Gambar 2.1 Radiosonde

(1)

BAB II DASAR TEORI

2.1 Radiosonde

Radiosonde adalah alat untuk mengukur tekanan, suhu, arah, kecepatan angin dan kelembaban udara diberbagai lapisan udara. Alat tersebut berfungsi sebagai alat ukur untuk mengetahui karakteristik keadaan cuaca dari lapisan permukaan sampai lapisan tingkat atas. Pada tahun 1924, Kolonel William Blaire dari U.S.Signal Corp melakukan eksperimen pertama mengenai pengukuran temperatur udara-atas menggunakan balon. Radiosonde seperti Gambar 2.1, ditemukan oleh seorang berkewarganegaraan Perancis bernama Robert Bureau. Radiosonde ini diterbangkan pertama kali pada tanggal 7 Januari 1929. Tanggal 30 Januari 1930, Pavel Molchanov menerbangkan radiosonde dengan standar pengiriman data yang baru, yaitu: mengkonversi hasil pembacaan sensor ke dalam bentuk kode Morse. Tanggal 1 April 1935, Sergey Vernov menerbangkan hasil modifikasi radiosonde temuan Pavel Molchanov untuk mengukur sinar kosmik pada high altitude. Pada tahun 1985, Uni-Soviet menjatuhkan radiosonde yang bernama Vega 1 dan Vega 2 ke atmosfer planet Venus. Pengukuran cuaca ini berlangsung hingga dua hari.

(2)

Radiosonde diterbangkan ke atmosfer menggunakan sebuah balon yang terbuat dari karet dan diisi dengan gas helium atau hidrogen. Ukuran balon berkisar antara 150 – 3000 gram. Dengan bertambahnya ketinggian balon dari permukaan tanah (tekanan udara berkurang), maka balon akan pecah karena tekanan udara didalam lebih tinggi.

Pada Gambar 2.2 menjelaskan sistem operasional dari radiosonde. Transmitter diterbangkan bersama balon udara, kemudian antena diarahkan pada target (transmitter), balon tersebut akan bergerak mengikuti arah dan kecepatan angin oleh karena itu pengamatan harus lebih dahulu mengetahui arah dan kecepatan angin permukaan.

Gambar 2.2 Sistem Operasional Radiosonde

Setelah transmitter terbang di udara, maka antena penerima akan bergerak mengikuti transmitter tersebut. Selanjutnya transmitter akan memancarkan signal sesuai dengan sensor masing-masing dan signal tersebut dipancarkan ke bumi yang diterima oleh antenna penerima dan signal itu diteruskan ke recorder/buffer, sebelum diteruskan ke alat pemroses maka signal tersebut mendapat seleksi atau di-mixer untuk mendapatkan signal yang terseleksi sesuai bekerjanya sensor

(3)

masing-masing. Dari recorder signal yang terseleksi tersebut diteruskan ke komputer, signal-signal diubah menjadi bentuk angka yang dapat dibaca pada layar monitor. Operasional radiosonde ini dapat mencapai ketinggian 10 km tergantung pada kekuatan baterai atau balon membawanya.

Untuk menghasilkan sebuah sistem radiosonde yang baik, maka dibutuhkan sebuah perhitungan link budget yang digunakan di daerah kota besar atau metropolitan dengan anggapan bahwa daya gangguan yang diterima kecil seperti yang ada pada Tabel 2.1 [4].

Tabel 2.1 Link Budget Radiosonde

Pada Tabel 2.1 terdapat nilai gain untuk aplikasi radiosonde. Gain antena pengirim 1.76 dBi dan gain antena penerima sebesar 10 dBi. Perbaikan gain atau pun parameter entena yang lain hanya bisa dilakukan pada penerima di stasiun bumi karena sangat sulit untuk memperbaiki parameter antena di sisi pengirim.

Transmit power 13 dBm (20 mW)

Transmitter antenna gain 1.76 dBi

Free Space Loss (250 km) -132.5 dB

Receiver antenna gain 10 dBi

Antenna pointing error -3 Db

Received signal power -110.7 dBm

Noise power at reception -126.5 dBm (in urban area) -132.7 dBm (minimum) Signal-to-Noise ratio 15.8 dB 22.0 dB 0 N E_b (MSK) _{14.8 dB} _{21.0 dB} Gaussian filter degradation -1 dB -1 dB Receiver imperfection -2 dB -2 dB 0 N E_b (GMSK) _{11.8 dB} _{18 dB}

(4)

2.2 Definisi dan Parameter Antena

Standar IEEE 145-1983 mendefinisikan antena sebagai suatu alat yang berfungsi untuk meradiasikan dan menerima gelombang radio [5]. Dengan kata lain antena adalah struktur pengalihan antara ruang bebas dan media pembimbing, seperti yang terlihat pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Antena Sebagai Media Transmisi [5]

Media pembimbing atau saluran transmisi dapat berbentuk suatu kabel coaxial atau pipa kosong/bumbung gelombang (waveguide), dan media pembimbing ini digunakan untuk membawa energi elektromagnetik dari sumber pancaran (transmitter) hingga sampai ke antena, atau dari antena hingga sampai ke perangkat penerima (receiver) [5]. Karakteristik dari suatu antena ditentukan oleh beberapa parameter yaitu: pola radiasi, gain, bandwidth, dan VSWR.

