Teknik
Transmisi Radio
DTH2F3
1. PENDAHULUAN
(KONSEP DASAR SALURAN TRANSMISI)
By : Dwi Andi Nurmantris
Yuyun Siti Rohmah
Content
1. Fungsi dan Aplikasi saluran transmisi
2. Teori Saluran Transmisi
3. Model Saluran Transmisi
4. Parameter-parameter Saluran Transmisi
5. Persamaan Umum Saluran Transmisi
Fungsi dan Aplikasi
Saluran Transmisi
BLOK SISTEM KOMUNIKASI RADIO
Antena Transmitter Antena Receiver Saluran Transmisi Saluran TransmisiTransmitter berisi multiplexing, modulasi, upconverter, amplifier
Fungsi Saluran Transmisi
• Penghubung pesawat TV ke Antena dan
sebaliknya
• Penghubung Sentral telepon dengan
pelanggan
• Penghubung gardu listrik ke pelanggan
pada jaringan PLN
7
Contoh Saluran Transmisi
8
Contoh saluran Transmisi
• 2 kawat sejajar
d
2a
,
9
Contoh Saluran Transmisi
• Saluran Planar
• Wave Guide
d t b , , • Saluran transmisi didefinisikan sebagai alat untuk menyalurkan energi elektromagnet
dari suatu titik ke titik lain. Saluran transmisi dapat berupa kabel koaxial, kabel sejajar/twinlead, bumbung gelombang, optik, dan sebagainya.
• Macam-macam saluran transmisi umumnya ditentukan dari daerah frekuensi operasi,
kapasitas daya yang disalurkan, maupun redaman saluran per meter. Disini karakteristik saluran transmisi diturunkan atas dasar analogi dengan gelombang datar dalam medium.
• Saluran transmisi dikatakan uniform jika distribusi penampang medan listrik dan
medan magnetnya tampak sama pada tiap titik sepanjang saluran transmisi tersebut. Dalam hal ini, sebagaimana pada gelombang datar uniform, keadaan tersebut memerlukan karakteristik medium dielektrik yang uniform sepanjang saluran transmisi.
• Contoh saluran transmisi adalah : kabel PLN, kabel penghubung antara sentral yang bisa
berbentuk serat optik, kabel koax, strip line, twisted pair.
• In an electronic system, the delivery of power requires
the connection of two wires between the source and
the load. At low frequencies, power is considered to be
delivered to the load through the wire.
• In the microwave frequency region, power is
considered to be in electric and magnetic fields that are
guided from place to place by some physical structure.
Any physical structure that will guide an
electromagnetic wave place to place is called a
Transmission Line.
Teori Saluran Transmisi
The major deviation from circuit theory with transmission line, distributed networks is this positional dependence of voltage and current!
– Must think in terms of position and time to understand
transmission line behavior
– This positional dependence is added when the
assumption of the size of the circuit being small compared to the signaling wavelength
z
t
f
I
t
z
f
V
,
,
V1 V2 dz I2 I1Voltage and current on a transmission line is a
function of both time and position.
Teori Saluran Transmisi
Power Plant Consumer Home Power Frequency (f) is @ 60 Hz Wavelength (l) is 5 106 m ( Example length : 300 Km)
Teori Saluran Transmisi
Integrated Circuit
Microstrip
Stripline
Via
Cross section view taken here PCB substrate
T
W
Cross Section of Above PCB
T Signal (microstrip) Ground/Power Signal (stripline) Signal (stripline) Ground/Power Signal (microstrip) Copper Trace Copper Plane FR4 Dielectric W Signal Frequency (f) is approaching 10 GHz Wavelength (l) is 1.5 cm ( 0.6 inches) Micro- Strip Stripline
Teori Saluran Transmisi
Whether it is a bump or a mountaindepends on the ratio of its size (tline) to the size of the vehicle (signal wavelength)
When do we need to use transmission line analysis techniques vs. lumped circuit analysis? Tline Wavelength/edge rate
Similarly, whether or not a line is to be considered as a transmission linedepends on the ratio of length of the line
(delay) to the
wavelength of the applied frequency
Teori Saluran Transmisi
• The electrical characteristics of a transmission line become increasingly critical as the frequency of transmission increases • Instead of examining the EM field distribution within these
transmission lines (Very Complex), we will simplify the discussion by using a simple model consisting of distributed elements
(inductors,capacitors,resistor). This model called distributed
element model or transmission line model
• essentially, transmission line model needs to be used in circuits where the wavelengths of the signals have become comparable to the physical dimensions of the components. An often quoted
engineering rule of thumb is that parts larger than one tenth of a wavelength will usually need to be analysed as distributed elements
• At low frequencies, the circuit elements are lumped since
voltage and current waves affect the entire circuit at the same
time.
