BAB II DASAR TEORI
2.1 Umum
Antena radio pertama dibuat oleh Heinrich Hertz yang tujuannya untuk
membuktikan keberadaan gelombang elektromagnetik yang sebelumnya telah
diprediksi oleh James Clerk Maxwell. Pada tahun 1886, Hertz memasang
peralatan yang sekarang diketahui sebagai sistem radio dengan antena
dipole sebagai pengirim dan antena loop segi empat sebagai penerima [1].
Asal kata antena berhubungan dengan apa yang diciptakan oleh Guglielmo
Marconi. Marconi melanjutkan penelitian Hertz dengan menambah rangkaian
tuning dan antena besar yang mampu melakukan pensinyalan dalam jarak yang
sangat jauh dengan menggunakan tiang yang tingginya 2,5 meter dan
kawat. Kawat digunakan sebagai radiasi dan menerima aliran listrik yang dalam
bahasa Itali dikenal sebagai l’antenna centrale dan kawat yang melilitnya disebut
l’antenna. Pada pertengahan Desember 1901, Marconi mengejutkan dunia dengan
penerimaan sinyal di St. Johns, New Foundland dari stasiun pengiriman
yang telah dibangunnya di Poldhu, Cornwall, Inggris [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 spektrum frekuensi radio. Transmisi
Gelombang berosilasi secara periodik atau berulang – ulang ditandai
dengan adanya frekuensi (rata – rata pergerakan tiap pengulangan atau
banyaknya getaran tiap detik), dapat diketahui dari Persamaan (2.1) [1]:
(2.1)
Dimana : f adalah frekuensi dalam hertz (Hz)
T adalah periode dalam detik.
Gelombang dikarakteristikkan oleh panjang gelombang dan frekuensi.
Panjang gelombang (λ) memiliki hubungan dengan frekuensi (f) dan kecepatan
(v) yang ditunjukan pada Persamaan (2.2) [1]:
(2.2)
Antena adalah elemen terpenting pada setiap sistem telekomunikasi tanpa
kabel (nirkabel/wireless), tidak ada sistem telekomunikasi wireless yang tidak
memiliki sebuah antena.
Antena merupakan suatu rangkaian yang dirancang untuk bisa memancarkan
dan atau menerima gelombang elektromagnetik. Antena sebagai alat pemancar
didalam saluran transmisi kabel menjadi gelombang yang merambat di ruang
bebas dan sebagai alat penerima mengubah gelombang elektromagnetis yang
merambat di ruang bebas menjadi gelombang elektromagnetis tertutun dapat
diperlihatkan pada Gambar 2.1 [4].
`
Gambar 2.1 Peran Antena di sistem komunikasi nirkabel
Dengan definisi antena tersebut, adalah suatu kepastian, bahwa di setiap
sistem komunikasi tanpa kabel terdapat komponen yang bisa mengubah
gelombang tertutun menjadi gelombang ruang bebas dan kebalikannya, komponen
ini adalah antenna.
Pada sistem komunikasi tanpa kabel yang modern, sebuah antena harus
berfungsi sebagai antena berfungsi sebagai antena yang bisa memancarkan dan
menerima gelombang dengan baik untuk suatu arah tertentu [4].
Beberapa antena dikenal luas dengan berbagai bentuk dan kegunaan pada
frekuensi kerja yang beragam, diantaranya kawat (wires), loop, aperture,reflektor,
microstrip dan juga bentuk susunan dari antena-antena tersebut seperti
Gambar 2.2 Macam-Macam Antena (a) Thin dipole (b) loop (c) horn (d) helix (e) microstrip
Untuk komunikasi 2 arah, dapat digunakan antena yang sama untuk transmisi
dan penerimaan. Hal ini dapat dilakukan karena antena apa pun ketika
memindahkan energi dari lingkungan sekeliling ke terminal penerima masukan
memiliki efisiensi yang sama saat antena memindahkan energi dari terminal
pemancar keluar ke lingkungan sekeliling, dengan anggapan frekuensi yang sama
digunakan pada kedua arah [5].
2.4 Pola Radiasi
Pola radiasi antena merupakan representasi grafis yang mengGambarkan
komponen radiasi pada antena sebagai fungsi ruang. Pola radiasi antena
menjelaskan bagaimana antena meradiasikan energi ke ruang bebas
atau bagaimana antena menerima energi. Gambar 2.3 menunjukkan pola
radiasi antena dalam dua dimensi dan tiga dimensi.
(a) (b) (c)
Gambar 2.3 Dimensi Pola Radiasi Antena
Dua Gambaran pola radiasi yang paling penting adalah pola bidang medan
listrik E dan pola bidang medan magnet H. Pada bidang medan listrik E
merupakan Gambaran pola radiasi yang diperoleh dari nilai maksimum
pengarahan radiasi di mana medan listrik E terbentang pada bidang Gambar.
Sama halnya dengan pola bidang medan listrik E, pola bidang medan magnet H
merupakan Gambaran pola radiasi yang diperoleh dari nilai maksimum
pengarahan radiasi di mana medan magnet H terbentang pada bidang Gambar.
Bidang medan listrik E dan bidang medan magnet H saling tegak lurus.
Gambar2.4 menunjukkan koordinat bidang pada pola radiasi, di mana warna ungu
menyatakan bidang medan listrik E dan warna biru menyatakan bidang medan
Gambar 2.4 Ilustrasi Bidang Pola Radiasi Antena
Antena unidirectional mempunyai pola radiasi yang terarah dan
dapat menjangkau jarak yang relatif jauh. Gambar 2.5 merupakan
Gambaran secara umum bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antena
unidirectional.
Gambar 2.5 Bentuk Pola Radiasi Antena Unidirectional
Apabila dalam koordinat polar atau grafik, pola radiasi bidang medan
Gambar 2.6 Bentuk Pola Radiasi Antena UnidirectionalDalam Koordinat Polar
Antena omnidirectional mempunyai pola radiasi yang diGambarkan
seperti bentuk kue donat (doughnut) dengan pusat berimpit. Antena
omnidirectional pada umumnya mempunyai pola radiasi 360 derajat jika
dilihat pada bidang medan magnetnya. Gambar 2.7 merupakan Gambaran
secara umum bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antena omnidirectional.
Gambar 2.7 Bentuk Pola Radiasi Antena
Omnidirectional
Apabila dalam koordinat polar atau grafik, pola radiasi bidang meda magnet H
Gambar 2.8 Bentuk Pola Radiasi Antena Omnidirectional
Dalam Koordinat Polar
Definisi – definisi pola radiasi antena adalah sebagai berikut [6] :
a. Pola isotropis adalah pola sebuah antena didefinisikan sebagai radiasi
serba sama ke segala arah, pola ini dibentuk oleh sebuah radiator isotropis
(sumber titik, sebuah antena non-fisik yang tidak mempunyai arah).
b. Pola keterarahan merupakan sebuah pola dikarakterisasi oleh beberapa
radiasi yang efisien dalam satu arah dibandingkan arah lainnya (secarafisik
antena yang dapat direalisasikan adalah antena pengarah saja).
c. Pola omnidirectional merupakan sebuah pola yang serba sama dalam
pemberian ruang radiasinya.
d. Pola bidang utama yaitu pola bidang E dan bidang H dari sebuah polarisasi
linier antena. Bidang E adalah bidang yang terdiri vektor medan elektrik
dan arah radiasinya maksimum. Bidang H adalah bidang yang terdiri
vektor medan magnetik dan arah radiasinya maksimum.
a. Cuping radiasi (Radiation Lobe) merupakan puncak intensitas radiasi
tertinggi disekitar daerah intensitas radiasi terendah.
b. Cuping utama (Main Lobe) merupakan cuping radiasi pada arah
radiasi maksimum.
c. Cuping minor (Minor Lobe) merupakan cuping radiasi lainnya dari pada
cuping utama.
d. Cuping sisi (Side Lobe) merupakan sebuah cuping radiasi dalam arah
lainnya daripada arah radiasi yang dipusatkan.
Parameter-parameter pola radiasi antena tersebut diatas terlihat pada
Gambar 2.9 .
Gambar 2.9 Parameter - Parameter Pola Antena (Pola Daya Ternormalisasi)
2.5 Jenis-jenis Antena
Beberapa jenis antena yang sering digunakan yaitu antenna isoptropis dan
2.5.1Antena Isoptropis
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 struktur antena yang lebih kompleks [3]. Gambar 2.10 menunjukkan
pola pancaran antena isotropis.
Gambar 2.10 Antena Isoptropis
2.5.2 Antena Direksional
Berdasarkan direktivitasnya, antena directional dibagi menjadi antena
unidirectional dan antena omnidirectional. Antena unidiretional adalah antena
yang memancarkan dan menerima sinyal hanya dari satu arah. Sedangkan antena
omnidirectional adalah antena yang memancarkan dan menerima sinyal dari
2.5.2.1 Antena Unidirectional
Antena unidirectional memancarkan dan menerima sinyal hanya dari
satu arah. Hal ini ditunjukkan dengan bentuk pola radiasinya yang terarah.
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 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 [7].
Beberapa macam antena unidirectional antara lain antena Yagi-Uda, antena
parabola, antena helix, antena log-periodik, dan lain – lain [8]. Gambar 2.11
salah satu jenis antena unidirectional yaitu antena Yagi-Uda.
2.5.2.2 Antena Omnidirectional
Antena omnidirectional memancarkan dan menerima sinyal dari segala
arah dengan daya 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 pelanggan yang
melebar. Direktivitas antena omnidirectional berada dalam arah vertikal. Bentuk
pola radiasi antena omnidirectional diGambarkan seperti bentuk kue donat
(doughnut) 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 [7]. Contoh antena omnidirectional antara lain antena dipole,
antena Brown, antena coaxial, antena super-turnstile, antena groundplane, antena
collinear, antena slotwave guide, antenna wifi dan lain – lain [8]. Gambar 2.12
menunjukan salah satu contoh antena omnidirectional yaitu antena wifi.
2.6 Antena Array
Pada komunikasi jarak jauh digunakan antena yang memiliki gain yang
tinggi. Dengan gain yang tinggi ini, bisa didapatkan nilai Equivalent Isotrop
Radiated Power (EIRP) yang juga tinggi, yang akan menjamin jangkauan yang
lebih besar.
Pada aplikasi radar digunakan antenna yang memiliki beamwidh yang sangat
sempit, yang akan menentukan resolusi sudut dari radar tersebut, sehingga bisa
mendeteksi objek-objek yang berdekatan sebagai objek deteksi yang terpisah.
Untuk mendapatkan antena yang seperti ini, kita bisa memperbesar ukuran
dari antena itu sampai melebihi panjang gelombangnya. Tetapi alternatif seperti
ini akan memberikan masalah baru, yaitu munculnya side lobe tambahan dengan
peredaman yang menggangu. Makin panjang/besar antena tersebut, makin banyak
side lobe-nya, juga masalah yang yang berkaitan dengan mekanis dari antenna
yang terus membesar.
Dengan menggunakan beberapa antena yang disusun menurut konfigurasi
geometris dan elektris tertentu. Susunan antena ini disebut antena Array . Antena
yang disusun menjadi kelompok biasanya antenna yang sejenis, hal ini
diprioritaskan untuk mempermudah analisis, sintesis dan juga fabrikasi [4] .
Ada beberapa parameter yang digunakan untuk mengontrol pola radiasi dari
antena array:
1. Konfigurasi geometris array
2. Jarak dari satu elemen antena ke antena lainnya
4. Phase arus atau tegangan pada feeding
5. Pola radiasi masing-masing elemen
Pada antena array terdapat array factor yang merupakan faktor pengali dari
medan listrik dari elemen tunggal. Array factor ini yang menentukan bagaimana
pola radiasi dan seberapa besar tingkat daya yang diradiasikan oleh antena
tersebut.
2.7 Antena Smart
Antena Smart adalah suatu teknologi yang menggabungkan sistem antena
array dengan kemampuan proses sinyal untuk mengoptimalkan pola radiasi
penerimaan baik secara adaptive maupun otomatis. Dengan teknologi ini dapat
menggubah pola radiasi secara otomatis sebagai respon terhadap lingkungan
sinyalnya sehingga dapat meningkatkan performa sistem komunikasi nirkabel
yang digunakan [9]. Skema antena smart pada Gambar 2.13.
Gambar 2.13 Skema Antena smart
2.8 Sistem Antena Smart
Ada dua jenis sistem antena smart yaitu sistem switched beam array dan
2.8.1 Sistem Adaptive Array
Sistem adaptive array memberikan sudut yang lebih luas dikarenakan
memiliki kemampuan untuk beradaptasi pola radaisi terhadadap sinyal RF.