2.2.1 Pola Radiasi

Pola radiasi sebuah antena dapat didefenisikan sebagai pola radiasi fungsi matematis atau gambaran secara grafis dari karakteristik radiasi sebuah antena sebagai fungsi dari koordinat ruang [5]. Contoh koordinat yang sesuai diperlihatkan pada Gambar 2.4.

(5)

Gambar 2.4 Sistem Koordinat untuk Menganalisis Antena [5]

2.2.2 Gain

Penguatan (gain) adalah sebuah parameter antena, yaitu intensitas radiasi pada arah tertentu dibagi dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika antena menerima daya yang teradiasi secara merata ke segala arah (isotropic). Penguatan (gain) dapat dihitung dengan Persamaan 2.1 dimana nilai intensitas radiasi sama dengan 4π dibagi daya yang diterima oleh antena (Pin). Hal ini dikarenakan daya diradiasikan secara isotropic [5].

𝐺 = 4𝜋𝑈 (𝜃,∅) 𝑃𝑖𝑛 (2.1) dimana : G = gain 𝑈 (𝜃, ∅) = intensitas radiasi

(6)

2.2.3 Bandwidth

Bandwidth antena adalah rentang frekuensi dimana kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, polarisasi, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR, return loss) masih memenuhi standar yang telah ditentukan. Untuk Broadband antena, bandwidth merupakan perbandingan antara frekuensi atas (upper) dengan frekuensi bawah (lower) seperti pada Persamaan 2.2. Sedangkan untuk Narrowband antena, maka dinyatakan dalam persentase dari selisih frekuensi (frekuensi atas dikurang frekuensi bawah) yang melewati frekuensi tengah bandwidth seperti pada Persamaan 2.3. Untuk nilai frekuensi tengah dinyatakan dalam Persamaan 2.4 [5].

(2.2) (2.3) (2.4) dimana: Br = bandwidth rasio

fu = jangkauan frekuensi atas (Hz)

fl = jangkauan frekuensi bawah (Hz)

Bp = bandwidth dalam persen (%)

fc = frekuensi tengah (Hz)

2.2.4 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)

2 l u c f f f   % 100    c l u p f f f B l u r f f B 

(7)

komponen gelombang tegangan pada saluran transmisi yaitu V0+ (tegangan yang

dikirimkan) dan V0- (tegangan yang direfleksikan). Sebelum menghitung nilai

VSWR, terlebih dahulu dihitung nilai koefisien refleksi tegangan (Γ) yang merupakan pebandingan antara V0- dengan V0+ seperti pada Persamaan 2.5 [5].

Γ = 𝑉0−

𝑉₀+ = 𝑍𝐿−𝑍0

𝑍𝐿−𝑍0 (2.5)

dimana:

Γ = koefisien refleksi tegangan V0+ = tegangan yang dikirimkan V0- = tegangan yang direfleksikan ZL = impedansi beban (load)

Z0 = impedansi saluran

Setelah didapatkan nilai koefisien refleksi tegangan maka selanjutnya nilai VSWR antena dapat dihitung. Rumus untuk mencari VSWR dapat menggunakan Persamaan 2.6 [5].

VSWR = (2.6)

dimana:

V|max = amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum |V|min = amplitudo gelombang berdiri (standing wave) minimum

2.3 Antena Yagi-Uda

Antena Yagi-Uda diciptakan di Jepang pada tahun 1926 oleh Dr. Hidetsugu Yagi dan Dr. Shintaro Uda (Universitas Tohoku Imperial di Sendai). Antena Yagi-Uda memiliki gain yang relatif tinggi [1]. Antena Yagi-Uda terdiri dari beberapa elemen, yaitu reflektor, driven, direktor, dan boom seperti pada Gambar 2.5.

(8)

Gambar 2.5 Elemen Antena Yagi-Uda [1]

Panjang elemen driven antena Yagi-Uda berkisar 0.449λ sampai dengan 0.476λ. Elemen driven berfungsi sebagai penerima daya dari pemancar yang biasanya terhubung langsung ke saluran transmisi. Panjang elemen reflektor antena Yagi-Uda berkisar 0.475λ sampai dengan 0.503λ. Elemen reflektor pada berfungsi untuk memantulkan sinyal dari elemen driven. Panjang elemen direktor antena Yagi-Uda berkisar 0.43 λ sampai dengan 0.463 λ. Elemen direktor berfungsi untuk mengarahkan sinyal ke titik yang dituju [1].

2.4 Teknik Fraktal

Istilah fraktal pertama kali diperkenalkan oleh Benoit B. Mandelbrot (matematikawan Perancis) pada tahun 1975. Istilah fraktal didapat setelah melakukan riset tentang geometri alam. Kata fraktal berasal dari bahasa latin “Fractus” yang berarti retak atau dirusak. Fraktal terdiri dari 2 tipe, yaitu fraktal acak dan fraktal deterministik [6].

