristik
Peralatan Komunikasi Ruang Angkasa
C. Gelombang Ruang Bebas
3 Tipe Karakteristik
Peralatan Komunikasi Ruang Angkasa
I. Di planet bumi
• Derau besar karena temperatur tinggi (man made noise) • Derau besar karena temperatur tinggi (man made noise)
• Daya besar pancar mudah dibuat, frekuensi uplink umumnya lebih besar dari frekuensi downlink
• Gain antena besar struktur besar pengarahan harus teliti sistem kontrol
II. Di satelit
• Gain antena besar, struktur besar, pengarahan harus teliti sistem kontrol
• Derau kecil
• Daya pembangkit mahal, daya terbatas untuk ukuran kecil • Gain antena besar, mahal, masalah stabilisasi, dan
pengarahan antena cukup sulit
III. Antar kendaraan ruang angkasa
• Reliability paling penting
• Sederhana segala frekuensi dapat dipakai termasuk cahaya • Sederhana , segala frekuensi dapat dipakai termasuk cahaya
D. Devices
Stasiun bumi
Antena di dalam radome untuk Antena di dalam radome untuk hubungan LOS