• At microwave frequencies, such treatment of circuit elements
is not possible since voltage and current waves do not affect
the entire circuit at the same time.
• The circuit must be broken down into unit sections within
which the circuit elements are considered to be lumped.
• This is because the dimensions of the circuit are comparable
to the wavelength of the waves according to the formula:
l
c/f
where,
c = velocity of light
f = frequency of voltage/current
• The transmission line is divided into small units where the
circuit elements can be lumped.
Low Frequency Vs High Frequency
• The differential segment of the transmission
line
R’ = resistance per unit length L’= inductance per unit length C’= capacitor per unit length G’= conductance per unit length
Parameter-parameter
• Konstanta primer saluran :
– R
’, L
’, G
’, C
’• Konstanta sekunder saluran :
– Konstanta propagasi ( )
– Impedansi karaketristik (Z
0)
– Kecepatan fasa (V
ph)– Kecepatan group (V
g)
Parameter-parameter dalam Saluran
Transmisi
• The transmission line has electrical resistance along its
length. This resistance is usually expressed in ohms per
unit length and is shown as existing continuously from
one end of the line to the other.
Parameter-parameter dalam Saluran
Transmisi
• When current flows through a wire, magnetic lines of force are set up around the wire
• As the current increases and decreases in amplitude, the field around the wire expands and collapses accordingly
• The energy produced by the magnetic lines of force collapsing back into the wire tends to keep the current flowing in the same direction • This represents a certain amount of inductance, which is expressed
in microhenrys per unit length
Parameter-parameter dalam Saluran
Transmisi
• Capacitance also exists between the transmission line wires. • two parallel wires act as plates of a capacitor and that the air
between them acts as a dielectric.
• The capacitance between the wires is usually expressed in picofarads per unit length
Parameter-parameter dalam Saluran
Transmisi
• Since any dielectric, even air, is not a perfect insulator, a small current known as LEAKAGE CURRENT flows between the two wires.
• In effect, the insulator acts as a resistor, permitting current to pass between the two wires.
• This property is called CONDUCTANCE (G) and is usually given in • micromhos per unit length.
Parameter-parameter dalam Saluran
Transmisi
TUGAS 2
1. Carilah formula konstanta primer
beberapa jenis saluran transmisi!
2. Apa saja yang mempengaruhi besarnya
nilai konstanta primer dari suatu jenis
dB
8,686
Np
1
(farad/m)
panjang
satuan
per
i
Kapasitans
(s/m)
atau
(mho/m)
panjang
satuan
per
i
Konduktans
(H/m)
panjang
satuan
per
Induktansi
(Ohm/m)
panjang
satuan
per
Resistansi
Z
saluran
tik
karakteris
Impedansi
(rad/km)
fasa
konstanta
;
(Np/km)
redaman
konstanta
,
saluran
propagasi
Konstanta
' ' ' ' 0 0 0 ' ' ' ' ' 0 ' ' ' ' ' '
C
G
L
R
jX
R
Y
Z
C
j
G
L
j
R
Z
j
Y
Z
C
j
G
L
j
R
Parameter-parameter dalam Saluran
Transmisi
Parameter-parameter dalam Saluran
Transmisi
Konstanta Sekunder
….Konstanta Propagasi
Propagation Constant
(
R
'
j
L
'
)(
G
'
j
C
'
)
j
Menyebabkan penurunan amplitudo gelombang karena desipasi daya sepanjangtransmisi. Nilai a terkait dengan resistansi saluran
Konstanta redaman
Menyebabkan perubahan fasa dan bentuk gelombang terkait dengan perubahan induktansi dan kapasitansi sepanjang saluran
0
'
'
.
