PENDAHULUAN
Antena (
antenna) adalah perangkat yang
berfungsi untuk memindahkan energi gelombang elektromagnetik dari media
kabel ke udara atau sebaliknya dari udara ke media kabel. Karena
merupakan perangkat perantara antara media kabel dan udara, maka antena
harus mempunyai sifat yang sesuai dengan media kabel pencatunya.
Dalam
perancangan suatu antena, baberapa hal yang harus diperhatikan
diantaranya: bentuk dan arah radiasi yang diinginkan, polarisasi yang
dimiliki, frekuensi kerja, lebar band (
bandwidth), dan impedansi input yang dimiliki.
Untuk
antena yang bekerja pada band VLF, LF, HF, VHF dan UHF bawah, sering
mennggunakan jenis antena kawat (Gambar 1). Antena jenis ini, dimensi
fisiknya disesuaikan dengan panjang gelombang dimana sistem bekerja.
Semakin tinggi frekuensi kerja, maka semakin pendek panjang
gelombangnya, sehingga semakin pendek panjang fisik suatu antena.
Untuk antena gelombang mikro, penggunaan antena luasan (
aperture antena)
seperti antena horn, antena parabola (Gambar2), akan lebih efektif
dibanding dengan antena kawat. Karena antena yang demikian mempunyai
sifat pengarahan yang baik untuk memancarkan gelombang elektromagnetik.
- KARAKTERISTIK DAN PARAMETER ANTENA
1. Radiasi Gelombang Elektromagnetik
Struktur
pemancaran gelombang elektromagnetik yang paling sederhana adalah
radiasi gelombang yang ditimbulkan oleh sebuah elemen arus kecil yang
berubah-ubah secara harmonik. Elemen arus terkecil yang dapat
menimbulkan pancaran gelombang elektromagnetik itu disebut
sumber elementer (Lihat Gambar 3 ).
Jika
medan yang ditimbulkan oleh setiap sumber elementer di dalam suatu
konduktor antena dapat dijumlahkan secara keseluruhan, maka sifat-sifat
radiasi dari sebuah antena akan diketahui. Timbulnya radiasi karena
adanya sumber yang berupa arus bolak-balik ini diketahui secara
matematis dari penyelesaian gelombang Helmhotz. Persamaan Helmholtz
merupakan persamaan hasil penurunan lebih lanjut dari
persamaan-persamaan Maxwell (lihat lampiran) dengan memasukkan kondisi
Lorentz sebagai syarat batasnya. Dari hasil penyelesaian persamaan
differrensial Helmholtz dengan menggunakan
dyrac Green’s function, ditemukan bahwa potensial vektor pada suatu titik yang ditimbulkan oleh adanya arus yang mempunyai distribusi arus J adalah :
(1)
dimana :
Az = vektor potensial pada arah z
J = kerapatan arus
b = bilangan gelombang (2p/l)
R = jarak titik pengamatan P dengan suber elementer
v’ = sumber elementer.
Persamaan
di atas berlaku untuk segala bentuk sumber dan semua sistem koordinat,
sehingga untuk mencari medan yang ditimbulkan oleh bermacam-macam bentuk
dapat dipilih sistem koordinat yang sesaui dengan bentuk antena. Dengan
diketahui potensial vektor A dari suatu sistem, maka medan magnet H dan
medan listrik E yang dipancarkan oleh sumber itu akan dapat diketahui.
Untuk medan magnet H dapat diperoleh dari persamaan :
H = Ñ x A (2)
Sedangkan medan listrik E dapat diperoleh dari salah satu bentuk persamaan Maxwell :
Ñ x H = J + j w e E (3)
Sehingga medan listrik E untuk daerah di dalam konduktor sumber adalah :
E = 
(Ñ x H – J) (4)
Dan untuk daerah di luar konduktor di mana J = 0, maka medan listrik E dari persamaan .. menjadi :
E =![clip_image006[1]](https://lh5.ggpht.com/_OmN5_tnXdjs/SXZpg2qv0JI/AAAAAAAAAQA/akWD92lernQ/clip_image0061_thumb.gif?imgmax=800)
Ñ x H (5)
Apabila
elemen sumber dan medan radiasinya berada di dalam koordinat bola, maka
arah propagasi gelombangnya akan searah dengan vektor jari-jarinya.
