EK 3053
ANTENA n PROPAGASI
Paramet
er
dasar
ANTENA
Apakah antena ?





Daerah transisi antara propagasi saluran “guided” dan ruang udara
(bebas)
Memusatkan gelombang datang ke sebuah sensor (sbg receiver)
Meluncurkan gelombang dari struktur terbimbing ke ruang angkasa
atau udara (kondisi memancarkan)
Bagian dari sistem pengiriman sinyal yang mampu melampaui jarak
Tidak dibatasi pd gelombang EM saja (mis. Gel akustik)
Gelombang EM Ruang Udara
x
Medan Elektrik
[V/m]
Medan
Elektrik
Arah
Propagasi
y
Time [s]
z
Medan
Magnet
•Gangguan medan EM
•Kec. cahaya (~300 000 000 m/s)
•Medan E dan H saling orthogonal
•Medan E dan H se fasa
•Impedansi, Z0: 377 ohm
Medan Magnet
[A/m]
Time [s]
Gelombang EM Ruang Udara
 Ex
2
t
 H
2

2
t
y
2
x

1
 Ex
2
 0 0  z
1
E x  E0e
2
 H
H
2
 0 0  z
j ( t   z )
2
Medan
Elektrik
z
Medan
Magnet
 H 0e
y
Arah
Propagasi
y
y
j ( t   z )
Frekuensi
f 
Panjang Gel 

Konstanta Fasa
Z0 
E0
H0

2
1
 0 0 f
 
Z0 
2

0
0
Wave in lossy medium
E x  E0e
 z
e
j t
 E0  e
z
Redaman naik
terhadap z
    j


e
e
j t
Fasa berubah
terhadap z
Konstanta Propagasi
Konstanta Redaman
Konstanta Fasa
 j z
Periode waktu
Aliran Daya
Poynting vector



S  EH
Average power density
S av 
1
2
Ex
2
1
Z0

1
2
2
H
y
Z0
Polarisation of EM wave
sirkular
vertikal
Medan Elektrik, E
horisontal
Refleksi, refraksi
Refleksi
r  i
Koefisien Refraksi :
 
Er
Ei
Bergantung pd media,polarisasi gel
datang dan sudut kedatangannya.
Refraksi
sin(  t ) 
1
2
sin(  i )
if both media are lossless sin(  t ) 
Refleksi dan refraksi mempengaruhi polarisasi
 1 1
 2 2
sin(  i )
Gelombang EM terbimbing

Kabel
◦ Digunakan utk frekuensi di bawah35 GHz

“Waveguides”
◦ Penggunaan antara 0.4 GHz smp 350 GHz

Sistem Quasi-Optik
◦ Penggunaan di atas 30 GHz


Gelombang TEM (Transverse ElectroMagnetic) dlm kabel dan
sistem quasi-optik (sama seperti ruang bebas)
TH,TE dan kombinasinya dlm waveguide :
◦ Komponen medan E atau H di arah propagasi
◦ Pantulan gelombang di dinding bag dalam dari waveguide
◦ Batas frekuensi atas dan bawah
◦ Dimensi melintang sebanding dg panjang gelombang
Transverse = melintang
Gelombang EM terbimbing (2)
Waveguide Persegi
Pelontaran Gelombang EM
Kupas kabel dan belah
kawatnya
Antena Dipole
Lebarkan ujung
waveguide
Antena Horn
Transisi dari gelombang terbimbing ke gelombang
ruang bebas
Reciprocity (pertukaran/timbal balik)



Antena Pengirim dan penerima dapat dipertukarkan
penggunaannya
Media harus bersifat linier, pasif dan isotropik
Caveat : Antena biasanya dioptimasikan sebagai pengirim /
penerima tetapi tidak untuk keduanya.
Parameter dasar Antena





Pola Radiasi
Bidang berkas (Beam area) dan beam efficiency
Apertur (tingkap) efektif dan Efisiensi apertur
Direktifitas dan Penguatan (Gain)
Resistan Radiasi
Pola Radiasi
•Pola medan jauh (Far field)
•Intensitas medan turun jika jarak bertambah, ≈ 1/r
•Rapat Daya radiasi turun ≈ 1/r2
•Bentuk Pola radiasi tak bergantung jarak
•Biasanya ditunjukkan hanya di bidang utama
Far field : r  2
D

