BAB II
TEORI DASAR ANTENA DAN EVOLUTION DATA ONLY (EVDO)
2.1 Umum
Penemuan teknologi radio adalah kemajuan besar dunia telekomunikasi. Awal 1800-an secara terpisah Joseph Henry, profesor dari Pinceton University, dan fisikawan Inggris Michael Faraday mengembangkan teori induksi. Percobaan mereka terhadap elektromagnet membuktikan arus listrik di sebatang kawat dapat menimbulkan arus di batang kawat lain, meski keduanya tidak berhubungan. Tahun 1864 fisikawan Inggris lain James Clerik Maxwell, berteori bahwa arus listrik dapat menciptakan medan magnet dan bahwa gelombang elektromagnet bergerak dengan kecepatan cahaya. Teori Maxwell itu belakangan dibuktikan kebenarannya oleh percobaan yang dilakukan fisikawan Jerman Heinrich Hertz, tahun 1880. Pada tahun 1886, Hertz memasang peralatan yang sekarang diketahui sebagai sistem radio dengan antenna dipole sebagai pengirim dan antenna loop segi empat sebagai penerima. Penemuan Hertz ini dilanjutkan oleh Guglielmo Marconi dengan menambah rangkaian tuning dan antena besar yang mampu melakukan yang sangat jauh. Kemudian Guglielmo Marconi pada 1895, berhasil mengirim sinyal komunikasi radio dengan gelombang elektromagnet sejauh ± 1,5 km. Tahun 1901, sinyal dari perangkat adio Marconi mampu melintasi Samudera Atlantik dari Inggris ke Newfoundland, Kanada.
2.2 Gelombang Elektromagnet
Gelombang elektromagnet 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 :
(2.1)
Kecepatan (ν) bergantung pada medium. Ketika medium rambat adalah hampa udara (free space), maka :
v = c = 3 x 108 m/s (2.2)
2.3 Pengertian Antena
Dalam sejarah komunikasi, perkembangan teknik informasi tanpa menggunakan kabel ditetapkan dengan nama antena. Antena berasal dari bahasa latin ”antena” yang berarti tiang kapal layar. Dalam pengertian sederhana kata latin ini berarti juga “penyentuh atau peraba” sehingga kalau dihubungkan dengan teknik komunikasi berarti bahwa antena mempunyai tugas menyelusuri jejak gelombang elektromagnetik, hal ini jika antena berfungsi sebagai penerima. Sedangkan jika sebagai pemancar maka tugas antena tersebut adalah menghasilkan sinyal gelombang elektromagnetik.
Antena dapat juga didefinisikan sebagai sebuah atau sekelompok konduktor yang digunakan untuk memancarkan atau meneruskan gelombang
dari ruang bebas. Energi listrik dari pemancar dikonversi menjadi gelombang elektromagnetik dan oleh sebuah antena yang kemudian gelombang tersebut dipancarkan menuju udara bebas. Pada penerima 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
2.4 Parameter – Parameter Antena
Parameter-parameter antenna digunakan untuk menguji atau mengukur performa antenna yang akan digunakan. Berikut penjelasan beberapa parameter antenna yang sering digunakan yaitu direktivitas antena, gain antena, pola radiasi antena, polarisasi antena, beamwidth antena dan bandwidth antenna.
2.4.1 Direktivitas Antena
Directivity dari sebuah antena atau deretan antena diukur pada kemampuan
yang dimiliki antena untuk memusatkan energi dalam satu atau lebih ke arah khusus. Antena dapat juga ditentukan pengarahanya tergantung dari pola radiasinya. Dalam sebuah array propagasi akan diberikan jumlah energi, gelombang radiasi akan dibawa ketempat dalam suatu arah. Elemen dalam array
dapat diatur sehingga akan mengakibatkan perubahan pola atau distribusi energi lebih yang memungkinkan ke semua arah (omnidirectional). Suatu hal yang tidak sesuai juga memungkinkan. Elemen dapat diatur sehingga radiasi energi dapat dipusatkan dalam satu arah (unidirectional) [1].
