BAB II

ANTENA HELIX

Pengertian Antena

Pada sistem komunikasi radio diperlukan adanya antena sebagai pelepas

energi elektromagnetik ke udara atau ruang bebas, atau sebaliknya sebagai penerima energi itu dari ruang bebas. Antena merupakan bagian yang penting dalam sistem komunikasi sehari-hari. Antena kita jumpai pada pesawat televisi, telepon genggam, radio, dan lain-lain.

Antena adalah suatu alat yang mengubah gelombang terbimbing dari saluran transmisi menjadi gelombang bebas di udara, dan sebaliknya. Saluran transmisi adalah alat yang berfungsi sebagai penghantar atau penyalur energi gelombang elektromagnetik. Suatu sumber yang dihubungkan dengan saluran transmisi yang tak berhingga panjangnya menimbulkan gelombang berjalan yang uniform sepanjang saluran itu. Jika saluran ini dihubung singkat maka akan muncul gelombang berdiri yang disebabkan oleh interferensi gelombang datang dengan gelombang yang dipantulkan. Jika gelombang datang sama besar dengan gelombang yang dipantulkan akan dihasilkan gelombang berdiri murni. Konsentrasi-konsentrasi energi pada gelombang berdiri ini berosilasi dari energi listrik seluruhnya ke energi magnet total dua kali setiap periode gelombang itu.

Gambar 2.1 memperlihatkan sumber atau pemancar yang dihubungkan dengan saluran transmisi AB ke antena [1]. Jika saluran transmisi disesuaikan dengan impedansi antena, maka hanya ada gelombang berjalan ke arah B saja. Pada A ada saluran transmisi yang dihubungkan singkat dan merupakan

5

resonator. Di daerah antena energi diteruskan ke ruang bebas sehingga daerah ini merupakan transisi antara gelombang terbimbing dengan gelombang bebas [1].

Gel. ruang bebas teradiasi

Gambar 2.1 Antena sebagai peralatan transisi

Daerah Antena

Daerah antena merupakan pembatas dari karakteristik gelombang elektromagnetika yang dipancarkan oleh antena. Pembagian daerah di sekitar antena dibuat untuk mempermudah pengamatan struktur medan di masing-masing daerah antena tersebut. Gambar 2.2 menjelaskan tentang daerah-daerah di sekitar antena [1].

6

Medan Jauh

(Freshnel)

(Fraunhofer

Medan

Medan

R

Dekat

Dekat

Radiasi

Reaktif

Gambar 2.2 Daerah Antena

Ruang-ruang di sekitar antena dibagi ke dalam 3 daerah, yaitu :

Daerah medan dekat reaktif

Daerah ini didefenisikan sebagai bagian dari daerah medan dekat di

sekitar antena, di mana daerah reaktif lebih dominan. Apabila adalah panjang gelombang dan D adalah dimensi terluar antena, untuk kebanyakan antena batas terluar daerah ini adalah [1]:

(2.1)

Sedangkan untuk mencari panjang gelombang dapat dicari dengan menggunakan pesamaan berikut:

(2.2)

Daerah medan dekat radiasi

Daerah ini didefenisikan sebagai daerah medan antena antara medan dekat reaktif dan daerah medan jauh di mana medan radiasi dominan dan

7

distribusi medan bergantung pada jarak dari antena. Daerah ini sering juga disebut

daerah Freshnel dimana [1]:

(2.3)

Daerah medan jauh

Daerah medan jauh merupakan daerah antena di mana distribusi medan

tidak lagi bergantung kepada jarak dari antena. Di daerah ini, komponen medan transversal dan distribusi angular tidak bergantung pada jarak radial di mana pengukuran dibuat. Semua spesifikasi diperoleh dari pengukuran yang dilakukan di daerah ini, dengan syarat [1]:

(2.4)

Parameter Antena

Kinerja dan daya guna suatu antena dapat dilihat dari nilai parameter-

parameter antena tersebut [1]. Beberapa dari parameter tersebut saling berhubungan satu sama lain. Parameter-parameter antena yang biasanya digunakan untuk menganalisis suatu antena adalah impedansi masukan, Voltage Wave Standing Ratio (VSWR), return loss, bandwidth, keterarahan, dan penguatan.

Impedansi masukan

Impedansi masukan adalah perbandingan (rasio) antara tegangan dan arus.

Impedansi masukan ini bervariasi untuk nilai posisi tertentu [1].

8

(2.5)

dimana Zin merupakan perbandingan antara jumlah tegangan (tegangan masuk dan tegangan refleksi (V) terhadap jumlah arus (I) pada setiap titik z pada saluran, berbeda dengan karakteristik impedansi saluran (Z0) yang berhubungan dengan tegangan dan arus pada setiap gelombang.

