Post on 04-Jan-2016
description
PERHITUNGAN PARAMETER ANTENNA HORN PIRAMIDA
MENGGUNAKAN MATLAB
TUGAS
MATA KULIAH
LABORATORIUM PENGOLAHAN SINYAL DIGITAL
Disusun Oleh :
1. Guntari Fitriawati NIM : 1312030035
2. Putri Ramdhany NIM : 1312030045
Kelas : TT-4A
PROGRAM STUDI TEKNIK TELEKOMUNIKASI
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
POLITEKNIK NEGERI JAKARTA
DEPOK
2014
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Perkembangan dunia teknologi saat ini kian berkembang pesat. Sehingga dari
waktu kewaktu dalam dunia teknologi dibutuhkan sesuatu yang baru dimana fungsinya
dapat lebih memudahkan para penggunanya. Perkembangan dunia teknologi dimulai
dari komunikasi dengan menggunakan kabel, hingga teknologi komunikasi tanpa kabel
(wireless). Perkembangan teknologi komunikasi tanpa kabel berbanding lurus dengan
perkembangan perangkat yang digunakan. Perangkat terpenting dalam perkembangan
teknologi komunikasi tanpa kabel adalah antenna. Antenna merupakan sebuah
perangkat yang digunakan untuk menerima dan memancarkan gelombang
elektromagnetik. Salah satu jenis antenna adalah antenna celah (Arpeture Antenna)
seperti antenna horn piramida.
Antenna (antenna atau areal) 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 antenna harus mempunyai sifat yang sesuai (match)
dengan media kabel pencatunya.
Aperture antenna lebih dikenal oleh orang-orang awam saat ini dibandingkan di
masa lalu karena peningkatan kebutuhan untuk bentuk yang lebih sederhana dari
antenna-antenna dan peralatan frekuensi tinggi. Contoh dari aperture antenna adalah
antenna horn piramida yang diaplikasikan pada pesawat dan kendaraan angkasa.
Perancangan antenna ini terdapat banyak rumus yang digunakan, maksud dari tugas
besar ini adalah untuk mempermudah perancangan antenna horn piramida dimana
perhitungan parameter-parameter antenna ini dapat dihitung secara otomatis dengan
menggunakan matlab.
1.2. Tujuan
1. Membuat perencanaan antenna horn piramida dengan berbagai ketentuan jenis
waveguide.
2. Membuat aplikasi perhitungan antenna horn piramida secara otomatis dengan
menggunakan matlab.
BAB II
DASAR TEORI
2.1. Konsep Dasar Antenna
2.1.1.Koefisien Refleksi
Untuk memaksimumkan perpindahan daya dari antenna ke penerima, maka impedansi
antenna haruslah conjugate match (besarnya resistansi dan reaktansi sama tetapi
berlawanan tanda). Jika hal ini tidak terpenuhi maka akan terjadi pemantukan energi
yang dipancarkan atau diterima, sesuai dengan persamaan berikut:
Γ L=ZL−Z¿
ZL+Z¿
Dimana : ZL=Impedansibeban
Z¿=impedansi input
2.1.2.Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)
VSWR adalah tingkat ketidaksesuain antara beban dan saluran transmisi pada
antenna dikenal dengan VSWR, jika impedansi beban tidak sesuai dengan impedansi
saluran, maka sebagian energi pada gelombang datang akan dipantulkan kembali oleh
beban. Rumus yang digunakan untuk menghitung VSWR adalah :
VSWR=1+¿ Γ∨ ¿1−¿ Γ∨¿¿
¿
2.1.3. Return loss
Return loss merupakan koefisien refleksi dalam bentuk logaritmik yang
menunjukkan daya yang hilang karena antenna dan saluran transmisi tidak matching.
Sehingga tidak semua daya diradiasikan melainkan ada yang dipantulkan balik.