Direktivitas antena merupakan perbandingan kerapatan daya maksimum dengan kerapatan daya rata-rata. Maka dapat dituliskan pada persamaan :
(2.3)
2.4.2 Gain Antena
Gain (directive gain) adalah karakter antena yang terkait dengan
kemampuan antena mengarahkan radiasi sinyalnya, atau penerimaan sinyal dari arah tertentu. Gain bukanlah kuantitas yang dapat diukur dalam satuan fisis pada umumnya seperti watt, ohm, atau lainnya, melainkan suatu bentuk perbandingan. Oleh karena itu, satuan yang digunakan untuk gain adalah desibel [2].
Gain dari sebuah antenna adalah kualitas nyala yang besarnya lebih kecil
daripada penguatan antena tersebut yang dapat dinyatakan dengan :
Gain = G = k. D (2.4)
Dimana :
k = efisiensi antenna, 0 ≤ k ≤1
Gain antena dapat diperoleh dengan mengukur power pada main lobe dan
membandingkan powernya dengan power pada antena referensi. Gain antena diukur dalam desibel, bisa dalam dBi ataupun dBd. Jika antena referensi adalah
antena diukur relative terhadap sebuah antena dipole. Jika antena referensi adalah sebuah isotropic, jadi gain antena diukur relatif terhadap sebuah antena isotropic [3].
Gain dapat dihitung dengan membandingkan kerapatan daya maksimum
antena yang diukur dengan antena referensi yang diketahui gainnya. Maka dapat dituliskan pada Persamaan ;
(2.5)
Decibel (dB) merupakan satuan gain antena. Decibel adalah perbandingan
dua hal. Decibel ditetapkan dengan dua cara, yaitu : a. Ketika mengacu pada pengukuran daya.
(2.6) b. Ketika mengacu pada pengukuran tegangan.
(2.7)
2.4.3 Pola Radiasi Antena
Pola radiasi antena atau pola antena didefinisikan sebagai fungsi matematik atau representasi grafik dari sifat radiasi antena sebagai fungsi dari koordinat. Di sebagian besar kasus, pola radiasi ditentukan di luasan wilayah dan direpresentasikan sebagai fungsi dari koordinat directional [4]. Pola radiasi antena adalah plot 3-dimensi distribusi sinyal yang dipancarkan oleh sebuah antena, atau plot 3-dimensi tingkat penerimaan sinyal yang diterima oleh sebuah antena [2].
Pola radiasi antena menjelaskan bagaimana antena meradiasikan energi ke ruang bebas atau bagaimana antena menerima energi.
a. Pola Radiasi Antena Unidirectional
Antena unidirectional mempunyai pola radiasi yang terarah dan dapat menjangkau jarak yang relative jauh. Gambar 2.2 merupakan gambaran secara umum bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antena unidirectional.
Gambar 2.2 Bentuk Pola Radiasi Antena Unidirectional
b. Pola Radiasi Antena Omnidirectional
Antena omnidirectional mempunyai pola radiasi yang digambarkan seperti bentuk kue donat (doughnut) dengan pusat berimpit. Antena Omnidirectional pada umumnya mempunyai pola radiasi 3600 jika dilihat pada bidang medan magnetnya. Gambar 2.3 merupakan gambaran secara umum bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antena omnidirectional.
Gambar 2.3 Bentuk Pola Radiasi Antena Omnidirectional
2.4.4 Polarisasi Antena
Polarisasi antena merupakan orientasi perambatan radiasi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu antena dimana arah elemen antena terhadap permukaan bumi sebagai referensi lain. Energi yang berasal dari antena yang dipancarkan dalam bentuk sphere, dimana bagian kecil dari sphere disebut dengan wave front. Pada umumnya semua titik pada gelombang depan sama dengan jarak antara antena. Selanjutnya dari antena tersebut, gelombang akan membentuk kurva yang kecil atau mendekati. Dengan mempertimbangkan jarak,
right angle ke arah dimana gelombang tersebut dipancarkan, maka polarisasi
dapat digambarkan sebagaimana Gambar 2.4 [ 5].
