Karakteristik antena pemancar

Karakteristik antena pemancar

Karakteristik antena yang diturunkan dari antena sebagai sumber dapat dibuktikan berlaku sebagai penerima

1.3.1 Antena sebagai Pemancar

a. Diagram arah

D. arah menunjukkan sifat pancaran antena ke berbagai arah (pattern) Menurut besaran

- d. medan, (medan listrik, medan magnet) - d. daya, (P, U)

- d. fasa. Menurut skala

- d . absolut → dalam besarannya (Pr dinyatakan dlm w/m2) - d . relatif → terhadap referensi (biasanya thdp Pr maksimum) - d . normal → terhadap referensi (maks = 1)

Diagram arah antena

Diagram sebetulnya bentuk 3 dimensi ; bisa digambarkan sebagai 2 dimensi/penampang pada 2 bidang ⊥ satu sama lain berpotongan pada poros lobe utama.

Gambar 1-14 Macam-macam diagram arah & lobe antena E_m lobe utama 0 = φ E₀ U_m U w/rad2 w/rad2 0 = θ ro m r P P ro r P P lobe sisi 0 = θ P_rm = 1 atau 0 db rm r P P 2 1 B W 1 2 1

(Ket: E : medan, U : intensitas radiasi, Prm : daya arah radial maks, Pr : daya arah radial) d. medan d. absolut d. daya d. relatif d. normal

Diagram fasa

- Lobe utama : main lobe, major lobe daerah pancaran terbesar.

- Lobe sisi /samping : side lobe, minor lobe daerah pancaran sampingan

- diagram arah : sebagai fungsi dari θ, φ atau sebagai fungsi

θ, φ , dengan r = constant.

- Sudut yang dibatasi oleh titik-titik 1/2 daya maksimum atau 3 db atau 0.701 or medan maksimum, pada lobe utama disebut beam width atau lebar berkas

b. Diagram fasa

Utk bentuk periodik dengan frekuensi tertentu medan jauh diketahui seluruhnya jika diketahui: a. amplituda Eθ sebagai fungsi r, θ, φ

b. amplituda Eφ sebagai fungsi r, θ, φ

biasanya diambil penampang diagram 3 dimensi

m U U rm r m m P P atau H H atau E E 2 1 diagram fasa ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ = φ θ η = φ θ δ φ θ φ θ const) (r , fungsi ; referensi titik pd. harganya thd E atau E , fasa beda d. const.) (r dan dari fungsi sebagai E dan E antara fasa beda c.

Direktivitas

c. Pengarahan directivity

Definisi :

Jika fungsi diagram arah antena diketahui → D dapat dihitung secara eksak. Contoh U = 0 untuk θ, φ lainnya. π = = x 4 itu antena rata -rata rad. intensitas antena suatu maksimum rad. intensitas U U D 0 m

n

dipancarka

yang

total

daya

maksimum

rad.

intensitas

x

4

U

4

U

4

D

0 m

=

π

π

π

=

π ≤ φ ≤ π ≤ θ ≤ θ = 2 0 2 0 cos U U _m

∫ ∫

∫ ∫

π π π π θ θ φ − = φ θ θ θ = 2 0 2 0 m 2 0 2 0

m cos sin d d U d cos .d(cos )

U W m 2 0 2 0 2 m cos x U 2 1 U W _⎥ = π ⎦ ⎤ φ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡_{− θ} = π π

Direktivitas

W = 4 π Uo = π Um →

Gambar 1-15 Arti fisis direktivitas 4 4 U U D 0 m = π π = = T_X Wr A₁ T_X D Wr A₁ T_X W isotropis % 100 = η (a) T_X W directivitas D (b) max.

Gain (penguatan) antena

d. Penguatan, gain

Gambar 1-16 Gain kutub 4

- gain antena didefinisikan

referensi : 1. isotropis, eff. 100 % 2. dipol 1/2 λ 3. corong, dll kutub 4 W_i W₀ i 0 W W G = kutub -4 sama masuk daya dgn. referensi antena suatu dari maksimum . rad ntensitas i antena suatu dari maksimum radiasi ntensitas i U U G mr m = = sama yang masuk daya dengan rugi -rugi tanpa isotropis antena rad . int antena suatu maksimum rad. ensitas int G₀ =

Penguatan antena

Kadang-kadang gain & direktivitas dinyatakan untuk arah tertentu/fungsi dari diagram arah

