Rangkuman Antena & Propagasi

Rangkuman Kuliah Antena & Propagasi

Free Space Loss
Disebut juga redaman ruang bebas adalah redaman yang dihasilkan oleh suatu media transmisi berupa ruang bebas sebagai akibat dari penyebaran energi sinyal yang dipancarkan

Free Space Loss (FSL) adalah hilangnya daya sinyal ketika gelombang elektromagnetik (seperti sinyal radio, WiFi, atau microwave) merambat melalui ruang bebas tanpa halangan fisik. Hilang daya ini terjadi karena energi sinyal menyebar semakin luas seiring bertambahnya jarak.

Dengan kata lain:

Semakin jauh jarak antara pemancar dan penerima, semakin besar kehilangan sinyal, meskipun tidak ada hambatan. Itulah yang disebut Free Space Loss.

Mengapa Free Space Loss Terjadi?

Ketika sebuah sinyal dipancarkan, energi gelombang menyebar membentuk pola seperti bola yang semakin membesar. Karena energi tersebar di area yang lebih luas, intensitas sinyal yang diterima menjadi semakin kecil.

Rumus Free Space Loss

Dalam bentuk desibel (dB), rumus yang paling sering digunakan adalah:

$$FSL(dB) = 20 \log_{10}(d) + 20 \log_{10}(f) + 32.44$$

di mana:

• d = jarak antara pemancar & penerima (dalam kilometer)

• f = frekuensi sinyal (dalam MHz)

Contoh

Jika router WiFi (2.4 GHz) berjarak 100 meter dari perangkat:

$$FSL ≈ 20\log(0.1) + 20\log(2400) + 32.44 \approx 80\text{ dB}$$

Artinya sinyal akan berkurang 80 dB hanya karena jarak—belum termasuk hambatan lain seperti tembok atau interferensi.

Inti Penting

• FSL bukan karena gangguan, tetapi murni karena penyebaran sinyal.
• FSL naik seiring meningkatnya frekuensi dan jarak.
• Di frekuensi tinggi (misal microwave atau 5G), FSL jauh lebih besar.

LOS
Garis lurus antara pengirim dan penerima yang tidak terhalang perambatan gelombang radio yang langsung diterima oleh penerima.

Fading
Penerimaan sinyal yang bervariasi karena karakteristik media transmisi yang menyebabkan terjadinya pembiasan, pantulan, penyebaran dan lainya.

Fading dalam konteks Antena & Propagasi adalah penurunan atau fluktuasi kekuatan sinyal yang diterima akibat berbagai kondisi lingkungan yang mempengaruhi perambatan gelombang radio.

Dengan kata lain:

Fading adalah melemahnya sinyal secara tiba-tiba atau berubah-ubah karena pantulan, hamburan, pembiasan, difraksi, atau pergerakan objek.

Fading merupakan salah satu tantangan utama dalam komunikasi nirkabel.

Mengapa Fading Terjadi?

Sinyal radio yang dikirim dari antena pemancar tidak hanya tiba melalui satu jalur, tetapi melalui berbagai jalur (multipath). Jalur-jalur ini dapat mengalami:

• Pantulan (reflection) dari gedung, tanah, air
• Pembiasan (refraction) saat melewati lapisan udara dengan kepadatan berbeda
• Difraksi di tepi bangunan atau bukit
• Hamburan (scattering) oleh pohon, hujan, debu, kendaraan
• Doppler effect, terutama bila pengirim/penerima bergerak

Ketika semua sinyal multipath tiba di penerima, mereka dapat saling menguatkan (konstruktif) atau melemahkan (destruktif). Fading terjadi saat pelemahan destruktif mendominasi.

Jenis-Jenis Fading

1) Large-Scale Fading (Fading Skala Besar)

Hilang sinyal yang terjadi karena:

• Jarak yang jauh
• Hambatan besar (gedung, bukit)
• Shadowing (sinyal tertutup objek besar)
• Biasanya terjadi secara perlahan (slow fading).

2) Small-Scale Fading (Fading Skala Kecil)

Perubahan cepat pada kekuatan sinyal dalam jarak kecil (centimeter hingga meter). Disebabkan oleh fenomena multipath.

Jenisnya adalah: 

A. Flat Fading

Seluruh sinyal melemah sama rata karena bandwidth sinyal lebih kecil dari kanal.