Ada empat macam polarisasi antena yaitu polarisasi vertikal, polarisasi horizontal, polarisasi circular, dan polarisasi cross [3].
a. Polarisasi Vertikal
Radiasi gelombang elektromagnetik dibangkitkan oleh medan magnetik dan gaya listrik yang selalu berada di sudut kanan. Kebanyakan gelombang elektromagnetik dalam ruang bebas dapat dikatakan berpolarisasi linier. Arah dari polarisasi searah dengan vektor listrik. Bahwa polarisasi tersebut adalah vertikal jika garis medan listrik yang disebut dengan garis E berupa garis vertikal maka gelombang dapat dikatakan sebagai polarisasi vertikal. Gambar 2.5 menunjukkan polarisasi vertikal.
Gambar 2.5 Polarisasi Vertikal
b. Polarisasi Horizontal
Antena dikatakan berpolarisasi horizontal jika elemen antena horizontal terhadap permukaan tanah. Polarisasi horizontal digunakan pada beberapa jaringan wireless. Gambar 2.6 menunjukkan polarisasi horizontal.
Gambar 2.6 Polarisasi Horizontal
c. Polarisasi Circular
Polarisasi circular pernah digunakan pada beberapa jaringan wireless. Dengan antena berpolarisasi circular, medan electromagnet berputar secara konstan terhadap antena. Gambar 2.7 menunjukkan polarisasi circular.
e
Gambar 2.7 Polarisasi Circular
Ada dua jenis turunan pada antena polarisasi circular berdasarkan cara membuatnya yaitu left hand circular dan right hand circular. Medan elektromagnetik pada right hand circular berputar searah jarum jam ketika meninggalkan antena. Medan elektromagnetik pada left hand circular berputar berlawanan arah jarum jam ketika meninggalkan antena.
Polarisasi cross terjadi ketika antena pemancar mempunyai polarisasi horizontal, sedangkan antena penerima mempunyai polarisasi vertikal atau sebalikanya. Gambar 2.8 menunjukkan polarisasi cross.
Gambar 2.8 Polarisasi Cross
2.4.5 Beamwidth 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 adalah sebagai berikut :
(2.8)
Dimana :
B = 3 dB beamwidth (derajat) = frekuensi (GHz)
d = diameter antena (m)
Apabila beamwidth mengacu kepada perolehan pola radiasi, maka
beamwidth dapat dirumuskan sebagai :
Gambar 2.9 menunjukkan tiga daerah pancaran yaitu lobe utama (main
lobe,nomor 1), lobe sisi samping (side lobe, nomor dua), dan lobe sisi belakang
(back lobe, nomor 3). Half Power Beamwidth ( HPBW) adalah daerah sudut yang dibatasi oleh titiktitik ½ daya atau -3 dB atau 0.707 dari medan maksimum pada lobe utama. First Null Beamwidth (FNBW) adalah besar sudut bidang diantara dua arah pada main lobe yang intensitas radiasinya nol.
Gambar 2.9 Beamwidth Antena
2.4.6 Bandwidth Antena
Pemakaian sebuah antena dalam sistem pemancar atau penerima selalu dibatasi oleh daerah frekuensi kerjanya. Pada range frekuensi kerja tersebut antena dituntut harus dapat bekerja dengan efektif agar dapat menerima atau memancarkan gelombang pada band frekuensi tertentu seperti ditunjukkan pada Gambar 2.10.
Daerah frekuensi kerja dimana antena masih dapat bekerja dengan baik dinamakan bandwidth antena . Misalnya sebuah antena bekerja pada frekuensi tengah sebesar fC, namun ia juga masih dapat bekerja dengan baik pada frekuensi f1 (di bawah fC) sampai dengan f2 (di atas fC), maka bandwidth antena tersebut adalah :
(2.10)
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 [6].
