Propagasi Gelombang Radio, Materi SMK Paling Lengkap

Tujuan

Setelah mempelajari bagian ini diharapkan dapat :

1.   Menyebutkan prinsip umum dari propagasi gelombang

2.  Membedakan antara propagasi ruang bebas, propagasi antar dua titik di bumi, propagasi ionosfir, dan propagasi troposferik

4.1. Prinsip Umum

Propagasi gelombang radio atau gelombang elektromagnetik pada umumnya dipengaruhi oleh banyak faktor dalam bentuk yang sangat kompleks. Di antara sekian banyak pengaruh adalah adanya kondisi yang sangat bergantung pada keadaan cuaca dan fenomena luar angkasa yang tidak menentu.

Dengan melihat kondisi yang demikian, maka sangat sulit diperkirakan sebaran radiasi medan elektromagenitik secara pasti dari suatu jarak terhadap kedudukan suatu pemancar. Namun, hal itu masih memungkinkan untuk mempropagasikan gelombang tetapi kita harus memperhatikan setiap pengamatan cuaca yang disampaikan oleh lembaga meteorologi dan geofisika.

Makna inti dari propagasi suatu gelombang radio adalah menyebarkan (transmisi) gelombang elektromagnitik di udara bebas. Oleh karena itu kualitas hasil penerimaan sinyal sedikit maupun banyak juga dipengaruhi oleh kejadian-kejadian di luar angkasa. Cuaca yang sangat baik tentu akan sangat membantu dalam menaikkan kualitas sinyal yang dapat ditangkap oleh antena penerima.

4.2. Propagasi Ruang Bebas

Seperti kita ketahui bahwa permukaan bumi dapat mengubah propagasi suatu gelombang, dengan demikian kondisi yang ideal dari ruang bebas di mana gelombang elektromagnetik dipancarkan dapat kita asumsikan. Dengan kita anggap bahwa daya sebesar P watt diradiasikan atau dipancarkan dari suatu antena pemancar di udara bebas ke segala penjuru dalam bentuk yang seragam. 

Pada jarak yang sangat jauh, medan gelombang yang teradiasikan dapat dianggap menjadi gelombang datar yang mempunyai kuat medan listrik (E). Besarnya kuat medan itu dirumuskan sebagai berikut : ()metervoltd PE /30 2/1=d adalah jarak terhadap suatu pemancar.

Bagimana rumus itu berubah bila kita anggap P mempunyai nilai sebesar 1 kilo Watt ?

4.3. Propagasi Antar Dua Titik di Bumi

Bila kita deskripsikan, jenis-jenis gelombang yang ada dapat dibedakan menjadi empat macam. Penjelasan untuk jenis gelombang itu adalah sebagai berikut :

1. Gelombang terarah antara dua titik. Propagasi gelombang yang demikian biasa disebut dengan propagasi segaris pandang (line of sight).

2.  Gelombang terpantul, yakni merupakan gelombang yang datang setelah adanya pantulan pada suatu titik antara di permukaan bumi.

3.  Gelombang permukaan, yakni merupakan gelombang yang merambat pada permukaan bumi mengikuti kelengkungan yang ada.

4.  Gelombang ionosferik atau gelombang langit merupakan gelombang yang mengarah ke atas langit meninggalkan pemancar kemudian bengkok karena ada lapisan konduksi dari lapisan pada atmosfir yang lebih tinggi, setelah itu kembali ke permukaan bumi.

Gelombang terarah, gelombang terpantul dan gelombang permukaan bersama-sama muncul, maka gabungan gelombang ini disebut sebagai gelombang tanah (ground wave). Sementara itu yang disebut gelombang ruang (space wave) merupakan gabungan antara gelombang terarah dan gelombang yang dipantulkan oleh permukaan bumi.

Lapisan ionosfir berada pada ketinggian antara 50 hingga 400 kilometer di atas permukaan bumi. Sementara itu, troposfir hanya pada ketinggian 10 kilo-meter di atas permukaan bumi. Propagasi pada lapisan ini disebut sebagai propagasi troposferik. Di antara lapisan troposfir dan ionosfir ada suatu lapisan lagi yaitu stratosfir. Pada lapisan ini gelombang langit dan gelombang permukaan menjalar. Mekanisme propagasi biasanya bergantung pada frekuensi.

Sinyal gelombang tanah dan langit dapat diterima tetapi tidak begitu baik, bergantung pada kuat sinyal pancaran dan distorsi yang ditimbulkan. Di lain pihak, gelombang langit sangat dipengaruhi oleh fading sebagai hasil dari adanya perubahan karakteristik ionosfir yang terus menerus.

4.4. Gelombang Permukaan

Sudah dijelaskan bahwa gelombang tanah pada prinsipnya dibentuk dari dua komponen gelombang yang terpisah. Komponen gelombang itu adalah gelombang permukaan (surface wave)dan gelombang ruang (space wave). Untuk menentukan apakah komponen gelombang tersebut diklasifikasikan sebagai gelombang permukaan atau gelombang ruang cukuplah sederhana.

Pengertian dari gelombang permukaan adalah gelombang yang menjalar sepanjang permukaan bumi, sedangkan gelombang ruang adalah gelombang yang menjalar di atas permukaan bumi. Antara kata ”sepanjang” dan di atas ada sedikit perbedaan. Menjalar di atas artinya penjalaran gelombang beberapa puluh meter di atas permukaan bumi pada ketinggian antena.

Gelombang permukaan mencapai bagian penerima dengan cara menjalar sepanjang permukaan tanah. Gelombang permukaan dapat mengikuti kontur (liku-liku) permukaan tanah di atas bumi karena mengalami proses difraksi (penyebaran). 

Pada saat gelombang permukaan menemukan obyek penghalang yang ukurannya lebih besar besar dari panjang gelombang, maka gelombang tersebut cenderung akan melengkung atau berbelok ke arah obyek. Untuk obyek yang lebih kecil, penjalaran gelombang tidak menjadi masalah karena akan mengalami difraksi.

Gelombang permukaan yang menjalar di atas tanah akan menyebabkan berkurangnya energi atau daya pancar sebagai akibat adanya pelemahan. Akibat ini tentu sinyal penerimaan menjadi lebih lemah atau kecil. Untuk menghindari hal ini, maka penghalang harus dihilangkan atau dengan membuat gelombang terpolarisasi vertikal untuk mengurangi gelombang bersinggungan dengan permukaan bumi.

Gelombang permukaan biasanya dialami oleh gelombang dengan frekuensi di bawah 500 KHz. Gelombang ini akan mengalami perubahan propagasi sebab dipengaruhi oleh ketidak sempurnaan konduktivitas atau daya hantar di permukaan bumi.

Pelemahan yang dialami oleh gelombang ini sebagai fungsi dari konduktivitas dan permitivitas bumi. Penetrasi gelombang pada lapisan tanah, bergantung pada frekuensi dan nilai konstanta bumi relatif. Nilai konstanta relatif permitivitas (µr) berkisar antara 80 hingga 4, sedangkan konduktivitas (s) bervariasi dari 5 hingga 0,001 mho/m.

Kalau kita cermati adanya gelombang menjalar di atas permukaan laut dan tanah kering, maka akan ditemui suatu fenomena yang berbeda. Dalam hal ini popagasi gelombang permukaan akan menjadi paling baik bila berada di atas permukaan laut, sementara menjadi paling buruk bila berada di atas tanah kering pada frekuensi-frekuensi yang masih dalam rentangnya.

Dengan demikian dapat dipahami bahwa perbedaan antara propagasi di permukaan laut dan di atas tanah kering untuk frekuensi-frekuensi rendah menjadi tidak begitu berarti. Perbedaan yang cukup tajam akan muncul apabila terjadi peningkatan frekuensi untuk daya pemancar tertentu terjadi penurunan tajam pada frekuensi tinggi.