B. Frequency-Selective Fading

Bagian tertentu dari spektrum sinyal mengalami pelemahan lebih besar.

C. Rayleigh Fading

Terjadi jika tidak ada jalur langsung (NLOS — Non Line of Sight).

Sinyal tiba hanya melalui pantulan → sangat fluktuatif.

D. Rician Fading

Ada satu jalur langsung + banyak pantulan.

Fluktuasi lebih kecil dibanding Rayleigh.

Contoh Fading dalam Kehidupan Nyata

• Sinyal HP tiba-tiba hilang saat masuk terowongan → shadowing
• WiFi kuat → Anda bergerak sedikit → sinyal naik turun → small-scale fading
• Suara radio di mobil "kresek-kresek" saat melewati gedung tinggi
• Jaringan microwave antar tower terganggu saat hujan lebat (rain fading)

Radio Horizon
Pancaran gelombang radio dari pemancar ke penerima dengan merambat sepanjang permukaan lengkung bumi sampai pada titik dimana gelombang tersebut menyentuh permukaan bumi/horizon.

Radio Horizon adalah jarak maksimum di mana gelombang radio masih dapat diterima oleh antena penerima karena keterbatasan kelengkungan bumi dan karakteristik perambatan gelombang radio.

Sederhananya: Radio horizon = batas sejauh mana sinyal radio dapat “melihat” sebelum hilang di balik lengkungan bumi.

Ini berbeda dengan geometric horizon (cakrawala visual) karena gelombang radio VHF/UHF/microwave dapat sedikit membelok mengikuti atmosfer sehingga jangkauannya lebih jauh.

Mengapa Ada Radio Horizon?

Karena bumi bulat, antena tidak bisa melihat antena lainnya pada jarak terlalu jauh.

Tetapi gelombang radio dapat ditekuk (refracted) oleh atmosfer, sehingga jaraknya sedikit lebih jauh dari cakrawala optik.

Contoh Nyata Radio Horizon

• Radio HT yang tidak bisa berkomunikasi lebih dari 5–10 km karena rendahnya antena.
• Menara komunikasi microwave antar kota biasanya dipasang sangat tinggi untuk memperluas radio horizon.
• Radar memiliki jangkauan yang terbatas di permukaan bumi karena radio horizon.

Faktor yang Mempengaruhi Radio Horizon

• Tinggi antena (faktor paling penting)
• Kondisi atmosfer (refraksi, ducting)
• Frekuensi gelombang
• Cuaca
• Medan dan topografi (gunung, bangunan)

Propagasi Proposcatter
Perambatan gelombang radio dengan memanfaatkan hamburan (scatter) melalui gumpalan partikel-partikel yang terdapat pada lapisan troposfer.

Troposcatter adalah teknik dan fenomena propagasi gelombang radio yang memanfaatkan hamburan sinyal di lapisan troposfer untuk mengirimkan sinyal ke jarak jauh yang melewati radio horizon.

Dengan kata lain: Sinyal dipancarkan ke atmosfer bagian bawah (troposfer), lalu terhambur (scatter) oleh partikel udara, kelembapan, turbulensi, debu, dll., dan sebagian energinya jatuh kembali ke antena penerima yang jauh.

Ini memungkinkan komunikasi radio jarak menengah hingga jauh tanpa satelit dan tanpa pantulan ionosfer.

Mengapa Tropo Scatter Terjadi?

Troposfer (lapisan atmosfer sampai ketinggian ±10–12 km) berisi:

• variasi suhu
• kelembapan
• turbulensi udara
• partikel aerosol

Kondisi tidak homogen ini menyebabkan gelombang radio UHF atau microwave terhambur acak. Sebagian kecil energi yang terhambur dapat diterima oleh antena yang jauh di belakang horizon.

Karakteristik Propagasi Troposcatter

Aspek	Penjelasan
Rentang jarak	100 – 600 km (umumnya)
Frekuensi	300 MHz – 3 GHz (terbanyak 1–2 GHz)
Kualitas sinyal	Lemah → butuh daya tinggi dan antena arah (parabola/dish)
Reliabilitas	Sangat stabil, tidak tergantung ionosfer
Jenis jalur	Beyond line of sight (BLOS)

Kapan Tropo Scatter Digunakan?

