Antena Vertical Collinear Bab 2

6

BAB2 TEORI DASAR 2.1 U M U M Pada bab ini akan diberikan teori dasar yang melandasi permasalahan dan penyelesaiannya yang diangkat dalam Tugas Akhir ini. Teori dasar yang diberikan meliputi: pengertian tentang antena, yang memberikan definisi dan klasifikasi tentang antena, distribusi arus antena dan pola radiasi antena. Selanjutnya, diberikan penjelasan tentang pola radiasi dari antena Vertical Collinear dan penjelasan singkat tentang kabel koaxial serta pengertian tentang wireless-LAN. Pada bagian lain, diberikan tentang perencanaan dan pembuatan antenna Vertical Collinear. 2.2 PENGERTIAN ANTENA Dilihat dari sumber latar belakang sejarah telekomunikasi listrik berupa komunikasi wireless, berhasil ditemukan pertama kali oleh Heindrich Rudolph Hertz, beliau berhasil mendemonstrasikan sistem gelombang Elektromagnetik (EM) pertama kali pada tahun 1886 dengan menggunakan dipole λ/2. Pada tahun 1890 beliau mempublikasikan catatannya tentang elektrodinamika dan melakukan penyederhanaan persamaan elektromagnetika. Antena (antenna atau areal) didefinisikan sebagai suatu struktur yang berfungsi sebagai pelepas energi gelombang elektromagnetik di udara dan juga bisa sebagai penerima/penangkap energi gelombang elektromagnetik di udara. Karena merupakan perangkat perantara antara saluran transmisi dan udara, maka antena harus mempunyai sifat yang sesuai (match) dengan saluran pencatunya. Secara umum, antena dibedakan menjadi antena isotropis, antena Omnidirectional, antena Directional, antena Phase Array, antena Optimal dan antena Adaptif . Antena isotropis (isotropic) merupakan sumber titik yang memancarkan daya ke segala arah dengan intensitas yang sama, seperti permukaan bola. Antena ini tidak ada dalam kenyataan dan hanya digunakan sebagai dasar untuk merancang dan menganalisa struktur antena yang lebih 6

7

kompleks. Antena Vertical Collinear adalah antena yang memancarkan daya ke segala arah, dan bentuk pola radiasinya digambarkan seperti bentuk donat (doughnut) dengan pusat berimpit. Antena ini ada dalam kenyataan, dan dalam pengukuran sering digunakan sebagai pembanding terhadap antena yang lebih kompleks. Contoh antena ini adalah antena dipole setengah panjang gelombang. Antena Collinear merupakan antena yang memancarkan daya ke arah tertentu. Gain antena ini relatif lebih besar dari antena Omnidirectional. Contoh, suatu antena dengan gain 10 dBi (kadang-kadang dinyatakan dengan “dBic” atau disingkat “dB” saja). Artinya antena ini pada arah tertentu memancarkan daya 10 dB lebih besar dibanding dengan antena isotropis. Ketiga jenis antena di atas merupakan antena tunggal, dan bentuk pola radiasinya tidak dapat berubah tanpa merubah fisik antena atau memutar secara mekanik dari fisik antena. Selanjutnya adalah antena Phase Array, yang merupakan gabungan atau konfigurasi array dari beberapa antana sederhana dan menggabungkan sinyal yang menginduksi masing-masing antena tersebut untuk membentuk pola radiasi tertentu pada keluaran array. Setiap antena yang menyusun konfigurasi array disebut dengan elemen array. Arah gain maksimum dari antena phase array dapat ditentukan dengan pengaturan fase antar elemen-elemen array. Antena optimal merupakan suatu antena dimana penguatan (gain) dan fase relatif setiap elemennya diatur sedemikian rupa untuk mendapatkan kinerja (performance) pada keluaran yang seoptimal mungkin. Kinerja yang dimaksud kinerja antara lain signal to interference ratio, SIR atau signal to interference plus noise ratio, SINR. Optimasi kinerja dapat dilakukan dengan menghilangkan atau meminimalkan penerimaan sinyal-sinyal tak dikehendaki (interferensi) dan mengoptimalkan penerimaan sinyal yang dikehendaki. Antena adaptif merupakan pengembangan dari antena antena phase array maupun antena optimal, dimana arah gain maksimum dapat diatur sesuai dengan gerakan dinamis (dinamic fashion) obyek yang dituju. Antena dilengkapi dengan Digital Signal Proccessor (DSP), sehingga secara dinamis mampu mendeteksi dan melecak berbagai macam tipe sinyal, meminimalkan interferensi serta memaksimalkan penerimaan sinyal yang diinginkan.