2
D : Dimensi antena
e.g. r > 220 km for APEX at 1.3 mm !
Pola Radiasi (2)
Field patterns
E  ( ,  )
E  ( ,  )
+ phase patterns
  ( ,  )
  ( ,  )
E  ( ,  )  E  ( ,  )
2
P ( ,  ) 
2
Z0
Pn ( ,  ) 
HPBW: half power beam width
P ( ,  )
P ( ,  ) max
r
2
Beam area dan beam efficiency
Beam area
Main beam area
A 
2
 
0
M 

0
Pn ( ,  )  sin(  ) d  d  
m 
 P ( ,  )d 
n
 P ( ,  )d 
n
min or
lobes
A  M  m
Main beam efficiency
M 
M
A
n
4
Main
beam
Minor lobes area
 P ( ,  ) d 
Apertur Efektif dan Efisiensi Apertur
Antena Penerima mengekstrak daya dari gelombang datang
Prec  S in  Ae
Apertur dan beam dihubungkan menjadi :
Ae 

2
A
Untuk beberapa antena, hubungan antara apertur fisik dan
apertur efektif dapat didefinisikan sbb :
 ap 
Ae
Ap
Direktifitas dan Penguatan
Direktifitas :
D 
P ( ,  ) max
P ( ,  ) average
D 
Di lihat dr pola medan :
4
 P ( ,  ) d 

n
4
Ditinjau dr sisi Apertur :
Antena Isotropik :
Penguatan
D  4
 A  4
(Gain)
Ae

2
dan
D 1
G  kg D
k g  faktor efisiensi
(0  k g  1)
G lbh rendah drpd D akibat dr rugi - 2 ohm
4
A
Resistansi Radiasi
• Antena memunculkan impedansi pada ujung terminalnya
Z A  R A  jX
A
•Bagian resistif adalah resistansi radiasi + rugi resistansi/beban
RA  RR  RL
Resistansi radiasi tidak berhubungan dg resistor
nyata yg terdapat pada antena tetapi resistansi dari
udara yang tergandeng (coupled) via berkas ke
terminal-2 antena.
Tipe-2 Antena



Wire
Aperture
Arrays
Wire antenna







Antena Dipole
Antena Loop
Folded dipole
Antena Helikal
Yagi (susunan dr dipole-2)
Reflektor Sudut
Type-2 lainnya
Horizontal dipole
Antena Kawat - resonansi



Banyak “wire antenna” digunakan pada / dekat sbg resonansi
Kadang tidak praktis membangun keseluruhan panjang sbg
resonator
Panjang secara fisik dapat diperpendek dg menggunakan teknik
“loading”
◦ Inductive load : misal koil di tengah, dasar / atas (dpt diatur)
◦ Capacitive load : misal capacitance “hats” (flat top at one or both ends)
Yagi-Uda
Elements Gain
dBi
Gain
dBd
3
7.5
5.5
4
8.5
6.5
5
10
8
6
11.5
9.5
7
12.5
10.5
8
13.5
11.5
Apertur antena



Mengumpulkan daya di apertur yg ditentukan
Berukuran besar dibanding panjang gelobangnya
Contoh tipe :
◦ Reflector antenna
◦ Horn antenna
◦ Lensa
Reflektor antena

Reflektoryg dibentuk : piringan parabolik , antena silinder …
◦ Reflektor berfungsi sbg sebuah bidang besar pengumpul dan memusatkan
daya pada sebuah daerah terpusat dimana “feed” diletakkan.

Sistem Kombinasi optikal : Cassegrain, Nasmyth …
◦ 2 (Cassegrain) atau 3 (Nasmyth) cermin digunakan membawa “titik api”
ke sebuah lokasi dimana ‘feed” termasuk transmiter/receiver dapat di
instal lebih mudah.
Antena Cassegrain
•
•
•
Memiliki sebaran kebelakang drpd antena parabola sederhana.
Peluang Pengarahan berkas lebih besar : Gerakan cermin kedua
dikuatkan oleh sistem optikal
Jauh lebih kompak utuk rasio f/D yg diberikan.
Antena Cassegrain (2)




Gain bergantung pd diameter, panjang gelombang, pencahayaan
Apertur efektif dibatasi oleh ketepatan permukaan dan halangan
Pelat terskala bergantung pd panjang “focal” ekivalen.
Rugi di Efisiensi apertur disebabkan oleh :
◦
◦
◦
◦
Tapered illumination
Spillover (illumination does not stop at the edge of the dish)
Halangan dr cermin kedua, lengan penyangga
Permukaan tidak rata (bergantung pd panjang gelombang)
Kg
 

 cos  4  


At the SEST:
2
  rms of surface
taper efficiency
deviation
:  t  0 . 87
spillover
efficiency
:  s  0 . 94
blockage
efficiency
:  b  0 . 96
Antena Horn
• Waveguide Persegi atau Lingkaran yg
melebar
• Gelombang muka bentuk bola dari pusat
• Apertur dan sudut bukaan menentukan Gain
Dipole Pendek
Er 
I 0 le
E 
I 0 le
H 
j ( t   r )
cos(  )
2 0
j ( t   r )
cr
sin(  )
4 0
I 0 le
j ( t   r )
1
(
(
2
j
2
4
(
j r
1

c r
sin(  )
1

j
cr

cr

2
1
r
3
2
)
1
j r
3
)
)
•Panjang lebih pendek drpd λ
•Arus konstan di sepanjang antena
•Daya dekat dipole kebanyakan bersifat reaktif
•Jika “r” naik, Er menghilang, E dan H perlahan menjadi se fasa
for r 

2
,
E  and H  vary as
P varies as
1
r
2
1
r
E 
j 60  I 0 e
j ( t   r )
r
sin(  ) l

Short dipole power pattern
Pola Dipole Pendek
90
120
60
0.8
0.6
0.4
0.2
0
150
PN
180
30
0
( X  Y  Z)
.
210
330
240
Short dipole power pattern
300
270

.
A 
8
3
 l 
R r  80   
 
2
2
D  1 .5
( X  Y  Z)
.
Thin wire antenna
•Diameter kawat kecil dibanding λ
•Distribusi arus sepanjang kawat tidak konstan
e.g.
 2  L

I ( y )  I 0 sin 
  y  

  2
centre - fed dipole
•Gunakan persamaan medan utk dipole pendek,
ganti arus dg distribusi yg sebenarnya.
E 
j 60 I 0 e
r
j ( t   r )

  L cos   
 L

cos
 cos 


2


 2


sin  


centre - fed dipole, I 0  current at feed point






Thin wire pattern
thin wire centre fed dipole power pattern
thin wire centre fed dipole power pattern
thin wire centre fed dipole power pattern
( X  Y  Z)
l 1
 A  7.735

2
D  1.625
( X  Y  Z)
l  1.395 
 A  5.097
D  2.466
( X  Y  Z)
l  10 
 A  1.958
D  6.417
Array of isotropic point sources – beam shaping
Field Pattern of 2 isotropic sources
Power pattern of 2 isotropic sources
Power pattern of 2 isotropic sources
90
90
120
60
120
60
90
120
1.5
150
150
E i
Pn
150
180
0
0
180
300
210
240
y
240
  0 deg
d  1
120
x
90
120
1.5
150
E i
150
0
180
0
0
210
240
2
0
330
330

Pn
180
210
210
d  1
30
0.5
180
300
270

60
30
1
30
240
Power pattern of 2 isotropic sources
d
150
   45 deg
60
60
Pn

2

Field Pattern of 2 isotropic sources
Power pattern of 2 isotropic sources
90
120
300
270

2
90
330
300
270
i
270


0
330
330
240
Pn
0
210
210
0
30
0.5
180
d  1
30
1
30
60
330
300
270
i
   90 deg
240
300
270

d  1

2
   135 deg
Array of isotropic point sources – centre-fed array
 ( ) 
y
x
d


0

Field Pattern of n is otropic sources
Field Pattern of n is otropic sources
90
90
120
120
60
0.6
0.6
150
30
Ef i
0.2
180
0
0
210
330
240
0.2
180
0
330
240
300
   67.5 deg
0
210
300
270
i
270
i
n  3
30
0.4
0.4
Ef i
60
0.8
0.8
150

cos(  )  
 n 
sin 

1
2


E n ( ) 
n sin  / 2 


2 d
d  0.5 
n  8
  0 deg
d  0.5 
Array of isotropic point sources – end-fired
y
 ( ) 
2 d