Sedangkan medan listrik dan medan magnet hanya mempunyai komponen q atau
f, yang dalam ruang bebas akan berlaku :
Hf =
dan
Hq =
(6)
Dengan :
h = 
( impedansi intrinsik medium)
(Lihat Gambar 1.2 Vektor medan dan poynting vektor pada koordinat bola)
2. POLA RADIASI
Pola
radiasi antena adalah pernyataan grafis yang menggambarkan sifat
radiasi suatu antena pada medan jauh sebagai fungsi arah. Pola radiasi
dapat disebut sebagai pola medan (
field pattern) apabila yang digambarkan adalah kuat medan dan disebut pola daya (
power pattern) apabila yang digambarkan
poynting vektor. Untuk dapat menggambarkan pola radiasi ini, terlebih dahulu harus ditemukan potensialnya.
Dalam koordinat bola, medan listrik E dan medan magnet H telah diketahui, keduanya memiliki komponen vetor q dan f. Sedangkan
poynting vektornya dalam koordiant ini hanya mempunyai komponen radial saja. Besarnya komponen radial dari poynting vektor ini adalah :
Pr = ½ 
(7)
Dengan :
| E | =
(resultan dari magnitude medan listrik)
Eq : komponen medan listrik q
Ef : komponen medan listrik f
h : impedansi intrinsik ruang bebas (377 W)
Untuk
menyatakan pola radiasi secara grafis, pola tersebut dapat digambarkan
dalam bentuk absolut atau dalam bentuk relatif. Bentuk relatif adalah
bentuk pola yang sudah dinormalisasikan, yaitu setiap harga dari pola
radiasi tersebut telah dibandingkan dengan harga maksimumnya. Sehingga
pola radiasi medan, apabila dinyatakan didalam pola yang ternormalisasi
akan mempunyai bentuk :
F(q,f ) =![clip_image002[1]](https://lh5.ggpht.com/_OmN5_tnXdjs/SXZqsKlGzWI/AAAAAAAAAQw/txdS0gT8wlo/clip_image0021_thumb.gif?imgmax=800)
(8)
Karena
poynting vektor hanya mempunyai komponen radiasi yang sebenarnya
berbanding lurus dengan kuadrat magnitudo kuat medannya, maka untuk pola
daya apabila dinyatakan dalam pola ternormalisasi, tidak lain sama
dengan kuadrat dari pola medan yang sudah dinormalisasikan itu.
P(q,f ) = | F(q,f ) |2 (9)
Seringkali juga pola radiasi suatu antena digambarkan dengan satuan
decibel (dB). Intensitas medan dalam
decibel didefinisikan sebagai :
F(q,f ) dB = 20 log | F(q,f ) | (dB) (10)
Sedangkan untuk pola dayanya didalam
decibel adalah :
P(q,f ) dB = 10 log P(q,f )
= 20 log | F(q,f ) | (11)
Semua
pola radiasi di atas adalah pola radiasi untuk kondisi medan jauh.
Dalam pengukuran pola radiasi, faktor jarak mempengaruhi hasil
pengukuran yang baik dan teliti. Semakin jauh jarak pengukuran pola
radiasi yang digunakan semakin baik hasil yang diperoleh. Untuk
melakukan pengukuran pola radiasi pada jarak yang benar-benar tak
terhingga adalah suatu hal yang tak mungkin. Untuk keperluan pengukuran
ini, ada suatu daerah di mana medan yang diradiasikan oleh antena sudah
dapat dianggap sebagai tempat medan jauh apabila jarak antara sumber
radiasi dengan antena yang diukur memenuhi ketentuan berikut :
r >
(12)
r >> D dan
r >> l
Dimana :
r : jarak pengukuran
D : dimensi antena yang terpanjang
l : panjang gelombang yang dipancarkan sumber.
2.a Side Lobe Level
Ukuran yang menyatakan besar daya yang terkonsentrasi pada side lobe dibanding dengan
main lobe disebut
Side Lobe Level (SLL), yang merupakan rasio dari besar puncak dari
side lobe terbesar dengan harga maksiumum dari
main lobe. Side Lobe Level (SLL) dinyatakan dalam
decibel (dB), dan ditulis dengan rumus sebagai berikut :
SLL =
20 log
dB (13)
Dengan :
F(SLL) : nilai puncak dari
side lobe terbesar
F(maks) : nilai maksimum dari
main lobe
Untuk normalisasi,
F(maks) mempunyai harga = 1 (satu).
2.b Half Power Beam Width (HPBW)
HPBW adalah sudut dari selisih titik-titik pada setengah pola daya dalam
main lobe, yang dapat dinyatakan dalam rumus sebagai berikut :
HPBW = | q
HPBW left - q
HPBW right | (14)
Dengan q
HPBW left dan q
HPBW right : titik-titik pada kiri dan kanan dari
main lobe dimana pola daya mempunyai harga ½ .
Suatu antena yang mempunyai pola radiasi
broad side adalah antena dimana pancaran utama maksimum dalam arah normal terhadap bidang dimana antena berada. Sedangkan antena
end fire adalah
antena yang pancaran utama maksimum dalam arah paralel terhadap bidang
utama antena. Namun ada juga antena yang mempunyai pola radiasi di mana
arah maksimum
main lobe berada diantara bentuk
broad side dan
end fire yang disebut dengan
intermediate.(lihat pola radiasipada gambar 4).
3. Direktivitas dan
Gain
Hal
terpenting dari suatu antena adalah seberapa besar antena mampu
mengkonsentrasikan energi pada suatu arah yang diinginkan, dibandingkan
dengan radiasi pada arah yang lain. Karakteristik tersebut dinamakan
direktivitas (
directivity) dan
power gain.
Power gain dinyatakan relatif terhadap suatu referensi tertentu, seperti sumber isotropis atau dipole ½ l.
Intensitas
radiasi adalah daya yang diradiasikan pada suatu arah per unit sudut
dan mempunyai satuan watt per steradian. Intensitas radiasi, dapat
dinyatakan sebagai berikut :
U(q,f) = ½ Re (E x H*) r2 = Pr r2 (15)
U(q,f) = Um | F(q,f) |2 (16)
Dimana :
Pr = kerapatan daya
Um = intensitas maksimum
| F(q,f) |2 = magnitudo pola medan normalisasi
Intensitas radiasi dari sumber isotropis adalah tetap untuk seluruh ruangan pada suatu harga
U(q,f).
Dan untuk sumber non isotropis, intensitas radiasinya tidak tetap pada
seluruh ruangan tetapi suatu daya rata-rata per steradian, dapat
dinyatakan sebagai berikut :
Uave =![clip_image002[2]](https://lh4.ggpht.com/_OmN5_tnXdjs/SXZra6mq_7I/AAAAAAAAARQ/x4E2VkUX6fI/clip_image0022_thumb.gif?imgmax=800)
(17)
Dengan :
d W = sin q dq df
PT : kerapatan daya total
3.a Direktivitas Antena
Directive gain adalah perbandingan intensitas radiasi pada suatu arah dengan intensitas radiasi rata-rata, yang dinyatakan sebagai berikut :
D(q,f) =
(18)
Dimana :
U(q,f) = intensitas radiasi,
Uave = intensitas radiasi rata-rata
Jika pembilang dan penyebut dibagi dengan
r2
maka akan diperoleh rasio kerapatan daya dengan kerapatan daya
rata-rata. Dengan memasukkan persamaan 16 dan 17 kedalam persamaan 18
maka akan diperoleh persamaan sebagai berikut :
(19)
Dengan
WA =
(20)
Sedangkan direktivitas merupakan harga maksimum dari
directive gain, yang dapat dinyatakan dengan :
D =
(21)
3.b.
