ANALISIS PENGARUH FREKUENSI TERHADAP REDAMAN
PADA KABEL KOAKSIAL
Suryanto, Ali Hanafiah Rambe
Konsentrasi Teknik Telekomunikasi, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA
e-mail:surya_elektro@yahoo.com
Abstrak
Kabel koaksial merupakan salah satu jenis saluran transmisi yang secara praktis mempunyai bidang aplikasi yang luas. Dari struktur penampang kabel, terdapat tiga komponen utama: penghantar dalam, penghantar luar dan dielektrik pengisolir kedua penghantar tersebut. Terdapat dua macam redaman pada kabel koaksial yaitu redaman
konduktor dan redaman dielektrik. Dalam paper ini dibahas mengenai analisis pengaruh frekuensi terhadap
redaman pada kabel koaksial dengan melakukan perhitungan, didapatkan bahwa semakin tinggi frekuensi yang diberikan pada kabel koaksial maka redaman pada konduktor dan dielektrik akan semakin besar. Seiring kenaikan frekuensi, besar redaman konduktor yang dipengaruhi oleh konduktivitas bahan dan diameter konduktor akan bertambah secara kuadratik sedangkan redaman dielektrik yang besarnya bergantung pada jenis dielektrik bertambah secara linier. Pada frekuensi rendah redaman sangat bergantung pada konstruksi kabel atau diameter kabel, namun pada frekuensi tinggi (biasanya di atas 10 GHz) jenis dielektrik mempunyai pengaruh yang besar terhadap redaman.
Kata Kunci: frekuensi, redaman konduktor, redaman dielektrik
1. Pendahuluan
Kabel koaksial adalah tipe saluran transmisi yang dipakai pada aplikasi dari frekuensi rendah hingga frekuensi yang tinggi. Pemakaiannya pada frekuensi tinggi sebagai penghubung sistem dengan jarak yang tidak terlalu besar. Kabel dapat mendukung mode TE (Transverse Electric) dan TM (Transverse
Magnetic). Dalam prakteknya, mode-mode ini
dibuat tidak bisa merambat. Kabel koaksial selalu dioperasikan dalam ragam tidak seimbang. Penghantar luar membentuk suatu perisai yang membatasi gelombang pada ruangan di antara penghatar-penghantar, sehingga radiasi dari saluran dapat diabaikan.
Kabel koaksial terdiri dari dua konduktor yang dipisahkan oleh material dielektrik. Konduktor pusat yang membawa energi ke beban dikelilingi oleh konduktor luar yang membawa energi kembali ke sumber. Konduktor dalam dapat berupa padatan atau helaian kawat, atau pada kasus tertentu berbentuk pipa. Penggunaan kawat padat memberikan redaman yang rendah pada kabel. Sedangkan yang terbuat dari helaian kawat
digunakan untuk kabel yang fleksibel. Konduktor terbuat dari bahan tembaga atau material sejenisnya. Bagian dielektrik umumnya menggunakan Polyethylene. Untuk aplikasi frekuensi tinggi biasanya digunakan bahan Teflon atau udara.
Konduktor luar terbuat dari struktur kawat yang terjalin (braid) tapi terkadang dapat terbuat dari pipa padat. Kawat terjalin dibuat karena dapat mendukung konstruksi kabel menjadi fleksibel dan pada waktu yang sama memberikan tingkat perlindungan yang tinggi. Sedangkan bentuk pipa padat dibuat dengan tujuan memberikan perlindungan yang tinggi dan memberikan redaman yang lebih kecil [1]. Konstruksi kabel ditunjukan pada Gambar 1.
▸ Baca selengkapnya: jumlah kabel bagian dari kabel utp? *
(2)2. Parameter Kabel Koaksial
Dari struktur penampang kabel koaksial, didapati tiga komponen utama yaitu penghantar dalam, penghantar luar dan dielektrika pengisolir kedua penghantar tersebut. Gambar penampang kabel koaksial diperlihatkan pada Gambar 2.
Gambar 2 Struktur penampang kabel koaksial Jika adalah diameter konduktor dalam dengan konduktifitas , dan diameter dalam pada konduktor luar dengan konduktivitas dan permitivitas relatif dari dielektrik dan tan faktor los dari dielektrik. Maka persamaan konstanta primer kabel koaksial adalah [2]: √ ( √ √ ) (1) (2) ⁄ (3) ⁄ (4)
Untuk nilai impedansi karakteristik kabel koaksial dengan mengasumsikan saluran dengan
loss rendah. Persamaannya adalah:
√( ) ⁄ (5)
Pada frekuensi yang sangat tinggi, √ ⁄ maka:
√ √ (6)
3. Redaman Kabel Koaksial
Penyebab pertama redaman adalah resistansi konduktor, dan penyebab kedua adalah penyerapan daya (rugi-rugi) oleh bahan dielektrik yang digunakan. Redaman haruslah diupayakan sekecil mungkin agar penyaluran daya menjadi lebih efisien. Jika tidak, akan banyak daya/energi yang terbuang sia-sia menjadi panas di dalam saluran, yang lama-kelamaan justru dapat merusak saluran transmisi itu sendiri.