8

2.3 DISTRIBUSI ARUS ANTENA Distibusi Arus sebenarnya suatu antena tipis mendekati sinusoidal. Hal ini berlaku untuk antena yang memiliki panjang beberapa kali panjang gelombang.

Gambar 2.1: Distribusi Arus antena dipole dikalikan ½ λ [13] 2.4 POLA RADIASI ANTENA Pola radiasi (radiation pattern) merupakan salah satu parameter penting dari suatu antena. Parameter ini sering dijumpai dalam spesifikasi suatu antena, sehingga pembaca dapat membayangkan bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antena tersebut. Dalam hal ini, maka pola radiasi disebut juga pernyataan secara grafis yang menggambarkan sifat radiasi dari antena (pada medan jauh) sebagai fungsi dari arah dan penggambarannya dapat dilihat pada diagram pola radiasi yang sudah diplot sesuai dengan hasil pengukuran sinyal radiasi dari suatu antena.

9

Pola radiasi dapat disebut sebagai pola medan (field pattern) apabila intensitas radiasi yang digambarkan adalah kuat medannya dan disebut pola daya (power pattern) apabila intensitas radiasi yang digambarkan adalah vektor poynting-nya. Apabila dilihat dari penamaan bidang pola radiasi ada 4 macam, yaitu: Bidang H ialah bidang magnet dari pola radiasi antena, bidang E ialah medan listrik dari pola radiasi antena, bidang elevasi ialah pola radiasi yang diamati dari sudut elevasi dan bidang azimuth ialah pola radiasi yang diamati dari sudut azimuth. dimana antara bidang H dan bidang E saling tegak lurus dan antara bidang elevasi dan bidang azimuth juga sama saling tegak lurus.

Gambar 2.3: Ilustrasi bidang pola radiasi Pada gambar 2.3 di atas memperlihatkan bentuk koordinat pada bidang pola radiasi, untuk warna hijau ialah bidang azimuth atau bidang H, sedangkan warna ungu menjelaskan bidang elevasi atau E.

10

Gambar 2.4: Ilustrasi pola radiasi dalam koordinat polar Pada gambar 2.4 di atas menjelaskan ilustrasi pola radiasi dengan antena dalam koordinat polat (polar plot), sengaja diambil dari contoh di atas antena yang digunakan pada gambar tersebut adalah antena Directional berupa antena yagi, agar nampak lebih jelas pengaruh posisi antena terhadap radiasi yang dipancarkan oleh antena tersebut. 2.4.1 Pola Radiasi Antena Directional Antena Directional biasanya digunakan oleh client, dikarenakan antena ini mempunyai pola radiasi yang terarah dan dapat menjangkau jarak yang relatif jauh daripada antena lainnya. Ada beberapa macam antena Directional antara lain: Yagi, plat panel, parabola, tin can antenna, parabolic reflektor dan lain-lainnya. Pola radiasi antena ini digambarkan pada gambar 2.5 seperti dibawah ini.

Gambar 2.5: Pola Radiasi Antena Directional

11

Gambar di atas merupakan gambaran secara umum bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antena Directional, apabila dalam koordinat polar atau grafik pola radiasi seperti gambar 2.6 dibawah ini.

