BAB II
TEORI DASAR
2.1 Umum
Kualitas suatu sistem komunikasi sangat ditentukan oleh kuat sinyal yang diterima. Salah satu cara agar sinyal dapat diterima secara maksimal adalah dengan mengarahkan antena penerima tepat ke antena pengirim. Pengarahan antena akan mudah dilakukan jika target yang dituju tetap atau tidak bergerak, kita hanya perlu mengetahui posisi target lalu mengarahkan antena ke posisi tersebut[1].
Jika target yang dituju dapat bergerak, maka diperlukan suatu sistem tracking untuk mengarahkan antena. Sistem tracking yang dibuat umumnya menggunakan kuat sinyal sebagai referensi sebagai pengarah. Sistem tracking adalah suatu sistem yang memungkinkan antena penerima untuk mendeteksi antena pengirim lalu mengarahkan antena tersebut. Sistem tracking digunakan untuk mempertahankan level sinyal yang diterima pada level tertentu[2].
2.2 Gelombang Elektromagnetik
Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang mempunyai sifat listrik dan sifat magnet secara bersamaan. Gelombang radio merupakan bagian dari gelombang elektromagnetik pada spectrum frekuensi radio. Gelombang dikarakteristikkan oleh panjang gelombang dan frekuensi. Panjang gelombang (λ) memiliki hubungan dengan frekuensi (ƒ) dan kecepatan (ν) yang ditunjukkan pada Persamaan 2.1[3].
(2.1)
Kecepatan (ν) bergantung pada medium. Ketika medium rambat adalah hampa udara (free space), seperti pada persamaan 2.2[3]:
v = c = 3 x 108 m/s (2.2) Salah satu spektrum frekuensi gelombang elektromagnetik adalah gelombang radio. Pembagian spektrum frekuensi gelombang radio dapat ditunjukkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Spektrum Frekuensi Gelombang Radio Nama Band Singkatan Band
ITU Frekuensi (f) Panjang Gelombang (λ) Extremely Low Frequency ELF 1 3-30 Hz 100.000 km - 10.000 km Super Low Frequency SLF 2 30-300 Hz 10.000 km-1000 km Ultra Low Frequency ULF 3 300 – 3000 Hz 1000 km – 100 km Very Low Frequency VLF 4 3 – 30 KHz 100 km – 10 km Low Frequency LF 5 30 – 300 KHz 10 km – 1 km Medium Frequency MF 6 300 – 3000 KHz 1 km – 100 m High Frequency HF 7 3 – 30 MHz 100 m – 10 m Very High Frequency VHF 8 30 – 300 MHz 10 m – 1 m Ultra High Frequency UHF 9 300 – 3000 MHz 1 m – 100 mm Super High Frequency SHF 10 3 – 30 GHz 100 mm – 10 mm Extremely High Frequency EHF 11 30 – 300 GHz 10 mm – 1 mm
2.3 Antena
Antena adalah perangkat media transmisi wireless (nirkabel) yang memanfaatkan udara atau ruang bebas sebagai media penghantar. Antena mempunyai fungsi untuk merubah energi elektromagnetik terbimbing menjadi gelombang elektromagnetik ruang bebas (gelombang mikro) yang merupakan fungsi antena sebagai transmitter(Tx). Energi listrik dari transmitter dikonversi menjadi gelombang elektromagnetik dan oleh sebuah antena yang kemudian gelombang tersebut dipancarkan menuju udara bebas. Pada receiver(Rx) akhir gelombang elektromagnetik dikonversi menjadi energi listrik dengan menggunakan antena. Gambar 2.1 menunjukkan antena sebagai pengirim dan penerima.
Gambar 2.1 Antena Sebagai Pengirim dan Penerima
2.3.1 Parameter Karateristik Antena
Parameter karakteristik antena digunakan untuk menguji atau mengukur performa antena yang akan digunakan. Berikut penjelasan beberapa parameter antena yang sering digunakan yaitu direktivitas antena, gain antena, pola radiasi antena, beamwidth antena, bandwidth antena, impedansi antena dan voltage standing wave ratio (VSWR).
