Gelombang Frekuensi Radio, Propagasi, Dan Saluran Transmisi

 

Gelombang Frekuensi Radio, Propagasi, Dan Saluran Transmisi

 

 

 Tujuan

 

Setelah mengikuti kegiatan pembelajaran ini, peserta diharapkan dapat:

1.      Menganalisis gelombang frekuensi radio

2.      Menganalisis propagasi gelombang radio

3.      Menganalisis saluran transmisi gelombang radio

 

 Indikator Pencapaian Kompetensi

 

1.      Menunjukkan gelombang frekuensi radio

2.      Menunjukkan propagasi sinyal radio

3.      Menunjukkan saluran transmisi gelombang radio

 

 Uraian Materi

 

1.    Gelombang Frekuensi Radio

Getaran adalah gerakan bolak-balik dalam suatu interval waktu tertentu. Gelombang adalah suatu getaran yang merambat, selama perambatannya gelombang membawa energi. Pada gelombang, materi yang merambat memerlukan medium, tetapi medium tidak ikut berpindah.

 

Walaupun terdapat banyak contoh gelombang dalam kehidupan kita, secara umum hanya terdapat dua jenis gelombang saja, yakni gelombang mekanik dan gelombang elektromagnetik. Pembagian jenis gelombang ini didasarkan pada medium perambatan gelombang. Contoh dari gelombang elektromagnetik adalah gelombang radio. Panjang gelombang dinyatakan dalam ʎ (lamda)

 

 

KEGIATAN PEMBELAJARAN 1

 

 

 

 

1.1.        Gelombang menurut arah perambatannya

Gelombang longitudinal. Gelombang dengan arah gangguan sejajar dengan arah penjalarannya. Contoh gelombang longitudinal adalah gelombang bunyi, gelombang bunyi ini analog dengan pulsa longitudinal dalam suatu pegas vertikal di bawah tegangan dibuat berosilasi ke atas dan ke bawah disebuah ujung, maka sebuah gelombang longitudinal berjalan sepanjang pegas tersebut, koil – koil pada pegas tersebut bergetar bolak – balik di dalam arah di dalam mana gangguan berjalan sepanjang pegas.

Gambar 1.1. Gelombang merambat pada pegas

 

Gambar 1.1 memperlihatkan sebuah gelombang longitudinal merambat dalam medium pegas yang diregangkan dimana arah gangguaan searah dengan arah penjalaran gelombang.

 

Gelombang Transversal. Gelombang transversal adalah gelombang dengan gangguan yang tegak lurus arah penjalaran. Misalnya gelombang cahaya dimana gelombang listrik dan gelombang medan magnetnya tegak lurus kepada arah penjalarannya.

 

 

 

 

 

 

 

Gambar 1.2. Gelombang Transversal

 

 

Gambar 1.2 diatas memperlihatkan medan listrik dan medan magnet dari gelombang elektromagnetik adalah tegak lurus dan tegak lurus juga pada arah menjalarnya gelombang.

 

1.2.        Gelombang menurut medium perambatannya

Gelombang mekanik. Gelombang mekanik adalah gelombang yang memerlukan medium tempat merambat. Contoh gelombang mekanik gelombang pada tali, gelombang bunyi.

Gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang energi dan momentumnya dibawa oleh medan listrik (E) dan medan magnet

(B) yang dapat menjalar melalui vakum atau tanpa membutuhkan medium dalam perambatan gelombangnya.

 

1.3.        Jenis Gelombang radio

Gelombang panjang (long wave) ; gelombang jenis ini memiliki signal yang panjang sehingga mampu menjangkau range area yang sangat luas. Kerugian dari gelombang ini adalah :

•     Memerlukan daya listrik yang sangat besar sehingga mahal dalam operasionalnya.

•     Karena jenis gelombangnya panjang dan lebar menyebabkan rentan terhadap gangguan (noise).

Gelombang pendek (short wave) ; gelombang yang menggunakan udara sebagai mediator. Jenis gelombang ini adalah SW (short wave).

Keuntungan :

•     Mampu menjangkau wilayah (coverage area) yang luas

 

 

KEGIATAN PEMBELAJARAN 1

 

 

 

 

•     Banyak digunakan oleh pemancar internasional atau antar benua Kerugian :

•     Banyak noise-nya khususnya dari matahari, cuaca, udara, halilintar dan sebagainya.

