Salah satu antena paling terkenal adalah vertikal, yaitu terdiri dari sebuah
radiator vertikal dengan ditambahkan radial ground dibawahnya, terbuat dari
kawat konduktor maupun tubing aluminium.
Sebuah antena dengan radiator vertikal single memiliki pola radiasi sama
dan tidak ada yang null kesegala arah (omnidirectional), berbeda dengan
kebanyakan antena horisontal, sehingga secara natural antena ini akan lebih
noisy (mengintriduce QRM lebih tinggi) relatif dibandingkan dengan antena
horisontal, kecuali beberapa radiator vertikal digunakan sehingga pola radiasinya
tidak lagi dari berbagai arah, maka QRM akan dapat ditekan lebih rendah.
Selain hal tersebut diatas, dibandingkan dengan antena horisontal, antena
vertikal memiliki masalah berupa ground return loss, ada 2 (dua) macam, yaitu:
near field dan far-field ground lossess. Secara sederhana ground return loss bisa
dijelaskan sebagai berikut, yaitu arus yang hilang pada ground sistem antena
vertikal, arus dari radiator memiliki lintasan berputar, sebagian putaran terjadi
pada udara, dan sisanya menembus ground sistem dari antena tersebut, saat
melintasi udara tidak banyak arus yang hilang, sementara saat melintasi groung
terdapat banyak hambatan sehingga arusnya akan berkurang banyak, lebih
jelasnya lihat gambar dibawah
Loss pada near field ground lossess dapat dikurangi dengan
menambahkan jumlah ground radial pada antena, namun far-field ground lossess
merupakan gejala alamiah yang tidak dapat dikurangi oleh manusia, kecuali kita
berpindah rumah atau lokasi di sebuah pulau kecil dengan dikelilingi air laut.
Efek dari ground losses ini adalah berubahnya pola radiasi terutama pada
sudut kecil (low elevation angle – biasanya untuk keperluan DX / komunikasi jarak jauh) dan yang paling merugikan adalah berkurangnya gain antenna
dibandingkan dengan kondisi idealnya. Sebagai gambaran, berdasarkan ilustrasi
dibawah, dibandingkan dengan kondisi idealnya, pada sudut elevasi 10 derajat
terjadi pengurangan gain sebesar hampir 6dB, sementara pada sudut elevasi 60
derajat pengurangan sekitar 2dB.
Setelah melihat kekurangan antena vertikal diatas, rasanya tidak fair jika
saya tidak menyampaikan kelebihan dari antena vertikal ini, diantaranya adalah:
Low angle radiation atau sudut radiasi/ elevasi yang kecil, yang cocok digunakan
untuk komunikasi jarak jauh atau DX. Seperti yang kita ketahui, komunikasi
dengan gelombang HF (1.8 – 30 MHz) sangat dipengaruhi oleh lapisan ionosfir
diatas bumi yang berfungsi layaknya sebuah cermin, dimana gelombang berjalan
akibat pantulan dari sumber pemancar ke lapisan ionosfir dan kembali lagi
kebumi, demikian seterusnya, sampai dengan sinyal tersebut lenyap akibat
redaman yang dialaminya selama perjalanan bolak-balik bumi ke angkasa. Skip
distance satu hop (dari bumi ke ionosfir kembali lagi ke bumi) antena dengan
angle radiation besar lebih pendek (jarak A – B) dibandingkan dengan antena
dengan angle radiation kecil (jarak A – C).
Antena vertikal biasanya lebih mudah untuk dibuat dan didirikan
dibandingkan dengan antena horisontal, dengan demikian antena vertikal
memiliki cost versus performance yang lebih baik dibandingkan dengan antena
horisontal.
Bila anda akan membuat antena vertikal dilengkapi dengan ground radial,
maka berlaku aturan “ground radial pendek namun berjumlah banyak, adalah
lebih baik dibandingkan dengan ground radial panjang namun jumlahnya sedikit”.
Seperti yang diketahui, ground radial adalah upaya manusia untuk menduplikat
lempengan konduktor yang diletakkan tepat dibawah radiator antena vertikal,
dengan demikian makin rapat dan makin luas ground radial dibuat, maka makin
mendekati sifatnya dengan lempengan konduktor.
Ground radial bisa dibuat dari berbagai jenis konduktor, mulai dari kawat
email sampai dengan tubing aluminium. Bila antena diletakkan tepat diatas
permukaan tanah, maka ground radial bisa digelar diatas permukaan tanah, atau
dikubur beberapa cm dibawah permukaan tanah. Bila lahan dirumah anda
sempit, maka ground radial bisa ditekuk menyesuaikan dengan ukuran lahan.
Tabel 1Number of radial ground
Tabel diatas memperlihatkan hubungan dari panjang dan jumlah radial
ground pada sebuah antena vertikal ¼ lambda, relatif terhadap ground radial
sempurna (teoritis). Terlihat bahwa makin banyak dan besar ukuran ground
radial, maka makin kecil juga loss yang dialaminya pada sudut elevasi kecil.
Sekarang mari kita pelajari hubungan panjang radiator antena vertikal
dengan karakteristik yang dipengaruhinya. Gambar dibawah memperlihatkan
hubungan dari panjang radiator vertikal terhadap impedansi antena riil R maupun
imajiner X. Impedansi antena riil atau disebut dengan radiation resistance R
ditunjukkan pada garis solid, sementara reaktansi antena X ditunjukkan dengan
garis bertitik-titik.