2.5 Antena Isotropis
Antena isotropis merupakan sumber titik yang memancarkan daya ke segala arah dengan intensitas yang sama, seperti permukaan bola. Karena itu dikatakan pola radiasi antena isotropis berbentuk bola. Antena ini tidak ada dalam dunia nyata dan hanya digunakan sebagai dasar untuk merancang dan menganalisa stuktur antena yang lebih kompleks [7]. Gambar menunjukkan gambar 2.11 antena isotropis.
Gambar 2.11 Antena Isotropis
2.6 Antena Directional
Berdasarkan direktivitasnya, antena unidirectional dibagi menjadi antena
unidirectional dan antena omnidirectional. Antena unidirectional adalah antena
yang memancarkan dan menerima sinyal hanya dari satu arah. Sedangkan antena
omnidirectional adalah antena yang memancarkan dan menerima sinyal dari
segala arah.
2.6.1 Antena Unidirectional
Antena unidirectional memancarkan dan menerima sinyal dari satu arah. Hal ini ditunjukkan dengan bentuk pola radisinya yang terarah. Antena
unidirectional mempunyai kemampuan direktivitasnya 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 mendapatan sinyal yang relative 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 ke dalam antena. Semakin kecil
bidang tangkapan (aperture), semakin naik selektivitas antena terhadap sinyal
wireless yang berarti semakin sedikit derau yang ditangkap oleh antena tersebut
[3]. Beberapa macam antena unidirectional antara lain antena Yagi-Uda, antena parabola, antena helix, antena log-periodic, dan lain – lain [8]. Gambar 2.12 memperlihatkan beberapa contoh antena unidirectional.
Gambar 2.12 Contoh Antena Unidirectional 2.6.2 Antena Omnidirectional
Antena omnidirectional memancarkan dan menerima sinyal dari segala arah dengan daya pancar yang sama. Untuk menghasilkan cakupan area yang luas, gain antena omnidirectional harus memfokuskan dayanya secara horizontal, dengan mengabaikan pola pancaran ke atas dan ke bawah. Dengan demikian, keuntungan dari antena jenis ini adalah dapat melayani jumlah pengguna yang lebih banyak dan biasanya digunakan untuk posisi pengguna yang melebar. Kesulitannya adalah pada pengalokasian frekuensi untuk setiap sel agar tidak terjadi interferensi. Antena jenis ini biasanya digunakan untuk posisi penglanggan yang melebar. Direktivitas antena omnidirectional berada dalam arah vertikal. Bentuk pola radiasi antena omnidirectional digambarkan seperti bentuk kue donal dengan pusat berimpit. Kebanyakan antena ini mempunyai polarisasi vertikal, meskipun tersedia juga polarisasi horizontal. Antena omnidirectional dalam
pengukuran sering digunakan sebagai pembanding terhadap antena yang lebih kompleks.
2.7 Material
Banyak desain antena membutuhkan pemilihan bahan dielektrik yang sesuai. Kekuatan, berat, konstanta dielektrik, loss tanent dan ketahanan terhadap kondisi lingkunga adalah parameter utama yang harus diperhatikan.
2.7.1 Dielektrik
Bahan dielektrik dapat didapatkan dalam proporsi bentuk dipasaran. Keramik, kaca, plastic, styrofoom adalah beberapa yang termasuk dalam kategori dielektrk. Bahan ini digunakan secara luas sebai segel untuk komponen gelombang mikro dan sekat pada reflektor. Bahan ini biasanya digunakan untuk aplikasi dengan daya yang rendah. Untuk aplikasi dengan daya yang tinggi bisa menggunakan semua dielektrik kecuali keramik. Plastik yang diperkuat juga digunakan secara luas sebagai penyusun antena, feeder dan mounting surface.