RL=20 log( S−1S+1 )
Dimana : S = VSWR antenna
2.1.4. Lebar Band Frekuensi (Bandwidth)
Penggunaan sebuah antenna didalam sistem pemancar ataupun penerima selalu
dibatasi oleh daerah frekuensi kerjanya. Pada range frekuensi kerja tersebut, antenna
diusahakan dapat bekerja dengan efektif agar dapat menerima dan memancarkan
gelombang elektromagnetik pada band frekuensi tertentu. Pengertian harus dapat
bekerja dengan efektif disini adalah bahwa distribusi arus dan impedansi dari antenna
pada range frekuensi tersebut benar-benar belum mengalami perubahan yang berarti,
sehingga masih sesuai dengan pola radiasi yang direncanakan serta VSWR yang
diijinkan. Lebar band frekuensi atau dikenal sebagai Bandwidth antenna adalah range
frekuensi kerja dimana antenna masih dapat bekerja dengan efektif.
Gambar 1. Bandwidth pada antenna
Bandwidth dapat dinyatakan dalam bentuk persen. Dapat dituliskan sebagai berikut:
BW=f u−f l
f c
x100 %
Selain itu Bandwidth dapat pula dinyatakan dalam bentuk:
BW=f u−f l
Dimana : BW = Bandwidth
fu = frekuensi diatas frekuensi center (fc)
fl = frekuensi dibawah frekuensi center (fc)
2.1.5. Directivity
Karakteristik antenna yang dapat memberikan gambaran berapa banyak energi yang
dikonsentrasikan pada arah yang dikehendaki terhadap arah yang lain disebut
directivity. Directivity merupakan perbandingan antara intensitas radiasi maksimum
dengan intensitas radiasi rata-rata yang dipancarkan oleh suatu antenna. Pengertian
directivity ini akan sama dengan power gain apabila antenna itu 100% efisien.
2.1.6. Gain Antenna
Gain didefinisikan sebagai perbandingan antara intensitas maksimum suatu
antenna directive (arah pancarnya ke satu arah) dengan intensitas radiasi suatu antenna
pembanding isotropis (arah pancarnya ke segala arah), dalam kondisi daya masukan
kedua antenna sama besar.
Gain antenna dapat dihitung dengan menggunakan antenna lain sebagai antenna
yang standard atau sudah memiliki gain yang standard. Dimana membandingkan daya
yang diterima antara antenna standard dan antenna yang akan diukur dari antenna
pemancar yang sama dan dengan daya yang sama.
2.1.7. Pola Radiasi Antenna
Pola radiasi (radiation pattern) merupakan salah satu parameter penting dari
suatu antenna. Parameter ini sering dijumpai dalam spesifikasi suatu antenna, sehingga
pembaca dapat membayangkan bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antenna tersebut.
Dalam hal ini, maka pola radiasi disebut juga pernyataan secara grafis yang
menggambarkan sifat radiasi dari antenna (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 antenna.
2.2. Antenna Horn
Antenna horn merupakan antenna yang paling banyak dipakai dalam sistem
komunikasi gelombang mikro. Antenna ini ada dan mulai digunakan pada tahun 1800-
an. Antenna ini mempunyai gain yang tinggi, VSWR yang rendah, lebar pita
(Bandwidth) yang relatif besar, tidak berat, dan mudah dibuat.
2.2.1.Jenis-Jenis Antenna Horn
Berdasarkan bentuk luasannya, antenna horn diklasifikasikan dalam dua jenis
yaitu antenna horn persegi (rectangular horn antenna) dan antenna horn kerucut (conical
horn antenna).
Gambar 2. Jenis-jenis antenna Horn
2.2.2. Penggunaan Antenna Horn
Antenna horn digunakan secara luas, diantaranya sebagai elemen penerima untuk
radio astronomi, tracking satelit, serta sebagai pencatu pada reflektor antenna parabola.
Jenis antenna horn yang sering dipakai dalam praktek adalah antenna horn piramida,
karena itu dalam makalah ini akan dijelaskan karakteristik dari antenna horn,
khususnya mengenai pola radiasi, faktor penguatan dan keterarahannya.
Horn dapat dianggap sebagai bumbung (pandu) gelombang yang dibentangkan
sehingga gelombang-gelombang di dalam pandu tersebut menyebar menurut suatu orde
tertentu dan akan menghasilkan suatu distribusi medan melalui mulut horn sehingga
dapat dianggap sebagai sumber radiasi yang menghasilkan distribusi medan melalui
suatu luasan tangkap. Amplitudo dan fase medan pada bidang mulut horn tergantung
pada jenis dan mode gelombang catu yang masuk ke horn melalui pandu gelombang
dan tergantung pada sifat-sifat horn.
2.2.3. Sifat-Sifat Antenna Horn
Karakteristik medan-medan radiasi seperti pola radiasi, faktor penguatan, keterarahan
dan sebagainya sangat ditentukan oleh dimensi antenna horn, seperti panjang horn (R),
lebar a dan tinggi b atau ukuran-ukuran aperture. Penguatan maksimum dari antenna
horn diuraikan dengan persamaan :
Gain Optimum Horn(dB)=10(0,808+ logaλ
× logbλ )
Sedangkan directivity untuk sebuah antenna horn adalah:
D(dB)=10 log 7,5 x ( Ap
λ2 )
2.2.4. Antenna Horn Piramida
Antenna horn persegi yang paling populer adalah antenna horn jenis piramida
(pyramidal horn antenna). Antenna horn piramidal merupakan antenna celah (aperture
antenna) berbasis saluran pandu gelombang persegi (rectangular waveguide),
sedangkan mulutnya melebar ke arah bidang medan listrik (E) dan bidang medan
magnet (H), sehingga bentuk akhir antenna ini menyerupai piramida.
2.2.5.Konstruksi Antenna Horn Piramida
Seperti yang ditunjukan gambar berikut, antenna ini mengalami pelebaran pada
kedua sisinya. Ukuran dari penampang pandu gelombangnya adalah a dan b, dengan a
adalah bagian yang lebih lebar dari pada bagian b.
Gambar 3. Konstruksi antenna horn piramida
2.2.6. Pola Radiasi Antenna Horn
Pola radiasi suatu antenna didefinisikan sebagi suatu pernyataan secara grafis
yang menggambarkan sifat radiasi suatu antenna (pada medan jauh) sebagian fungsi
dari arah itu adalah pointing vektor, maka ia disebut sebagai Pola Daya (Power
Pattern).
Gambar 4. Pola radiasi antenna horn
Untuk menentukan pola radiasi antenna horn piramida sebagai fungsi dari medan
jauh, maka terlebih dahulu ditentukan medan listriknya pada luasan (mulut) horn.
Seringkali dibutuhkan antenna yang mempunyai pola radiasi broad side atau end fire.
Suatu antenna broad side adalah antenna dimana pancaran utama maksimum dalam
arah normal terhadap bidang dimana antenna berada. Sedangkan antenna end fire
adalah antenna yang pancaran utama maksimum dalam arah paralel terhadap bidang
utama dimana antenna berada. Namun demikian ada juga antenna yang mempunyai
pola radiasi di mana arah maksimum main lobe berada diantara bentuk broad side dan
end fire yang disebut dengan intermediate. selain itu juga intermediate juga diartikan
sebagai pancaran daya yang arah main beam pada posisi tegak lurus ataupun sejajar tapi
mengarah pada sudut tertentu. Antenna yang mempunyai pola radiasi intermediate
banyak dijumpai pada phased array antenna.