Antena Antena
Gelombang Elektromagnetik
2.3.1.1 Direktivitas Antena
Keterarahan dari suatu antena didefinisikan sebagai ”perbandingan antara intensitas radiasi maksimum dengan intensitas radiasi dari antena referensi isotropis”. Keterarahan dari sumber non-isotropis adalah sama dengan perbandingan intensitas radiasi maksimumnya di atas sebuah sumber isotropis[4]. Keterarahan pada antena secara umum dinyatakan dari Persamaan 2.3[4]:
rad o P U D 4 max log 10⋅ ⋅ ⋅ = π (2.3) Dimana : Do = directivity (dB)
Umax = intensitas radiasi maksimum (watt)
Prad = daya radiasi total (watt)
2.3.1.2 Gain Antena
Gain (directive gain) adalah karakter antena yang terkait dengan kemampuan antena mengarahkanradiasisinyalnya atau penerimaan sinyal dari arah tertentu. Gain bukanlah kuantitas yang dapat diukur dalam satuan fisis pada umumnya sepertiwatt,ohm, atau lainnya, melainkan suatu bentuk perbandingan. Oleh karena itu, satuan yang digunakan untuk gain adalah decibel [4].
Gain dari sebuah antena adalah kualitas nyala yang besarnya lebih kecil daripada penguatan antena tersebut yang dapat dinyatakan pada persamaan 2.4[5] :
Dimana :
k = efisiensi antena, 0 ≤ k ≤1
Gain antena dapat diperoleh dengan mengukur power pada main lobe dan membandingkan power-nya dengan power pada antena referensi. Gain antena diukur dalam satuan decibel. Decibel dapat ditetapkan dengan dua cara yaitu [4] :
a. Ketika mengacu pada pengukuran daya (power)
(2.5) b. Ketika mengacu pada pengukuran tegangan (volt)
(2.6)
Gain antena biasanya diukur relatif pada : 1) dBi (relatif pada radioator isotropic) 2) dBd (relatif pada radioator dipole)
Hubungan antara dBi dan dBd dapat dilihat pada persamaan 2.7[5] :
0 dBd = 2,15 dBi (2.7) Umumnya dBi digunakan untuk mengukur gain sebuah antena.
Gain dapat dihitung dengan membandingkan kerapatan daya maksimum antena yang diukur dengan antena referensi yang diketahui gainnya. Maka dapat dituliskan pada persamaan 2.8[4]:
(2.8)
Atau jika dihitung dalam nilai logaritmik dirumuskan oleh persamaan 2.9[4] : Gt (dB) = [Pt(dBm) – Ps(dBm)] + Gs(dB) (2.9) Dimana :
Gt = Gain total antena.
Pt = Nilai level sinyal maksimum yang diterima antena terukur (dBm). Ps = Nilai level sinyal maksimum yang diterima antena referensi (dBm). Gs = Gain antena referensi.
2.3.1.3 Pola Radiasi Antena
Pola radiasi dari sebuah antena didefinisikan sebagai fungsi matematis atau gambaran secara grafis dari karakteristik radiasi sebuah antena sebagai fungsi dari koordinat ruang. Pada kasus secara keseluruhan, pola radiasi dihitung/diukur pada medan jauh dan digambarkan kembali sebagai koordinat arah. Karakteristik radiasi mencakup rapat flux daya, intensitas radiasi, kuat medan, keterarahan/direktivitas, fasa atau polarisasi. Karakteristik radiasi yang menjadi pusat perhatian adalah distribusi energi radiasi dalam ruang 2 dimensi maupun 3 dimensi sebagai fungsi dari posisi pengamat di sepanjang jalur dengan jari-jari yang konstan. Contoh koordinat yang sesuai diperlihatkan pada Gambar 2.2[4].
Gambar 2.2 Sistem Koordinat Untuk Menganalisis Antena
Beamwidth adalah besarnya sudut berkas pancaran gelombang frekuensi radio utama (main lobe) yang dihitung pada titik 3 dB menurun dari puncak lobe utama [5]. Besarnya beamwidth dapat dihitung dengan persamaan 2.10[6] :
(2.10)
Dimana :
B = 3 dB beamwidth (derajat) = frekuensi (GHz)
d = diameter antena (m)
Gambar 2.3 menunjukkan tiga daerah pancaran yaitu lobe utama (main lobe, nomor 1), lobe sisi samping (side lobe, nomor 2) dan lobe sisi belakang (back lobe, nomor 3).
Gambar 2.3 Beamwidth Antena
Half Power Beamwidth (HPBW) adalah daerah sudut yang dibatasi oleh titik-titik setengah daya atau -3 dB atau 0.707 dari medan maksimum pada lobeutama. First Null Beamwidth (FNBW) adalah besar sudut bidang diantara dua arah pada main lobe yang intensitas radiasinya nol
Bandwidth suatu antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi dimana kerja yang berhubungan dengan berapa karakteristik (seperti impedansi masukan, pola, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR, return loss, axial ratio) memenuhi spesifikasi standar [4]. Gambar 2.4 menunjukkan bandwidth antena.
Gambar 2.4 Bandwidth Antena
Dari Gambar 2.4 diketahui f1 adalah frekuensi bawah, f2 adalah frekuensi
atas dan fc merupakan frekuensi tengah. Dengan melihat Gambar 2.4 bandwidth
dapat dicari dengan menggunakan persamaan 2.11[5] :
(2.11)
Bandwidth yang dinyatakan dalam persen seperti ini biasanya digunakan untuk menyatakan bandwidth antena yang memiliki band sempit (narrow band). Sedangkan untuk band yang lebar (broad band) biasanya digunakan definisi rasio antara batas frekuensi atas dengan frekuensi bawah.
2.3.1.6 Impedansi Antena
Impedansi antena didefinisikan sebagai perbandingan antara medan elektrik terhadap medan magnetik pada suatu titik [4]. Dengan kata lain pada sepasang terminal maka impedansi antena bisa didefinisikan sebagai
perbandingan antara tegangan terhadap arus pada terminal tersebut. Seperti pada persamaan 2.12. I V ZT = (2.12) Dimana :
ZT = impedansi terminal (ohm)
V = beda potensial terminal (volt) I = arus terminal (ampere)
2.3.1.7 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)
VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min). Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V0+) dan tegangan yang direfleksikan (V0-). Pebandingan tegangan yang direfleksikan dengan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (Γ) [4] :
(2.13)
di mana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0 adalah impedansi saluran.
Rumus untuk mendari VSWR adalah [4] :
VSWR = Γ − Γ + = 1 1 min ˆ max ˆ V V (2.14)
Kondisi yang baik adalah ketika VSWR bernilai 1, yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun, kondisi ini kenyataannya sulit diperoleh. Oleh karena itu, nilai standar VSWR yang diijinkan dalam perancangan antena adalah ≤ 2.
2.3.2 Antena Unidirectional
Antena unidirectional memancarkan dan menerima sinyal hanya dari satu
arah. Antena unidirectional mempunyai kemampuan direktivitas yang lebih dibandingkan jenis–jenis antena lainnya. Kemampuan direktivitas ini membuat antena ini lebih banyak digunakan untuk koneksi jarak jauh. Dengan kemampuan direktivitas ini membuat antena mampu mendengar sinyal yang relatif kecil dan mengirimkan sinyal lebih jauh. Umumnya antena unidirectional mempunyai spesifikasi gain tinggi tetapi beamwidth kecil. Hal ini menguntungkan karena kecilnya beamwidth menyebabkan berkurangnya derau yang masuk kedalam antena. Semakin kecil bidang tangkapan(aperture), semakin naik selektivitas antena terhadap sinyal wireless yang berarti semakin sedikit derau yang ditangkap oleh antena tersebut[7].
Beberapa macam antena unidirectional antara lain antena Yagi-Uda, antena parabola, antena helix, antena log-periodik, dan lain–lain. Gambar 2.5 salah satu jenis antena unidirectional yaitu antena Yagi-Uda.