•     Suara manusia dapat didengar dengan baik tetapi pengguanaan sound effect akan kehilangan mutu kualitasnya (kabur).

Gelombang medium (medium wave) ; gelombang yang menggunakan permukaan bumi sebagai mediator. Secara umum kebanyakan gelombang yang dipakai oleh stasiun radio. Jenis yang dipakai oleh gelombang ini adalam AM (amplitudo modulation) dan FM (frequency modulation).

Keuntungan :

•     Permukaan bumi kurang dipengaruhi cuaca sehingga tidak terjadi noise

•     Mutu penyiaran lebih bagus dalam kualitas suara dan sound effect. Kerugian :

•     Tanah menyerap gelombang lebih cepat daripada udara yang menyebabkan jarak jangkauan siaran lebih sempit sehingga memerlukan booster.

•     Tanah di Indonesia mengandung besi yang cepat menyerap gelombang sehingga merupakan penghantar yang buruk.

 

2.        Propagasi Gelombang Radio

Apabila kita berbicara tentang propagasi maka kita menyentuh pengetahuan yang berhubungan dengan pancaran gelombang radio. Seperti kita ketahui bahwa apabila kita transmit, pesawat kita memancarkan gelombang radio yang ditumpangi oleh audio kita. Gelombang radio tadi diterima oleh receiver lawan bicara kita dan oleh receiver itu gelombang radionya dihilangkan dan audio kita ditampung lewat speaker. Gelombang radio yang dipancarkan tadi berupa gelombang elektromagnetik bergerak menuruti garis lurus. Perambatan gelombang radio mempunyai sifat seperti kecepatan rambat cahaya, dapat dipantulkan, dibiaskan, direfraksi dan dipolarisasikan. Kecepatan rambatanya sama dengan kecepatan sinar ialah 300.000 km tiap detik. Dapat kita bayangkan bila gelombang radio bisa mengelilingi dunia, maka dalam satu detik bisa keliling dunia 7 kali. Kita ketahui bahwa dunia kita berbentuk bulat seperti bola, akan tetapi pancaran gelombang radio high frequency dari Indonesia bisa sampai di Amerika Serikat yang terletak dibalik bumi sebelah sana, padahal ia bergerak menuruti

 

 

TEKNIK AUDIO VIDEO KK H SMK

 

 

 

 

garis lurus. Phenomena alam seperti tersebut tadi dapat dijelaskan sebagai uraian di bawah ini. Di angkasa luar, ialah di luar lapisan atmosphere bumi terdapat lapisan yang dinamakan ionosphere. Ionosphere adalah suatu lapisan gas yang terionisasi sehingga mempunyai muatan listrik, lapisan ini berbentuk kulit bola raksasa yang menyelimuti bumi. Lapisan ini dapat berpengaruh kepada jalannya gelombang radio. Pengaruh-pengaruh penting dari ionosphere terhadap gelombang radio adalah bahwa lapisan ini mempunyai kemampuan untuk membiaskan dan memantulkan gelombang radio. Kapan gelombang radio itu dipantulkan dan kapan gelombang radio dibiaskan atau dibelokkan tergantung kepada frekuensinya dan sudut datang gelombang radio terhadap ionosphere. Frekuensi gelombang radio yang mungkin dapat dipantulkan kembali adalah frekuensi yang berada pada range Medium Frequency (MF) dan High Frequency (HF). Adapun gelombang radio pada Very High Frequency (VHF) dan Ultra High Frequency (UHF) atau yang lebih tinggi, secara praktis dapat dikatakan tidak dipantulkan oleh ionosphere akan tetapi hanya sedikit dibiaskan dan terus laju menghilang ke angkasa luar. Gelombang radio yang menghilang ke angkasa luar tadi dalam istilah propagasi dikatakan SKIP.

Tabel 1.1. Pembagian Band Frekuensi Radio

 

Very Low Frequency	VLF	3 - 30 KHZ
Low Frequency	LF	30 - 300 KHz
Medium Frequency	MF	300 - 3.000 KHz
High Frequency	HF	3 - 30 MHz
Very High Frequency	VHF	30 - 300 MHz
Ultra High Frequency	UHF	300 - 3.000 MHz
Super High Frequency	SHF	3 - 30 GHz
Extremely High Frequency	EHF	30 - 300 GHz

 

2.1.        Perambatan Gelombang

Pada gambar dibawah dapat dilihat sebuah antena yang memancarkan gelombang radio pancaran gelombang radio ini menyebar kesegala penjuru secara merata untuk antena vertikal sebagian gelombang yang bergerak pada permukaan bumi disebut GELOMBANG BUMI, selain dari pada itu disebut GELOMBANG ANGKASA.