Gambar 2.6: Bentuk pola radiasi gelombang antena Directional: (a) Pola radiasi bidang medan magnet (H) (b) Pola radiasi bidang medan listrik (E) 2.4.2 Pola Radiasi Antena Vertical Collinear Antena Vertical Collinear pada umumnya mempunyai pola radiasi 360 derajat apabila pola radiasinya dilihat pada bidang medan magnet (H). Gain antena Vertical collinear antara 3 dBi sampai 12 dBi. Antena tersebut menggunakan sambungan Point-to-Multi-Point (P2MP).

Gambar 2.7: Pola Radiasi Antena Vertical Collinear

12

Gambar di atas merupakan gambaran secara umum bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antena Vertical Collinear, apabila dalam koordinat polar atau grafik pola radiasi seperti gambar 2.8 dibawah ini.

Gambar 2.8: Bentuk pola radiasi gelombang antena Vertical Collinear : (a) Pola radiasi bidang medan magnet (H) (b) Pola radiasi bidang medan listrik (E) 2.5 GAIN ANTENA Gain antena (Gt) dapat dihitung dengan menggunakan antena lain sebagai antena yang standard atau sudah memiliki gain yang standard (Gs). Dimana membandingkan daya yang diterima antara antena standard (Ps) dan antena yang akan diukur (Pt) dari antena pemancar yang sama dan dengan daya yang sama. (2.1) Jika dirubah dalam satuan decibel maka menjadi,

Gt (dB) = Pt (dBm) – Ps (dBm) + Gs (dB)

(2.2)

13

2.6 IMPEDANSI INPUT ANTENA Impedansi Input antena adalah impedansi antena di terminal catu (feeder)nya disebabkan perbandingan antara tegangan (V) dan arus (I) di terminal input atau catu (feeder). Zin = V/I

(2.3)

Dimana: Zin = Impedansi Input (Ω) V = Tegangan terminal input (Volt) I = Arus terminal input (A) 2.7 VSWR Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) adalah kemampuan suatu antena untuk bekerja pada frekuensi yang diinginkan. Pengukuran VSWR berhubungan dengan pengukuran koefisien refleksi dari antena tersebut. Perbandingan level tegangan yang kembali ke pemancar (V-) dan yang datang menuju beban (V+) ke sumbernya lazim disebut koefisien pantul atau koefisien refleksi yang dinyatakan dengan simbol “Γ”.

(2.4)

Hubungan antara koefisien refleksi, impedansi karakteristik saluran (Zo) dan impedansi beban/ antena (Zl) dapat ditulis :

(2.5)

Harga

koefisien

refleksi

ini

dapat

bervariasi

antara

0

(tanpa

pantulan/match) sampai 1, yang berarti sinyal yang datang ke beban seluruhnya dipantulkan kembali ke sumbernya semula. Maka untuk pengukuran VSWR.

14

(2.6) Besar nilai VSWR yang ideal adalah 1, yang berarti semua daya yang diradiasikan antena pemancar diterima oleh antena penerima (match). Semakin besar nilai VSWR menunjukkan daya yang dipantulkan juga semakin besar dan semakin tidak match. 2.8 KABEL KOAXIAL Kabel koaxial (coax) merupakan kabel yang biasanya dipakai untuk menghubungkan

suatu

perangkat

(device)

yang

berfungsi

sebagai

pemancar/penerima gelombang radio dengan antena yang sesuai dengan prealatan tersebut dalam suatu sistem komunikasi wireless.

Gambar 1.2 : Kabel coaxial tipe CNT 300 Pada gambar 1.2 di atas abjad A,B,C dan D menyatakan : a. Outer plastic sheath (sarung plastik luar) b. Copper screen (serabut tembaga) c. Inner dielectric insulator (bahan dielektrik) d. Copper core (inti tembaga) Kabel ini sangat ideal untuk membawa atau menghantarkan sinyal listik yang berfrekuensi tinggi, misalnya : kabel penghubung antara TV dan antenanya atau untuk menghubungkan perangkat radio pemancar/penerima gelombang radio dengan antenanya.