2.4 Arduino
Arduino adalah kit elektronik atau papan rangkaian elektronik open source yang didalamnya terdapat komponen utama yaitu sebuah chip mikrokontroler dengan jenis AVR. Mikrokontroler itu sendiri adalah chip atau IC (integrated circuit) yang bisa diprogram menggunakan komputer. Tujuan menanamkan program pada mikrokontroler adalah agar rangkaian elektronik dapat membaca input, memproses input tersebut dan kemudian menghasilkan output sesuai yang diinginkan. Jadi mikrokontroler bertugas sebagai ‘otak’ yang mengendalikan input, proses dan output sebuah rangkaian elektronik. Karena komponen utama Arduino adalah mikrokontroler, maka Arduino dapat diprogram menggunakan komputer sesuai kebutuhan kita. Arduino tidak perlu perangkat chip programmer karena didalamnya sudah ada bootloader yang akan menangani upload program dari komputer. Sudah memiliki sarana komunikasi USB, sehingga pengguna laptop yang tidak memiliki port serial/RS323 bisa menggunakannya. Bahasa pemrograman relatif mudah karena software Arduino dilengkapi dengan kumpulan library yang cukup lengkap[8]. Memiliki modul siap pakai (shield) yang bisa ditancapkan pada board Arduino. Misalnya shield GPS, Ethernet, SD Card, dll.
Secara umum Arduino terdiri dari dua bagian, yaitu:
1. Hardware = Papan input/output (I/O) . Gambar 2.6 merupakan Hadware dari arduino, yaitu Arduino Nano[9].
Gambar 2.6 Arduino Nano
2. Software = Software Arduino meliputi IDE untuk menulis program, driver untuk koneksi dengan komputer, contoh program dan library untuk pengembangan program. Gambar 2.7 merupakan Tampilan Software Arduino IDE.
Gambar 2.7 Tampilan Software Arduino IDE
2.5 Motor Servo
Motor servo adalah sebuah motor dengan sistem umpan balik tertutup di mana posisi dari motor akan diinformasikan kembali ke rangkaian kontrol yang ada di dalam motor servo. Gambar 2.8 menunjukkan motor servo.
Gambar 2.8 Motor Servo
Motor ini terdiri dari sebuah motor DC, serangkaian gear, potensiometer dan rangkaian kontrol. Potensiometer berfungsi untuk menentukan batas sudut dari putaran servo. Sedangkan sudut dari sumbu motor servo diatur berdasarkan lebar pulsa yang dikirim melalui pin sinyal dari kabel motor.
Secara umum terdapat 2 jenis motor servo, yaitu motor servo standard dan motor servo Continous. Servo motor tipe standar hanya mampu berputar 180 derajat. Sedangkan servo motor continuous dapat berputar sebesar 360 derajat. Pada badan servo tertulis tipe servo yang bersangkutan[8].
Untuk menggerakkan motor servo ke kanan atau ke kiri, tergantung dari nilai delay yang diberikan. Untuk membuat servo pada posisi center, berikan pulsa 1ms sampai dengan 20 ms. Untuk memutar servo ke kanan, berikan pulsa <=1 ms, dan pulsa >= 2 ms untuk berputar ke kiri dengan delay 1 ms, seperti Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Menggerakkan motor servo ke kanan atau ke kiri
GPS atau Global Positioning System, merupakan sebuah alat atau sistem yang dapat digunakan untuk menginformasikan penggunanya berada (secara global) di permukaan bumi yang berbasiskan satelit. Data dikirim dari satelit berupa sinyal radio dengan data digital.
2.6.1 Sistem koordinat pada GPS
Koordinat Geografi diukur dalam lintang dan bujur dalam besaran derajat desimal, derajat menit desimal, atau derajat menit detik. Lintang diukur terhadap ekuator sebagai titik NOL (0° sampai 90° positif kearah utara dan 0° sampai 90° kearah selatan). Bujur diukur berdasarkan titik NOL di greenwich (0° sampai 180° kearah timur dan 0° sampai 180° kearah barat)[10]. Gambar 2.10 merupakan tampak globe yang menunjukan letak lintang dan bujur pada bumi[10].
