Apa itu antena？

Antena telah banyak digunakan sejak pergantian abad terakhir. Sejak saat itu, bidang ini telah mengalami penelitian yang luas, menghasilkan pengetahuan eksperimental dan teoretis yang luas bersama berbagai desain dan aplikasi.

Antena paling awal diperkenalkan pada akhir abad 19 oleh fisikawan Jerman Heinrich Hertz. Karya Hertz diikuti oleh penyelidikan teoretis yang besar tentang subjek selama awal hingga pertengahan abad 20. Investigasi ini dilanjutkan dengan pengembangan alat bantu desain komputer (CAD) selama 1970s-2000s, dimungkinkan oleh pengembangan teknologi komputer yang kuat namun terjangkau.

Aplikasi antena sangat luas dan beragam. Ini termasuk: siaran televisi dan radio, RADAR, komunikasi komputer nirkabel, perangkat berkemampuan Bluetooth, komunikasi personal militer, komunikasi satelit, ponsel, tag RFID dan banyak lagi.

Makalah ini bermaksud untuk mencakup konsep dasar di balik operasi dan kinerja antena. Tujuan utama makalah ini adalah untuk memberi tahu pembaca tentang keduanya, mekanisme fisik yang mengatur operasi antena, dan berbagai parameter yang terdiri dari spesifikasi antena. Penghargaan yang tepat atas konsep-konsep ini akan memastikan pilihan produk yang sesuai dan informasi untuk semua aplikasi potensial.

Makalah ini dimulai dengan pengantar fisik singkat ke subjek diikuti oleh tinjauan yang lebih komprehensif dan rinci dari berbagai parameter antena.

Perlakuan yang ketat dari subjek ini membutuhkan latar belakang matematika yang luas, dan berada di luar cakupan makalah ini. Saat menulis makalah ini, kompleksitas matematika dihindari dalam mendukung pendekatan yang lebih lurus ke depan. Secara umum, segala sesuatunya dibuat sesederhana mungkin sambil memastikan tidak ada kehilangan validitas.

Makalah ini membahas semua audiens profesional yang terkait dengan bidang ini, termasuk tenaga pemasaran, insinyur sistem, manajer, desainer, dan semua pengguna potensial. Makalah ini disusun sedemikian rupa sehingga tidak ada pelatihan profesional khusus atau pengetahuan masa lalu tentang subjek yang diperlukan.

Ini adalah keinginan dan niat saya bahwa makalah ini akan selengkap dan seinformatif mungkin. Saya berharap Anda membaca yang menyenangkan yang diharapkan akan memberi Anda wawasan tentang subjek yang menarik ini.

PENDAHULUAN FISIK

Antena adalah perangkat listrik yang dirancang untuk memancarkan atau menangkap gelombang elektromagnetik (EM). Untuk dapat mengapresiasi definisi ini dengan tepat, dan operasi fisik antena secara keseluruhan, kita harus membiasakan pembaca dengan beberapa konsep dasar elektromagnetik.
Hukum fisika yang mengatur semua fenomena elektromagnetik klasik adalah persamaan Maxwell. Pertama kali diperkenalkan oleh ilmuwan Skotlandia James Clark Maxwell, dalam artikelnya yang terkenal: "Teori Dinamik dari Medan Elektromagnetik", dalam 1864. Keempat persamaan ini memberikan kepada kita deskripsi matematis yang hampir lengkap tentang cara medan listrik dan magnet dihasilkan dan diubah. oleh satu sama lain, serta oleh biaya dan arus.

Medan listrik dan magnet direpresentasikan sebagai vektor, yang memiliki magnitudo (kekuatan) dan orientasi (arah). Bidang bervariasi dalam besarnya dan orientasi tergantung pada lokasi dan waktu, di mana mereka diukur.

Persamaan Maxwell menyiratkan bahwa sumber dari semua medan EM adalah muatan dan arus listrik. Seperti yang diharapkan, berbagai muatan atau distribusi saat ini menimbulkan medan EM yang berbeda.