Redaman pada kabel koaksial disebabkan dari dua sumber yaitu rugi-rugi pada konduktor dan rugi-rugi dielektrik di antara kedua konduktor. Sedangkan rugi-rugi radiasi tidak begitu penting, karena kabel koaksial secara keseluruhan terlindungi (shielded).
Dengan mensubstitusikan parameter-parameter R, L, C dan G ke dalam persamaan umum redaman saluran transmisi dengan rugi-rugi rendah, yaitu:
[ √ √ ] (7)
Sehingga didapatkan persamaan redaman untuk kabel koaksial sebagai berikut [2]:
√ (
√ ) ( √ ) ⁄
(8)
Pada kabel koaksial terdapat dua jenis redaman yaitu redaman pada konduktor dan redaman dielektrik.
3.1 Redaman Pada Konduktor
Redaman akibat resistensi konduktor merupakan fungsi dari luas penampang konduktor itu sendiri. Semakin besar luas penampangnya semakin kecil resistensinya. Karena semakin luas penampang ini, elektron-elektron yang mengalir di dalam konduktor semakin leluasa bergerak. Dengan kata lain hambatan atau resistensinya berkurang.
Untuk sinyal dengan frekuensi yang sangat tinggi, elektron-elektron tersebut cenderung mengalir di permukaan konduktor saja. Fenomena ini dikenal dengan skin effect, di mana semakin tinggi frekuesi sinyal semakin tinggi pula resistensi yang diterima, karena luas penampang yang dilaluinya semakin tipis [3]. Dengan merepresentasikan redaman pada konduktor dengan dan redaman pada
dielektrik dengan . Dengan mengganti konstanta dengan dan dengan √ kemudian dengan memasukkan nilai dari
dan didapatkan:
√ (
√ √ ) ⁄ (9)
3.2 Redaman Pada Dielektrik
Bila frekuensi bertambah, maka arus cenderung untuk mengalir pada bagian terluar dari penghantar yang berupa lingkaran. Ini berarti pada bagian pusat lingkaran tidak dialiri arus dan dapat dihilangkan. Dengan demikian ruang kosong ini dapat digunakan untuk penghantar kedua yang berisolasi terhadap penghantar luar. Isolasi yang digunakan untuk memisahkan kedua penghantar berupa isolasi padat atau dapat juga berupa pengganjal yang dipasang pada jarak tertentu di mana isolasinya adalah udara.
Isolasi di antara penghantar membentuk suatu kapasitansi yang merupakan lintasan penghantar bagi arus. Lintasan ini akan berfungsi lebih baik bila frekuensi bertambah. Kapasitansi ini juga mempunyai kesanggupan untuk menyimpan energi listrik. Dengan demikian sebagian kecil dari arus yang mengalir melewati penghantar akan terserap di dalam isolasi yang besarnya berbanding lurus dengan frekuensi. Persamaan redaman pada dielektrik adalah [4]:
√ (10)
4. Dimensi Optimal dan Frekuensi Cut-
off Kabel Koaksial
Dari Persamaan 9 terlihat bahwa redaman bergantung pada frekuensi dan dimensi kabel. Dengan sedikit penyederhanaan didapatkan redaman konduktor:
(
√ √ ) ⁄ (11)
Pada kasus khusus di mana , didapatkan:
√ ( ) ⁄ (12)
Misalkan kemudian didapatkan fungsi . Dengan mendiferensialkan dan menyamakan fungsi ini denag nol didapatkan , . Jadi untuk mendapatkan rugi-rugi minimum pada kabel koaksial, harus bernilai 3,59 dari nilai ini impedansi karakteristiknya adalah √ . Dengan memperkecil dimensi kabel, mode tinggi tidak bisa merambat, tapi ini akan mengurangi daya yang bisa dilewatkan kabel. Mode yang memiliki frekuensi cut-off terendah adalah mode yaitu [5]:
√ ; di mana (13)
Dengan tetap bekerja di bawah frekuensi cut-off, mode-mode tinggi yang terbentuk karena adanya diskontinuitas sambungan seperti konektor, percabangan dan lainnya hanya terlokalisasi di sekitar gangguan tersebut.