Pada saluran transmisi, nilai z diganti dengan nilai , sehingga persamaan di atas menjadi [1]:

(2.6)

Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)

VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri

(standing wave) maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min). Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V0+) dan tegangan yang direfleksikan (V0-). Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (), yaitu :

(2.7)

di mana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0 adalah impedansi saluran lossless.

9

Koefisien refleksi tegangan () memiliki nilai kompleks, yang merepresentasikan besarnya magnitudo dan fasa dari refleksi. Untuk beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari adalah nol, maka :

: refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat

: tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna.

: refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka. Rumus untuk mencari nilai VSWR adalah [1]:

(2.8)

Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 (S=1) yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun kondisi ini pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Oleh karena itu, nilai standar VSWR yang diijinkan untuk fabrikasi antena adalah VSWR2.

Return Loss

Return loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang

direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return loss dapat terjadi karena adanya diskontinuitas di antara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban (antena). Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas (mismatched), besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi seperti yang ditunjukkan oleh [1]:

(2.9)

10

Nilai dari return loss yang baik adalah di bawah -9,54 dB, nilai ini diperoleh untuk nilai VSWR 2 sehingga dapat dikatakan nilai gelombang yang direfleksikan tidak terlalu besar dibandingkan dengan gelombang yang dikirimkan atau dengan kata lain, saluran transmisi sudah matching. Nilai parameter ini menjadi salah satu acuan untuk melihat apakah antena sudah dapat bekerja pada frekuensi yang diharapkan atau tidak.

Bandwidth

Bandwidth suatu antena didefenisikan sebagai rentang frekuensi di mana kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, polarisasi, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR, return loss) memenuhi spesifikasi standar. Bandwith dapat dicari dengan rumus berikut ini [1]:

(2.10)

Keterangan :

= frekuensi tertinggi

= frekuensi terendah

= frekuensi tengah

Ada beberapa jenis bandwidth di antaranya :

Impedance bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana patch antena berada pada keadaan matching dengan saluran pencatu. Hal ini terjadi karena impedansi dari elemen antena bervariasi nilainya tergantung dari nilai

11

frekuensi. Nilai matching ini dapat dilihat dari return loss dan VSWR. Nilai return loss dan VSWR yang masih dianggap baik adalah kurang dari -9,54 dB.

Pattern bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana bandwidth, sidelobe, atau gain, yang bervariasi menurut frekuensi memenuhi nilai tertentu. Nilai tersebut harus ditentukan pada awal perancangan antena agar nilai bandwidth dapat dicari. Polarization atau axial ratio bandwidth adalah rentang frekuensi di mana polarisasi (linier atau melingkar) masih terjadi. Nilai axial ratio untuk polarisasi melingkar adalah kurang dari 3 dB.

Keterarahan (Directivity)

Keterarahan dari sebuah antena dapat didefenisikan sebagai perbandingan

(rasio) intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada semua arah. Intensitas radiasi rata-rata sama dengan jumlah daya yang diradiasikan oleh antena dibagi dengan 4. Jika arah tidak ditentukan, arah intensitas radiasi maksimum merupakan arah yang dimaksud. Keterarahan ini dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut ini [1]:

(2.11)

Dan jika arah ini tidak ditentukan, keterarahan terjadi pada intensitas radiasi maksimum yang didapat dengan rumus [1]:

(2.12)

12

Keterangan :

D= keterarahan

D0 = keterarahan maksimum

U= intensitas radiasi maksimum

Umax = intensitas radiasi maksimum

U0 = intensitas radiasi pada sumber isotropic

Prad = daya total radiasi

Penguatan (gain)

Ada dua jenis penguatan (gain) pada antena, yaitu penguatan absolut

(absolute gain) dan penguatan relatif (relative gain). Penguatan absolut pada sebuah antena didefenisikan sebagai perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropic. Intensitas radiasi yang berhubungan dengan daya yang diradiasikan secara isotropic sama dengan daya yang diterima oleh antena (Pin) dibagi dengan 4. Penguatan absolut ini dapat dihitung dengan rumus [1]:

(2.13)

Selain penguatan absolut, ada juga penguatan relatif. Penguatan relatif didefenisikan sebagai perbandingan antara perolehan daya pada sebuah arah dengan perolehan daya pada antena referensi pada arah yang direferensikan juga. Daya masukan harus sama di antara kedua antena itu. Akan tetapi, antena referensi merupakan sumber isotropic yang lossless. Secara umum dapat dihubungkan sebagai berikut [1]:

13

(2.14)

Pola radiasi

Pola radiasi pada sebuah antena didefenisikan sebagai sebuah fungsi

matematis atau sebuah gambaran grafis dari komponen-komponen radiasi sebuah antena. Pola radiasi biasanya digambarkan dalam daerah medan jauh dan ditunjukkan sebuah fungsi koordinat direksional.

