Introduction to antennas

EK 3053ANTENA n PROPAGASIParameter dasar ANTENAApakah 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 jarakTidak dibatasi pd gelombang EM saja (mis. Gel akustik)2Human ear, eyes, mouth and throat, loud speakers, electric torchGelombang EM Ruang UdaraMedan Magnet[A/m]Medan Elektrik[V/m]Time [s]Time [s]Gangguan medan EM Kec. cahaya (~300 000 000 m/s)Medan E dan H saling orthogonalMedan E dan H se fasaImpedansi, Z0: 377 ohmMedan MagnetMedan ElektrikArah PropagasixyzGelombang EM Ruang Udara

Panjang GelKonstanta FasaFrekuensi

xyzMedan MagnetMedan ElektrikArah PropagasiWave in lossy medium

Konstanta RedamanKonstanta Fasa

Konstanta PropagasiRedaman naik terhadap zFasa berubahterhadap zPeriode waktuAliran Daya

Poynting vectorAverage power densityPolarisation of EM wave

Medan Elektrik, EvertikalhorisontalsirkularRefleksi, refraksi

RefleksiRefraksiif both media are lossless

Koefisien Refraksi :Bergantung pd media,polarisasi gel datang dan sudut kedatangannya.

Refleksi dan refraksi mempengaruhi polarisasi Gelombang EM terbimbingKabelDigunakan utk frekuensi di bawah35 GHzWaveguidesPenggunaan antara 0.4 GHz smp 350 GHzSistem Quasi-OptikPenggunaan 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 propagasiPantulan gelombang di dinding bag dalam dari waveguideBatas frekuensi atas dan bawahDimensi melintang sebanding dg panjang gelombang Gelombang EM terbimbing (2)

Transverse = melintang

Waveguide PersegiPelontaran Gelombang EM Kupas kabel dan belah kawatnyaAntena DipoleLebarkan ujung waveguideAntena 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 isotropikCaveat : Antena biasanya dioptimasikan sebagai pengirim / penerima tetapi tidak untuk keduanya. Parameter dasar Antena Pola RadiasiBidang berkas (Beam area) dan beam efficiencyApertur (tingkap) efektif dan Efisiensi aperturDirektifitas dan Penguatan (Gain)Resistan RadiasiPola RadiasiPola medan jauh (Far field)Intensitas medan turun jika jarak bertambah, 1/r Rapat Daya radiasi turun 1/r2Bentuk Pola radiasi tak bergantung jarakBiasanya ditunjukkan hanya di bidang utama

D : Dimensi antenae.g. r > 220 km for APEX at 1.3 mm !

Field patterns

+ phase patterns

HPBW: half power beam widthPola Radiasi (2)Beam area dan beam efficiency

Main beam areaMinor lobes area

Beam area

Main beam efficiencyApertur Efektif dan Efisiensi AperturAntena Penerima mengekstrak daya dari gelombang datang

Untuk beberapa antena, hubungan antara apertur fisik dan apertur efektif dapat didefinisikan sbb :

Apertur dan beam dihubungkan menjadi :Direktifitas dan Penguatan

Antena Isotropik :

Di lihat dr pola medan :Ditinjau dr sisi Apertur :

Direktifitas : danResistansi Radiasi Antena memunculkan impedansi pada ujung terminalnya

Bagian resistif adalah resistansi radiasi + rugi resistansi/beban

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 AntenaWire ApertureArraysWire antennaAntena DipoleAntena LoopFolded dipoleAntena HelikalYagi (susunan dr dipole-2)Reflektor SudutType-2 lainnya

Horizontal dipole

Antena Kawat - resonansiBanyak wire antenna digunakan pada / dekat sbg resonansiKadang tidak praktis membangun keseluruhan panjang sbg resonatorPanjang secara fisik dapat diperpendek dg menggunakan teknik loadingInductive load : misal koil di tengah, dasar / atas (dpt diatur)Capacitive load : misal capacitance hats (flat top at one or both ends)Yagi-Uda

ElementsGain dBiGain dBd37.55.548.56.55108611.59.5712.510.5813.511.5Apertur antenaMengumpulkan daya di apertur yg ditentukanBerukuran besar dibanding panjang gelobangnyaContoh tipe :

Reflector antennaHorn antennaLensa Reflektor antenaReflektoryg 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 keduadikuatkan oleh sistem optikalJauh lebih kompak utuk rasio f/D yg diberikan.Antena Cassegrain (2)Gain bergantung pd diameter, panjang gelombang, pencahayaanApertur efektif dibatasi oleh ketepatan permukaan dan halanganPelat terskala bergantung pd panjang focal ekivalen. Rugi di Efisiensi apertur disebabkan oleh :Tapered illuminationSpillover (illumination does not stop at the edge of the dish)Halangan dr cermin kedua, lengan penyanggaPermukaan tidak rata (bergantung pd panjang gelombang)

At the SEST: Antena HornWaveguide Persegi atau Lingkaran yg melebar Gelombang muka bentuk bola dari pusat Apertur dan sudut bukaan menentukan Gain

Dipole Pendek

Panjang lebih pendek drpd Arus konstan di sepanjang antenaDaya dekat dipole kebanyakan bersifat reaktifJika r naik, Er menghilang, E dan H perlahan menjadi se fasa

Pola Dipole Pendek

Thin wire antennaDiameter kawat kecil dibanding Distribusi arus sepanjang kawat tidak konstan

Gunakan persamaan medan utk dipole pendek, ganti arus dg distribusi yg sebenarnya.

Thin wire pattern

Array of isotropic point sources beam shaping

Array of isotropic point sources centre-fed array

Array of isotropic point sources end-fired

Pattern multiplicationThe total field pattern of an array of non-isotropic but similar point sourcesis 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.

Patterns from line and area distributionsWhen the number of discrete elements in an array becomes large, it may be easier to consider the line or the aperture distribution ascontinuous. line source:

2-D aperture source:

Fourier transform of aperture illuminationDiffraction limit

Far field pattern from FFT of Aperture field distribution

41Effect of edge taper

dBi versus dBddBi menunjukkan gain vs. antena isotropik Antena Isotropik meradiasi ke segala arah sama baik, berbentuk bola (spheric)

dBd menunjukkan gain vs. reference half-wavelength dipolePola antena Dipole berbentuk donat dg gain 2.15 dBi

Penyesuaian saluran dan FeedImpedansi antena harus sesuai dengan line feeding jika ingin mencapai transfer daya maksimum Impedansi saluran harus menjadi complex conjugate dari antena nyaSebagian besar feed line pada dasarnya resistifSignal transmission, radar echo

Receiving antennaTransmitting antenna

Radar returnS, power densityEffective receiving areaS, power densityEffective receiving areaReflected power density

Antenna temperaturePower received from antenna as from a black body or the radiation resitance at temperature Ta

The end