Gambar 5. (a) broad side (b) end fire (c) intermediate
2.2.7. Teorema Luasan Tangkap (Aperture)
Suatu antenna yang mempunyai struktur berupa suatu luasan yang dilalui
gelombang elektromagnetik dinamakan antenna luasan (aperture antenna). Antenna
horn adalah merupakan salah satu contoh dari antenna luasan. Konsep dari aperture
ditunjukkan sangat sederhana, yaitu dengan mempertimbangkan suatu antenna
penerima. Andaikata bahwa antenna penerima adalah suatu horn elektromagnetik yang
dibenamkan didalam medan dari suatu gelombang datar serba sama. Ambilah vektor
poynting, atau kerapatan power dari gelombang datar S watt permeter persegi. Apabila
horn menyerap semua power dari gelombang melalui seluruh luasan a1, maka power P
yang diserap dari gelombang adalah :
P = S . A (watt)
Sehingga, horn elektromagnetik dapat dianggap sebagai suatu aperture. Power
total yang diserap dari gelombang yang melaluinya menjadi sebanding dengan aperture
atau luasan mulut.
2.2.8. Waveguide
Waveguide adalah saluran tunggal yang berfungsi untuk menghantarkan
gelombang elektromagnetik (microwave) dengan frekuensi 300 MHz – 300 GHz.
Dalam kenyataannya, waveguide merupakan media transmisi yang berfungsi memandu
gelombang pada arah tertentu. Secara umum waveguide dibagi menjadi tiga yaitu, yang
pertama adalah Rectanguler Waveguide (waveguide dengan penampang persegi) dan
yang kedua adalah Circular Waveguide (waveguide dengan penampang lingkaran), dan
Ellips Waveguide (waveguide dengan penampang ellips).
Dalam waveguide diatas mempunyai dua karakteristik penting, yaitu :
1. Frekuensi cut off, yang ditentukan oleh dimensi waveguide.
2. Mode gelombang yang ditransmisikan, yang memperlihatkan ada tidaknya medan
listrik atau medan magnet pada arah rambat.
Faktor-faktor dalam pemilihan waveguide sebagai saluran transmisi antara lain :
1. Band frekuensi kerja, tergantung pada dimensi.
2. Transmisi daya, tergantung pada bahan.
3. Rugi-rugi transmisi, tergantung mode yang digunakan.
Pemilihan waveguide sebagai pencatu karena pada frekuensi diatas 1 GHz, baik
kabel pair, kawat sejajar, maupun kabel koaksial sudah tidak efektif lagi sebagai media
transmisi gelombang elektromagnetik. Selain efek radiasinya yang besar, redamannya
juga semakin besar. Pada frekuensi tersebut, saluran transmisi yang layak sebagai
media transmisi gelombang elektromagnetik (microwave) adalah Waveguide.
Waveguide merupakan konduktor logam (biasanya terbuat dari brass atau
aluminium) yang berongga didalamnya, yang pada umumnya mempunyai penampang
berbentuk persegi (rectanguler waveguide) atau lingkaran (circular waveguide). Saluran
ini digunakan sebagai pemandu gelombang dari suatu sub sistem ke sub sistem yang
lain. Pada umumnya di dalam waveguide berisi udara, yang mempunyai karakteristik
mendekati ruang bebas.
Waveguide persegi adalah pandu gelombang dengan penampang persegi dan
model ini sering digunakan dalam praktik. Hal ini disebabkan karena perencanaan,
analisa serta pembuatannya relatif mudah. Dalam analisanya, waveguide persegi
memberikan hasil yang sederhana, dengan menggunakan koordinat siku-siku
(kartesian). Dapat dilihat pada gambar berikut.
Gambar 6. Sistem koordinat untuk waveguide
Waveguide adalah saluran tunggal yang berfungsi untuk menghantarkan
gelombang elektromagnetik (microwave) dengan frekuensi 300 MHz – 300 GHz.
Dalam kenyataannya, waveguide merupakan media transmisi yang berfungsi memandu
gelombang pada arah tertentu. Secara umum waveguide dibagi menjadi tiga yaitu, yang
pertama adalah Rectanguler Waveguide (waveguide dengan penampang persegi) dan
yang kedua adalah Circular Waveguide (waveguide dengan penampang lingkaran), dan
Ellips Waveguide (waveguide dengan penampang ellips).
