Komunikasi Gelombang Langit (Sky Wave)

(1)

Modul#9

TTG3D3

TTG3D3 Antena

Antena dan

dan Propagasi

Propagasi

Komunikasi Gelombang Langit

(Sky Wave)

Komunikasi Gelombang Langit

(Sky Wave)

Oleh :

Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT

1

Outline

Pendahuluan

Karakteristik ionosfer

Pembiasan dan Pantulan Dalam Ionosfer

Desain Komunikasi Ionosfer

(2)

Pendahuluan

3

Radio Communication

3 kHz 300 GHz

Sky wave(gelombang langit) = Skip wave / Short Wave (SW), sering digunakan sebagai media transmisi radio siaran internasional seperti BBC (British

Broadcasting Corporation) dan VOA (Voice Of America) untuk memancarkan

siaran hiburan dan informasinya ke belahan bumi yang lain.

Sky wave menggunakan High Frequency (HF), yaitu pada frekuensi 3 - 30 MHz. Batas atas penggunaan frekuensi dibatasi oleh MUF (Maximum Usable

Frequency)

Pendahuluan

Nachwan Mufti A

Radio Communication

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 _{Of Sight} Space

(3)

Pendahuluan

Pada 1902, Oliver Heaviside (England) dan

Arthur Kennelly (America) secara terpisah

mengemukakan adanya conducting layer (lapisan bersifat menghantar) pada ketinggian atmosfir yang dapat dipakai untuk memantulkan GEM kembali ke bumi.

Namun sampai dengan saat itu belum ada bukti empirik dari wilayah ketinggian itu, dan sangat sedikit yang diketahui tentang sifat

Nachwan Mufti A

sangat sedikit yang diketahui tentang sifat fisis dan elektris tentang bagian atas atmosfir bumi.

Tetapi dengan adanya penemuan

ionosonde pada pertengahan 1920, memungkinkan pengamatan langsung penelitian dan observasi langsung dari karakteristik ionosfer dan pengaruhnya terhadap perambatan gelombang radio.

Hasil pengamatan Ionosonde

5

Jarak Komunikasi

Untuk jarak sedang hingga jarak jauh : dari 150 km hingga ribuan km

• Perhitungan Jarak

U

B

L ₋ tan1₂

(

LA−LB

)

sin₂1

(

y+x

)



Pada perencanaan siskom sky wave perlu diketahui jarak antara 2 titik di permukaan bumi, berdasarkan koordinat kedua titik tersebut

Nachwan Mufti A

S

B A B L B B A B A L Z y x _Ekuator

(

)

(

)

(

)

       − + − = − x y 2 1 sin x y 2 sin L L 2 tan tan 2 Z B A 1 o Jarak A-B = Zo _{x 111,12 (km)} = Zo _{x 69,05 (mile)} = Zo _{x 60,00 (n.mile)} 6 Catatan: posisi koordinat (bujur dan lintang) dapat diketahui dari penerima GPS

(4)

Karakteristik

Karakteristik Ionosfer

Ionosfer

7

Ionosfer

Pada ketinggian 50-500 km,

molekul-molekul atmosfer dapat diionisasi oleh

radiasi matahari menjadi gas terionisasi.

Daerah ini disebut sebagai daerah

Ionosfer

(5)

Ionisasi….

Ionisasi adalah proses pelepasan elektron bebas dari suatu atom netral yang berubah menjadi ion positif, dan juga proses penggabungan elektron dengan ion positif menjadi atom netral

Ionosfer terjadi akibat

bombardemen atom-atom gas menjadi elektron-elektron dan ion-ion terutama oleh radiasi

Nachwan Mufti A

ion-ion terutama oleh radiasi matahari, meteor (sebagian kecil), energi rekombinasi dsb.

Pemantulan GEM terjadi

karena elektron saja yang berkelompok membentuk lapisan dengan konsentrasi maksimum pada tengah-tengah lapisan

9

Lapisan-Lapisan Ionosfer

Lapisan-lapisan yang

ada pada ionosfer

adalah :

• Lapisan D (50-90 km) • Lapisan E (90-140 km) Nachwan Mufti A • Lapisan E (90-140 km) • Lapisan Es (kadang terjadi, tinggi : 90-140 km) • Daerah F1 (140-210 km) • Daerah F2 (diatas 210 km) 10

(6)

Lapis-Lapis Ionosfer...