Salah satu kasus yang menarik adalah tentang muatan listrik yang semakin cepat. Percepatan muatan listrik menghasilkan medan EM yang merambat seperti gelombang, yang disebut Gelombang EM. Gelombang EM merambat dengan kecepatan cahaya dan ke arah luar sehubungan dengan asalnya. Proses yang disebutkan di atas disebut sebagai Radiasi EM.

Oleh karena itu jelas, bahwa untuk menghasilkan radiasi EM, kita harus memperkenalkan perangkat yang mampu menahan arus listrik bolak-balik. Perangkat ini dikenal sebagai antena.

A. Mode Transmisi dan Mode Penerimaan

Menurut definisi, antena dapat digunakan dalam salah satu dari dua mode operasi. Ini dikenal sebagai mode transmisi dan mode penerimaan (mode Tx dan mode Rx). Saat beroperasi dalam mode transmisi, sinyal RF berosilasi timbul pada terminal input antena. Sinyal ini kemudian dikonversi menjadi arus listrik bolak-balik, yang pada gilirannya memancarkan gelombang EM. Gelombang EM ini dapat ditangkap oleh antena lain. Dalam mode penerimaan, insiden gelombang EM pada antena menginduksi arus listrik pada terminal inputnya yang kemudian dapat dikonversi kembali menjadi sinyal RF. Operasi perangkat dalam dua mode ini benar-benar setara. Properti ini dikenal sebagai timbal balik.

Desain antena sangat luas dan beragam, tergantung pada aplikasi yang diinginkan. Oleh karena itu jelas, bahwa kita harus menetapkan sarana untuk deskripsi kuantitatif kinerja antena. Ini tentu saja membutuhkan definisi besaran matematis yang jelas (parameter antena) yang didedikasikan untuk tujuan itu. Ini akan diperkenalkan dan didiskusikan selanjutnya.


B. Wilayah Bidang

Bidang EM yang dihasilkan oleh antena menampilkan karakteristik yang berbeda tergantung pada jarak dari antena di mana mereka diukur. Merupakan kebiasaan untuk membagi ruang di sekitar antena menjadi tiga zona, di mana bidang EM memiliki sifat yang berbeda.

Di sekitar antena, bidang bersifat murni reaktif. Ini menunjukkan bahwa energi EM sepenuhnya disimpan. Wilayah ini disebut sebagai Near-Field Reaktif. Secara matematis, medan listrik dan magnet berada di luar fase, mirip dengan tegangan dan arus pada elemen lumpuh reaktif dalam sirkuit AC (seperti kapasitor atau induktor).

Ketika jarak dari antena meningkat, medan EM menjadi kurang reaktif, yaitu sebagian energi EM diubah menjadi radiasi. Wilayah ini disebut sebagai Radiasi Near-Field.

Cukup jauh dari antena, bidang reaktif menjadi diabaikan dan bidang radiasi mendominasi. Wilayah ini dikenal sebagai Far-Field. Lebih jauh, medan listrik dan magnet di wilayah ini tegak lurus, dalam fase, dan rasio antara magnitudo mereka menjadi konstan (gelombang bidang lokal).

Medan yang diradiasikan bervariasi dalam besarnya, tergantung pada arah pengamatan dan jarak dari antena. Namun demikian, pola umum bidang tetap sama di bidang jauh, terlepas dari jarak antena.

Ini tidak menyiratkan bahwa bidang tidak tergantung pada jarak dari antena, tetapi medan tersebut membusuk secara seragam di semua arah. Dengan cara yang lebih tepat, besarnya bidang yang diradiasi meluruh secara proporsional ke jarak yang jauh dari antena, di bidang jauh.

Baik ukuran antena dan panjang gelombang diperlukan untuk menentukan secara numerik batas antara wilayah yang berbeda. Ini dilambangkan di bawah ini, dan diilustrasikan dalam gambar 1.

Dimana r adalah jarak dari antena, D adalah dimensi antena maksimum, dan λ adalah panjang gelombang.