 

 

KEGIATAN PEMBELAJARAN 1

 

 

 

 

Gambar 1.3. Perambatan gelombang

Kerugian pada permukaan bumi dengan naiknya frekuensi akan semakin BESAR. Gelombang bumi dapat merambat dalam daerah gelombang panjang sampai 1000 km, dalam daerah gelombang menengah hanya sampai 300 Km dan dalam daerah gelombang pendek sampai 100 km. gelombang angkasa merambat secara GARIS LURUS, berhubung dengan itu angkasa tidak bisa mengikuti permukaan bumi kita. Berikut adalah tabel daerah frekuensi kerja, redaman, jangkauan, pantulan dan jenis gelombang yang dipakai untuk berkomunikasi.

 

Tabel 1.2. Daerah frekuensi kerja radio

 

Daerah	Gelombang bumi		Gelombang Angkasa		Jenis gelombang yang dipakai
	Redaman	Jangkauan	Redaman	Pantulan
LW	Sedikit	» 100 km	sangat kuat	-	Gelombang bumi
MW	Kuat	» 300 km	kuat	Sangat kuat	Gelombang bumi dan angkasa
SW	Sangat kuat	» 100 km	Sedikit	Kuat	Gelombang angkasa
VHF UHF	Seluruhnya	» 100 km	Sangat sedikit	Kadang kadang	Gelombang angkasa

 

2.2.        Pantulan

Pada daerah frekuensi sebagian dari gelombang angkasa kembali ke permukaan bumi. Mereka dipantulkan oleh lapisan udara yang terhampar diketinggian 50 km sampai 300 km. Lapisan udara pemantul ini disebut ionosphere. Lapisan udara yang terionisasi kuat dinamakan lapisan heaviside.Daya pantul lapisan heaviside

 

 

TEKNIK AUDIO VIDEO KK H SMK

 

 

 

 

bergantung pada frekuensi pada suatu tempat penerimaan dapat diterima gelombang bumi dan angkasa bersama, gelombang angkasa datang lebih akhir, sehingga terdapat PERGESERAN FASA. Ini akan menimbulkan FADING, dimana kuat medan penerimaan goyah. Gambar dibawah menunjukkan pemantulan gelombang elektromagnetik oleh lapisan ionosphere.

VHF

 

PANTULAN

PEMBENGKOKAN

 

 

SW

 

 

 

 

IONOSPHERE

 

 

LW MW

SW - MW

 

LAPISAN HEAVISIDE

SW VHF

 

PERMUKAAN BUMI

 

 

 

Gambar 1.4. Pemantulan gelombang

 

 

Gambar 1.5. Pemantulan gelombang sesuai frekuensinya

 

 

KEGIATAN PEMBELAJARAN 1

 

 

 

 

2.3.        Perambatan LW,MW,SW,VHF

Perambatan gelombang panjang, dimana ʎ = 1km - 10 km, dengan polarisasi vertikal pada malam hari melalui interferensi antara gelombang bumi dan angkasa dapat menimbulkan FADING DEKAT. Seperti terlihat pada gambar di bawah.

GELOMBANG BUMI

Gambar 1.6. Terjadinya fading dekat

 

 

 

Perambatan gelombang menengah, dimana ʎ = 100m -10m, dengan polarisasi vertikal. Pada jarak yang jauh dapat timbul interfrensi diantara gelombang bumi dan angkasa yang disebut FADING JAUH. Hal ini bisa terlihat seperti gambar di bawah.