'
'
R
j L
Z
G
j C
Parameter-parameter dalam Saluran
Transmisi
Konstanta Sekunder
…..Impedansi Karakteristik
Impedansi Karakteristik saluran didefinisikan dari suatu saluran transmisi yang panjangnya tak hingga
Jika saluran tersebut dicatu dengan tegangan AC maka akan
muncul arus yang mengalir di sepanjang saluran (pengaruh nilai C’ dan G’)
Perbandingan tegangan dan arus pada input saluran transmisi dengan panjang tak hingga disebut Impedansi Karakteristik
Parameter-parameter dalam Saluran
Transmisi
Konstanta Sekunder
…..Wavelength (λ )
Wavelength (Panjang gelombang) didefinisikan sebagai jarak dimana gelombang merambat sepanjang saluran agar pergeseran gelombang mencapai 2π radian (satu gelombang penuh)
)
(
2
meter
l
Jika suatu saluran menggunakan suatu dielektrik tertentu maka panjang gelombang bisa dituliskan :
)
(
0meter
r
l
l
l
0
Panjang gelombang di udara
Parameter-parameter dalam Saluran
Transmisi
Konstanta Sekunder
…..Kecepatan Phasa (Vp)
Kecepatan Phasa (phase velocity / wave velocity/ velocity of
propagation ) didefinisikan sebagai kecepatan dimana gelombang
merambat sepanjang saluran pada frekuensi tertentu.
)
sec
/
(
meter
ond
f
V
p
l
f
V
p
2
V
p Jika saluran menggunakan bahan dielektrik maka
r pC
Parameter-parameter dalam Saluran
Transmisi
Konstanta Sekunder
…..Kecepatan Group (Vg)
Kecepatan Group (group velocity) didefinisikan sebagai
kecepatan dari sekumpulan gelombang dimana masing – masing gelombang mempunyai fasa yang sama
1. Suatu saluran telepon open wire memiliki R’ = 10Ω/km,
L’=0,0037 henry/km, C’=0,0083 x 10
-6, dan G’= 0,4 x
10
-6mho/km , pada frequensi 1 Khz tentukan :
a) Konstanta propagasi
b) Konstanta redaman
c) Konstanta phasa
d) Impedansi karakteristik
e) Panjang gelombang
f)
Kecepatan phasa
Parameter-parameter dalam Saluran
Transmisi
a) Konstanta propagasi
b) Konstanta redaman c) Konstanta phasa
Parameter-parameter dalam Saluran
Transmisi
Solusi
(R'j L')(G' j C') j (10 j2 1000(0,0037))(0,4.106 j2 1000(0,0083.106)) j (10 j23,25)(0,4.106 j52,15.106)) j (25,3166,73)(52,15.10689,56) j 1319,92.106156,29 j 0,0363378,1450,00746 j0,0356(perKm) j ) / ( 0000648 , 0 ) / ( 00746 , 0 neper Km dB m ) / ( 0356 , 0 radian Km dB neper 8,686 1 a) Impedansi Karakteristik
b) Panjang Gelombang
c) Kecepatan Phasa
Parameter-parameter dalam Saluran
Transmisi
Solusi
) ( 88 , 137 88 , 682 415 , 11 66 , 696 56 , 89 10 . 15 , 52 73 , 66 31 , 25 ) ' ' ( ) ' ' ( 0 6 J ohm C j G L j R Z ) ( 49 , 176 0356 , 0 2 2 km l ) / ( 10 . 49 , 176 1000 10 . 49 , 176 3 6 m s f Vp l Persamaan Umum