Frekuensi Resonansi

Frekuensi resonansi sebuah antena dapat diartikan sebagai frekuensi kerja

antena dimana pada frekuensi tersebut seluruh daya dipancarkan secara maksimal.

Pada umumnya frekuensi resonansi menjadi acuan menjadi frekuensi kerja antena.

Antena Helix

Antena Helix terdiri dari konduktor tunggal atau multi konduktor terbuka

yang berbentuk Helix. Antena Helix merupakan antena yang mempunyai bentuk tiga dimensi. Bentuk dari antena Helix menyerupai per atau pegas dan diameter lilitan serta jarak antar lilitan berukuran tertentu.

Antena Helix mempunyai bentuk geometri tiga dimensi seperti pada Gambar 2.3. Gambar tersebut memperlihatkan bentuk dasar dari sebuah antena Helix dengan parameter-parameternya adalah sebagai berikut [2]:

D = diameter dari Helix

C = circumference (keliling) dari Helix = D

14

S = jarak antara lilitan

= sudut jepit (pitch angle) = arctan S/D

L = panjang dari 1 lilitan n = jumlah lilitan

A = axial length = nS

d = diameter konduktor Helix

Gambar 2.3 (a) Bantuk dasar dari antena Helix (b) Hubungan antara D, S, C, L

Diameter dan keliling (circumference) digunakan sebagai parameter dalam menentukan frekuensi kerja dari Helix, biasanya dinyatakan pula dalam panjang gelombang D dan C. Axial length dan pitch angle menentukan gain dari Helix. Untuk mencari diameter antena Helix dapat menggunakan persamaan berikut:

(2.15) Sementara untuk menghitung circumference dapat menggunakan persamaan berikut:

15

(2.16)

Untuk mencari pitch angle dapat menggunakan persamaan

(2.17)

Makin panjang axial length maka makin besar pula gain dari Helix. Relasi ini dapat dilihat dari persamaan berikut [3]:

(2.18)

Dan untuk mencari panjang dari antena Helix dapat menggunakan persamaan berikut:

(2.19)

Antena Helix biasanya dipasang diatas sebuah ground plane seperti pada Gambar 2.4. Ground plane dapat berbentuk apa saja, tetapi biasanya berbentuk segi empat atau lingkaran dengan diameter satu sampai satu setengah kali panjang gelombang. Ground plane dapat berbentuk reflektor kerucut atau dapat pula berbentuk datar. dengan menggunakan ground plane, diharapkan back lobe dari antena dapat diminimalisasi.

Gambar 2.4 Antena Helix dengan Ground Plane

16

Antena Helix dapat dioperasikan dalam dua mode, yaitu mode transmisi (transmission mode) dan mode radiasi (radiation mode). Mode transmisi digunakan untuk menjelaskan bagaimana gelombang elektromagnetik dioperasikan sepanjang Helix dapat diasumsikan sebagai saluran transmisi tak hingga atau waveguide, dimana beberapa mode transmisi yang berbeda dapat dioperasikan.

Mode radiasi digunakan untuk mengetahui bentuk dari medan jauh (far field pattern) dari sebuah Helix. Pada mode radiasi dikenal dua macam mode, yaitu mode axial dan mode normal.

Pola radiasi (pattern) antena helix pada mode axial

Secara teori, antena helix dapat dimodelkan sebagai jajaran sejumlah titik

sumber isotropis (isotropsi point source) yang tersusun seperti pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Susunan array dari titik sumber isotropis

Masing-masing titik merepresentasikan satu buah lilitan dari Helix, sementara jarak antara titik merepresentasikan jarak antara lilitan pada antena Helix. Jumlah titik sumber isotropis analogi dengan jumlah lilitan pada Helix.

17

Pola radiasi dari antena Helix diturunkan dengan menggunakan prinsip pattern multiplication, dimana pola radiasi Helix merupakan produk dari semua titik sumber isotropis yang tersusun secara array, sehingga disebut array pattern atau array factor (faktor array).

Dengan asumsi bahwa satu lilitan dari antena Helix mempunyai gelombang bejalan (traveling wave) yang seragam disepanjang antena, maka pola radiasi total dari antena Helix dengan jumlah lilitan n merupakan produk dari faktor array dengan pola radiasi satu lilitan Helix.

Operasi Antena Helix pada Mode Axial

Mode operasi axial terjadi jika circumference (C) dari Helix bernilai

kurang lebih satu kali panjang gelombang pada frekuensi tengah dari frekuensi kerjanya (0,75