Pada panjang radiator antara 0.1 s/d 0.25 kemudian berulang di 0.45 s/d
0.6 lambda antena bersifat kapasitif, ditunjukkan dengan nilai negatif pada
reaktansinya. Sebaliknya pada panjang antara 0.25 s/d 0.45 lambda antena
bersifat induktif. Pengetahuan mengenai sifat antena ini sangat diperlukan dalam
mendesain trap loading maupun matching impedansi, untuk diarahkan sesuai
dengan impedansi saluran coax 50 ohm riil. Bila antena bersifat kapasitif, maka
trap loading atau matching impedansi yang cocok harus menggunakan rangkaian
induktif, yaitu menggunakan lilitan, sebaliknya bila antena bersifat induktif, maka
trap loading atau matching impedansi yang cocok adalah menggunakan
kapasitor.
Baiklah, mari kita lihat pada panjang radiator ¼ lambda, ia memiliki
radiation resistance sekitar 45 Ohm dan reaktansi sebesar +j45 Ohm, dengan
demikian impedansi antenna ini adalag sebesar SQRT(45^2 + 45^2) = 45 Ohm,
hampir mendekati dengan impedansi saluran coaxial 50 Ohm, maka kita bisa
memprediksi SWR-nya akan mendekati 1 (matched).
Untuk frekuensi rendah (misal 1.8 s/d 3.8 MHz), untuk membuat antena
vertikal dengan ukuran mendekati panjang gelombangnya (full size) bisa
dikatakan hampir tidak mungkin, sehingga cenderung kita akan membonsai
antenna sekecil mungkin yang biasanya panjangnya < 0.25 lambda, akibatnya
antenna tersebut akan memiliki radiation resistance kecil dan bersifat kapasitif.
Dengan perbedaan nilai resistif dan kapasitif yang sangat besar ini juga akan
mempengaruhi efisiensi dari antena, yang juga memperkecil bandwidth dari
antena dimaksud.
Mari kita ambil contoh, untuk antena vertikal 80M dengan panjang
radiator sebesar 0.1 lambda atau sekitar 8 meter, antena ini memiliki radiation
resistance hanya sebesar 5 Ohm dan reaktansi sebesar –J200 Ohm, maka
hanya memiliki efisiensi sebesar 5/SQRT(5^2 + 200^2) = 2.5%, bandingkan
dengan efisiensi antena yang sama dengan panjang radiator ¼ lambda = 70.7%,
dengan kata lain antena tersebut sangat tidak efisien. Makin kecil efisiensi
sebuah antena, maka makin kecil pula gain (dBi) dan Bandwidthnya yang
dimilikinya.
Untuk menaikkan efisiensi dari antenna pendek tersebut biasanya kita
berusaha untuk menaikkan nilai resistansi dan menurunkan nilai reaktansi,
caranya dengan menambahkan trap loading induktor, namun perlu dicatat,
penambahan trap loading induktor berarti juga akan ada power loss pada induktor tersebut. Kompromi merupakan kata kunci dalam desain antena vertikal
pendek. Setelah mengetahui karakteristik dasar dari antena vertikal pendek (<
0.25 lambda), mari kita lihat kemungkinan desain untuk antena ini.
Gambar diatas memperlihatkan beberapa kemungkinan praktikal untuk
membangun sebuah antena vertikal pendek, kita akan membahas tipe A, B dan
C saja, tipe selebihnya diserahkan kepada anda untuk mengeksplore sendiri.Bila
dilihat dari rangking efisiensi, maka antena A paling efisien dan C paling tidak
efisien, karena pada desain C maksima arus justru paling banyak diserap oleh
trap loading coil. Maksima arus terjadi pada feedpoint dan semakin mengecil
sampai ujung radiator. Design A, loss arus pada loading coil paling kecil, karena
arus maksima yang berada didekat feedpoint masih dipertahankan. Berikut
adalah penjelasan lebih jauh tentang loss daya akibat loading coil.
Antena akan melihat trap loading coil mirip seperti radiator dengan suatu
panjang tertentu, dengan demikian secara fisik distribusi arus diujung panas
(ujung coil terdekat dengan feedpoint) tiba-tiba akan turun diujung dingin (ujung
coil terjauh dengan feedpoint antenna) trap loading coil, dengan kata lain
perbedaan arus tersebut diserap oleh coil, sehingga kita kehilangan banyak daya
pada coil tersebut. Lebih jelasnya lihat gambar.
Untuk desain A dan B untuk mengatrol efisiensi antena dilakukan dengan
cara mengkombinasikan trap loading coil yang bersifat induktif dengan
capacitance hat yang bersifat induktif, perpaduan antara keduanya akan
menambahkan nilai resistance kepada antena, sementara itu nilai reaktansi antena diminimisasi. Seperti diketahui trap loading coil memiliki impedansi RL +
jXL, sementara capacitance hat memiliki impedansi Rc – jXc, dengan men-serikan kedua loading tersebut diharapkan diperoleh Zloading = (RL+Rc) + j(XL-Xc)
= Rloading + jXloading, sehingga bila digabungkan dengan impedansi raditor
antena akan diperoleh resultan Zantena = (Rrad+Rloading) + j(Xloading-Xrad) =
Rantena + jXantena. Nah tujuan akhirnya adalah jXantena sekecil mungkin,
sementara Rantena mendekati 50 Ohm, sehingga diperoleh peningkatan
efisiensi dan kondisi matched pada frekuensi tengahnya. Satu lagi dalam rangka
menaikkan bandwidth dari sebuah antenna bisa dilakukan dengan memperbesar
diameter radiator atau membuatnya berbentuk corong, sisi lancip pada feedpoint.
0 komentar:
Post a Comment