Lapisan D (50-90 km)

• Hanya ada pada siang hari saja

• Menyerap frekuensi MF (0,3-3 MHz) dan absorbsi parsial pada gelombang HF

• Reflektor bagi VLF dan LF (3-300 kHz) dan bersama-sama dengan bumi membentuk semacam waveguide

Lapisan E (90-140 km)

Nachwan Mufti A Lapisan E (90-140 km)

• Penggunaan untuk komunikasi HF dengan jarak komunikasi < 1500 km pada siang hari dan > 1500 km pada malam hari

Lapisan Es / E sporadis (90-140 km)

• Kadang-kadang terjadi 50% pada siang dan malam

• Penggunaan untuk frekuensi VHF dengan jarak jauh (hamburan) • Kadang-kadang menghalangi lapisan diatasnya dalam komunikasi

karena frekuensi kritisnya lebih tinggi

11

Lapis-Lapis Ionosfer...

Lapisan F₁(140-210 km)

• Hanya ada pada siang hari saja

• Kadang-kadang dipakai sebagai pemantul pada siang hari

• Gelombang yang menembus F₁, kadang-kadang juga menembus F₂, sehingga untuk komunikasi sering terjadi absorbsi, ditambah

halangan oleh lapisan Es kadang-kadang

Lapisan F ( lebih dari 140 km)

Nachwan Mufti A

Lapisan F₂( lebih dari 140 km)

• Konsentrasi ion dan elektron, serta tinggi khayal lapisan praktis tidak bergantung kepada elevasi matahari, tetapi berubah menurut musim dan bintik matahari

• Penggunaan untuk komunikasi HF jarak jauh

• Pada malam hari, lapisan F₁dan F₂bersatu pada ketinggian sekitar 300 km

(7)

Indeks bias ionosfer dapat dinyatakan :

(

υ

+

ω

)

ωε

+

=

ε

=

j

m

j

Nq

1 n

0 2 * r i Dimana,

N = kepadatan ion ( ion/m3 ₎

m = massa partikel (ion) q = muatan partikel

υ = jumlah benturan per detik

ε_r*_{= konstanta kompleks permitivitas}

Jika tumbukan perdetik kecil

Indeks Bias Ionosfer

Nachwan Mufti A 0 2 2 2 i

m

f

4 Nq

1 n

ε

π

−

=

ε_r = konstanta kompleks permitivitas ionosfer perdetik kecil dibandingkan frekuensi gelombang, maka : 13

Arti

Arti Fisis

Fisis Indeks

Indeks Bias...

Bias...

•

Ionosfer dapat dianggap merupakan

bahan dielektrik dengan permitivitas

relatif ε

_r*

• Jika N makin padat, maka indeks bias akan

mengecil, pembiasan makin efektif

• Jika frekuensi makin tinggi, pembiasan

makin kecil, pada suatu kondisi tertentu tidak

0 2 2 2 i

m

f

4 Nq

1 n

ε

π

−

=

2 c i

f

1 n

_











−

=

0 2 max c

m

q

N

2

1 f

ε

π

=

dimana f_c = frekuensi kritis makin kecil, pada suatu kondisi tertentu tidak dibiaskan lagi tetapi diteruskan

•

Untuk parameter kondisi tertentu yang

(8)

• f > f

_c

; indeks bias < 1 dan merupakan bilangan nyata /

real

Kondisi Untuk Beberapa Nilai Frekuensi

2 c i

f

1 n

_











−

=

0 2 max c

m

q

N

2

1 f

ε

π

=

dimana f_c= frekuensi kritis 15

real

⇒ Terjadi pembiasan biasa, menjauhi garis normal

• f >> f

_c

; indeks bias ≈

≈

≈ 1 ,

⇒ Hampir tidak ada pembiasan, GEM menembus ionosfer tanpa pembelokan

• f < f

_c

; indeks bias bernilai imajiner

⇒ Tidak terjadi penerusan GEM, seolah GEM mengalami redaman sangat besar, atau GEM dipantulkan kembali ke bumi