Gain Antena
Penggunaan
antena biasanya lebih memperhatikan efisien dalam memindahkan daya yang
terdapat pada terminal input menjadi daya radiasi. Untuk menyatakan
ini,
power gain (atau
gain saja)
didefinisikan sebagai 4p kali rasio dari intensitas pada suatu arah dengan daya yang diterima antena, dinyatakan dengan :
G(q,f) = 4p 
(22)
Definisi ini tidak termasuk
losses yang disebabkan oleh ketidaksesuaian impedansi (
impedance missmatch ) atau polarisasi. Harga maksimum dari
gain adalah harga maksimum dari intensitas radiasi atau harga maksimum dari persamaan (22), sehingga dapat dinyatakan dengan :
G = 4p 
(23)
Jika tidak ada arah yang ditentukan dan harga
power gain tidak dinyatakan sebagai suatu fungsi dari q dan f, diasumsikan sebagai
gain maksimum.
Direktivatas dapat ditulis sebagai
D = 4p 
, jika dibandingakan dengan persamaan (23) maka akan terlihat bahwa perbedaan
gain maksimum dengan direktivitas hanya terletak pada jumlah daya yang digunakan. Direktivitas dapat menyatakan
gain suatu antena jika seluruh daya input menjadi daya radiasi. Dan hal ini tidak mungkin terjadi karena adanya
losses pada daya input. Bagian daya input (P
in)
yang tidak muncul sebagai daya radiasi diserap oleh antena dan struktur
yang dekat dengannya. Hal tersebut menimbulkan suatu definisi baru,
yaitu yang disebut dengan
efisiensi radiasi, dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut :
e = 
(24)
dengan harga e diantara nol dan satu ( 0 <
e < 1) atau ( 0 <
e < 100%).Sehingga
gain maksimum suatu antena sama dengan direktivitas dikalikan dengan efisiensi dari antena, yang dapat dinyatakan sebagai berikut :
G = e D (25)
Namun dalam prakteknya jarang
gain antena dihitung berdasarkan direktivitas (
directivity) dan efisiensi yang dimilikinya, karena diperlukan perhitungan yang tidak mudah. Salah satu metode pengukuran
power gain maksimum terlihat seperti pada gambar 5. Sebuah antena sebagai sumber radiasi, dicatu dengan daya tetap oleh
transmitter sebesar P
in. Mula-mula antena
standard dengan
power gain maksimum yang sudah diketahui (G
s)
digunakan sebagai antena penerima seperti terlihat pada gambar 5a.
Kedua antena kemudian saling diarahkan sehingga diperoleh daya
output P
s yang maksimum pada antena penerima. Selanjutnya antena
standard diganti dengan antena yang akan dicari
power gain-nya, sebagaimana terlihat pada gambar 5b. Dalam posisi ini antena penerima harus mempunyai polarisasi yang sama dengan antena
standard dan diarahkan sedemikian rupa agar diperoleh daya
out put P
t yang maksimum. Apabila pada antena
standard sudah diketahui
gain maksimumnya, maka dari pengukuran
gain maksimum antena yang dicari dapat dihitung dengan :
Gt = 
Gs (26)
Atau jika dinyatakan dalam
decibel adalah :
Gt (dB) = Pt (dB) - Ps (dB) + Gs (dB) (27)
4. IMPEDANSI ANTENA
Impedansi
input akan dipengaruhi oleh antena-antena lain atau obyek-obyek yang
dekat dengannya. Untuk mempermudah dalam pembahasan diasumsikan antena
terisolasi.
Impedansi antena terdiri dari bagain riil dan imajiner, yang dapat dinyatakan dengan :
Zin = Rin + j Xin (28)
Resistansi input (
Rin)
menyatakan tahanan disipasi. Daya dapat terdisipasi melalui dua cara,
yaitu karena panas pada struktur antena yang berkaitan dengan perangkat
keras dan daya yang meninggalkan antena dan tidak kembali (teradiasi).