A. Intensitas Radiasi

Pertama, kami akan memperkenalkan satu tokoh penting yang menggambarkan sifat radiasi antena, dan dari mana parameter antena lainnya diturunkan - Intensitas Radiasi.

Gelombang EM yang dipancarkan oleh antena membawa daya EM. Kekuatan radiasi bervariasi dalam besarnya, tergantung pada arah pengamatan dan jarak dari antena. Seperti disebutkan sebelumnya, pola umum daya EM dipertahankan pada medan jauh, terlepas dari jarak antena. Oleh karena itu, kami dapat memperkenalkan kerapatan daya EM yang dinormalisasi yang tidak tergantung pada jarak dari antena di medan jauh. Ini dikenal sebagai intensitas radiasi.

Intensitas radiasi adalah deskripsi matematis dari distribusi daya terpancar sudut di bidang jauh (untuk polarisasi tertentu). Atau dalam istilah yang lebih sederhana - berapa banyak daya yang dipancarkan oleh antena dalam arah tertentu di medan jauh (menggunakan normalisasi yang tepat sehubungan dengan jarak dari antena).

Untuk menggambarkan secara matematis intensitas radiasi, kita harus mendefinisikan cara untuk mewakili arah. Kami akan mengaitkan dua sudut dengan masing-masing arah yang secara unik mendefinisikannya - sudut azimuth dilambangkan dengan φ, dan sudut ketinggian yang dilambangkan dengan θ. Sudut elevasi digunakan untuk menggambarkan kemiringan antena relatif terhadap horizon sedangkan sudut azimuth digunakan untuk menggambarkan antena yang melintang dalam keadaan miring nol. Ilustrasi grafis dari sudut-sudut ini ditunjukkan pada Gambar 2.

B. Pola Radiasi

Seperti disebutkan, intensitas radiasi adalah fungsi dari dua variabel: sudut azimuth dan elevasi. Cukup dalam banyak kasus praktis untuk mempertimbangkan hanya dua potongan 2D dari grafik 3D ini untuk menggambarkan properti radiasi antena dengan tepat. Kedua potongan dibuat sepanjang dua bidang tegak lurus, yang disebut Principal Planes, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.Prosedur pemotongan meninggalkan kita dengan dua grafik 2D dari pola radiasi antena. grafik ini dilambangkan dengan:

Di salah satu bidang utama, azimuthangle dipasang dan bidang elevasi bervariasi. Ini disebut sebagai elevationplane. Di bidang yang lain, elevationangle diperbaiki dan azimuthangle bervariasi. Ini disebut sebagai azimuthplane.Prosedur pemotongan menghasilkan pengurangan waktu pengukuran antena yang signifikan karena hanya dua pemotongan 2D yang perlu diukur daripada banyak.Antena directional RP yang khas disajikan pada Gambar 5. Seperti yang dapat diamati, pola radiasi terdiri dari lobus. Lobus ini diklasifikasikan sebagai berikut:Lobus yang mengandung arah radiasi maksimum disebut sebagai Lobe Utama, atau Balok Utama. Semua lobus lain disebut sebagai Lobus Kecil.Sinar utama sering mewakili sektor sudut di mana sebagian besar daya radiasi dimaksudkan untuk diletakkan. Lobus minor karena itu mewakili radiasi dalam arah yang tidak diinginkan, dan harus dijaga serendah mungkin.Lobus minor juga diklasifikasikan. Lobus minor tertinggi disebut sebagai Side Lobe. Lobus samping sering berdekatan dengan lobus utama, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 5. Lobus kecil berisi arah yang berlawanan dengan balok utama disebut sebagai Lobe Belakang.RP biasanya diplot dalam skala logaritmik (desibel). Hal ini dilakukan untuk mempertajam karakteristik grafik yang lebih halus.