Frekuensi

Frekuensi Kritis

Kritis

Frekuensi kritis adalah frekuensi maksimum

GEM masih dipantulkan oleh lapisan ionosfer,

jika sudut datang GEM pada ionosfer adalah 0

o

Untuk propagasi GEM:

Jika diinginkan menembus ionosfer

harus

digunakan f > f

_c

Untuk propagasi gelombang memantul ionosfer

harus digunakan f < f

_c

(9)

Rumus

Rumus Frekuensi

Frekuensi Kritis

Kritis…

…

Rumus praktis:

(

)

8 0 19 e 31 e

elektron

N

m

F

10

36

1 coulomb

10 .

6 ,

1 q

kg

10 .

11 ,

9 m

− − −

π

=

ε

=

max c

9 N

f

≈

Namun,

frekuensi kritis dapat juga didapat

dari hasil rekaman Ionosonde

17 Nachwan Mufti A

(

3

)

max

elektron

_m

N

max c

81 N

f

≈

atau, 0 2 max c

m

q

N

2

1 f

ε

π

=

Ionosonde

((Ionospheric

Ionospheric Sounding

Sounding))

Ionosondeadalah radar frekuensi tinggi (HF) yang mengirimkan pulsa-pulsa radio pendek vertikal ke ionosfer. Ionosonde merekam delay waktu antara pengiriman dan

penerimaan pulsa.

Dengan mengubah-ubah frekuensi pulsa, maka akan didapat rekaman delay waktu dari masing-masing frekuensi 18 Nachwan Mufti A frekuensi

2 t

c

'

h

=

∆

h’ = tinggi khayal , ketinggian dimana seolah-olah GEM mulai dipantulkan kembali ke bumi

Sedangkanpengukuran dengan Ionosonde, menghasilkan juga rekaman parameter yang disebut : Frekuensi Kritis seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya

(10)

Pembiasan

Pembiasan dan

dan Pantulan

Pantulan

Dalam

Dalam Ionosfer

Ionosfer

Keywords: Maximum Usable Frequency,

jarak skip, konstanta propagasi

19

Pembiasan

Pembiasan dan

dan Pantulan

Pantulan Dalam

Dalam Ionosfer

Ionosfer

Dalam aplikasi siskom sky wave, selalu

Lapisan

Ionosfer

dh 0 n 1 n2 n3 n k n 1 φ 20 Nachwan Mufti A

sky wave, selalu

digunakan sudut datang

tak nol

Tx

φ0

Rx

Dengan Hk Snellius 1 n k k 0 0 0

sin

n

sin

n

φ

=

φ

_≈ k k 0

n

sin

φ

=

φ

(11)

Review…

Frekuensi kritis adalah

frekuensi maksimum GEM

masih dipantulkan oleh

lapisan ionosfer, jika sudut

datang GEM pada ionosfer

adalah 0

o

Untuk propagasi GEM:

Lapisan Ionosfer dh 0 n 1 n2 n3 n k n φ 1 φ 21

Untuk propagasi GEM:

Untuk propagasi gelombang memantul ionosfer harus digunakan f < f_c Tx φ0 Rx k k 0

n

sin

φ

=

φ

1 n k k 0 0 0

sin

n

sin

n

≈

φ

=

φ

Pada suatu ketinggian tertentu,

terjadi sudut bias maksimum = 90o_,

pada saat itu, GEM mulai dipantulkan kembali ke bumi...

o x 90 x x 0

n

sin

φ

=

φ

_φ ₌ x 0

n

sin

φ

=

Maximum Usable Frequency (MUF)

MUF = Maximum Usable Frequency: frekuensi

maksimum yang dipantulkan ionosfer pada tinggi khayal

tertentu untuk sudut datang = φ

φ

₀

Frekuensi Kritis: frekuensi maksimum yang dipantulkan ionosfer

pada suatu tinggi khayal tertentu untuk sudut datang = 0o_,

o x 90 x x 0

n

sin

= φ

φ

=

φ

n

sin

φ

=

Lapisan Ionosfer k n x 0

n

sin

φ

=

2 c 0 x

f

1 sin

n

_











−

=

φ

=

0 c

cos

f

φ

=

c 0

f

=

MUF f sec

=

φ

max c

81 N

f

≈

Ionosfer dh 0 n 1 n2 n3 n Tx φ0 Rx 1 φ

(12)