Saluran Transmisi
) , ( ) , ( ) ' ' ( ) , (z t R z J L z I z t V z z t V ) , ( ) ' ' ( ) , ( ) , ( t z I L J R z t z V t z z V
Taking the limit as z tends to 0 leads to
) , ( ) ' ' ( ) , ( t z I L J R z t z V
) , ( ) ' ' ( ) , ( t z V C J G z t z I ) , ( ) , (z t I I z z t I z C J t z z V z G t z z V t z z I t z I ' 1 ) , ( ' 1 ) , ( ) , ( ) , (
Taking the limit as tends to 0 leads to z
) , ( ) ' ' ( ) , ( ) , (z t I z z t G z J C zV z z t I ) , ( ) ' ' ( ) , ( ) , ( t z z V C J G z t z z I t z I
0 ) , ( ) , ( 0 ) , ( ) , ( 2 2 2 2 2 2 z t I dz z t I d z t V dz z t V d ) , ( ) ' ' ( ) , ( t z I L J R z t z V ) , ( ) ' ' ( ) , ( t z V C J G z t z I
Persamaan Umum Saluran Transmisi
0 0 0 0
( , )
cos(
)
cos(
)
( , )
cos(
)
cos(
)
z z z zv z t
V e
t
z
V e
t
z
i z t
I e
t
z
I e
t
z
0 0 0 0( )
( )
z z z zV z
V e
V e
I z
I e
I e
Disebut Persamaan Differential saluran transmisi
Solusi Tegangan dan arus :
Atau dalam bentuk fungsi hiperbolic:
z z
e
z cosh sinh z ze
z cosh sinh
V V
coshz
V V
sinhz V(z) 0 0 0 0 z I I z I I cosh sinh I(z) 0 0 0 0 Disebut Telegrapher’s Equations
Ingat :
j t
e
z
V
Re
t)
V(z,
+ V(z) - Zo +j
)
e
A
e
(-A
Z0
1
I(z)
e
A
e
A
V(z)
z z z z γ 2 γ 1 γ 2 γ 1
Persamaan Umum saluran transmisi LV(z) = Tegangan sejauh z dari sumber I(z) = Arus sejauh z dari sumber
Z
Persamaan Umum Saluran Transmisi
z γ 2e A V(z) z γ 1e A V(z)
Menggambarkan ada dua
gelombang yang merambat
dalam saluran transmisi :
• V+ dan atau I+ yang merambat
pada arah (Z positif)
• V- dan atau I- yang merambat
pada arah (Z negatif)
o 2 1 z z 2 1 s z Z A A -I I A A V V : didapat maka 0 z Jika
)
e
A
e
(-A
Z
1
I
e
A
e
A
V
z z z z γ 2 γ 1 O z γ 2 γ 1 z
Persamaan umum saluran :
Pers 1 Pers 2 2 .Z I Vs A 2 .Z I Vs A 0 s 2 0 s 1 2 e e .Z I 2 e e V V e 2 .Z I V e 2 .Z I V V : didapat 1, pers ke A dan A kan Substitusi γz -γz 0 s γz -γz s z γz 0 s s γz 0 s s z 2 1
γz
Z
I
γz
V
V
z
s
cosh
s
0
sinh
Persamaan Tegangan dan Arus jika
Parameter sumber diketahui
ZL Zg Vg + Vs - Is + VL - Zo +j Z=L Z
43
Persamaan umum saluran :
Pers 1 Pers 2
2
e
e
Z
V
2
e
e
I
I
e
2Z
.Z
I
V
e
2Z
V
.Z
I
I
:
didapat
2,
pers
ke
A
dan
A
kan
Substitusi
γz -γz 0 S γz -γz s z γz 0 0 s s γx 0 S 0 s z 2 1γz
Z
V
γz
I
I
z
s
cosh
s
sinh
0
Persamaan Tegangan dan Arus jika
Parameter sumber diketahui
ZL Zg Vg + Vs - Is + VL - Zo +j Z=L Z
)
e
A
e
(-A
Z
1
I
e
A
e
A
V
z z z z γ 2 γ 1 O z γ 2 γ 1 z
Persamaan umum saluran :
Pers 1
44
γz
Z
I
γz
V
V
z
s
cosh
s
0
sinh
γz
Z
V
γz
I
I
z
s
cosh
s
sinh
0
Persamaan Tegangan Dan Arus JikaParameter
Sumber diketahui !