1. Fraktal acak

Fraktal acak merupakan kombinasi aturan-aturan yang dipilih secara acak (random) pada skala yang berbeda. Contoh fraktal acak dapat dilihat pada hal-hal yang terdapat di alam seperti pohon, awan, sebuah garis pantai, gunung, dan yang lainnya.

(9)

2. Fraktal deterministik

Fraktal deterministik merupakan aturan-aturan deterministik yang terus diulang dan memiliki kecenderungan bentuk yang simetris. Pada fraktal deterministik terjadi proses iterasi. Hal ini dikarenakan fraktal deterministik memiliki bentuk yang simetris. Contoh fraktal deterministik adalah fraktal Cohen-Minkowski, fraktal kurva Minkowski, fraktal kurva Koch, dan fraktal sierpinski gasket [6].

Teori fraktal telah digabungkan dengan teori elektromagnetik sehingga memiliki beberapa keuntungan jika digunakan untuk memodifikasi bentuk antena dibandingkan dengan antena tradisional, seperti berikut [7]:

1. Meminimalisir bentuk dari antena. 2. Memiliki sifat multiband.

3. Memiliki impedansi masukan yang baik.

4. Mengurangi mutual coupling pada antena susun larik.

2.4.1 Cohen-Minkowski

Bentuk antena yang dimodifikasi dengan teknik fraktal pertama kali diperkenalkan oleh Nathan Cohen pada tahun 1988 [8]. Salah satu tekni fraktal yang dibuat oleh Nathan Cohen adalah fraktal Minkowski berbentuk bujur sangkar seperti pada Gambar 2.6.

Tanpa Iterasi

Iterasi-1

Iterasi-2

(10)

Untuk menghasilkan bentuk seperti pada Gambar 2.6, dibutuhkan sebuah rumus yang digunakan untuk mengetahui panjang total Cohen-Minkowski seperti pada Persamaan 2.7 [6]. 𝐿 = ℎ (5 3) 𝑛 (2.7) dimana:

L = panjang total fraktal h = panjang kawat iterasi awal n = banyaknya ierasi

2.4.2 Fraktal Kurva Koch

Kurva Koch pertama kali diperkenalkan oleh H. V. Koch (matematikawan Swedia). Kurva Koch sangat cocok diimplementasikan ke antena mikrostrip karena Kurva Koch mempunyai bentuk iterasi yang sangat kompleks dan detail. Kurva Koch dapat menghilangkan frekuensi resonansi dan dapat meningkatkan impedansi masukan [6], dapat mengurangi panjang total kawat seperempat lamda yang bekerja pada frekuesi rendah, dan dapat memperbaharui bentuk dasar antena monopole [9]. Bentuk fraktal Kurva Koch digambarkan seperti pada Gambar 2.7.

Iterasi-1

Iterasi-2

(11)

Untuk menghasilkan gambar seperti Gambar 2.7, dibutuhkan sebuah rumus yang digunakan untuk mengetahui panjang total fraktal kurva Koch seperti pada Persamaan 2.8 [6]. 𝐿 = ℎ (4 3) 𝑛 (2.8) dimana:

2.4.3 Kurva Minkowski

Kurva Minkowski pertama kali diusulkan oleh Hermnn Minkowski (matematikawan dari Jerman). Kurva Minkowski mempunyai delapan pembangkit, cocok untuk daerah yang padat, mempunyai performansi frekuensi resonansi yang sangat baik, dan dapat memperbaharui bentuk dasar antena monopole [6]. Gambar Kurva Minkowski seperti pada Gambar 2.8.

Iterasi-1

Iterasi-2

(12)

Untuk menghasilkan gambar seperti Gambar 2.8, dibutuhkan sebuah rumus yang digunakan untuk mengetahui panjang total kurva Minkowski seperti pada Persamaan 2.9 [6].

𝐿 = ℎ (

8 4

)

𝑛

(2.9) dimana:

2.4.4 Sierpinski Gasket

Sierpinski gasket diperkenalkan oleh Sierpinski tahun 1916. Bentuk fraktal sierpinski gasket di dapat dengan cara mengurangi skala bentuk segitiga kemudian tahap selanjutnya yaitu membalikkan ukuran segitiga yang sudah dikurangi dari segitiga utama yang disebut sebagai proses iterasi [6]. Sierpinski gasket dapat bersifat multiband. Bentuk fraktal sierpinski gasket terlihat pada Gambar 2.9.

Tanpa Iterasi Iterasi-1 Iterasi-2

Gambar 2.9 Sierpinski Gasket [6]

Untuk menghasilkan gambar seperti Gambar 2.9, dibutuhkan sebuah rumus yang digunakan untuk mengetahui panjang total Sierpinski Gasket seperti pada Persamaan 2.10 [6].

(13)

𝐿 = ℎ (

3

2

)

𝑛

(2.10)

dimana: