Makalah Tugas Akhir Elektrodinamika
Kajian Mengenai Antena Array Dengan Menggunakan Kajian
Pustaka
ABSTRAK
Antena (antenna atau areal) adalah suatua alat yang mengubah
gelombang terbimbing dari suatu saluran transmisi menjadi gelombang
bebas di udara. Antena array adalah sebuah sistem dari yang terdiri
dari antena individu yang digabungkan dengan antena lain. Untuk
menghindari kebingungan penyebutan maka antenna individual disebut
dengan radiator. Perkembangan dari antenna array adalah antenna
phased array atau disebut dengan steered beam antenna array yang
dikembangkan oleh inggris, amerika dan jerman. Pada awalnya fase
atau waktu tunda dalam phased array menggunakan mekanikal yaitu
dengan mengubah arah radiasi dalam aplikasi radar. Dalam
perkembangannya ternyata dengan menggunakan elektro perubahan
scanning beam lebih cepat daripada menggunakan mekanikal. Hal ini
memungkinkan pelacakan target yang lebih mudah, deteksi dan
pelacakan dengan banyak target.
1. Pendahuluan
Konsep antena yang dikembangkan oleh James Clerk Maxwell,
menyatukan teori listrik dan magnet menjadi teori elektromagnetika
yang dirangkumnya di dalam sebuah persamaan yang kemudian dikenal
dengan persamaan Maxwell. Dengan persamaan yang diturunkan Tahun
1863 Maxwell memperkirakan adanya medan listrik dan magnet yang
merambat di ruang bebas tanpa adanya kabel. Medan listrik dan
magnet yang berubah dengan waktu ini dan juga merambat di udara, di
sebut juga gelombang elektromagnetik. Dengan bantuan persamaan ini
Maxwell memperkirakan pada dasarnya cahaya juga merupakan gelombang
elektromagnetika dan merambat dengan kecepatan cahaya.
Hertz melakukan penelitian kembali terhadap prediksi Maxwell
secara eksperimen. Dia membangun dua buah alat berbentuk permukaan
silinder yang terpisah sekitar 1 meter (alat ini kemudian dikenal
dengan nama antena)[1]. Dengan alat ini bisa dibuktikan adanya
induksi sinyal pada antena yang satu akibat sumber yang dipasangkan
pada antena yang lainnya. Peristiwa ini merupakan awal mula
terciptanya telekomunikasi tanpa kabel. Atas dasar eksperimen ini
Hertz dikenal dengan nama Mr. Antenna.
Dari teori dan percobaan yang dilakukan oleh Heinrich Hertz,
Marconi mencoba melakukan terobosan baru dengan membuat alat
komunikasi non kabel, yakni radio. Hal ini berasal dari pemikiran
bahwa gelombang elektromagnetik dapat dimanfaatkan untuk mengirim
tanda atau pesan yang melintasi jarak jauh dengan atau tanpa
bantuan kabel. Marconi berhasil merealisasikan telekomunikasi jarak
jauh, dari Inggris ke benua Amerika, dengan menggunakan gelombang
elektromagnetika. Antena yang digunakan adalah 50 buah antena
pemancar yang vertikal, yang dilibatkan dengan bantuan kawat secara
horisontal dengan 2 tonggak kayu yang berjarak 60 meter. Sebagai
antena penerima dipergunakan sebuah kawat vertikal dengan panjang
200 m yang mengambang di udara dengan bantuan sebuah
layang-layang[2]. Sejak saat itu perkembangan antena makin cepat,
dan berkembang pula jenis-jenis antena sesuai dengan tuntutan
padanya di setiap bidang aplikasi.Antenna array mulai dikembangkan
pada tahun 1899 dan diimplementasikan pada tahun 1906. Antenna
array adalah sebuah sistem yang terdiri dari antenna individu yang
digabungkan dengan antenna lain[3]. Untuk menghindari kebingungan
penyebutan, maka antenna individual disebut dengan radiator dan
keseluruhan system atau array disebut dengan antenna atau antenna
array.Pengelompokkan radiator menjadi array untuk meningkatkan
keterarahan berkembang pada perang dunia ke-2. Perkembangan dari
antenna array adalah antenna phased array atau disebut dengan
steered beam. Pada awalnya fase atau waktu tunda dalam phased array
menggunakan mekanikal yaitu dengan mengubah arah radiasi dalam
aplikasi radar. Namun dalam perkembangannya ternyata dengan
menggunakan phase shifter elektronik perubahan scanning beam lebih
cepat dari pada menggunakan mekanikal. Hal ini memungkinkan
pelacakan target yang lebih mudah, mempunyai flexxibilitas yang
tinggi, mampu mengubah beam antenna secara elektronik dan
mengkontrol dengan menggunakan computer serta dapat melakukan
pelacakan dengan banyak target.2. AntenaAntena (antenna atau areal)
adalah suatua alat yang mengubah gelombang terbimbing dari suatu
saluran transmisi menjadi gelombang bebas di udara [4]. Karena
merupakan perangkat perantara, maka antena harus mempunyai sifat
yang sesuai dengan media kabel pencatunya. Dalam perancangan suatu
antena, ada beberapa hal yang harus diperhatikan[5]:
a) Bentuk dan arah radiasi yang diinginkan
b) Polarisasi yang dimiliki
c) Frekuensi kerja
d) Lebar band (bandwidth)
e) Impedansi input yang dimiliki
seperti antena dipole 1/2(, antena monopole dengan ground plane,
antena loop, antena Yagi-Uda array, antena log periodik dan
sebagainya. dimana antena-antena 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, terutama SHF ke atas, penggunaan
antena luasan seperti antena horn atau antena parabola akan lebih
efektif dibandingkan dengan antena kawat pada umumnya. karena
antena jenis ini mempunyai sifat pengarahan yang baik untuk
memancarkan gelombnag elektromagnetik.
Radiasi Gelombang Elektromagnetik Radiasi gelombang
elektromagnetik ditimbulkan oleh sebuah elemen arus kecil yang
berubah-ubah secara hermonik. Jika medan yang ditimbulkan oleh
setiap sumber elementer di dalam suatu konduktor antena dapat
dijumlahkan secara keseluruhan, maka sifat-sifat radiasi sebuah
antena dapat diketahui.
Radiasi yang timbul karena adanya sumber yang berupa arus
bolak-balik ini dapat diketahui secara sistematis dari penyelesaian
persamaan gelombang Helmholtz. Dimana persamaan Helmholtz merupakan
perasamaan yang berasal dari penurunan persamaan-persamaan Maxwell
dengan persamaan Lorentz sebagai syarat batasnya. Hasil
penyelesaian persamaan differensial Helmholtz dengan menggunakan
fungsi Green, maka diperoleh potensial vektor pada suatu titik yang
ditimbulkan oleh adanya arus dengan distribusi rapat arus J[6].
Dimana:
Az= Potensial vektor dalam arah z
J= Rapat arus
k= Bilangan gelombang
R=Jarak titik pengamat P dengan sumber elementer
v= Sumber elementer
Persamaan di atas berlaku untuk segala bentuk sumber dan di
semua sistem koordinat, sehingga untuk menentukan medan yang
ditimbulkan oleh bermacam-macam bentuk dapat menggunakan sistem
koordinat yang sesuai dengan bentuk antena. dengan mengetahui
potensial vektor A, maka medan magnet H dan medan listrik E dapat
diketahui. Untuk medan magnet H dapat diperoleh dari persamaan:
H = ( x ASedangkan untuk medan listrik E dapat diperoleh dengan
menggunakan salah satu persamaan Maxwell:
( x H = J + j((E
Sehingga medan listrik E untuk daerah di dalam sember konduktor
adalah:
( x HDaerah Medan AntenaDaerah medan antena merupakan pembatas
dari karakteristik gelombang elektromagnet yang dipancarkan oleh
antena. Daerah medan antena dibagi menjadi tiga bagian:
a) Daerah medan dekat reaktifDaerah ini merupakan bagian dari
daerah medan dekat disekitar antena, dengan medan reaktif lebih
dominan.b) Daerah medan dekat radiasiDaerah ini merupakan daerah
medan antena antara daerah medan dekat reaktif dengan daerah medan
jauh, dimana medan radiasi lebih doniman dan distribusi medan
bergantung pada jarak dari antena. c) Daerah medan jauhDaerah medan
jauh merupakan daerah antena dimana distribusi medan tidak lagi
bergantung pada jarak. Pola Radiasi Antena
Pola radiasi merupakan penggambaran pancaran energi antena dalam
bentuk fungsi koordinat ruang. Pola radiasi dibentuk dari pancaran
medan jauh pada antena. Pancaran energi ini berupa intensitas medan
listrik [7].Pola radiasi antena mempunyai beberapa parameter yang
terdiri dari:
a) Major lobe (main lobe) adalah bagian pola radiasi pada arah
tertentu yang memiliki nilai radiasi maksimum
b) Minor lobe adalah bagian pola radiasi yang terdiri dari side
lobe dan back lobe.
c) Side lobe adalah bagian pola radiasi yang terletak disamping
major lobe dan merupakan bagian minor lobe yang terbesar, biasanya
memiliki arah yang tegak lurus dengan main lobe.
d) Back lobe adalah bagian pola radiasi yang membentuk sudut
180o terhadap arah radiasi antena (arahnya bertolak belakang dengan
major lobe).
e) HPBW (Half Power Beamwidth) lebar berkas diantara sisi sisi
major lobe yang nilai dayanya setengah dari nilai maksimum major
lobe.
f) FNBW (First Null Beamwidth) adalah lebar berkas di antara
sisi sisi major lobe yang nilai dayanya nol.
g) FBR (Front to Back Ratio) adalah perbandingan antara main
lobe terhadap back lobe.
Berdasarkan pola radiasinya, antena dikelompokkan menjadi 3
yaitu:a) Antena isotropis
Antena ideal yang memancarkan atau menerima radiasi ke semua
arah dengan sama besar.
b) Antena terarahAntena yang mampu memancarkan atau menerima
gelombang elektromagnetik pada arah tertentu saja.c) Antena omni
directional
Antena yang pola radiasinya memancarkan sama besar ke beberapa
bidang saja.
3. Antena ArrayAntena array adalah antena yang terdiri dari dua
atau beberapa buah antena-antena yang digabungkan pada suatu sumber
atau beban yang disusun menurut konfigurasi geometris dan elektris
tertentu untuk menghasilkan suatu pola radiasi yang direktif.
Biasanya, hubungan setiap antena-antena juga berperan untuk
keterarahan antenna array.Medan listrik atau medan magnet total
dari array adalah superposisi secara vektorial medan yang
dihasilkan dari masing-masing antena. Dimana dihasilkan suatu
diagram radiasi tertentu, ke arah pancar yang diprioritaskan untuk
mendapatkan direktivitas yang tinggi, diupayakan medan vektornya
saling bersuperposisi secara konstruktif, sedangkan ke arah pancar
lain yang diinginkan yang memiliki direktivitas rendah,
superposisinya diupayakan berlangsung secara destruktif[8].Ada lima
parameter yang bisa digunakan untuk mengontrol diagram radiasi dari
array:1. Konfigurasi geometris arraya. linier: antena disusun pada
suatu garis tertentub. circular: disusun di atas suatu lingkaranc.
planar: tersusun pada suatu bidang dua dimensid. secara tiga
dimensi di ruang2. Jarak dari satu elemen antena ke elemen yang
lain3. Amplitudo arus atau tegangan yang dipasangkan pada feeding
elemen antena4. Phase arus atau tegangan pada feeding5. Diagram
radiasi dari masing-masing elemenAntena array banyak diaplikasikan
secara luas pada sejumlah sistem komunikasi, seperti sistem
penyiaran (broadcast), komunikasi satelit dan sistem radar. Dengan
antena array, seorang perancang akan mudah menciptakan sistem
antena yang menghasilkan direktivitas yang tinggi, beamwidth yang
sempit, side lobe yang rendah, beam yang mudah diatur dengan pola
antena yang tajam. Dalam aplikasinya, sebagian besar antena array
menggunakan elemen yang sama; seperti antena dipole, antena celah,
dan antena horn atau antena parabola, yang dicatu dengan arus atau
distribusi medan yang sama. Elemen-elemen antena array biasanya
diatur dalam konfigurasi yang bervariasi, seperti konfigurasi satu
dimensi, dimana tiap-tiap elemen disusun sepanjang garis lurus,
atau konfigurasi kisi-kisi dua dimensi, sehingga elemen membentuk
jaringan persegi. Bentuk pola radiasi medan jauh yang dihasilkan
dari konfigurasi array tersebut, dapat dilakukan dengan mengontrol
amplitudo relatif dari elemen array. Cara lain adalah dengan
menggunakan penggeser fasa (phase shifter) antar elemen antena
array, sehingga pola radiasi yang dihasilkan dapat diatur secara
elektronik[9]. Dengan cara inilah dihasilkan antenna phased
array.4. Antenna Phased ArrayKonsep dasar phased array pada
dasarnya, antenna phased array terdiri atas group-group atau
individu atenna yang disebut dengan radiator, radiator/element yang
disusun pada suatu konfigurasi linear atau ruang dua dimensi
sehingga Amplitudo dan phase dari setiap element dapat dikendalikan
untuk membentuk radiasi beam pada bentuk yang diinginkan (dari beam
berbentuk pensil yang terarah menjadi beam berbentuk kipas) di
ruang udara. Posisi beam di dalam ruang dikendalikan secara
elektronis dengan menyesuaikan phase dari sinyal yang diinginkan
pada elemen individu[10]. Karenanya, telusuran/scanning beam
tercapai dengan antena aperture yang selalu diperbaiki di dalam
ruang udara tanpa keterlibatan pergerakan mekanis pada saat proses
scanning. Antena-antena phased array terdiri atas elemen antena
keperluan ganda, yang diarahkan dengan jelas dan menggunakan phase
variabel atau waktu tunda pada masing-masing element untuk meneliti
suatu beam pada sudut-penjuru yang diberikan di dalam ruang udara.
Kendali variabel amplitudo kadang-kadang juga disediakan untuk
pengetaman pola.Antena array kadang-kadang digunakan sebagai
pengganti antena-antena aperture (reflektor-reflektor,
lensa-lensa), karena dengan beragam element, membuat kendali pola
radiasi yang lebih tepat, hal ini menghasilkan side lobe lebih
rendah atau pengetaman pola yang lebih hati-hati. Bagaimanapun,
alasan utama menggunakan antenna array adalah untuk menghasilkan
beam terarah yang dapat diposisikan kembali (scanning) secara
elektronis.5. KesimpulanAntena merupakan alat yang mengubah
gelombang terbimbing dari suatu saluran transmisi menjadi gelombang
bebas diudara. Perancangan suatu antena harus memperhatikan
beberapa hal, misalnya antena dipole 1/2( dimana dimensi fisiknya
disesuaikan dengan panjang gelombang dimana sistem itu bekerja.
semakin tinggi frekuensi kerja, maka semakin pendek panjang
gelombangnya, sehingga semakin pendek panjang fisik suatu
antena.
Antena array merupakan antena yang terdiri dari dua atau
beberapa buah antena yang digabungkan pada suatu sumber yang
disusun menurut konfigurasi geometris dan eletris tertentu untuk
menghasilkan ssuatu pola radiasi yang direktif. Bentuk pola radiasi
dihasilkan dari konfigurasi array tersebut, dapat dilakukan dengan
mengontrol amplitudo relatif dari elemen array.
Dengan antena array, seorang perancang akan mudah menciptakan
sistem antena yang menghasilkan directivitas yang tinggi, beamwidth
yang sempit, side lobe yang rendah, beam yang mudah diatur dengan
pola antena yang tajam.
Antena phased array terdiri dari group-group atau individu
antena yang disebut dengan radiator, radiator yang disusun pada
suatu konfigurasi linier atau ruang dua dimensi sehingga amplitudo
dan phase dari setiap elemen dapat dikendalikan untuk membentuk
radiasi beam pada bentuk yang diinginkan. Karena bentuknya yang
tersusun dari elemen yang beragam, membuat kendali pola radiasi
yang lebih tepat, hal ini menghasilkan side lobe lebih rendah atau
pengamatan pola yang lebih hati-hati.
Referensi1. Pratama.Kevin, Sejarah Heinrich Rudolf Hertz;
2013
2. Anis.Muhammad, Radio; Malang.2010
3. Irawan.Hery, Antena dan pola radiasinya;2013
4. N.Irma, Teknologi antena tv: Bandung. 2013
5. Y.Dede, Antena Yagi-Uda: STMIK widya Pratama. 2013
6. A.Mudrik, Antena -prinsip dan aplikasi; Graha ilmu. Jakarta.
2011
7. C.Rahmat, C.Yuli, dkk, Perancangan dan analisis antena
mikrostrip array dengan frekuensi 850 MHz untuk aplikasi praktikum
antena; Semarang
8. S.Maria dan R.Ali, Analisis antena mikrostrip patch segi
empat dengan teknik planar array; Medan
9. D.Rizal dan A.Budi, Perancangan dan pembuatan antena horn
dual piramidal dual polarisasi untuk aplikasi wimax di indonesia;
Surabaya10. Firdaus, Pembuatan antena mikrodtrip phased array
dengan pengaturan fasa menggunakan variasi panjang saluran catu;
staf pengajar teknik elektro politeknik negeri padang
x
z
y
0
r
r
R=r-r
p
r
R=r-r
1
4