15

KONDUKTOR

INSULATOR

Gambar 1.3 : Struktur kabel coaxial Jalur transmisi kabel coaxial ada 2 bagian konduktor, yaitu inti tembaga dan serabut tembaga, yang kedua konduktor tersebut dipisahkan oleh bahan insulator (solid dielektric). Pada gambar 1.3 menggambarkan bagian-bagian kabel coaxial, menunjukkan bahwa warna merah adalah bahan konduktor, warna putih adalah bahan insulator dan warna abu-abu adalah lapisan paling luar kabel (outer jacket). Kabel coaxial terdiri dari beberapa macam tipe dan tiap-tiap tipenya memiliki laporan data atau nama lainnya datasheet tersendiri, layaknya seperti komponen elektronika. Datasheet sebuah kabel coaxial meliputi : impedansi, diameter kabel, velocity factor dan lain-lainnya seperti terlihat pada table 1.1 : Tabel 1.1 Data Sheet Kabel Coaxial RG-58U Tipe Coaxial CNT - 300

Impedansi 50 Ω

Diameter 5,0 mm

Felocity Factor 0,66

Sumber : http://en.wikipedia.org/wiki/Coaxial_cable Maret 2009 Velocity factor di sini merupakan karakteristik kecepatan sinyal listik atau gelombang radio dan secara teknik dapat dikatakan juga sebagai faktor pengali dari panjang gelombang radio yang dibawa oleh kabel tersebut. Lebih jelasnya nampak pada persamaan 1.1 berikut : ………………………………………………… (1.1)

16

Maka persamaan panjang gelombang terhadap velocity factor kabel coaxial menjadi seperti ditunjukkan pada persamaan 1.2 : ……………………………………………………… (1.2) dimana : λ = panjang gelombang v = velocity factor c = kecepatan rambat cahaya (3x108) f = frekuensi

2.9 PENGERTIAN WIRELESS-LAN Jaringan Wireless-LAN adalah jaringan yang mengkoneksikan dua komputer atau lebih menggunakan sinyal radio, cocok untuk berbagai file, printer atau akses internet yang merupakan pengembangan dari jaringan LAN, hanya saja jaringan LAN masih menggunakan kabel sedangkan jaringan W-LAN tidak menggunakan kabel tetapi peralatan wireless seperti : Wireless PCI card, USB Wireless adapter, PCMCIA card, Access Point, dan lain-lainnya. Bila ingin mengkoneksikan dua komputer atau lebih di lokasi yang sukar atau tidak mungkin untuk memasang kabel jaringan, sebuah jaringan wireless (tanpa kabel) mungkin cocok untuk diterapkan. Setiap PC pada jaringan wireless dilengkapi dengan sebuah radio tranceiver, atau biasanya disebut adapter atau kartu W-LAN, yang akan mengirim dan menerima sinyal radio dari dan ke PC lain dalam suatu jaringan. akan mendapatkan banyak adapter dengan konfigurasi internal dan eksternal, baik untuk PC desktop maupun notebook. Mirip dengan jaringan Ethernet kabel, sebuah W-LAN mengirim data dalam bentuk paket. Setiap adapter memiliki nomor ID yang permanen dan unik yang berfungsi sebagai sebuah alamat, dan tiap paket selain berisi data juga menyertakan alamat penerima dan pengirim paket tersebut. Sama dengan sebuah adapter Ethernet, sebuah kartu W-LAN akan memeriksa kondisi jaringan sebelum mengirim paket ke dalamnya. Bila jaringan dalam keadaan kosong, maka paket