G dan D biasanya dinyatakan dalam db (decibell) : D [dB] = 10 log D dan G[dB] = 10 log G

m i 0 100% eff. i W W U W ⎯⎯ →⎯⎯ = → m ' m i 1 0 k eff. i W kW U kU W ⎯⎯ →⎯ = → = ∴ m ' m k U U = ( U ~ W ) k = eff. Antena , 0 ≤ k ≤ 1 kD U kU U U G 0 m 0 ' m 0 = = = ∴ G0 = k D jika k = 100 % → G0 = D

( )

( )

G gainfunction ! U U , G D U U , D 0 m m = ⎟⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ = φ θ = φ θ

Pendekatan perhitungan direktivitas

e. Perhitungan Pendekatan

Dilakukan jika :

fungsi diagram arah tidak diketahui secara eksak atau sulit dilakukan perhitungan eksak dan atau diagram arah diketahui dari pengukuran (grafis) dan atau

perhitungan harus cepat tapi cukup teliti (toleransi kesalahan) Diagram arah dapat dinyatakan sebagai :

U = Uaf(θ,φ) Um = Uaf(θ,φ) max. Rata-rata π Ω φ θ = π =

∫∫

4 d ) , f( U 4 W U₀ a

W = daya yang dipancarkan

dΩ = sinθ dθ dφ elemen sudut ruang

π Ω φ θ φ θ = =

∫∫

4 d ) , ( f U ) , f( U U U D a max a 0 m

Pendekatan penghitungan direktivitas

Luas berkas (B) = sudut ruang yang mewakili seluruh daya yang dipancarkan jika intensitas radiasi sama dengan intensitas maksimum (sama dengan Um) atau seolah-olah antena memancar hanya dalam sudut ruang ini dan intensitas radiasi disini uniform (seragam) = Um → W = B Um

∫∫

θ φ Ω φ θ π = d ) , ( f ) , ( f 4 D max B 4 ) , f( d ) , ( f 4 D max π = φ θ Ω φ θ π =

∫∫

∫∫

∫∫

_Ω φ θ φ θ = φ θ Ω φ θ = d ) , ( f ) , ( f ) , f( d ) , ( f B max max

fungsi normal = diagram arah

∫∫

θ φ Ω = f( , ) d B _normal B U U 4 W B 4 U U D _{0 m} 0 m = π → = π = =

B disebut sbg luas berkas (beam area)

2 m 0 2 m 0

der

U

U

41253

rad

U

U

4

B

=

π

=

Pendekatan direktivitas

U ntuk : :beam w ith , :beam w idth 10 l directiona b. nal undirectio . a 1 1 φ θ ⎭ ⎬ ⎫ >

m enurut 2 bidang yang paling ⊥ melalui sum bu lobe utam a.

1 1 4 B 4 D φ θ π = π =

G am bar 1-17 lebar & luas berkas

z y x 1/2 1/2 1 θ1 φ1 1/2 U Contoh : π ≤ φ ≤ π ≤ θ ≤ θ = 2 0 2 0 cos U U _m 6

Pendekatan direktivitas

2 1 6 m m U c o s U 2 1 θ = ° = = θ − _{2 7.0 1} 2 1 c o s 1 6 2 1 ° = θ = φ = θ 2 x 5 4.0 2 2 1 1 1 G a m b a r 1 -1 8 D ia g r a m a ra h y a n g s im e tris % 9 3 . 0 1 4 .0 0 D e k s a k c a ra d e n g a n a n d ib a n d in g k 1 3 . 1 4 ) 0 2 . 5 4 ( ) (5 7 .3 x 4 4 D ₂ 2 1 1 ε = ⎪ ⎭ ⎪ ⎬ ⎫ = = ° π = φ θ π = z y x 1/2 1/2 1 1 θ φ 1/2 .

Pendekatan direktivitas

Ketelitian hasil perhitungan ditentukan oleh ketelitian mendapatkan lebar berkas B.

φ

θ

θ

φ

θ

φ

θ

=

∫ ∫

φ θ

d

d

sin

)

,

(

f

)

,

(

f

B

0 0 0 0 max

( * )

jika batas-batas

θ

0

≥ θ ≥ 0

φ ≥ φ ≥ 0

Uraian ( * )

∫

∫

∫

∫

φ θ φ θ

+

θ

θ

θ

φ

φ

+

θ

θ

θ

φ

φ

=

0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 I I

(

)

d

f

(

)

sin

d

F

(

)

d

f

(

)

sin

d

...

dst.