Dengan kata lain, sistem ini dapat langsung mengirimkan sinyal pengarahan
ketika penekanan pola beam antena di dalam interferensi langsung. Secara
sederhana, Sistem adapative array dapat menyesuaikan pola radiasi yang cocok
untuk masing-masing pengguna [10].
2.8.2 Sistem Swiched Beam Array
Sistem switched beam adalah teknik paling mudah antena smart. Sistem
ini membentuk beam tetap dengan sensitivitas yang tinggi diarah tertentu. Sistem
antena seperti ini mendeteksi kekuatan sinyal , kemudiaan memilih dari salah satu
beam, dan mengganti dari satu beam ke beam yang lain seiring dengan telepon
yang bergerak sepanjang sektor, dapat di ilustrasikan pada Gambar 2.14 [10].
Gambar 2.14 Switched beam Coverage Pattern
Switched beam merupakan dasar fungsi switching, dapat memilih beam
phasa dari sinyal yang digunakan untuk mendistribusi element antena, beam
utama dapat diarahkan ke berbagai arah berbeda sepanjang ruang. Daripada
membentuk pola antena direksional, switched beam mengkombinasikan output
dari multiple antena sehingga membentuk sektor area beam sempit dengan lebih
selektivitas spatial yang dapat tercapai secara konvensional, pendekatan antena
tunggal. Sumber literature yang lain disebut dengan phased array antena atau
multibeam antena. Konfigurasi tersebut terdiri dari beberapa buah fix beam
dengan satu beam diarahkan ke arah sinyal yang diinginkan atau beam tunggal
(dengan pergeseran phasa) yang diarahkan ke arah sinyal yang diinginkan. Secara
umum konsep Switched-lobe adalah dynamical phased array (DPA). Berdasarkan
konsep, direction of arrival (DOA) algoritma tertanam dalam sistem. DOA adalah
estimasi pertama dan kemudian parameter di dalam sistem mengatur berdasarkan
arah sudut yang diinginkan. Dengan cara ini daya terima maksimal tapi
dibutuhkan cara desain antena yang lebih rumit. Elemen yang digunakan dalam
sistem array ini harus dihubungkan dengan sumber atau penerima oleh jaringan
distribusi. Salah satu jaringan multiple beamforming yang paling umum
digunakan adalah matriks butler [10].
2.9 Matriks Butler
Salah satu metode merancang fixed beam dengan menggunakan matriks
butler. Matriks butler adalah metode yang menghasilkankan simulasi fixed beam
yang menggunakan phase shifter. Asumsikan array linear berjumlah N elemen,
jika N=2n elemen, array faktor dapat ditulis [11]:
Dengan
Adapun cakupan berkas yang dihasilkan menggunakan matriks butler
adalah:
(2.4)
Cakupan berkas adalah cakupan antara pusat arah paling sebelah kiri ke
sebelah paling kanan. Maka berdasarkan Persamaan 2.4 terlihat bahwa untuk
jaringan butler 4x4, dengan N=4, d= 1/2λ, maka area cakupannya adalah 970.
Dalam merancang switchables beam menggunakan matriks butler (N x N)
membutuhkan quad-hybrid atau directional coupler dan phase shifter. Asumsikan
N jumlah antena , n quad-hybrid dan m phase shifter sehingga [12]:
(2.5)
(2.6)
dengan
2.9.1 Phase Shifter
Phase shifter merupakan bagian saluran transmisi dengan panjang tertentu
yang digunakan untuk menggeser fasa sinyal yang melewatinya. Setiap saluran
yang lebih panjang dengan nilai tertentu dari dari saluran referensi merupakan
phase shifter.
2.9.2 Quad Hybrid
Quadrature hybrid adalah directional coupler 3 db yang menghasilkan beda
fasa 900 pada kedua keluarannya. Hybrid 900 terdiri dari saluran utama yang
mengkopel saluran sekunder dengan 2 seperempat panjang gelombang. Gambar
2.15 menunjukkan quad hybrid.
Gambar 2.15 Hybrid 900
Dengan semua port pada keadaan matched, jika sinyal masuk pada port 1,
sinyal keluaran pada dua port lainnya (2,3) akan memiliki amplitudo yang sama