Persamaan Tegangan dan Arus jika
Parameter sumber diketahui
ZL Zg Vg + Vs - Is + VL - Zo +j Z=L Z
) e A e (-A Z 1 I e A e A V z z z z γ 2 γ 1 O z γ 2 γ 1 z
Persamaan umum saluran :
Pers 1 Pers 2
γL
2 γL 1 o L γL 2 γL 1 L e A e A -Z 1 I e A e A V : didapat maka L z Jika γL 0 L L 2 γL 0 L L 1 e 2 .Z I V A e 2 .Z I V A 2 e e Z I e 2 e e V V e 2 .Z I V e 2 .Z I V V e 2 .Z I V e 2 .Z I V V e 2 .Z I V e 2 .Z I V V : didapat 1, pers ke A dan A kan Substitusi γd -γd 0 L γ -γd -γd L d γd 0 L L γd -0 L L d z) -γ(L 0 L L z) -γ(L -0 L L d γL γz 0 L L γL -γz 0 L L z 2 1γd
Z
I
γd
V
V
d
L
cosh
L
0
sinh
Persamaan Tegangan dan Arus jika
Parameter Beban diketahui
ZL Zg Vg + Vs - Is + VL - Zo +j Z=L d
) e A e (-A Z 1 I e A e A V z z z z γ 2 γ 1 O z γ 2 γ 1 z
Persamaan umum saluran :
Pers 1
Pers 2
Dengan cara yang sama masukkan A1 dan A2 ke pers 2, maka didapat :
γd
Z
V
γd
I
I
d
L
cosh
L
sinh
0
Persamaan Tegangan dan Arus jika
Parameter Beban diketahui
ZL Zg Vg + Vs - Is + VL - Zo +j Z=L d
γd
Z
I
γd
V
V
d
L
cosh
L
0
sinh
γd
Z
V
γd
I
I
d
L
cosh
L
sinh
0
Persamaan Tegangan Dan Arus JikaParameter
Beban diketahui !
Persamaan Tegangan dan Arus jika
Parameter Beban diketahui
ZL Zg Vg + Vs - Is + VL - Zo +j Z=L d
• Pada slide sebelumnya sudah didefinisikan mengenai impedansi karakteristik
• Alternatif pengertian impedansi karakteristik yang dilihat dari
persamaan umum saluran transmisi, adalah ratio antara tegangan dan arus yang merambat ke satu arah ( V(z)+/I(z)+ ) atau ( -V(z)-/I(z)- ) pada setiap titik di saluran transmisi
I V jX R C j G L j R L j R I V Z e I L j R e V e I z I z I e V z V z V z I L j R dz z dV o o o z z z z ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( z
Impedansi Karakteristik
• Dapat disimpulkan bahwa impedansi karakteristik bukan merupakan fungsi dari jarak, dan besarnya hanya tergantung dari nilai R’, L’, C’, dan G’ saja.
• Untuk mempermudah desain dan aplikasi biasanya nilai impedansi karakteristik (Z0) dari berbagai jenis saluran sudah dibuat formula-formula yang bisa langsung digunakan
Impedansi Karakteristik
1. Carilah formula-formula Impedansi
karakteristik (Z0) beberapa jenis saluran
transmisi!
2. Apa saja yang mempengaruhi besarnya nilai
impedansi karakteristik dari suatu jenis
saluran transmisi?
50
cosh
I
1
cosh
I
1
dengan
Kalikan
sinh
cosh
sinh
cosh
L L 0 0d
d
γd
Z
V
γd
I
γd
Z
I
γd
V
I
V
Z
L L L L d d d
γd
Z
Z
γd
Z
Z
Z
Z
L L dtanh
tanh
0 0 0 Didapat :Merupakan impedansi saluran sejauh d dari beban !
Persamaan Impedansi Saluran Transmisi
ZL Zg Vg + Vs - Is + VL - Zo +j Z=L L d Zd Zin
Bedakan dengan impedansi
karakteristik saluran !!!
