BAB 16: GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK DAN SPEKTRUM FREKUENSI

 

BAB 16: GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK DAN SPEKTRUM FREKUENSI

 

A.    Konsep Dasar Gelombang Elektromagnetik

1.     Definisi Gelombang Elektromagnetik

a.     Gelombang elektromagnetik adalah perambatan energi melalui osilasi medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus

b.     Tidak memerlukan medium untuk merambat (dapat melalui vakum)

c.     Kecepatan rambat di vakum = c = 3 × 10⁸ m/s

d.     Ditemukan oleh James Clerk Maxwell (1865) melalui persamaan Maxwell

2.     Hubungan c = λ × f

a.     c = λ × f — kecepatan = panjang gelombang × frekuensi

b.     Semakin tinggi frekuensi → semakin pendek panjang gelombang

c.     Semakin rendah frekuensi → semakin panjang panjang gelombang

d.     Contoh: f = 100 MHz → λ = 3 m

e.     Contoh: f = 2.4 GHz → λ = 12.5 cm

3.     Karakteristik Gelombang

a.     Amplitudo (A) — tinggi puncak gelombang (daya sinyal)

b.     Frekuensi (f) — jumlah siklus per detik (Hz)

c.     Panjang gelombang (λ) — jarak satu siklus penuh (meter)

d.     Fase (φ) — posisi gelombang relatif terhadap referensi

e.     Periode (T) — waktu satu siklus penuh (T = 1/f)

4.     Polarisasi Gelombang

a.     Polarisasi adalah arah osilasi medan listrik

b.     Polarisasi linear — medan listrik berosilasi pada satu bidang

c.     Polarisasi sirkular — medan listrik berputar

d.     Polarisasi vertikal vs horizontal

e.     Penting untuk desain antena (matching polarisasi)

5.     Spektrum Elektromagnetik

a.      ELF (Extremely Low Frequency) — 3-30 Hz

b.     VLF (Very Low Frequency) — 3-30 kHz

c.     LF (Low Frequency) — 30-300 kHz

d.     MF (Medium Frequency) — 300 kHz - 3 MHz (AM radio)

e.     HF (High Frequency) — 3-30 MHz (shortwave)

f.      VHF (Very High Frequency) — 30-300 MHz (FM radio, TV)

g.     UHF (Ultra High Frequency) — 300 MHz - 3 GHz (TV, GSM, WiFi)

h.     SHF (Super High Frequency) — 3-30 GHz (satelit, radar)

i.      EHF (Extremely High Frequency) — 30-300 GHz (5G, milimeter wave)

B.    Propagasi Gelombang

1.     Ground Wave (Gelombang Tanah)

a.     Merambat di sepanjang permukaan bumi

b.     Cocok untuk frekuensi rendah (LF, MF)

c.     Jarak tempuh hingga ratusan kilometer

d.     Digunakan untuk AM radio, navigasi

e.     Terpengaruh oleh konduktivitas tanah

2.     Sky Wave (Gelombang Langit)

a.     Dipantulkan oleh ionosfer (lapisan atmosfer atas)

b.     Cocok untuk frekuensi HF (3-30 MHz)

c.     Jarak tempuh sangat jauh (antar benua)

d.     Digunakan untuk komunikasi jarak jauh, shortwave radio

e.     Terpengaruh oleh aktivitas matahari (siang/malam)

3.     Line of Sight (LOS)

a.     Merambat langsung dari pemancar ke penerima (line of sight)

b.     Cocok untuk frekuensi tinggi (VHF, UHF, SHF)

c.     Jarak tempuh terbatas oleh cakrawala

d.     Digunakan untuk FM radio, TV, seluler, WiFi, satelit

e.     Dapat terhalang oleh bangunan, pepohonan, gunung

4.     Space Wave (Gelombang Ruang)

a.     Kombinasi LOS dan ground reflected wave

b.     Digunakan untuk frekuensi VHF-UHF

c.     Aplikasi — komunikasi seluler, broadcasting

d.     Fresnel zone — area di sekitar LOS yang mempengaruhi propagasi

5.     Tropospheric Scatter

a.     Gelombang dihamburkan oleh ketidakteraturan troposfer

b.     Digunakan untuk komunikasi jarak menengah (100-500 km)