 

LAPISAN F

 

 

 

 

 

 

 

 

FA DING DEKAT        FADING JAUH GELOMBANG BUMI

LAPISAN D TERJADI

HANYA PA DA TENGAH HARI

Gambar 1.7. Terjadinya fading jauh

 

 

Perambatan gelombang menengah, dimana l = 100m -10m, dengan polarisasi vertikal. Antara gelombang bumi yang sangat pendek dan jatuhnya gelombang

 

 

TEKNIK AUDIO VIDEO KK H SMK

 

 

 

 

angkasa terjadi DAERAH MATI. Jarak ini disebut jarak lompatan, yang bergantung pada frekuensi hari dan tahun. Hal ini seperti ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 1.8. Daerah mati

 

 

 

Perambatan gelombang sangat pendek, l = 1m - 10m, pada band 1 dengan polarisasi vertikal, band II dan III dengan polarisasi horisontal dalam daerah frekuensi 30 MHz - 300 MHz dengan semakin pendeknya panjang gelombang akan memisahkan diri dari permukaan bumi, merambat diatas bumi tanpa kerugian dan LURUS seperti GELOMBANG CAHAYA. Jangkauannya dengan begitu sejauh pandangan antara antena pemancar dan penerima ( maksimum kira-kira 50 km ). Perambatan gelombang desimeter dengan l = 10 Cm - 100 Cm dengan polarisasi horisontal. Dalam daerah frekuensi antara 300 MHZ - 3 GHz ( televisi band IV dan V ) mempunyai jangkauan terbatas (» 50 km). Pada semua jangkauan gelombang untuk menaikkan daya jangkauan dapat dengan menaikkan daya pancar, menaikkan antena pemancar jauh dengan bumi.

F

 

 

E

 

 

BUMI

 

PANCARAN GELOMBANG ANGKASA HORISONTAL

Gambar 1.9. Perambatan gelombang angkasa

 

2.4.        Lapisan-lapisan Ionosfir

Ionosfir tersusun dari 3 (tiga) lapisan, mulai dari yang terbawah yang disebut dengan lapisan D, E dan F. Sedangkan lapisan F dibagi menjadi dua, yaitu lapisan F1 dan F2 (yang lebih atas), seperti Gambar di bawah. Ada atau tidaknya lapisan-lapisan ini dalam atmosfir dan ketinggiannya di atas permukaan bumi, berubah-ubah sesuai dengan posisi matahari. Pada siang hari (tengah hari), radiasi dari matahari adalah terbesar, sedangkan di malam hari adalah minimum.

 

Saat radiasi matahari tidak ada, banyak ionion yang bergabung kembali menjadi molekul-molekul. Keadaan ini menetukan posisi dan banyaknya lapisan dalam ionosfir. Karena posisi matahari berubah-ubah terhadap titik-titik tertentu di bumi, dimana perubahan itu bisa harian, bulanan, dan tahunan, maka karakteristik yang pasti dari lapisan-lapisan tersebut sulit untuk ditentukan/dipastikan.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar 1.10. Lapiran-lapisan ionosfir yang berpengaruh untuk propagasi

 

Untuk lebih jelasnya tentang fenomena masing-masing lapisan pada ionosfir diberikan berikut ini.

•     Lapisan D terletak sekitar 40 km – 90 km. Ionisasi di lapisan D sangat rendah, karena lapisan ini adalah daerah yang paling jauh dari matahari. Lapisan ini mampu membiaskan gelombang-gelombang yang berfrekuensi rendah. Frekuensi-frekuensi yang tinggi, terus dilewatkan tetapi mengalami redaman. Setelah matahari terbenam, lapisan ini segera menghilang karena ionionnyamdengan cepat bergabung kembali menjadi molekul-molekul.

•     Lapisan E terletak sekitar 90 km – 150 km. Lapisan ini, dikenal juga dengan lapisan Kenelly – Heaviside, karena orang-orang inilah yang pertama kali menyebutkan keberadaan lapisan E ini. Setelah matahari terbenam, pada lapisan ini juga terjadi penggabungan ion-ion menjadi molekul-molekul, tetapi kecepatan pe nggabungannya lebih rendah dibandingkan dengan lapisan D, dan baru bergabung seluruhnya pada tengah malam. Lapisan ini mampu membiaskan gelombang dengan frekuensi lebih tinggi dari gelombang yang bisa dibiaskan lapisan D. Dalam praktek, lapisan E mampu membiaskan gelombang hingga frekuensi 20 MHz.