Reaktansi input (
Xin) menyatakan daya yang tersimpan
pada medan dekat dari antena. Disipasi daya rata-rata pada antena dapat
dinyatakan sebagai berikut :
Pin = ½ R | Iin |2 (29)
Dimana :
Iin = arus pada terminal input
Faktor
½ muncul karena arus didefinisikan sebagai harga puncak. Daya dissipasi dapat diuraikan menjadi daya rugi
ohmic dan daya rugi radiasi, yang dapat ditulis dengan :
Pin = Pohmic + Pr (30)
Dimana :
Pr : ½ Rin | Iin |2
Pohmic = ½ Rohmic | Iin |2
Sehingga definisi resistansi radiasi dan resistansi ohmic suatu antena pada terminal input adalah :
(31a)
(31b)
Resistansi
radiasi adalah relatif terhadap arus pada setiap titik antena. Biasanya
digunakan arus maksimum, dengan kata lain arus yang digunakan pada
persamaan 30 adalah arus maksimum.
Untuk memaksimumkan perpindahan daya dari antena ke penerima, maka impedansi antena haruslah
conjugate match
(besarnya resistansi dan reaktansi sama tetap berlawanan tanda). Jika
hal ini tidak terpenuhi maka akan terjadi pemantulan energi yang
dipancarkan atau diterima, sesaui dengan persamaan sebagai berikut :
GL =
(32)
Dengan :
e-L = tegangan pantul
ZL = impedansi beban
e+L = tegangan datang
Zin = impedansi input
Sedangkan
Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), dinyatakan sebagai berikut :
VSWR =
(33)
Dalam prakteknya
VSWR harus bernilai lebih kecil dari 2 (dua).
5. POLARISASI ANTENA
Polarisasi
antena didefinisikan sebagai arah vektor medan listrik yang
diradiasikan oleh antena pada arah propagasi. Jika jalur dari vektor
medan listrik maju dan kembali pada suatu garis lurus dikatakan
berpolarisasi
linier.
Jika vektor medan listik konstan dalam panjang tetapi berputar disekitar jalur lingkaran, dikatakan ber
polarisasi lingkaran. Jika vektornya berputar berlawanan arah jarum jam dinamakan polarisasi tangan kanan (
right hand polarize) dan yang searah jarum jam dinamakan polarisasi tangan kiri (
left hand polarize).
Gelombang
yang menghasilkan polarisasi ellip adalah gelombang berjalan sepanjang
sumbu z yang perputarannya dapat ke kiri dan ke kanan, dan vektor medan
listrik sesaatnya e mempunyai arah komponen e
x dan e
y sepanjang sumbu x dan sumbu y. Harga puncak dari komponen-komponen tersebut adalah
E1 dan
E1.
Harga ralatif dari E
1 dan E
2, dapat dinyatakan sebagai berikut :
(34)
Sudut
kemiringan ellips t adalah sudut antara sumbu x dengan sudut utama
ellips. d adalah fase, dimana komponen y mendahului komponen x. Jika
komponennya sefase (d =0), maka vektor akan ber
polarisasi linier.
Orientasi dari polarisasi linier tergantung tergantung harga relatif dari
E1 dan
E2,.
jika :
E1 = 0 maka terjadi polarisasi linier vertikal
E2 = 0 maka terjadi polarisasi linier horisontal
E1= E2 maka terjadi polarisasi linier membentuk sudut 45
0
Untuk
memaksimumkan sinyal yang diterima, maka polarisasi antena penerima
harus sama dengan polarisasi antena pemancar. Kadang terjadi antara
antena penerima dan pemancar berpolarisasi berbeda. Hal tersebut akan
mengurangi intensitas sinyal yang diterima.
Sebuah antena dapat memancarkan energi dengan polarisasi yang tidak diinginkan (polarisasi silang /
cross polarized) dan berakibati mengurangi
gain.
6. Bandwidth Antena
Antena
dituntut bekerja dengan efektif agar dapat menerima atau memancarkan
gelombang pada band frekuensi tertentu. Bekerja efektif artinya
distribusi arus dan impedansi dari antena pada range frekuensi tersebut
belum banyak mengalami perubahan dan belum keluar dari batas yang
diijinkan. Daerah frekuensi kerja dimana antena dapat bekerja dengan
baik dinamakan
bandwidth antenna. Misal sebuah antena bekerja pada frekuensi sebesar
fC, namun ia juga masih dapat bekerja dengan baik pada frekuensi
f1 <
fC sampai dengan
f2 >
fC, maka lebar
bandwidth dari antena tersebut adalah (
f1 – f2). Apabila dinyatakan dalam prosen, maka
bandwidth antena tersebut adalah :
BW = 
x 100 % (35)
Bandwidth yang dinyatakan dalam prosen digunakan untuk menyatakan
bandwidth antena dengan
band sempit (
narrow band). Untuk
band yang lebar (
broad band) digunakan definsi rasio antara batas frekuensi atas dengan frekuensi bawah.
BW =
(36)
Bandwidth antena dipengaruhi oleh luas penampang konduktor dan bentuk geometrinya. Misalnya pada antena dipole akan mempunyai
bandwidth
yang semakin lebar apabila penampang konduktor yang digunakannya
semakin besar. Demikian pula pada antena yang mempunyai susunan fisik
yang berubah secara
smoth akan menghasilkan pola radiasi dan impedansi input yang berubah secara
smoth terhadap perubahan frekuensi
. Pada jenis antena gelombang berjalan (
tavelling wave) ternyata ditemukan lebih lebar range frekuensi kerjanya daripada antena resonan.
- KESIMPULAN
1.
Antena jenis antena kawat dimensi fisiknya disesuaikan dengan panjang
gelombang dimana sistem bekerja. Semakin tinggi frekuensi kerja, maka
semakin pendek panjang gelombangnya, sehingga semakin pendek panjang
fisik suatu antena. Untuk antena gelombang mikro, menggunakan antena
luasan
(aperture antena) karena mempunyai sifat pengarahan yang baik untuk memancarkan gelombang elektromagnetik.
2.
Dalam pengukuran pola radiasi, faktor jarak mempengaruhi ketelitian
hasil pengukuran. Semakin jauh jarak pengukuran pola radiasi yang
digunakan semakin baik hasil yang diperoleh. Untuk melakukan pengukuran
pola radiasi pada jarak yang benar-benar tak terhingga adalah suatu hal
yang tak mungkin.
3. Karakter yang penting dari suatu antena
adalah seberapa besar antena mampu mengkonsentrasikan energi pada suatu
arah yang diinginkan, dibandingkan dengan radiasi pada arah yang lain.
4. Untuk memaksimumkan perpindahan daya dari antena ke penerima, maka impedansi antena haruslah
conjugate match (besarnya resistansi dan reaktansi sama tetap berlawanan tanda).
5.
Untuk memaksimumkan sinyal yang diterima, maka polarisasi antena
penerima harus sama dengan polarisasi antena pemancar. Antena bekerja
efektif artinya distribusi arus dan impedansi dari antena pada range
frekuensi tersebut belum banyak mengalami perubahan dan belum keluar
dari batas yang diijinkan.
D. DAFTAR PUSTAKA
1. Dr. Ing
Mudrik Alaydrus, Antena Reflektor. <http//Mudrikalaydrus.files.
wordpress.com/2008/05>. Diakses tanggal 14 November 2008 Jam 19.11.
- John D. Krous. 1988. Antenas. McGraw-Hill Book Company.
- Subagjo Basuki B. 2003. Antena dan Propagasi. Polines. Semarang.
- Uke Kurniawan Usman.Sistem LMDS Wireless Broadband .<www.te.ugm.ac.id/~nanangsw>. Diakses tanggal 2 November 2008 Jam 19.48.
- Umi Fadhillah. Simulasi Pola Radiasi Antena Dipole Tunggal. <http://eprints.ums.ac.id/16/1/Emitor>. Diakses tanggal 7 November 2008 Jam 19.20.
![clip_image006[1]](http://lh6.ggpht.com/_OmN5_tnXdjs/SXZpat61jkI/AAAAAAAAAP8/C1bVyD0vxzc/s1600-h/clip_image00612.gif){kind=small}
![clip_image002[1]](http://lh3.ggpht.com/_OmN5_tnXdjs/SXZqmjMC1mI/AAAAAAAAAQs/L3hfPdrsz_4/s1600-h/clip_image00212.gif){kind=small}
![clip_image002[2]](http://lh3.ggpht.com/_OmN5_tnXdjs/SXZrVn1-JXI/AAAAAAAAARM/2hQoK-kmwzA/s1600-h/clip_image00222.gif){kind=small}