2.7.2 Logam
Pada saat ini tembaga, kuningan dan alumunium adalah logam penyusun paling penting pada antena. Jika berat bukan merupakan pertimbangan utama, maka kuningan dan tembaga merupakan pilihan yang dapat digunakan secara luas. Salah satu keunggulan kedua logam ini adalah dapat dibentuk dengan mudah tanpa perlu menggunakan peralatan yang khusus. Alumunium memiliki kemampuan yang sama bahkan melebihi kedua logam diatas kecuali dalam hal
plating. Alumunium memiliki struktur yang lebih ringan daripada tembaga dan
kuningan.
2.8 Evolution Data Only (EV-DO)
EV-DO, juga dikenal dengan EVDO, 1xEvDO dan 1xEV-DO merupakan sebuah standart pada wireless broadband berkecepatan tinggi. EV-DO adalah singkatan dari "Evolution, Data Only" atau "Evolution, Data optimized". Istilah resminya dikeluarkan oleh Assosiasi Industri Telekomunikasi yaitu CDMA2000, merupakan interface data berkecepatan tinggi pada media udara. EV-DO satu dari dua macam standar utama wireless Generasi ke-3 atau 3G. adapun standart yang lainnya adalah W-CDMA.
3G didesain untuk meningkatkan kecepatan data maupun voice dengan memanfaatkan jaringan telepon seluler yang telah ada. Dimana, kendala utama untuk menerapkan jaringan nirkabel berkecepatan tinggi adalah minimnya
bandwidth, atau range frekuensi yang dapat dipakai. Dengan banyaknya frekuensi
radio yang dapat ditekan/dirampingkan pada gelombang FM, maka tidak terlalu banyak data yang bisa memnfaatkan bandwidth tersebut. EV-DO yang mengembangkan teknologi yang dikembangkan oleh Qualcomm dapat memecahkan masalah ini [9].
2.8.1 Arsitektur Jaringan CDMA EV-DO
CDMA EV-DO atau CDMA2000 EV-DO, dapat juga dikatakan sebagai
standar IS-2000 untuk layanan voice dan layanan data dengan kecepatan menengah serta jaringan CDMA EV-DO yang khusus hanya ditujukan untuk layanan data dengan kecepatan tinggi. Jadi dapat dijelaskan disini bahwa teknologi CDMA EV-DO diterapkan pada jaringan CDMA 2000 1x yang telah terpasang (existing) dengan penambahan perangkat lunak dan perangkat keras dimana untuk komponen-komponen jaringan CDMA 2000 1x tertentu dapat dipakai bersama-sama (share) dengan CDMA2000 EV-DO.
2.8.2 Mekanisme Kerja CDMA 2000 EV-DO
CDMA (Coded Division Multiple Access) menggunakan metode matematis untuk dapat melewatkan multiple wireless devices untuk mengirim data secara bersamaan pada frekuensi yang sama. Setiap perangkat, seperti telepon seluler, ditandai dengan tanda unik matematis. Tanda unik tersebut diterapkan pada sinyal asli dan dikirim sebagai sinyal modified. Penerima juga menerapkan invers tanda matematika dari sinyal kirim untuk mendapatkan sinyal asli. Jaringan nirkabel dulunya memanfaatkan sebuah penghalang antara pengirim dan penerima, seperti kebanyakan telepon tradisional. EV-DO, sebagai penggantinya mengadopsi pendekatan yang sama untuk untuk internet. IP, Internet Protocol, memecah data pada pada pecahan kecil yang kemudian disebut paket. Tiap paket dikirim secara independen terhadap Paket yang lain. Tentu hal ini akan mengirit bandwidth yang memungkinkan dipakai oleh perangkat lain; ketika tak ada percakapan telepon pastinya juga tidak ada paket yang lewat karena tidak ada paket yang dikirim. atau ketika sebuah website diakses, tidak akan ada bandwidth yang dipakai sampai site tersebut mulai mengirim web pages.
