BAB II DASAR TEORI 2.1 Pendahuluan - Analisis Perbandingan Sistem Microwave Base Transceiver Station dengan Macro Outdoor Fiber Optics Base Transceiver Station di Daerah Batam

 

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Pendahuluan

BTS merupakan hal yang penting pada jaringan telekomunikasi, karena menghubungkan jaringan antara operator telekomunikasi seluler baik dengan mobile station, BTS, atau BSC lainnya. BTS memiliki daerah cakupan yang cakupan tergantung dari kuat lemahnya pancaran daya dari sinyal yang dikirimkan ke penerima. Selain itu faktor lingkungan dan interferensi dari BTS operator lain juga mempengaruhi kemampuan BTS dalam mengcover daerahnya. Dewasa ini BTS terhubung dengan jaringan BTS lainnya menggunakan radiolink, yang menggunakan gelombang mikro. Untuk kedepannya para vendor sudah mulai mengadaptasikan teknologi macro outdoor fiber optic sebagai pengganti radiolink dengan gelombang mikro tersebut, yang tentunya memiliki kecepatan, kualitas, serta blocking yang lebih baik daripada teknologi pendahulunya.

Satu cakupan pancaran BTS dapat disebut Cell. Komunikasi seluler adalah komunikasi modern yang mendukung mobilitas yang tinggi. Dari beberapa BTS kemudian dikontrol oleh satu Base Station Controller (BSC) yang

terhubungkan dengan koneksi microwave. Dan dari beberapa BSC tersebut dikontrol oleh satu mobile switching center (MSC).

2.2 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 elektromagnetik menuju ruang bebas atau menangkap gelombang elektromegnetik 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 Tx dan Rx.

2.3 Parameter Antena

Ada beberapa parameter antena yang digunakan untuk menguji atau mengukur performa antena yang akan digunakan. Antara lain direktivitas antena, gain antena, pola radiasi antena, polarisasi antena, beamwidth antena dan

bandwidth antena.

2.3.1 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). Direktivitas antena merupakan perbandingan kerapatan daya maksimum dengan kerapatan daya rata-rata. Maka dapat dituliskan pada persamaan [2]:

(2.1)

 = intensitas radiasi (daya tiap unit sudut ruang) pada arah tertentu.

2.3.2 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.

Gain dari sebuah antena adalah kualitas nyala yang besarnya lebih kecil daripada penguatan antena tersebut yang dapat dinyatakan dengan [3] :

(2.2)

Dimana :

k = efisiensi antena, 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 sebuah dipole, antena diukur dalam dBd. “d” di sini mewakili dipole, jadi gain antena diukur relatif terhadap sebuah antena dipole. Jika antena referensi adalah sebuah isotropic, jadi gain antena diukur relatif terhadap sebuah antena isotropic.

Gain dapat dihitung dengan membandingkan kerapatan daya maksimum antena yang diukur dengan antena referensi yang diketahui gainnya. Maka dapat dituliskan pada persamaan (2.3) [3] :

Decibel (dB) merupakan satuan gain antena. Decibel adalah perbandingan dua hal. Decibel ditetapkan dengan dua cara [3] :

a. Ketika mengacu pada pengukuran daya

(2.4)

b. Ketika mengacu pada pengukuran tegangan.

(2.5)

2.3.3 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. 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. Pola radiasi antena menjelaskan bagaimana antena meradiasikan energi ke ruang bebas atau bagaimana antena menerima energi.

a. Pola Radiasi Antena Unidirectional

Gambar 2.2 Bentuk Pola Radiasi Antena Unidirectional[1]

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 360° jika dilihat pada bidang medan magnetnya. Gambar 2.3 merupakan gambaran secara umum bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antena omnidirectional.

2.3.4 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.

Gambar 2.4 Polarisasi Antena[1]

x 

z 

2.3.5 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. Besarnya beamwidth adalah sebagai berikut [4] :

(2.6)

Dimana :

B = 3 dB beamwidth (derajat) f= frekuensi (GHz)

d = diameter antena (m)

Apabila beamwidth mengacu kepada perolehan pola radiasi, maka beamwidth dapat dirumuskan sebagai [4] :

(2.7)

Gambar 2.5 Beamwidth Antena[1]

2.3.6 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 2.6.

Gambar 2.6 Bandwidth Antena[1]

(2.7)

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.

2.4 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. Gambar menunjukkan Gambar 2.7 antena isotropis.

Gambar 2.7 Antena Isotropis[1]

2.5 Antena Directional

Berdasarkan direktivitasnya, antena unidirectional dibagi menjadi antena unidirectional dan antena omnidirectional. Antena unidirectional adalah antena

x 

z 

yang memancarkan dan menerima sinyal hanya dari satu arah. Sedangkan antena omnidirectional adalah antena yang memancarkan dan menerima sinyal dari segala arah.

2.5.1 Antena Unidirectional

Antena unidirectional memancarkan dan menerima sinyal dari satu arah. Hal ini ditunjukkan dengan bentuk pola radisinya yang terarah. Antena

2.5.2 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.

2.6 Prinsip Dasar Komunikasi Serat Optik

Serat optik bekerja berdasarkan hukum snellius tentang pemantulan sempurna. Pemantulan cahaya atau pembiasaan cahaya yang terjadi sangat

tersebut berbeda dengan keadaan yang sebenarnya. Begitu juga tentang

keberadaan tangga pada saat kita melihat, belum tentu tangga tersebut berada pada posisi sebenarnya. Hal ini terjadi karena adanya pembiasaan cahaya, dimana menurut ilmu fisika tentang cahaya, jika cahaya jatuh pada medium yang berbeda indeks biasnya, cahaya tersebut akan dibiaskan dan sudut datang dari sinar laser yang dikirimkan pada serat optik dapat memungkinkan untuk mengatur seberapa efisiensi sinar laser tersebut sampai pada tujuan. Gelombang cahaya di arahkan melalui inti dari fiber optic tersebut, sama seperti gelombang radio yang diarahkan melalui kabel koaksial. Sinar laser pada serat optik di arahkan hingga ke ujung dari fiber optic tersebut dengan memanfaatkan prinsip dari pemantulan cahaya di dalam inti serat optik.

sumber cahaya LED atau Diode Laser. Kemudian dengan dasar hukum pemantulan sempurna, sinyal optik yang berisi informasi dilewatkan sepanjang serat sampai pada

penerima, selanjutnya detektor optik akan mengubah sinyal optik tersebut menjadi

sinyal listrik kembali.

2.6.1 Pemantulan Sempurna

Pematulan dalam sistem komunikasi serat optik yang digunakan adalah pemantulan sempurna. Perambatan cahaya dalam serat optik dapat merambat dalam medium dengan tiga cara yaitu :

a. Merambat Lurus b. Dibiaskan c. Pemantulan

Pemantulan cahaya dalam serat optik ditunjukkan pada Gambar 2.9, yaitu pada saat refraksi, sudut kritis dan pemantulan sempurna [7].

Pemantulan (refraksi) secara umumnya dapat ditunjukkan pada Gambar 2.10. Pada refraksi ini medium yang digunakan adalah cermin. Cahaya yang dipantulkan melalui cermin dapat dilihat pada sudut datang dan sudut refraksi.

Gambar 2.10 Pemantulan (Refleksi) Pada Cermin[7]

Gambar 2.11 Pembiasan (Refraksi)[7]

Refractive Index (Indeks bias) Bila gelombang cahaya merambat melalui

material, tidak dalam vacum, maka kecepatannya lebih kecil dibandingkan dalam

vacum [8].

n = refractive index (index of refraction) atau indeks bias.

V = kecepatan rambat cahaya dalam material.

2.6.2 Hukum Snellius

Hukum Snelius digunakan sebagai hukum dasar dari prinsip pembiasaan cahaya atau optik. Hal ini dapat ditunjukkan pada Gambar 2.12. Pada gambar ini tampak bahwa nilai-nilai dari indeks. Pada hukun Snellius ini dapat disampaikan tiga bagian penting dari pengertian hukum Snellius yaitu [8]:

a. Cahaya merambat lurus dalam suatu medium.

b. Cahaya dapat dirubah arahnya dengan menggunakan kaca atau permukaan licin.