C. Lebar Balok

Parameter penting lain yang digunakan untuk menggambarkan lebar sudut balok utama adalah lebar antena. Luasnya sektor sudut ini menentukan wilayah jangkauan antena. Lebar balok dapat didefinisikan dalam beberapa cara: Lebar Setengah Daya Balok (HPBW) didefinisikan sebagai perbedaan sudut antara titik-titik di mana intensitas radiasi mencapai setengah dari nilai maksimalnya (perbedaan 3 dB dalam desibel). Lebar Null Beam Pertama (FNBW) didefinisikan sebagai perbedaan sudut antara dua nol yang melingkupi balok utama.

D. Level Lobe Samping

Side Lobe Level (SLL) adalah parameter yang digunakan untuk menggambarkan tingkat penekanan lobus samping. Seperti disebutkan sebelumnya, lobus sisi tinggi sering tidak diinginkan, karena mereka mewakili radiasi di luar sektor balok utama. Level lobus samping didefinisikan sebagai perbedaan dalam desibel antara nilai puncak balok utama dan nilai puncak lobus samping.


 E. Rasio Depan ke Belakang

Front to Back Ratio (F / B Ratio) adalah parameter yang dirancang untuk menggambarkan tingkat radiasi mundur. Artinya, radiasi dalam arah yang berlawanan dengan sinar utama. Rasio F / B didefinisikan sebagai perbedaan dalam desibel antara nilai pola radiasi dalam arah radiasi maksimum (arah depan) dan nilai pola radiasi dalam arah yang berlawanan (arah belakang).


F. Jenis Pola Radiasi

Pola radiasi dapat diklasifikasikan ke dalam tiga kategori utama:
 1. Pola Radiasi Dua Arah: Suatu pola yang mengandung satu balok utama yang jelas di bidang azimuth dan elevasi.
2.Pola Radiasi Isotropik: Pola konstan di bidang azimuth dan elevasi.
3.Omni Directional Radiation Pattern: Suatu pola yang mengandung satu balok utama yang jelas hanya pada satu bidang dan pola yang konstan pada bidang lainnya.
 Arti fisik Antena Isotropik adalah bahwa antena memancarkan secara merata ke segala arah. Jenis antena ini secara fisik tidak dapat diwujudkan, tetapi merupakan antena referensi matematis yang nyaman.

G. Direktivitas

Directivity antena didefinisikan sebagai rasio antara intensitas radiasi dan total daya radiasi oleh antena, dibagi dengan 4 pi.

Dengan cara yang lebih berwawasan fisik, dapat secara alternatif didefinisikan sebagai: Rasio antara intensitas radiasi antena dan intensitas radiasi, dengan asumsi kita menyebarkan semua daya radiasi secara isotropis. Dalam arah di mana directivity bernilai rendah, daya yang dipancarkan mewakili sebagian kecil dari total daya yang dipancarkan. Demikian pula, dalam arah di mana directivity bernilai tinggi, daya yang dipancarkan mewakili sebagian besar dari total daya yang dipancarkan.

Gagasan umum di balik definisi khusus ini adalah untuk membandingkan antena dengan sumber hipotetis yang memancarkan daya secara merata ke segala arah (sumber isotropik). Kemudian mengikuti bahwa directivity isotropic sama dengan kesatuan.

Seperti yang dinyatakan di atas, directivity proporsional dengan intensitas radiasi, dan seperti yang belakangan merupakan fungsi dari kedua sudut azimuth dan elevasi. Jika arahnya tidak dinyatakan maka harus dipahami bahwa arah radiasi maksimum tersirat.

Direktivitas sering diukur dalam skala logaritmik (desibel isotropik dBi). Grafik directivity antenna directional diberikan pada Gambar 6. Grafik tersebut sesuai dengan salah satu bidang utama antena. Directivity sumber isotropik setara juga diplot untuk perbandingan.