BAB III
HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1. Pembahasan Untuk Perhitungan Secara Manual
Sebelum membuat program perhitungan parameter-parameter antenna horn
piramida secara otomatis dengan matlab, kita harus mengetahui terlebih dahulu rumus-
rumus yang digunakan, dan untuk menguji hasil dari program yang kita buat, maka
diperlukan pembanding dengan perhitungan manual. Untuk perhitungan secara manual
digunakan frekuensi 15 GHz, frekuensi kerja antenna horn piramida sebesar 15 GHz
menggunakan ketentuan WR 62 sesuai dengan tabel standar waveguide (Tabel 1),
sehingga didapat parameter panjang a = 1,78 cm dan lebar b = 0,99 cm.
Tabel 1. Jenis waveguide standar antenna horn persegi
No Jenis Waveguide
Range Frekuensi Kerja
Antenna Yang Digunakan
(GHz)
Dimensi
Panjang
a (cm)
Lebar
b (cm)
1 WR 650 1,12 - 1,7 16,9 8,66
2 WR 430 1,71 - 2,6 11,3 5,87
3 WR 284 2,61 - 3,95 7,62 3,81
4 WR 187 3,96 - 5,85 5,08 2,54
5 WR 137 5,86 - 8,2 3,81 1,91
6 WR 90 8,21 - 12,4 2,54 1,27
7 WR 62 12,41 – 18 1,78 0,99
8 WR 42 18,1 - 26,5 1,27 0,64
9 WR 28 26,51 – 40 0,91 0,56
10 WR 19 40,1 – 60 0,68 0,44
11 WR 12 60,1 – 90 0,51 0,36
12 WR 8 90,1 – 140 0,20 0,20
13 WR 5 140,1 – 220 0,20 0,20
14 WR 3 220,1 – 325 0,20 0,20
Keterangan : WR = Waveguide Rectangular
Gambar 7. Dimensi–dimensi antenna horn piramida Keterangan :
(a) Bentuk geometris antenna horn piramida
(b) Penampang melintang pada bidang H
(c) Penampang melintang pada bidang E
Panjang gelombang (λ) dengan frekuensi kerja 15 GHz :
λ=Cf
¿ 3.108m / s15.109 Hz
¿0,02 m
¿2 cm
Gain antenna horn piramida :
G=10 (0,808+ logaλ
×logbλ )
¿10(0,808+log1,78
2× log
0,992 )
¿8,234 dB
Koefisien radiasi (K) :
K=[ 10( G
10 )15,7497 ]
2
¿ [ 10( 8,23
10 )15,7497 ]
2
¿ 0,178 Panjang penampang bidang E (Re) :
Re=λ .√ K
¿2√0,178
¿ 0,843 cm
Panjang penampang bidang H (Rh) :
Rh=K ×λ2
Re
¿0,17 ×22
0,84
¿ 0,844 cm
Dimensi aperture antenna (mulut antenna horn) sisi A dan B :
A=√3. Rh . λ
¿√3×0,844 × 2
¿2,250 cm
B=√2. Re . λ
¿√2× 0,843 ×2
¿1,836 cm
Panjang antenna untuk bidang H (R1) dan bidang E (R2) :
R1=Rh[1+( a2 A )+( b
2B )]¿0,844 [1+( 1,78
2× 2,250 )+( 0,992× 1,836 )]=1,405 cm
R2=Re [1+( a2 A )+( b
2B ) ]¿0,843 [1+( 1,78
2×2,250 )+( 0,992×1,836 )]=1,403cm
Maka nilai R adalah :
R=R1+R2
2
¿ 1,405+1,4032
=1,404 cm
Panjang pangkal antenna horn piramida bidang H (r1) :
R xh=√Rh2−( A−a
2 )2
¿√0,8442−( 2,250−1,782 )
2
¿0,810 cm
R zh=√Rxh2−(B−b
2 )2
¿√0,8102−( 1,836−0,992 )
2
¿0,690 cm
Lalu mencari nilai r1 sebagai berikut :
r1=R1−R zh
¿1,405−0,690=0,715 cm
Panjang pangkal antenna horn piramida bidang E (r2) :
R xe=√ Re2−( B−b
2 )2
¿√0,8432−( 1,836−0,992 )
2
¿0,729 cm
R ze=√Rxe2−( A−a
2 )2
¿√0,7292−( 2,250−1,782 )
2
¿0.690 cm
Maka untuk mendapatkan nilai r2 adalah