c.     Aplikasi — microwave link, komunikasi militer

d.     Daya yang dibutuhkan besar

C.    Band Frekuensi dan Alokasi

1.     Band ISM (Industrial, Scientific, Medical)

a.     Frekuensi yang dialokasikan untuk aplikasi non-komunikasi (industri, ilmiah, medis)

b.     Juga digunakan untuk komunikasi nirkabel tanpa lisensi

c.     2.4 GHz — WiFi, Bluetooth, ZigBee, microwave

d.     5.8 GHz — WiFi 5, radar, sensor

e.     915 MHz — RFID, LoRa, sensor (US)

f.      433 MHz — remote control, sensor (Eropa/Asia)

2.     Alokasi Frekuensi untuk Telekomunikasi

a.     AM Radio — 530-1700 kHz (MF)

b.     FM Radio — 88-108 MHz (VHF)

c.     TV Analog — VHF (54-216 MHz) dan UHF (470-806 MHz)

d.     GSM — 900 MHz, 1800 MHz, 1900 MHz

e.     3G/4G — 800 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz, 2600 MHz

f.      WiFi 2.4 GHz, 5 GHz, 6 GHz

g.     Bluetooth — 2.4 GHz

h.     GPS — L1 (1575.42 MHz), L2 (1227.60 MHz)

i.      Satelit — C-band (4-8 GHz), Ku-band (12-18 GHz), Ka-band (26-40 GHz)

3.     Regulasi dan Lisensi

a.     ITU (International Telecommunication Union) — mengatur alokasi global

b.     Kominfo (Indonesia) — mengatur alokasi nasional

c.     Frekuensi berlisensi — memerlukan izin (telekomunikasi komersial)

d.     Frekuensi bebas lisensi — ISM band, SRD (Short Range Device)

e.     Tujuan — mencegah interferensi antar pengguna

D.    Propagasi dan Rugi-Rugi

1.     Free Space Path Loss (FSPL)

a.      FSPL = 20 log₁₀(d) + 20 log₁₀(f) + 32.44 — rumus Friis

b.     d = jarak (km), f = frekuensi (MHz)

c.     Daya sinyal berkurang sebanding dengan kuadrat jarak

d.     Semakin tinggi frekuensi, semakin besar path loss

e.     Contoh: FSPL pada 2.4 GHz jarak 1 km ≈ 100 dB

2.     Rugi-Rugi Tambahan

a.     Atmospheric absorption — diserap oleh oksigen dan uap air

b.     Rain fade — redaman oleh hujan (penting untuk >10 GHz)

c.     Multipath fading — pantulan dari bangunan, tanah, air

d.     Diffraction — belokan gelombang di sekitar halangan

e.     Shadowing — terhalang oleh bangunan, bukit

f.      Doppler effect — pergeseran frekuensi akibat gerakan

3.     Link Budget

a.     Link budget adalah perhitungan daya sinyal dari pemancar ke penerima

b.      Link budget = TX Power - (Losses) + Gain (TX Antenna + RX Antenna) - RX Sensitivity

c.     Margin = Link budget - Path loss

d.     Margin positif → link dapat bekerja

e.     Aplikasi — perencanaan jaringan seluler, WiFi, satelit

4.     Fresnel Zone

a.     Area berbentuk elips di sekitar jalur LOS

b.     60% Fresnel zone harus bebas dari penghalang

c.     Jika terhalang → terjadi difraksi dan redaman tambahan

d.     Perhitungan radius Fresnel: r = √(λ × d1 × d2 / D)