Gambar 2.12 _{Hukum Snellius[9]}

n1 Sin = n2 Sin r (2.10)

n1>n2 I1<r1 I2<r2

I3<r3 = 90° = sudut kritis I4=r4

Dimana : n : Indeks bias

v : Kecepatan perambatan cahaya di medium c : Kecepatan perambatan cahaya diruang hampa

Ada dua kondisi dalam pembiasan yaitu :

1. Bila sinar datang dari medium tipis kemedium lebih padat, maka sinar akan di biaskan mendekati garis normal. Dalam hal ini sudut bias lebih kecil dari sudut datang.

demikian merupakan kondisi ideal untuk mentransmisikan cahaya dalam serat optik [9].

2.6.3. Perambatan Cahaya

Perambatan cahaya terdiri dari beberapa mode dalam medium yang sama yaitu [8] ;

a. Cahaya dapat merambat dalam serat optik melalui sejumlah lintasan yang berbeda.

b. Lintasan cahaya yang berbeda-beda ini disebut mode dari suatu serat optik. c. Ukuran diameter core menentukan jumlah mode yang ada dalam suatu

serat optik.

d. Serat optik yang memiliki lebih dari satu mode disebut serat optik multimode

e. Serat optik yang mempunyai hanya satu mode saja diesbut serat optik single mode. Serat optik single mode memiliki ukuran core lebih kecil.

Gambar 2.13 Propagasi Cahaya Pada Serat Optik[9]

(2.11)

Dimana  

NA= Numerical Aperture 

n1= Indeks bias core 

n2= Indeks bias cladding 

n0= Indeks bias pelepasan 

  Perambatan cahaya pada komunikasi serat optik ditunjukkan pada Gambar 2.13. Perambatan cahaya atau propagasi cahaya dapat dilakukan dalam beberapa bentuk bagian, dapat dilihat bahwa propagasi cahaya dibiasakan dan dipantulkan pada sebuah bentuk kerucut.

2.7 Struktur dan Jenis Serat Optik

Struktur dasar serat optik terdiri dari beberapa bagian yaitu, core, cladding dan coating atau buffer. Setiap bagian memiliki fungsinya masing-masing.

1. Core

Core merupakan inti dari serat optik yang terbuat dari bahan kuarsa dengan kualitas sangat tinggi. Merupakan bagian utama dari serat optik karena perambatan cahaya sebenarnya terjadi pada bagian ini. Memiliki diameter 10 mm-50 mm, dan ukuran core sangat mempengaruhi

karateristik serat optik [10]. 2. Cladding

dan core akan mempengaruhi perambatan cahaya pada core (mempengaruhi besarnya sudut kritis)[10].

3. Coating

Coating terbuat dari bahan plastik dan berfungsi untuk melindungi serat optik dari kerusakan. Struktur dasar serat optic dapat ditunjukkan pada Gambar 2.14 [10].

Gambar 2.14 Struktur Dasar Serat Optik[10]

Jenis-jenis serat optik dapat dapat dibedakan menjadi beberapa bagian, diantaranya adalah [10]:

a. Step Index Multimode 1. Index core konstan.

2. Ukuran core besar dan dilapisi cladding yang sangat tipis.

3. Penyabungan kabel lebih mudah karena memiliki core yang besar. 4. Terjadi disperse.

5. Hanya digunakan untuk jarak pendek dan transmisi data bit rate rendah.

Gambar 2.15 Serat Optik Step Indeks[11] b. Graded Indxs Multimode

Cahaya merambat karena difraksi yang terajdi pada core sehingga rambatan cahaya sejajar dengan sumbu serat optik. Jenis serat optik graded index multimode dapat ditunjukkan pada Gambar 2.15 [10].

Gambar 2.16 Jenis Serat Optik Graded Index Multimode[11]

Core terdiri dari sejumlah lapisan gelas yang memiliki indeks bias yang berbeda, indeks bias tertinggi terdapat pada pusat core dan

berangsur-angsur turun sampai kebatas core cladding dan dispersi dalam jenis serat optik ini minimum.

c. Step Indeks Multimode

transmisi data dengan bit rate tinggi. Jenis serat optik Step Indeks Multimode ditunjukkan pada Gambar 2.16 [10].