17

langsung dikirimkan. Bila kartu mendeteksi adanya data lain yang sedang menggunakan frekuensi radio, maka ia akan menunggu sesaat kemudian memeriksanya kembali. W-LAN biasanya menggunakan salah satu dari dua topologi untuk mengatur sebuah jaringan. Pada topologi ad-hoc biasa dikenal sebagai jaringan peer-to-peer setiap PC dilengkapi dengan sebuah adapter W-LAN yang mengirim dan menerima data ke dan dari PC lain yang dilengkapi dengan adapter yang sama, dalam radius 300 kaki (±100 meter). Untuk topologi infrastruktur, tiap PC mengirim dan menerima data dari sebuah titik akses, yang dipasang di dinding atau langit-langit berupa sebuah kotak kecil berantena yang biasa di sebut juga Access Point (AP). Saat titik akses menerima data, ia akan mengirimkan kembali sinyal radio tersebut (dengan jangkauan yang lebih jauh) ke PC yang berada di area cakupannya, atau dapat mentransfer data melalui jaringan Ethernet kabel. Titik akses pada sebuah jaringan infrastruktur memiliki area cakupan yang lebih besar, tetapi membutuhkan alat dengan harga yang lebih mahal. Walau menggunakan prinsip kerja yang sama, kecepatan mengirim data dan frekuensi yang digunakan oleh W-LAN berbeda berdasarkan jenis atau produk yang dibuat, tergantung pada standar yang mereka gunakan. Vendorvendor wireless-LAN biasanya menggunakan beberapa standar, termasuk IEEE 802.11, IEEE 802.11b/g, OpenAir, dan HomeRF. Sayangnya, standar-standar tersebut tidak saling kompatibel satu sama lain, dan harus menggunakan jenis/produk yang sama untuk dapat membangun sebuah jaringan, dikarenakan oleh frekuensi dari beberapa standar tersebut tidak sama. Semua standar tersebut menggunakan adapter menggunakan segmen kecil pada frekuensi radio 2,4 GHz, sehingga bandwith radio untuk mengirim data menjadi kecil. Tetapi adapter tersebut menggunakan dua protokol untuk meningkatkan efisiensi dan keamanan dalam pengiriman sinyal : 1.

Frequency hopping spread spectrum, dimana paket data dipecah dan dikirimkan menggunakan frekuensi yang berbeda-beda, satu pecahan bersisian dengan lainnya, sehingga seluruh data dikirim dan diterima oleh

18

PC yang dituju. Kecepatan sinyal frekuensi ini sangat tinggi, serta dengan pemecahan paket data maka sistem ini memberikan keamanan yang dibutuhkan dalam satu jaringan, karena kebanyakan radio tranceiver biasa tidak dapat mengikutinya. 2.

Direct sequence spread spectrum, sebuah metode dimana sebuah frekuensi radio dibagi menjadi tiga bagian yang sama, dan menyebarkan seluruh paket melalui salah satu bagian frekuensi ini. Adapter direct sequence akan mengenkripsi dan mendekripsi data yang keluar-masuk, sehingga orang yang tidak memiliki otoritas hanya akan mendengar suara desisan saja bila mereka menangkap sinyal radio tersebut. Vendor W-LAN biasanya menyebutkan transfer rate maksimum pada

adapter buatan mereka. Model yang menggunakan standar 802.11 dapat mentransfer data hingga 2 megabit per-detik, baik dengan metode frequency hopping atau direct sequence. Adapter yang menggunakan standar OpenAir dapat mentransfer data hingga 1,6-mbps menggunakan frequency hopping. Dan standar terbaru, HomeRF dapat mengirim dan menerima data dengan kecepatan 1,6-mbps (dengan menggunakan metode frequency hopping). W-LAN kecepatan tinggi menggunakan standar 802.11b yang dikenal sebagai WiFi mampu mengirim data hingga 11 mbps dengan protokol direct sequence, sedangkan standar 802.11g mampu mengirim data hingga 54 mps [9]. Sebelum lebih lanjut membahas disain Wireless Metropolitan Area Network (MAN) ada baiknya kita selami cara menghitung margin daya untuk operasional radio. Salah satu kunci utama untuk melakukan perhitungan adalah mengerti konsep besaran dB sebagai besaran perbandingan daya. Rumus yang biasa digunakan untuk konversi dB dengan Watt atau mW, adalah:

 Konversi satuan sinyal Watt (W) ke dalam unit dBm : dBm = ( 10 Log(Power Watts)) + 30  Konversi unit dBm ke dalam satuan Watt (W):

(2.11)

19

(2.12)  Sehingga apabila satuan Watt diubah menjadi miliWatts (mW): (2.13) Untuk memberikan gambaran daya pancar 15 dBm adalah 30 mW, daya pancar 20 dBm adalah 100 mW. Cara sederhana untuk membatasi ruang lingkup aplikasi W-LAN adalah dengan membatasi daya pancar. Secara hukum daya pancar sinyal di Antena yang di ijinkan adalah 36 dBmW, artinya jika menggunakan antena parabola 24 dBi hanya boleh menggunakan peralatan W-LAN dengan daya sekitar 15 dBm (sekitar 30 mW saja). Umumnya peralatan W-LAN yang ada di pasaran mempunyai daya pancar antara 15-20 dBm (30-100 mW). Radiasi pancaran di antena biasanya di ukur dengan Effective Isotropic Radiated Power (EIRP) yang di ukur dalam dBm. Pada kesepakatan yang ada, rekan-rekan IndoWLI tampaknya cenderung untuk sepakat EIRP yang diijinkan adalah 36 dBm. EIRP yang merupakan daya yang di radiasikan di ujung antena, dapat dihitung dari: EIRP (dBm) = TX Power – TX Cable Loss + TX Antenna Gain

(2.14)

Dengan di batasinya EIRP sebesar 36dBm, dan rata-rata loss di kabel coax & konektor sebesar 5 dB. Maka jika menggunakan antena parabola 21 dBi, daya pancar yang dapat digunakan hanya 20 dBm (100 mW). Artinya, penggunaan power amplifier menjadi sangat di haramkan, bisa-bisa anda terkena denda Rp. 600 juta dan atau penjara 6 tahun sesuai pasal 55 UU36/1999. Dengan keterbatasan EIRP hanya 30-36 dBm, kita mempunyai jarak jangkau yang sangat terbatas. Jarak transmisi maksimum dan memberikan 10-15 dB margin untuk mengatasi fading akan sangat tergantung pada jenis antena yang digunakan pada AP (Access Point) jika antena Vertical Collinear dengan gain 1012 dBi digunakan, kita menggunakan antena sectoral dengan gain 12-14 dBi pada AP, kita melihat jarak jangkau 6-8 km.

20

Terdapat dua macam sambungan antara gedung-ke-gedung. Yang pertama disebut Point-to-point (P2P) dan yang kedua adalah Point-to-Multi-Point (P2MP). Di Indonesia, kita mengadopsi batasan EIRP yang berbeda antara bagian sambungan Point-to-Point (P2P) dan sambungan Point-to-Multi-Point (P2MP) menjadi 36 dBm dan 30 dBm.

Gambar 2.12: Jaringan wireless P2P antar gedung Pada sambungan P2P hanya untuk koneksi antar dua gedung saja dan tidak bisa mengkoneksikan antar beberapa gedung, dengan memanfaatkan antena Omnidirectional dan memposisikan antena tersebut pada tengah-tengah sebagai sentral di sekitar gedung maka sambungan P2P dapat menjadi P2MP yang memungkinkan terkoneksinya antar beberapa gedung atau loebih dari dua gedung.

21

Gambar 2.13: Jaringan wireless P2MP antar gedung