r2=R2−R ze
¿1,403−0.690=0,713 cm
Sehingga didapat besar r sebagai berikut :
r=r1+r2
2
¿ 0,715+0,7132
=0,714 cm
Directivity antenna horn piramida yang dinyatakan dalam dB
D(dB)=10 log 7,5 x ( Ap
λ2 )¿10 log 7,5 x( 2,250 x1,836
22 )¿8,890dB
Dari seluruh hasil perhitungan, didapat perancangan antenna horn piramida untuk
frekuensi kerja 15 GHz sebagai berikut :
Gambar 8. Perancangan antenna horn piramida untuk frekuensi kerja 15 GHz
3.2. Pembuatan Program Perhitungan Secara Otomatis Dengan Matlab
Langkah pertama yaitu membuat perhitungan antena horn di software matlab, didalam software matlab dibuat input yaitu frekuensi dan range frekuensi. Pada output terdapat 15 parameter yaitu dimensi panjang (a), dimensi lebar (b), gain, koefisien radiasi (K), panjang penampang bidang E (Re), panjang penampang bidang H(Rh), dimensi aperture antena (mulut antena horn) sisi A (A), dimensi aperture antena (mulut antena horn) sisi B (B), panjang antena untuk bidang H (R1), panjang antena untuk bidang E (R2), nilai R, panjang pangkal antena horn piramida bidang H (r1), panjang pangkal antena horn piramida bidang E (r2), nilai r, dan directivity antena.
Pada range frekuensi terdapat 14 pilihan range frekuensi jadi digunakan 14case, masing- masing case mempunyai codingan yang hampir sama, bedanya yaitu pada setiap case nilai dimensi panjang (a) dan dimensi lebar (b) berbeda.seperti pada tampilan dibawah ini :
Case 1
Case 2 Case 3
Case 4 Case 5
Case 6 Case 7
Case 8 Case 9
Case 10
Case 12 Case 13
Case 14
Pada akhir case ditambahkan fungsi end untuk mengakhiri
Codingan untuk tampilan GUI
Hasil Akhir
Memasukkan input 15 GHz
Hasil perhitungan dengan MATLAB
BAB IV
KESIMPULAN
Kesimpulan dari makalah ini adalah
1. Hasil perhitungan dengan menggunakan matlab sesuai dengan perhitungan secara
manual.
2. Program perhitungan parameter-parameter secara otomatis dengan menggunakan
matlab sangat mempermudah dan mempercepat proses perancangan antenna horn
piramida.
3. Semakin besar frekuensi kerja suatu antenna, maka semakin kecil dimensi antenna
yang dihasilkan.
DAFTAR PUSTAKA
http://mudrikalaydrus.files.wordpress.com/2011/06/buku_antenna.pdf
http://www.jpier.org/PIER/pier114/11.10120603.pdf
http://digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-23097-Illustrations.pdf
http://dir.unikom.ac.id/s1-final-project/fakultas-teknik-dan-ilmu-komputer/teknik
lektro/2010/jbptunikompp-gdl-dedeyuswan-22890/3-babii.pdf/ori/3-babii.pdf
http://antennalaboratory.files.wordpress.com/2011/10/kuliah_antprop01061.pdf
http://digilib.its.ac.id/public/ITS-Master-928-1107201717-bab1.pdf
http://lasonearth.files.wordpress.com/2008/05/pdf_radar1.pdf
http://digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-26340-2822201709_chapter1.pdf