5. Analisis Pengaruh Frekuensi Terhadap
Redaman Pada Kabel Koaksial
Di sini akan dianalisis dengan melakukan perhitungan besarnya pengaruh frekuensi yang diberikan terhadap redaman pada beberapa jenis konduktor yaitu: tembaga, aluminium, perak, besi dan baja dan untuk beberapa jenis dielektrik yaitu: polyethylene, teflon, polystyrene, stirofoam dan udara. Serta redaman total dari
beberapa tipe kabel koaksial yang umum digunakan di antaranya RG 58, RG 59 , RG 8, RG 11 , RG 178, RG 214, RG 316 dan HJ4-50 pada frekuensi 0,3 GHz, 0,4 GHz, 0,5 GHz, 0,6 GHz, 0,7 GHz, 0,8 GHz, 1 GHz, 2 GHz, 3 GHz, 4 GHz, 5 GHz, 6 GHz, 7 GHz, 8 GHz, 9 GHz, 10 GHz, 15 GHz, dan 20 GHz.
5.1 Analisis Pengaruh Frekuensi Terhadap Redaman Konduktor Kabel Koaksial
Pada analisis ini, akan dihitung besarnya redaman jenis-jenis konduktor pada Tabel 1 dengan mengasumsikan diameter konduktor dalam dan konduktor luar 1 mm dan 4 mm, jenis dielektrik yang digunakan adalah Polyethylene.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 x 1010 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
Redaman Konduktor Terhadap Frekuensi
Frekuensi (GHz) R e d a m a n K o n d u k to r (d B /m ) tembaga baja aluminium perak besi Tabel 1 konduktivitas konduktor
Materi (S/m) Tembaga Baja Aluminium Perak Besi
Dengan menggunakan Persamaan 9 didapatkan redaman tembaga dengan frekuensi 0,3 GHz:
√ (
√
√ ) ⁄
( ) ( )
Dengan cara yang sama nilai redaman kelima jenis konduktor pada frekuensi yang telah ditentukan terdapat di Tabel 2.
Tabel 2 Redaman konduktor kabel koaksial Frek.
(GHz)
Redaman konduktor (dB/m) Tembaga Baja Aluminium Perak Besi
0,3 0,141 0,439 0,174 0,137 0,335 0,4 0,163 0,507 0,201 0,158 0,387 0,5 0,182 0,566 0,224 0,177 0,432 0,6 0,199 0,621 0,246 0,193 0,474 0,7 0,216 0,670 0,266 0,209 0,512 0,8 0,231 0,717 0,284 0,223 0,547 1 0,258 0,801 0,317 0,250 0,612 2 0,364 1,133 0,449 0,353 0,865 3 0,446 1,388 0,550 0,433 1,059 4 0,515 1,603 0,635 0,500 1,223 5 0,576 1,792 0,710 0,559 1,368 6 0,631 1,963 0,778 0,612 1,498 7 0,682 2,120 0,840 0,661 1,618 8 0,729 2,267 0,898 0,707 1,730 9 0,773 2,404 0,953 0,750 1,835 10 0,815 2,534 1,004 0,790 1,934 15 0,998 3,104 1,230 0,968 2,369 20 1,153 3,584 1,420 1,118 2,736
Terlihat bahwa nilai redaman akan bertambah secara kuadratik seiring kenaikan frekuensi. Konduktor dengan nilai konduktivitas lebih besar akan menghasilkan redaman yang lebih kecil. Pada kasus ini perak mempunyai redaman terkecil kemudian diikuti oleh tembaga, aluminium, besi dan baja.
Grafik pengaruh frekuensi terhadap redaman kelima jenis konduktor pada kabel koaksial ditunjukan pada Gambar 3.
Gambar 3 Grafik pengaruh frekuensi terhadap redaman konduktor
5.2 Analisis Pengaruh Frekuensi Terhadap Redaman Dielektrik Kabel Koaksial
Pada analisis ini akan dihitung besarnya redaman dari bahan dielektrik pada Tabel 3. besar redaman ini tergantung dari permitivitas relatif bahan dielektrik dan faktor redamannya. Tabel 3 permitivitas relatif dan faktor loss bahan
dielektrik Materi Polyethylene 2,26 0,0005 Teflon 2,1 0,00015 Polystyrene 2,56 0,003 Stirofoam 1,03 0,0001 Udara 1,0005 0
Dengan menggunakan Persamaan 10 didapatkan redaman bahan Polyethylene, Teflon,
polystyrene, stirofoam, dan udara pada frekuensi
0,3 GHz berturut-turut adalah: √ √ √ √ √
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 x 1010 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Redaman Dielektrik Terhadap Frekuensi
Frekuensi (GHz) R e d a m a n D ie le k tr ik ( d B /m ) polyethylene teflon polystyrene styrofoam udara
Lebih lanjut nilai redaman kelima jenis bahan untuk frekuensi yang telah ditentukan terdapat dalam Tabel 4.