E.    Antena Dasar dan Parameter

1.     Fungsi Antena

a.     Antena adalah transduser antara sinyal listrik dan gelombang elektromagnetik

b.     Transmisi — mengubah sinyal listrik menjadi gelombang EM

c.     Penerimaan — mengubah gelombang EM menjadi sinyal listrik

d.     Karakteristik antena menentukan performa sistem RF

2.     Panjang Antena dan Resonansi

a.     Panjang antena efektif berhubungan dengan panjang gelombang (λ)

b.     Antena λ/2 (half-wave dipole) — paling umum

c.     Antena λ/4 (quarter-wave) — dengan ground plane

d.     Antena resonan pada f = c/λ

e.     Contoh: λ/2 dipole untuk 100 MHz → 1.5 meter

3.     Polarisasi Antena

a.     Polarisasi antena harus match dengan polarisasi sinyal

b.     Vertical polarization — vertikal (seluler, FM broadcasting)

c.     Horizontal polarization — horizontal (TV broadcasting)

d.     Circular polarization — satelit, GPS, WiFi

e.     Cross-polarization loss — kerugian akibat polarisasi tidak match (hingga 20 dB)

4.     Gain Antena dan Directivity

a.     Gain — kemampuan antena mengarahkan sinyal (dB)

b.     Gain = Directivity × Efisiensi

c.     dBi — gain relatif terhadap isotropik (radiator ideal)

d.     dBd — gain relatif terhadap dipole (0 dBd = 2.15 dBi)

e.     Semakin tinggi gain → beamwidth semakin sempit

5.     Beamwidth dan Sidelobe

a.     Beamwidth — sudut setengah daya (HPBW - Half Power Beamwidth)

b.     Semakin tinggi gain → beamwidth semakin sempit

c.     Sidelobe — lobe kecil di samping main lobe

d.     Sidelobe dapat menyebabkan interferensi

F.     Jenis-Jenis Antena

1.     Dipole dan Monopole

a.      Dipole — antena dasar dengan 2 elemen (λ/2)

b.     Monopole — 1 elemen dengan ground plane (λ/4)

c.     Aplikasi — dasar untuk antena lainnya

d.     Pattern: omnidirectional (pada bidang horizontal)

2.     Yagi-Uda

a.     Antena dengan elemen direktor dan reflector

b.     Gain tinggi (8-15 dBi)

c.     Aplikasi — TV antenna, point-to-point link

d.     Arah: directional

3.     Patch Antenna

a.     Antena planar (PCB) — murah, kecil

b.     Gain sedang (5-8 dBi)

c.     Aplikasi — WiFi router, GPS receiver, IoT

d.     Arah: directional (hemispherical)

4.     Parabolic Dish

a.     Antena dengan reflektor parabola

b.     Gain sangat tinggi (30-50 dBi)

c.     Aplikasi — satelit, microwave link, radio astronomy

d.     Arah: sangat directional

5.     Horn Antenna

a.     Antena berbentuk klakson

b.     Gain tinggi, bandwidth lebar

c.     Aplikasi — microwave, radar, pengukuran

d.     Arah: directional

6.     Antena Lainnya

a.     Helical — circular polarization, untuk satelit

b.     Log-periodic — bandwidth lebar (TV)

c.     Loop — untuk HF, NFC, RFID

d.     Chip antenna — SMD, untuk IoT, Bluetooth

G.    Matching Impedansi

1.     Konsep Impedansi

a.     Impedansi adalah resistansi total dalam sistem RF (resistif + reaktif)

b.     Z = R + jX — R (resistif), X (reaktif)

c.     Sistem RF standar — 50Ω (umum) atau 75Ω (TV)

d.     Impedansi karakteristik kabel koaksial — 50Ω atau 75Ω

2.     VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)

a.     VSWR mengukur seberapa baik impedansi match

b.     Γ = (Z_L - Z₀) / (Z_L + Z₀) — reflection coefficient

c.     VSWR = 1 → perfect match (ideal)

d.     VSWR < 2 → acceptable (SWR ≤ 2:1)

e.     VSWR = ∞ → open/short circuit

3.     Return Loss

a.     Return loss

b.     Return loss besar → match baik (RL = ∞ → perfect match)

c.     RL > 10 dB → match cukup baik

d.     RL > 20 dB → match sangat baik

e.     RL = 0 → all power reflected

4.     Matching Network

a.     Matching network adalah rangkaian yang menyesuaikan impedansi

b.     Menggunakan L, C, atau transformer

c.     LC matching (L-network, Pi-network, T-network)

d.     Balun — mengubah balanced ke unbalanced

e.     Aplikasi — antara amplifier dan antena