51
γd
Z
Z
γd
Z
Z
Z
Z
L L dtanh
tanh
0 0 0 Jika d = L maka :
γL
Z
Z
γL
Z
Z
Z
Z
Z
L L in L dtanh
tanh
0 0 0Adalah Impedansi Input Saluran Transmisi !
Persamaan Impedansi Saluran Transmisi
ZL Zg Vg + Vs - Is + VL - Zo +j L d Zd Zin
• A 40-m long TL has Vg=15 cos (ωt), Zo= 262,88-j137,88 W, and γ = 0,00746+J0,0356 (per m). If Zg=ZL=Z0 ,find:
a) the input impedance Zin,
b) the sending-end current Iin c) the sending-end voltage Vin, d) the receiving-end voltage VL. e) the receiving-end current IL
f) Impedance at point 20 m from load
ZL Zg Vg + Vin - Iin + VL - Zo= 262,88-j137,88 W γ= 0,00746+j0,0356 40 m
Latihan
a) Input Impedance (Zin)
Karena saluran match dengan beban, maka Z0 = ZL = 262,88-j137,88 W
Maka:
b) Sending-end Current (Iin)
c) Sending-end voltage (Vin)
Parameter-parameter dalam Saluran
Transmisi
Solusi
W 262,88 137,88 tanh tanh 0 0 0 0 γL Z j Z Z γL Z Z Z Z L L in Zin Zg Vg + Vin - Iin 525,76 275,76 0 15 88 , 137 88 , 262 88 , 137 88 , 262 0 15 j j j Zin Z V I g g in ) )( 68 , 27 cos( 0253 , 0 68 , 27 0253 , 0 68 , 27 69 , 593 0 15 ampere t Iin Zin Zg Vg + Vin - Iin 15 0 88 , 137 88 , 262 88 , 137 88 , 262 88 , 137 88 , 262 j j j V Zg Zin Z Vin in g t)(volt) ( cos 7,5 ) ( 0 5 , 7 2 0 15 volt Vind) Receiving-end Voltage (VL)
e) Receiving-end Current (IL)
Parameter-parameter dalam Saluran
Transmisi
Solusi
γz Z I γz V Vz incosh in 0sinh
(0,00746 0,0356)40
cosh 0 5 , 7 j VL
0,025327,68
262,88 j137,88
sinh (0,00746 j0,0356)40
γz Z V γz I Iz incosh in sinh 0
(0,00746 0,0356)40
cosh 68 , 27 0253 , 0 j γL Z I γL V VL incosh in 0sinh γL Z V γL I IL incosh in sinh 0
sinh (0,00746 0,0356)40 0,02055 54,64 88 , 137 88 , 262 0 5 , 7 j jy
x
y
x
y
x
y
x
y
x
y
x
x
j
jx
x
jx
sinh
cosh
cosh
sinh
)
sinh(
sinh
sinh
cosh
cosh
)
cosh(
sin
sinh
cos
cosh
Review Kembali!!! ) )( 32 , 82 cos( 096 , 6 32 , 82 096 , 6 t volt VL ) 64 , 54 cos( 02055 , 0 tf) Zd=20m
Parameter-parameter dalam Saluran
Transmisi
Solusi
W 262,88 137,88 tanh tanh 0 0 0 0 Z j γd Z Z γd Z Z Z Z L L dKonsep Bandwidth dalam
Saluran Transmisi
57
• Matching impedansi yang dilakukan pada frekuensi tunggal/referensi bisa saja berhasil mencapai VSWR minimum yang mendekati 1 di saluran utamanya, terutama jika salurannya lossless. Jika saluran lossy, maka matching dengan VSWR minimum mendekati 1 dapat dicapai pada pangkal saluran (titik input), sedangkan di ujung saluran (titik beban) VSWR akan cenderung membesar.
• Setelah matching dilakukan pada frekuensi referensi, saluran tersebut bagi komponen sinyal dengan frekuensi yang semakin jauh dari referensi akan semakin tidak matched.
• Dapat dibuat plot kurva respons VSWR saluran terhadap frekuensi.
VSWR f 1.2 1.4 1.6 1.8 1.35 fref fH fL BW1.35=fH fL
58