Tabel 4 Redaman dielektrik kabel koaksial
F GHz
Redaman dielektrik (dB/m)
PE Teflon Polystirene Stirofoam Udara 0,3 0,020 0,006 0,131 0,003 0 0,4 0,027 0,008 0,175 0,0037 0 0,5 0,034 0,010 0,218 0,0046 0 0,6 0,041 0,012 0,262 0,0055 0 0,7 0,048 0,014 0,306 0,0065 0 0,8 0,055 0,016 0,349 0,0074 0 1 0,068 0,020 0,437 0,0092 0 2 0,137 0,039 0,874 0,0185 0 3 0,205 0,059 1,310 0,0277 0 4 0,273 0,079 1,747 0,0369 0 5 0,342 0,099 2,184 0,0462 0 6 0,410 0,119 2,621 0,0554 0 7 0,479 0,138 3,058 0,0646 0 8 0,547 0,158 3,494 0,0739 0 9 0,615 0,178 3,931 0,0831 0 10 0,684 0,198 4,368 0,0924 0 15 1,026 0,297 6,552 0,1385 0 20 1,368 0,395 8,736 0,1847 0
Dari Tabel 4 terlihat bahwa semakin tinggi frekuensi, redaman yang terjadi semakin besar, dalam hal ini karena udara merupakan dielektrik sempurna maka redamannya nol. Dapat juga disimpulkan semakin besar kerapatan suatu medium maka redaman akan semakin besar. Dalam analisis ini redaman dielektrik mulai dari yang terkecil adalah udara, stirofoam, Teflon, polyethylene dan polystyrene. Grafik pengaruh frekuensi terhadap redaman kelima jenis dielektrik pada kabel koaksial ditunjukan pada Gambar 4.
Gambar 4 Grafik pengaruh frekuensi terhadap redaman dielektrik
5.3 Analisis Pengaruh Frekuensi Terhadap Redaman Beberapa Tipe Kabel Koaksial
Untuk analisis redaman total digunakan data kabel koaksial dari Tabel 5 dan dengan menggunakan Persamaan 9 dan Persamaan 10 yang digunakan sebelumnya. Karena redaman total adalah jumlah redaman konduktor dengan redaman dielektrik .
Tabel 5 datasheet kabel koaksial yang dianalisis Tipe kabel Diameter (mm) Konduktor dalam Dielektrik Konduktor luar RG 58 0,935 Tembaga 2,95 polyethylene 3,6 Tembaga RG 59 0,58 Baja 3,64 polyethylene 4,5 Tembaga RG 8 2,743 Tembaga 7,3 polyethylene 8,2 Aluminium RG 11 Tembaga 1,2 polyethylene 7,25 Tembaga 8 RG 178 0,3 Perak 0,84 Teflon 1,37 Perak RG 214 2,25 Perak 7,25 polyethylene 8,6 Perak RG 316 Perak 0,51 Teflon 1,52 Perak 2,05
HJ4-50 4,2 Tembaga --- Udara 12,7 Tembaga
Dengan melakukan perhitungan seperti pada redaman konduktor dan dielektrik didapatkan nilai redaman total untuk kedelapan tipe kabel yang digunakan dapat dilihat di Tabel 6.