•     Lapisan F terdapat pada ketinggian sekitar 150 km – 400 km. Selama siang hari, lapisan F terpecah menjadi dua, yaitu lapisan F1 dan F2. Level ionisasi pada lapisan ini sedemikian tinggi dan berubah dengan cepat se iring dengan pergantian siang dan malam. Pada siang hari, bagian atmosfir yang paling dekat dengan matahari mengalami ionisasi yang paling hebat. Karena atmosfir di daerah ini sangat renggang, maka penggabungan kembali ion-ion menjadi

 

 

KEGIATAN PEMBELAJARAN 1

 

 

 

 

molekul terjadi sanga t lambat (setelah terbenam matahari). Karena itu, lapisan ini terionisasi relatif konstan setiap saat. Lapisan F bermanfaat sekali untuk transmisi jarak jauh pada frekuensi tinggi dan mampu membiaskan gelombang pada frekuensi hingga 30 MHz.

 

Sebagai tambahan, pada lapisan-lapisan ionosfir yang ditunjukkan di atas, ada juga variasi-variasi lain yang tidak menentu yang terjadi akibat dari partikel-partikel radiasi dari matahari, sehingga mengakibatkan kacau atau rusaknya propagasi gelombang radio. Jenis badai ini dapat berlangsugn beberapa hari, tetapi komunikasi masih dapat dipertahankan dengan menurunkan frekuensi kerjanya. Radiasi yang berlebihan dari matahari, juga dapat mengakibatkan ionisasi yang berat sekali pada daerah/lapisan bawah yang dapat menyebab-kan komunikasi black out sama sekali untuk gelombang dengan frekuensi di atas 1 MHz.

 

2.5.        Frekuensi Kritis

Jika frekuensi gelombang radio yang dipancarkan secara vertikal perlahan-lahan dipertinggi, maka akan dicapai titik dimana gelombang tidak akan bisa dibiaskan untuk kembali ke bumi. Gelombang ini tentu akan ke atas menuju lapisan berikutnya, dimana proses pembiasan berlanjut. Bila frekuensi-nya cukup tinggi, gelombang tersebut akan dapat menembus semua lapisan ionosfir dan terus menuju ruang angkasa. Frekuensi tertinggi dimana gelombang masih bisa dipantulkan ke bumi bila ditransmisikan secara vertikal pada kondisi atmosfir yang ada disebut dengan frekuensi kritis. Sebagai ilustrasi tentang frekuensi kritis gelombang untuk frekuensi 25 MHz, ditunjukkan pada Gambar di bawah. Gelombang ditembakkan secara vertikal oleh transmitter (pemancar dan sekaligus penerima), dengan frekuensi yang bervariasi, mulai 24 MHz sampai 26 MHz. Untuk frekuensi kerja 25 MHz ke bawah, gelombang yang dipancarkan ke atas, dapat diterima kembali di bumi. Tetapi untuk gelombang yang dipancarkan dengan frekeunsi 26 MHz ke atas, gelombang di tidak dapat diterima oleh transmitter di bumi.

Gambar 1.11. Frekuensi kritis

 

2.6.        Sudut Kritis

Secara umum, gelombang dengan frekuensi lebih rendah akan mudah dibiaskan, sebaliknya gelombang dengan frekuensi lebih tinggi lebih sulit dibiaskan oleh ionosfir. Gambar di bawah menggambarkan hal yang demikian, dimana sudut pancaran memegang peranan penting dalam menentukan apakah suatu gelombang dengan frekuensi tertentu akan dikembalikan ke bumi oleh ionosfir atau tidak. Di atas frekuensi tertentu, gelombang yang dipancarkan secara vertikal merambat terus menuju ruang angkasa. Namun demikian, bila sudut radiasi (angle of radiation)-nya lebih rendah, maka sebagian dari gelombang berfrekuensi tinggi di bawah frekuensi kritis akan dikembalikan ke bumi. Sudut terbesar dimana suatu gelombang dengan frekuensi yang masih bisa dikembalikan (dibiaskan ke bumi) disebut dengan sudut kritis bagi frekuensi tersebut.

 

Sudut kritis adalah sudut yang dibentuk oleh lintasan gelombang yang menuju dan masuk ionosfir dengan garis yang ditarik dari garis vertikal titik pemancar di bumi ke pusat bumi. Gambar 6-6 menunjukkan sudut kritis untuk 20 MHz. Semua gelombang yang mempunyai frekuensi di atas 20 MHz (misalnya 21 MHz) tidak dibiaskan kembali ke bumi, tetapi terus menembus ionosfir menuju ruang angkasa.

Gambar 1.12. Sudut kritis