Teknik ini sangat populer sebelum era satelit, dan masih digunakan untuk:

• Komunikasi militer BLOS
• Jaringan microwave jarak jauh
• Koneksi remote area (padang pasir, laut, kutub)
• Link darat antar negara yang tidak punya satelit
• Contoh: sistem troposcatter NATO dan US Army.

Proses Terjadinya Tropo Scatter

Antena pemancar menembakkan sinyal ke arah common volume (wilayah target di troposfer).

Sinyal terhambur secara acak oleh turbulensi dan ketidakhomogenan udara.

Sebagian energi yang terhambur jatuh ke antena penerima yang diarahkan ke volume yang sama.

Karena sinyal sangat lemah, digunakan teknik high-gain antennas dan high-power amplifiers.

Kelemahan

• Butuh daya sangat tinggi (biasanya puluhan–ratusan watt)
• Butuh antena parabola besar
• Bandwidth terbatas
• Peralatan mahal

Kelebihan

• Tidak tergantung ionosfer → lebih stabil
• Tidak butuh satelit
• Cocok untuk daerah tanpa infrastruktur
• Jarak lebih jauh daripada line-of-sight biasa

Peristiwa Ducting
Gelombang radio terjebak diantara lapisan troposfer dan permukaan sehingga energi terbentuk menjadi dua dimensi dan menyebar secara horizontal bukan vertikal.

Peristiwa Ducting adalah fenomena propagasi gelombang radio di mana sinyal “terperangkap” atau terfokus dalam suatu lapisan atmosfer, sehingga dapat menempuh jarak jauh jauh melebihi radio horizon normal. Fenomena ini biasanya terjadi pada gelombang VHF, UHF, dan microwave.

Dengan kata sederhana: ducting membuat gelombang radio “terpandu” di atmosfer sehingga sinyal bisa mencapai jarak yang jauh tanpa kehilangan terlalu banyak daya.

Mengapa Ducting Terjadi?

Ducting terjadi akibat lapisan udara dengan indeks bias berbeda yang membentuk semacam “tabung” optik alami di troposfer. Biasanya terjadi karena:

• Inversi suhu (Temperature Inversion)
• Lapisan udara hangat berada di atas udara yang lebih dingin.
• Menyebabkan gelombang radio membelok ke bawah, tetap berada di lapisan tertentu.
• Variasi kelembapan
• Lapisan lembap di bawah lapisan kering → indeks bias berbeda → memandu gelombang.
• Kombinasi keduanya
• Fenomena ini umum di dekat laut atau gurun di pagi/sore hari.

Contoh Peristiwa Ducting

• Radio FM dari satu kota tiba-tiba terdengar di kota yang sangat jauh (bisa ratusan km)
• Sinyal radar kapal di laut melacak target jauh melebihi jarak normal
• TV UHF lintas negara kadang bisa diterima saat kondisi atmosfer tertentu

Aspek	Ducting	Troposcatter
Jarak	Sangat jauh (tanpa kehilangan banyak daya)	Menengah (butuh daya tinggi)
Prinsip	Terpandu dalam lapisan atmosfer	Terhambur (scatter) di troposfer
Reliabilitas	Tidak selalu (tergantung kondisi atmosfer)	Lebih stabil
Antenna	Tidak perlu terlalu besar	Butuh high-gain antenna

Interferensi komunikasi radio amatir (HAM) karena sinyal tiba-tiba “loncat jauh”

Propagasi Permukaan
Perambatan sinyal/gelombang radio dari suatu antena pemancar ke penerima melalui permukaan bumi

Frekuensi Plasma
Frekuensi yang terbentuk karena tumbukan antar atom yang menghasilkan banyak elektron dan ion pada suhu tertentu, frekuensi ini digunakan untuk memantulkan atau merambatkan gelombang elektromagnetik. Jika frekuensi gelombang lebih tinggi dari frekuensi plasma maka gelombang akan dirambatkan, sebaliknya akan dipantulkan

Transmisi Troposforik
Proses pengiriman data dari pengirim ke penerima dengan memanfaatkan lapisan troposfer

Skip Distance 
Jarak terjauh dari pemancar yang tidak dapat menerima pancaran melalui skywave