Jika :

f

_ops

< MUF dan N < N

_maks

• Untuk φ

φ

₀

konstan

f

3

Makin tinggi frekuensi operasi,

Maka tinggi khayal yang dicapai makin tinggi, dan jarak yang di capai makin jauh

Maximum Usable Frequency…

Nachwan Mufti A 0

φ

f

1

f

2 = MUF 3 2 1 0 f f f KONSTAN < < φ

N

max 23 " ' KONSTAN f 0 0 0 ops φ < φ < φ Nmax

• Untuk f

_ops

konstan

Maximum Usable Frequency…

Nachwan Mufti A 0 φ " ' 0 0 0<φ <φ φ ' 0 φ φ0"

Makin besar sudut datang φφφφ₀,

Maka akan makin jauh jarak yang ditempuh dan diperlukan tinggi khayal pemantul yang makin rendah

(13)

Jarak

Jarak Skip

Skip

Untuk suatu kondisi,

dimana pada suatu sudut datang φφφφ₀ tertentu minimum, dan f_ops = MUF

Maka,

Jarak di bumi yang ditempuh gelombang 25 Nachwan Mufti A 0 φ ditempuh gelombang

disebut Jarak Skip, yang merupakan jarak

minimum untuk siskom sky wave

Konstanta

Konstanta Propagasi

Propagasi

Kontanta Propagasi ionosfer dinyatakan :

β

+

α

=

ε

µ

ω

=

γ

j

₀ ₀ *_r

j

i i i i * r 0 0

j

1 j

j

ωε

σ

−

ε

µ

ω

=

ε

µ

ω

=

γ

26 Nachwan Mufti A 0 0 2 2 i

m

2 Nq

ε

µ

ω

υ

=

α

Jadi dapat disimpulkan, bahwa pada ionosfer :

• Redaman naik jika N meningkat : makin efektif pembiasan, makin besar redaman penyerapan • Redaman kecil untuk m besar : ion-ion tidak

berperan dalam redaman penyerapan

• Redaman mengecil jika frekuensi makin tinggi : redaman naik untuk frekuensi rendah

(14)

Desain

Desain Komunikasi

Komunikasi

Ionosfer

27

Frekuensi

Frekuensi Operasi

Operasi

...

...komunikasi

komunikasi ionosfer

ionosfer

Dalam komunikasi sky wave, selalu digunakan frekuensi operasi di

bawah MUF pada suatu sudut datang tertentu, namun j harus lebih besar dari suatu frekuensi tertentu (LUF)

MUF (Maximum Usable Frequency)

FOT (Frequence’ Optimal de Travail) atau

Range frekuensi yang boleh

LUF (Lowest Useful High

Frequency)

OWF ( Optimum Working Frequency )

yang boleh digunakan

FOT = 85% MUF

Pada umumnya digunakan frekuensi di FOT

(Frequence’ Optimal de Travail ) = 85% MUF

(15)

FOT

FOT dan

dan LUF

LUF

FOT = Frequence’ Optimal de Travail

FOT = 85% MUF, digunakan karena ionosfer yang selalu berubah

sepanjang hari, sehingga diperlukan realibilitas yang lebih baik. MUF itu sendiri sering dinyatakan sebagai frekuensi dengan realibility 50 %

LUF (Lowest Useful High Frequency)

,

mempertimbangkan :

Redaman absorbsi ionosfer yang membesar pada frekuensi yang makin rendah, sehingga perlu daya pancar sangat besar yang tidak ekonomis lagi

Derau harus lebih kecil dari sinyal

Lokasi pemancar dan penerima : mengganggu atau diganggu frekuensi pemancar lain

Ijin frekuensi

Dimensi antena dan masalah finansial lainnya

Tipikal

Tipikal Kanal

Kanal Propagasi

Propagasi

...

...komunikasi

komunikasi ionosfer

ionosfer

Fading cukup besar

, karena ionosfer

selalu berubah. Diversitas untuk perbaikan

yang digunakan adalah :

Diversitas ruang

Diversitas frekuensi

Diversitas polarisasi

Diversitas sudut datang. Diversitas ini

memerlukan antena dan gain yang sangat

besar untuk dapat membedakan sudut

kedatangan

(16)

Geometri

Geometri Lintasan

Lintasan...