F

B

= a

1

b

1

+ a

2

b

2

+ a

3

b

3

+ …………. dst.

F

i

(

φ)

f

i

(

θ) sin θ

digambar, dievaluasi (grafis)

Pendekatan direktivitas

a

_i 0 ) ( F_i φ 0 φ φ (rad)

b

_i 0 θ θ sin) ( F_i 0 θ θ (rad) G a m b a r 1 -1 9 In te g r a s i g a m b a r

...

d

s in

)

(

f

b

...

d

)

(

F

a

0 0 0 i i 0 i i

⎪

⎪

⎭

⎪⎪

⎬

⎫

θ

θ

θ

=

φ

φ

=

∫

∫

θ φ

K e te litia n h a s il d ite n tu k a n o le h k e te litia n p e n g g a m b a ra n FI(φ) d an fI(θ ) sin θ dan m enghitun

lu a s d i b a w a h k u rv a

∑

n i i

b

a

(d a la m k e rta s m m ) ) (ra d B 4 D b . a B 2 n i 1 i i i π = =

∑

= =

Antena sebagai apertur penerima

Apertur Antena & Rumus Transmisi Friss

Konsep apertur antena berasal dari pandangan antena sebagai luas bidang yang menerima daya dari gelombang radio yang melaluinya.

Gambar 1-20 Antena sebagai bidang penerima

Misal gel. melalui sebuah antena corong. Rapat daya pada permukaan corong W/m2. Jika mulut corong dapat menerima daya melalui mulut A seluruhnya, maka daya yang diserap dari gelombang elektromagnetik adalah :

E

K

E

K

E

K

E

K

H

K

H

K

H

K

H

K

P

K

A

w_r watt A . P W = K K

Apertur Penerima

Jadi corong dapat dianggap sebagai mempunyai luas bidang atau aperture dimana daya yang dapat diambil dari gelombang radio berbanding lurus dengan luasnya. Dalam praktek luas tersebut 0.5 – 0.7 kali luas sebenarnya (efisiensi aperture)

Sehubungan dengan terbaginya daya serap dari gelombang elektromagnetik menjadi bagian-bagian yang hilang sebagai panas, dipancarkan kembali dll, maka ada beberapa macam aperture, yaitu aperture efektif, aperture rugi-rugi, aperture pengumpul, aperture hambur dll.

Umumnya orientasi antena dibuat demikian sehingga terjadi penerimaan daya maximum sesuai dengan polarisasi gelombang.

Dengan demikian jika suatu antena menerima daya, maka dapat dibayangkan antena seolah-olah mempunyai bidang atau aperture yang luasnya = daya tersebut dibagi dengan rapat daya pada antena.

Jadi : A : aperture antena

W : daya dari gelombang elektromagnetik yang diterima P : rapat daya pada antena w/m2

P W A=

Apertur efektif

Aperture efektif

Gambar 1-21 Rangkaian ekivalen antena yang dibebani

Jika antena ditempatkan pada medan EM dan

dibebani impedans beban ZT. Rangk ekivalen dg tegangan V dan impedans antena ZA. Untuk harga-harga r.m.s dari arus, tegangan, maka

Z

_T

P

K

A z T z V I A T

z

z

V

I

+

=

z

_T

=

R

_T

+

jx

_T

Apertur efektif

RA= Rr + RL z_A = R_A + jx_A

RL : tahanan rugi-rugi ohmic dari antena , Rr : tahanan radiasi

Daya yang terkirim ke penerima W :

W = I2 RT Karena 2 T A 2 T L r R R ) (x x ) R ( V I + + + + = maka jika W = W1 Daya ₂ T R 2 T L r r 2 1 ) x x ) R R R ( R V W + + + + = ; W dlm watt, P dlm watt/m2

Perbandingan W1 dengan rapat daya pada antena didefinisikan sebagai aperture efektif antena

_⎢ ⎣ ⎡ + + + + = = } ) x x ( ) R R R {( P R V p w A ₂ T R 2 T L r T 2 e

Apertur Efektif

Jika antena diorientasikan untuk penerimaan maximum & impedansi terminasi kompleks

conjugate dengan

Z

_A

serta R

L

= 0 , maka :