H. Efisiensi

Pada kenyataannya, tidak semua daya EM yang dikirim ke antena diubah menjadi radiasi, yaitu

 
Ada beberapa mekanisme kerugian yang melekat yang bertanggung jawab atas disipasi kekuatan insiden. Ini termasuk: kerugian dielektrik, kerugian konduksi, dan kerugian refleksi.
Kerugian konduktor dan kerugian dielektrik disebabkan oleh konduktivitas terbatas dari konduktor dan dielektrik antena. Ini berarti bahwa beberapa daya selalu hilang sebagai panas pada material tersebut. Kehilangan pantulan disebabkan karena ketidaksesuaian impedansi antara antena dan saluran transmisi penggeraknya. Ini akan dibahas kemudian secara lebih rinci.Efisiensi Antena didefinisikan sebagai rasio, dalam persen, antara daya yang dipancarkan dan daya yang diberikan:

 

Jelas bahwa daya yang dipancarkan harus lebih kecil dari kekuatan yang datang, karena bagian dari yang belakangan selalu dihamburkan atau dipantulkan. Oleh karena itu, efisiensinya akan kurang dari 100%. Antena yang efisien akan memancarkan sebagian besar daya yang ditimbulkannya, sehingga efisiensinya akan mendekati 100% (disipasi kecil dan pantulan). Efisiensi antena dapat direpresentasikan sebagai kelipatan dari tiga sub-efisiensi, masing-masing menyumbang mekanisme kehilangan yang berbeda. Ini dilambangkan di bawah ini dan diilustrasikan pada Gambar 7.

I. Keuntungan

Directivity antena tidak memberikan kami informasi tentang efisiensi antena, tetapi hanya pada sifat direktif pola radiasi. Ini adalah alasan utama untuk memperkenalkan konsep baru yang disebut Antena Gain. Penguatan antena didefinisikan sebagai:

Seperti yang kita amati, definisi ini mirip dengan directivity, tetapi lebih daripada mempertimbangkan daya yang dipancarkan, daya input dipertimbangkan. Penguatan antena memperhitungkan efisiensi antena karena merupakan ukuran seberapa besar daya antena memancarkan ke arah tertentu, relatif terhadap seberapa besar daya yang ditimbulkan antena.Directivity dan gain antena berhubungan melalui:

Untuk sepenuhnya memahami makna konsep ini, mungkin bermanfaat untuk menganggap antena sebagai sistem input / output (I / O). Dalam sistem yang dibahas, input diwakili oleh daya input antena dan output diwakili oleh daya radiasi ke arah tertentu (yang tersedia untuk penerimaan oleh antena lain). Output sistem tidak lain adalah inputnya dikalikan dengan angka konstan. Angka konstan ini sebanding dengan penguatan antena. Dalam pengertian itu, gain istilah cocok dengan terminologi yang digunakan untuk amplifier atau attenuator.


J. Input Impedance dan VSWR

Parameter unggulan lain yang menggambarkan antena adalah impedans inputnya, yaitu rasio antara tegangan dan arus di terminal mereka. Daya EM dikirim ke antena melalui saluran transmisi atau pandu gelombang - perangkat yang digunakan untuk memandu gelombang EM dari pemancar ke antena. Dalam proses ini gelombang EM dapat dilemahkan atau dipantulkan. Untuk menghindari pantulan gelombang EM kembali ke pemancar, impedansi masukan antena harus cocok dengan jalur transmisi penggerak (biasanya 50 ohm).

Namun demikian, impedansi input antena bervariasi dengan frekuensi, dan tidak bisa sama dengan saluran transmisi di semua titik frekuensi. Ini menunjukkan bahwa beberapa refleksi tidak dapat dihindari. Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) adalah ukuran seberapa besar daya yang dipantulkan. VSWR bernilai rendah menunjukkan bahwa sebagian besar daya datang ke antena dan pantulan hampir dihindari.


K. Polarisasi

Polarisasi antena didefinisikan sebagai polarisasi gelombang EM yang dipancarkannya di medan jauh. Gelombang EM yang dipancarkan oleh antena adalah campuran medan listrik dan magnet. Jika kita melacak kurva yang dilacak oleh ujung vektor medan listrik, di beberapa lokasi tetap di ruang angkasa, kita akan, karena waktu bervariasi, kurva yang disebut elips polarisasi. Perhatikan, bahwa untuk setiap lokasi tetap umumnya kita akan mendapatkan kurva yang berbeda, yaitu: polarisasi antena tergantung pada arah pengamatan. Kurva disebut sebagai elips polarisasi, karena membentuk elips untuk antena terpolarisasi sewenang-wenang.

Polarisasi dapat diklasifikasikan sebagai linier, bundar atau elips tergantung pada sifat-sifat elips polarisasi. Jika elips memiliki sumbu minor dan mayor yang sama, ia berubah menjadi lingkaran. Dalam hal ini kami mengatakan bahwa antena terpolarisasi sirkuler. Jika elips tidak memiliki sumbu minor, ia berubah menjadi garis lurus, Dalam hal ini kami mengatakan bahwa antena terpolarisasi linier. Berbagai jenis polarisasi ditunjukkan secara grafik pada Gambar 8.

Setiap polarisasi memiliki arti. Untuk antena terpolarisasi linier itu ditentukan oleh sudut kemiringan elips polarisasi, dilambangkan dengan τ. Polarisasi linier diklasifikasikan menurut pengertian tersebut (90º vertikal, 0º horizontal, ± 45º miring). Untuk antena polarisasi melingkar, pengertian diberikan oleh sifat gerakan tip vektor medan listrik: searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam (RHCP untuk searah jarum jam, LHCP untuk berlawanan arah jarum jam). Ilustrasi diberikan pada gambar 10.

L. Polarisasi Silang dan Ko-Polarisasi

Seperti disebutkan di atas, polarisasi yang berbeda membentuk banyak pasangan ortogonal.Ko-Polarisasi didefinisikan sebagai polarisasi yang dimaksudkan oleh antena untuk diradiasikan, sementara Cross-Polarisasi didefinisikan sebagai pasangan ortogonalnya. Antena yang dipolarisasi murni akan memiliki radiasi terpolarisasi silang rendah. Ukuran seberapa murni antena terpolarisasi adalah tingkat polarisasi silang. Ini didefinisikan sebagai perbedaan dalam desibel antara intensitas radiasi maksimum dari co dan polarisasi silang masing-masing.Antena harus beroperasi dalam polarisasi serupa untuk memastikan kinerja yang optimal.Antena yang beroperasi dalam polarisasi ortogonal tidak akan bekerja sama sekali karena kerugian polarisasi yang signifikan.

M. Rasio Aksial

Parameter ini terutama digunakan untuk menggambarkan sifat polarisasi antena terpolarisasi sirkuler. Rasio Aksial (AR) didefinisikan sebagai rasio antara sumbu minor dan utama dari elips polarisasi. Ingatlah bahwa jika elips memiliki sumbu minor dan mayor yang sama, ia berubah menjadi lingkaran, dan kami mengatakan bahwa antena terpolarisasi sirkuler. Dalam hal itu rasio aksial sama dengan satu (atau 0 dB). Rasio aksial antena terpolarisasi linier sangat besar karena salah satu sumbu elips sama dengan nol. Untuk antena yang terpolarisasi sirkuler, semakin dekat rasio aksial ke 0 dB, semakin baik.

N. Keanekaragaman dan Isolasi Polarisasi

Beberapa antena mungkin menawarkan keragaman polarisasi, artinya mereka dirancang untuk beroperasi di berbagai polarisasi. Antena ini memiliki beberapa port, masing-masing memungkinkan transmisi polarisasi gelombang yang berbeda. Berbagai pelabuhan sering dimaksudkan untuk beroperasi secara independen. Oleh karena itu, jelas bahwa kita memerlukan ukuran yang menggambarkan seberapa banyak port ini terisolasi. Isolasi antara dua port didefinisikan sebagai rasio antara insiden daya pada satu port dan daya yang dikirim ke port lain, ketika itu diakhiri oleh beban yang cocok. Isolasi yang baik akan menjanjikan transmisi sinyal listrik yang tidak berkorelasi pada kedua port.


O. Penanganan Daya

Ini didefinisikan sebagai daya input maksimum antena dapat menangani saat bekerja dengan benar.

Tinggalkan pesan 

Daftar pesan