...

Dapat dibuktikan, bahwa pantulan GEM oleh ionosfer

ekivalen dengan pantulan oleh titik puncak segitiga dengan

tinggi h’ (tinggi khayal)

Te

• Jarak dekat : Bumi dianggap datar / flat

( )

1

Jarak d kecil 31 Nachwan Mufti A 0 φ d Tx Rx h h' Te

( )

'

h

d

4

1 '

h

sec

2 2 0

+

=

φ

Te = titik pantul ekivalen

• Jarak Jauh













−

+













=

φ

0 0 0 0

R

2 d

cos

R

'

h

1 R

2 d

sin

tan

h' Te

Geometri

Geometri Lintasan

Lintasan...

...

Kelengkungan bumi dipertimbangkan

Nachwan Mufti A dan, 0

φ

d Tx Rx h β 0 0

R

'

h

1 cos

sin

+

β

=

φ













−

φ

−

=

β

0 0 o

R

2 d

3 ,

57

90

dengan,

Te = titik pantul ekivalen β = take off angle

R₀= jari-jari bumi = 6370 km

(17)

• Jika take off angle dibuat β = 0

o

_{, maka jarak satu hop}

(lompatan) menjadi maksimum, yang dapat dihitung dari

rumus-rumus sebelumnya

• Dimungkinkan hubungan multihop (lompatan ganda)

pada sky wave

Geometri

Geometri Lintasan

Lintasan...

...

Nachwan Mufti A 33

Redaman

Redaman Propagasi

Propagasi...

...

Redaman pada sky wave terdiri dari 2 macam, yaitu:

(1) Redaman penyebaran, dan

(2) Redaman penyerapan (absorbsi)

• Redaman Penyebaran ) km ( ) MHz ( fs

32 ,

5

20 log

f

20 log

d

e

L

=

+

de= Jarak ekivalen yang dilalui gelombang EM • Redaman Penyerapan

• Pada lapisan D terjadi penyerapan yang terbesar • Redaman oleh lapisan yang lain sebagai fungsi

(18)

Contoh

Contoh soal

soal #1:

#1:

Sebuah ionosonde

mencatat rata-rata

delay terukur sebesar

0,8 ms. Link

komunikasi ionosferis

didesain dengan

menganggap bumi

h h' Te

menganggap bumi

datar, sebagaimana

terlihat digambar.

Berapa jarak link yang

bisa diperoleh jika

sudut transmit f

₀

= 30

o

_,

…………. …..km

35 0 φ d Tx Rx

Contoh

Contoh soal

soal #2:

#2:

Mahasiswa KP dimininta merancang sistem komunikasi SKY WAVE yang menghubungkan Bandung-Madura (jarak 1.000 km). Percobaan pendahuluan dia lakukan menggunakan antena parabola dan peralatan lainnya. Beam utama antena parabola diarahkan ke zenith (θ=00_{), dan ia}

mengirimkan sinyal pulsa impuls ke atmosfer. Pulsa ini dipantulkan kembali oleh atmosfer dan terdeteksi tiba kembali pada 1 mS kemudian. Ia juga memdapatkan data bahwa rapat elektron di atmosfer saat itu adalah 0,111x1012 _elektron/m3_{. Jika tinggi khayal dan rapat elektron atmosfer di}

mana-mana ia asumsikan sama, tentukan: mana-mana ia asumsikan sama, tentukan:

a. pada sudut berapa beam utama harus ia arahkan sehingga jarak

Bandung-Madura bisa ia capai dalam 1 hop.

b. Jika frekuensi kerja ia pilih sebesar 0,85 MUF pada sudut yang ia pilih,

tentukan frekuensi kerja tersebut!

c. Jika loss propagasi ia asumsikan mengikuti loss propagasi free-space,

dan antena parabola di Tx dan Rx adalah 30 dBi, tentukan daya pancar yang harus ia sediakan dengan Fading Margin 20 dB! (Rugi akibat konektor dan kabel diabaikan).

(19)