cos    1 

n

 n 
sin 

  
 2 
E n ( )  sin 

 
 2n 
sin  
 2 
x
d
0




end-fired array,n eleme nts power pattern
Field End-fired, n is otropic sources
90
120
60
0.8
0.6
150
30
0.4
Ef i
0.2
180
0
0
210
330
240
300
( X  Y  Z)
270
i
n  10
   108 deg
d  1

n  10
d  0.25 
4
 A  0.713
D  17.627
Pattern multiplication
The total field pattern of an array of non-isotropic but similar point sources
is the product of the individual source pattern and the pattern of an array of
isotropic point sources having the same locations,relative amplitudes and
phases as the non-isotropic point sources.
Primary field pattern
120
60
120
30
Ef2 i
0
0
210
330
240
180
1   104 deg
Ef i
0
0
210
300
330
240
300
d1  0.3 
2  180 deg
0.2
180
0
0
210
330
240
300
270
i
270
i
n  2
30
0.4
0.2
270
i
n  2
0.6
150
30
0.4
0.2
60
0.8
0.6
150
0.4
180
120
60
0.8
0.6
Ef1 i
90
90
0.8
150
Total field pattern
Secondary field pattern
90
d2  0.6 
Total pattern of two primary sources
(each an array of two isotropic sources)
replacing two isotropic sources (4
sources in total).
Patterns from line and area distributions
•When the number of discrete elements in an array becomes large,
it may be easier to consider the line or the aperture distribution as
continuous.
• line source:
E (u ) 
l
1

2
f ( x )e
jux
u 
dx
1
l

sin(  ) , l  length,   anglefrom
•2-D aperture source:
E  ,   

f ( x, y )e
j  sin 
  x cos    y sin   
aperture
f ( x , y )  aperture field distributi
on
dx dy
normal to line
Fourier transform of aperture illumination
Diffraction limit
HPBW


rough estimate
only
D
Ep
1.4
1.4
1.2
1.2
1
1
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
Ep
0.4
0.2
0.2
0
0
0.2
0.2
0.4
0.4
0.6
10
5
0
5
0.6
10
10
5
0
xp
 3
Far field
 3
Far field
0
5
5
10
10
P ow er patter n [dB ]
P ow er patter n [dB ]
10
xp
0
15
20
25
30
35
15
20
25
30
35
40
40
45
45
50
5
300
240
180
120
60
0
60
angular distance [arcsec]
120
180
240
300
50
300
240
180
120
60
0
60
angular distance [arcsec]
120
180
240
300
Far field pattern from FFT of Aperture field distribution
Predicted power pattern - SEST 1.3 mm - on axis
Predicted power pattern - SEST 1.3 mm - off axis 130 mm
Predicted power pattern - flat illumination
EFN
.
EFN
.
EFN
.
Effect of edge taper
Predicted power pattern -16dB taper
Predicted power pattern -8dB taper
EFN
EFN
.
.
dBi versus dBd
•dBi menunjukkan gain vs. antena isotropik
• Antena Isotropik meradiasi ke segala arah sama baik,
berbentuk bola (spheric)
•dBd menunjukkan gain vs. reference half-wavelength dipole
•Pola antena Dipole berbentuk donat dg gain 2.15 dBi
dBi  dBd  2 . 15 dB
Penyesuaian saluran dan “Feed”
•Impedansi antena harus sesuai dengan “line feeding”
jika ingin mencapai transfer daya maksimum
•Impedansi saluran harus menjadi “complex conjugate” dari antena nya
•Sebagian besar “feed line” pada dasarnya resistif
Signal transmission, radar echo
•
Transmitting antenna Aet , Pt , G t , 
•
Receiving antenna
Pr 
Aer , Pr , G r
 Gr
2
G t Pt
4  r
4
2
S, power density
Radar return
Pr 
S, power density

2



 G t G r Pt
 4  r 
Effective receiving area

G t Pt
4  r
2
4  r
Gr
2
4
Reflected
power density
  radar cross section (area)
2
 Pt G t G r

2
4 
3
r
4

Effective receiving area
Antenna temperature

Power received from antenna as from a black body or the
radiation resitance at temperature Ta
The end