T 2 r 2 ' 1

R

4

V

R

4

V

W

=

=

dan untuk hal ini

T 2 ' 1 em

PR

4

V

P

W

A

=

=

A

em

= apertur efektif maximum

: efektif area

Ratio efektivitas : perbandingan efektivitas di definisikan sebagai

em e

A

A

=

α

, 0

≤ α ≤ 1

Dalam praktek daya yang dipancarkan penerima lebih kecil dari w

1

krn ada redaman saluran

Aperture

U ntuk antena batan g V = h’E dim ana ;

h’: tinggi efektif antena, biasan ya 0.7 x tinggi ya ng seb enarn ya untuk antena pendek. - Apertur ru gi-ru gi, loss ap erture

D a ya yan g hilan g sebagai rugi-rugi pan as W2 : W2 = I2 RL AL =

{

2

}

A T 2 T L r L 2 L 2 ) X X ( ) R R R ( P R V P R I + + + + =

AL = apertu re ru gi-ru gi, loss aperture - Aperture ham bur, scattering ap erture

D a ya yan g diradiasikan k em bali ke ruan g b ebas ad alah W3 = I2 Rr

{

2

}

T A 2 T c r r 2 3 S ) X X ( ) R R R ( P R V P W A + + + + = = AS = aperture h am bur

Apertur

Jika R

L

= 0 dan X

T

= -X

A

, conjugate complex

dan

R

r

= E

T

maka :

T 2 r 2 r 2 S

PR

4

V

PR

4

V

P

R

I

A

=

=

=

Jika Z

T

= 0 atau antena dihubung singkat maka A

sm

=

r 2

PR

V

, dan terlihat A

sm

= 4 x

aperture hambur dalam keadaan matched. Atau A

sm

= 4 x A

em

, (msl pd antena yg digunakan

sbg antena parasit, fungsi utk reradiasi daya). Contoh pada yagi dan antena dengan pemantul.

Perbandingan hambur didefinisikan sebagai

=

β

e S

A

A

Aperture

R_r R_T 1 1 2 3 em e A A As A 4 r T

R

R

Rangkaian ekivalen bermacam aperture untuk keadaan khusus RL = 0, Rr = Rr. - aperture pengumpul , collecting aperture

Jumlah semua aperture Ae, As, AL disebut aperture pengumpul

{

2

}

T A 2 r L r T L r 2 e

)

X

X

(

)

R

R

R

(

P

R

R

R

(

V

A

+

+

+

+

+

+

=

Apertur fisik

Aperture fisik, Physical aperture

• Ini merupakan luas maximum tampak depan antena dari arah rapat daya . Untuk antena dengan pemantul atau berupa celah, luas aperture fisis ini sangat menentukan, tetapi untuk beberapa antena tidak ada arti sama sekali.

• Contoh : PK 4 d A_p=π L PK d Ld A_p ≈ 4 d A 2 p π = d

Perbandingan antara aperture efektif maximum dengan aperture fisik disebut absorption

ratio, perbandingan absorpsi (efisiensi aperture) : .

A A ; 0 ; AP A p e em = η ∞ ≤ γ ≤ = γ

Beberapa contoh aperture :

Aem dipol pendek : ₂ 2 2 r r 2 em L 80 R dan EL V ; PR 4 V A λ π = = = Maka : π = = 120 E z E P 2 i 2

; Zi = impedans intrinsik ruang hampa =120.phi Ohms

2 2 2 2 2 2 2 2 em 0.119 8 3 L E 320 L E 120 A = λ π λ = π λ π = App. Eff.

Apertur antena dipol

Jadi aperture antena pendek tidak bergantung kepada panjangnya, besarnya tetap = 0.12 λ2 Aem dipole ½ λ : I = Io cos 2πy/λ

4

λ

−

4

λ

+

R_T d_y z 0 y dV = Edy = E0 dy cos λ πy 2

∫

π

∫

= _πλ λ π = = /4 0 0 0 E dy y 2 cos E 2 dv V Rr = 73 Ω sehingga 2 r 2 em 0.13 PR 4 V A = = λ

Apertur dipol

Aem dipole pendek

Dalam hal ini Aem >> Ap atauγ >>.

Jika antena dibuat sangat tipis maka Ap sangat kecil, tetapi Aem tetap.

4 λ 2 λ atau λ 0.119 K