Tabel 6 Redaman total beberapa tipe kabel koaksial
Frek. (GHz)
Redaman total dalam dB/m
RG 58 RG 59 RG 8 RG 11 RG 178 RG 214 RG 316 HJ4-50 0,3 0,177 0,447 0,094 0,099 0,397 0,096 0,263 0,0298 0,4 0,208 0,520 0,112 0,119 0,460 0,115 0,305 0,0344 0,5 0,236 0,585 0,129 0,136 0,515 0,132 0,342 0,0385 0,6 0,262 0,644 0,145 0,153 0,565 0,148 0,376 0,0422 0,7 0,287 0,699 0,160 0,169 0,612 0,163 0,407 0,0456 0,8 0,310 0,751 0,175 0,184 0,655 0,178 0,436 0,0487 1 0,354 0,847 0,203 0,213 0,734 0,206 0,490 0,0545 2 0,541 1,238 0,327 0,341 1,050 0,332 0,704 0,0770 3 0,700 1,554 0,438 0,455 1,297 0,444 0,874 0,0943 4 0,845 1,832 0,542 0,562 1,509 0,550 1,019 0,1089 5 0,981 2,084 0,642 0,665 1,697 0,651 1,150 0,1218 6 1,110 2,318 0,739 0,764 1,869 0,749 1,270 0,1334 7 1,235 2,540 0,834 0,861 2,029 0,844 1,383 0,1441 8 1,355 2,751 0,927 0,956 2,180 0,938 1,488 0,1541 9 1,473 2,953 1,019 1,049 2,322 1,030 1,589 0,1634 10 1,587 3,147 1,109 1,141 2,458 1,121 1,685 0,1722 15 2,132 4,043 1,546 1,585 3,065 1,561 2,118 0,2110 20 2,646 4,852 1,969 2,014 3,592 1,986 2,498 0,2436
Dari Tabel 6 terlihat kabel HJ4-50 memiliki redaman terkecil karena menggunakan dielektrik udara dan memiliki diameter yang besar. Terlihat juga kabel RG 316 di awal memiliki redaman lebih besar dari kabel RG 58,
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 x 1010 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Redaman Total Terhadap Frekuensi
Frekuensi (GHz) R e d a m a n ( d B /m ) RG 58 RG 59 RG 8 RG 11 RG 178 RG 214 RG 316 HJ4-50
pada namun frekuensi di atas 14 GHz kabel RG 316 memiliki redaman lebih kecil dari kabel RG 58. Hal ini disebabkan pada frekuensi rendah diameter dari kabel yang sangat mempengaruhi redaman (diameter besar menghasilkan redaman kecil), namun pada frekuensi yang tinggi konduktivitas dan jenis dielektrik mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap redaman. Ini terbukti bahwa kabel R G 316 dengan konduktor perak dan dielektrik Teflon walaupun memiliki diameter yang lebih kecil dari kabel R G 58, pada frekuensi yang tinggi akan menghasilkan redaman lebih kecil dari kabel R G 58 dengan jenis konduktor tembaga dan dielektrik polyethylene. Selisih ini akan terus bertambah dengan kenaikan frekuensi. Grafik pengaruh frekuensi terhadap redaman total beberapa tipe kabel koaksial ditunjukan pada Gambar 5.
Gambar 5 Grafik pengaruh frekuensi terhadap redaman total
6. Kesimpulan
Dari analisis yang dilakukan didapatkan beberapa kesimpulan di antaranya:
1. Redaman dielektrik dalam hal ini
polyethylene, pada frekuensi di bawah
14 GHz lebih kecil daripada redaman konduktor tembaga. namun untuk frekuensi di atas 14 GHz redaman polyethylene lebih besar dari tembaga. 2. Redaman konduktor yang besarnya
dipengaruhi oleh konduktivitas bahan
dan diameter konduktor bertambah secara kuadratik sedangkan redaman dielektrik yang besarnya bergantung pada jenis dielektrik bertambah secara linier.
3. Kabel RG 316 di awal memiliki redaman lebih besar dari kabel R G 58, pada frekuensi di atas 14 GHz kabel R G 316 redamannya lebih kecil dari kabel R G 58, ini karena pada frekuensi yang rendah diameter kabel yang sangat mempengaruhi redaman (diameter besar menghasilkan redaman kecil), namun pada frekuensi tinggi jenis dielektrik mempunyai pengaruh yang besar terhadap redaman.
7. Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan terima kasih kepada kedua orang tua penulis, kepada dosen pembimbing Tugas Akhir Ali Hanafiah Rambe ST, MT. Dan kepada Ir. Arman Sani, MT, Naemah Mubarakah, ST, MT dan Maksum Pinem, ST, MT selaku penguji yang banyak membantu penulis dalam menyelesaikan jurnal ini, serta teman-teman penulis yang sudah memberikan dukungan selama pembuatan paper ini.
8. Daftar Pustaka
1. Kaufman, Milton, Watson, Herbert, Welch, Herbert, Eby, George, 1972. ” Understanding Radio Electronics”, McGraw-Hill, New York.
2. Combes, Paul F, 1988. “Microwave Transmission for Telecommunication”, Jhon Wiley & Sons, Chichester, England.
3. Stallings, william, 2007, “Komunikasi dan Jaringan Nirkabel; Edisi Kedua” Erlangga, Jakarta.
4. Smale, PH, 1996. “Sistem Telekomunikasi 1 (Edisi kedua)”, Erlangga, Jakarta.
5. Alaydrus, Mudrik, 2009. “Saluran Transmisi Telekomunikasi”, Graha Ilmu, Yogyakarta.