Gambar 2.10 Sistem Koordinat Latitude dan Longitude
Dari berbagai format penulisan koordinat, ada tiga macam format koordinat yang dipakai pada GPS sebagai titik penentu lokasi suatu area, yakni[11]:
1. Koordinat yang mengandung derajat (degree), menit (minutes), dan detik (seconds), disebut juga DMS.
Format: derajat menit detik koma detik (dd mm ss.ss) Contoh: 40:26:46.302N 79:56:55.903W
Arti: Pada Lintang Utara (Latitude North) 40 derajat 26 menit 46,302 detik, Pada Bujur Barat (Longitude West) 79 derajat 56 menit 55,903 detik.
2. Koordinat yang mengandung derajat (degree) dan menit (minutes), disebut juga MinDec.
Format: derajat menit koma menit (dd mm.mmmm) Contoh: 76° 77.4564, -54° 34.5657
Arti : Pada Lintang Utara 76 derajat 77,4564 menit, Pada Bujur Barat 54 derajat 34,5657 menit.
3. Koordinat yang mengandung derajat saja (DegDec) Format: derajat koma derajat (dd.dddddd)
Contoh: -06.257508 , 106.745980
Arti: Pada Lintang Selatan 6, 257508 derajat, Pada Bujur Timur 106,745980 derajat.
2.7 Azimuth dan Bearing
Azimuth adalah sudut yang diukur searah jarum jam dari sembarang meridian acuan. Azimuth berkisar antara 0 sampai 360° dan tidak memerlukan huruf-huruf untuk menunjukkan kuadran. Refrensi sudut azimuth adalah arah utara bumi.
Bearing merupakan satu sistem penentuan arah garis dengan memakai sebuah sudut dan huruf-huruf kuadran. Sudutnya diukur dari utara maupun selatan ke arah timur ataupun barat, untuk menghasilkan sudut kurang dari 90°[13]. Gambar 2.11 menunjukkan perbedaan antara Bearing dan Azimuth.
Gambar 2.11 Azimuth dan Bearing
2.8 Kompas
Kompas adalah alat navigasi untuk menentukan arah berupa sebuah panah penunjuk magnetis yang bebas menyelaraskan dirinya denganmedan magnet bumi secara akurat. Kompas memberikan rujukan arah tertentu, sehingga sangat membantu dalam bidang navigasi. Arah mata angin yang ditunjuknya adalah utara, selatan, timur, dan barat[14].
2.9 Tracking Antena
Pergerakan muatan dapat menimbulkan masalah pada sisi stasiun bumi. Hal ini terjadi karena untuk dapat menerima data dengan baik, stasiun bumi harus terarah ke muatan. Oleh karena itu, antena stasiun bumi harus memiliki mount yang dapat digerakkan dan sistem tracking. Mount antena yang biasa digunakan adalah EL/AZ mount yang memungkinkan antena untuk digerakkan ke arah atas-bawah dan kiri-kanan. Sistem tracking diperlukan pada situasi dimana sebuah jaringan komunikasi mengharuskan level sinyal yang diterima dan yang dikirimkan berada didalam batas tertentu. Sistem tracking akan mencari arah sinyal terkuat yang dikirimkan oleh muatan sehingga memungkinkan antena stasiun bumi untuk pointing ke muatan [2].
Secara umum, sistem tracking terbagi menjadi 3, yaitu manual tracking, program tracking dan autotracking. Sistem manual tracking adalah sistem yang membutuhkan seorang operator untuk menggerakkan antena sampai didapat sinyal yang maksimal. Program tracking adalah sistem dimana antena digerakkan berdasarkan data-data prediksi lintasan muatan.Data ini bisa berupa data hasil perhitungan komputer maupun data rekaman lintasan muatan dari waktu-waktu sebelumnya. Sistem autoracking antena adalah suatu sistem yang memungkinkan antena stasiun bumi untuk mendeteksi dan bergerak ke arah sinyal terkuat secara otomatis dengan menggunakan sistem kontrol dan motor penggerak. Apabila sinyal yang diterima stasiun bumi menurun, maka sistem kontrol akan mendeteksi lokasi sinyal terkuat dan memberikan perintah agar motor penggerak mengerakkan antena ke arah tersebut [8].