Secara teori EV-DO mampu melewatkan 2.4 megabits per second. Tentu saja ini lebih cepat dari DSL dan broadband cable yang ada. Pada sebuah video conference di Amerika, yang digunakan oleh seseorang yang berada didalam kendaraan pada kecepatan 60 mil/jam (90km/jam), sedangkan pada demo yang lain sebuah telepon dicoba dari sebuah bullet train yang bergerak melebihi 150 mil/jam (240 km/jam).
Kelebihan EVDO dibandingkan CDMA biasa, tentu lebih mengirit spektrum frekuensi dari regulator dan amat mahal pastinya, menurunkan biaya pengembangan dan memanfaatkan jaringan baru. di amerika EV-DO dipakai oleh Verizon dan Sprint,di Korea juga digunakan.
EV-DO adalah standard telekornunikasi untuk tranmisi data wireless melewati sinyal radio, secara spesifik untuk akses Internet broadband. EV-DO menggunakan teknik multiplexing termasuk CDMA (Code Division Multiple Access) sebaik Time Division Multiple Access (TDMA) untuk memaksimalkan penggunaan baik secara individu ataupun keseluruhan sistem.
Berdasarkan standard yang digunakan pada sistem EVDO, modulasi ditentukan oleh besar ukuran data physical bit dalam satu frame yaitu: 1024, 2048, 3072 dan 4096 bit, modulasi yang digunakan dalam sistem EV-DO yaitu QPSK, 8-PSK, 16-QAM dengan code rate 1/3.
Modulasi simbol hanya digunakan pada arah forward link didalam sistem EVDO. Keluaran dari kanal interleaver adalah melalui sebuah modulator dengan keluaran bentuk phase dan quadrature dengan nilai modulasi yang teratur. Simbol yang telah dimodulasi tersebut akan dikodekan dan dipetakan (mapping) menurut
EV-DO adalah bagian dari CDMA2000 yang mengacu pada akses data kecepatan tinggi. Karakteristik dan standar CDMA2000 diperlihatkan oleh table 2.1.
Tabel 2.1 Karakteristik dan Standar CDMA2000
Karakteristik CDMA2000
1X EV-DO EV-DV
Standard IS 2000 0, A IS-856 IS-2000 D
Published Q4 1999 Q4 2000 Expected Q3 2003
Peak data rate 153.6 Kbps FL/RL(0) 307.2 Kbps FL(A)
2457.6 Mbps FL 153.6 Kbps RL
3.0912 Mbps FL 1.2-1.8 Mbps RL Voice and data support Voice + Data Data Only Voice + Data
2.8.3 Keunggulan Teknologi CDMA2000 EV-DO
EV-DO hadir sebagai solusi transfer data kecepatan tinggi yang dihadirkan oleh teknologi CDMA dengan hanya melewatkan data saja pada kanal tunggal dengan pendekatan IP (internet protocol). Keunggulan-keunggulan teknologi EV-DO yaitu:
1. Dengan sistem CDMA2000 EV-DO kita bisa menggunakan koneksi
mobile internet dengan layanan data berkecepatan tinggi, karena konsep
dari CDMA2000 EV-DO obyektifnya adalah layanan data bukan suara. 2. EV-DO didesain untuk mengoperasikan end-to-end sebagai jaringan dasar
IP, sehingga dapat mendukung aplikasi lain yang dapat beroperasi dalam jaringan dan batasan bit rate.
3. EV-DO menggunakan teknik multiplexing CDMA (Code Division
Multiple Access) sebaik Time Division Multiple Access (TDMA) sehingga
memaksimalkan penggunaan baik secara individu ataupun keseluruhan sistem.
4. Pada saat pengguna ttidak masuk jaringan CDMA2000 EV-DO, otomatis pengguna akan dialihkan ke jaringan CDMA2000 1x. Kecepatan akses teknologi ini juga cukup baik, tiga kali lebih cepat dari akses melalui dial