4.5. Efek ketinggian antena dengan kuat sinyal

Antena pemancar dan penerima yang dengan ketinggian rendah, maka gelombang langsung dan gelombang pantulan hampir mempunyai besaran amplitudo yang sama, tetapi bisa berbeda fasa dan berkecenderungan saling meniadakan satu sama lainnya.

Dengan bertambahnya ketinggian antena, jalur yang berbeda, maka fasa yang berkaitan dengan itu akan berbeda antara dua gelombang dan bertambah sehingga tidak dapat menjadi saling meniadakan. Keadaan ini diistilahkan dengan pernyataan yang dikenal sebagai faktor high-gain (fh) yang merupakan fungsi frekuensi dan konstanta tanah.

4.6. Atmosfir Bumi

Gelombang radio yang menjalar dalam ruang bebas mempunyai sedikit pengaruh terhadap gelombang itu sendiri. Demikian pula bila gelombang radio yang menjalar di bumi, maka banyak pengaruh yang diakibatkan terhadap gelombang itu. Pengalaman menunjukkan bahwa masalah-masalah yang dialami oleh gelombang radio disebabkan oleh kondisi atmosfir tertentu yang sangat kompleks. Kondisi yang menyebabkan ini adalah sebagai hasil dari berkurangnya tingkat keseragaman udara atmosfir.

Banyak faktor yang dapat mempengaruhi kondisi atmosfir, baik secara positif maupun negatif. Di antara pengaruh itu adalah variasi ketinggian secara geografis, perbedaan lokasi di bumi, dan perubahan waktu seperti siang hari, malam, pergantian musim dan tahun. Untuk memahami propagasi gelombang ini kita perlu paling tidak mengetahui dasar-dasar atmosfir bumi.

Atmosfir bumi dibagi menjadi tiga bagian secara terpisah yaitu yang disebut lapisan-lapisan atmosfir. Tiga lapisan itu adalah tropfosfir, stratosfir, dan ionosfir. Lapisan tersebut adalah yang paling berguna dalam bidang telekomunikasi. Secara lebih luas, para ahli menggambarkan atmosfir dengan tambahan lapisan lain selain yang telah disebutkan itu, yaitu mesosfir, termosfir dan eksosfir.

Serapan radiasi dilakukan oleh lapisan ionosfir. Letak ionosfir yang dekat dengan termosfir, maka lapisan ini termuati partikel gas secara listrik atau disebut terionisasi. Ketinggian ionosfir dari 60-300 kilometer dari permukaan bumi.  

Lapisan ini dibagi menjadi tiga kawasan atau lapisan-lapisan lagi yaitu lapisan F, lapisan E dan lapisan D. Pada siang hari lapisan F terpisah menjadi dua lapisan lagi dan lapisan itu akan kembali menyatu pada malam hari Lapisan E adalah lapisan yang pertama kali ditemukan.

Pada tahun 1901, Guglielmo Marconi memancarkan sinyal antara Eropa dan Amerika Utara dan kemudian menemukan suatu keadaan bahwa ada semacam pantulan pada lapisan konduksi listrik pada ketinggian 100 kilometer. 

Pada tahun 1927 Sir Edward Appleton memberi nama lapisan penghantar tersebut dengan nama lapisan E. Huruf E singkatan dari Elektrik. Kemudian setelah itu penemuan lapisan berikutnya secara mudah dinamai lapisan D dan lapisan F.

Kondisi siang hari dengan adanya matahari menyebabkan adanya perubahan kepadatan muatan pada lapisan-lapisan. Muatan pada semua lapisan mengalami penambahan ketebalan. Pada malam hari kepadatan muatan menurun lebih-lebih pada lapisan D. 

Pada malam hari itu lapisan D menjadi hilang. Lapisan ionosfir mempunyai kualitas yang baik untuk memancarkan atau memantulkan sinyal radio dari permukaan bumi. Oleh karena itulah hampir semua pemancar radio memanfaatkan laoisan ini.

4.6.1. Tropfosfir

Hampir semua fenomena cuaca terjadi pada lapisan ini. Temperatur (suhu) pada daerah ini secara cepat menurun sejalan dengan bertambahnya ketinggian. Terjadinya awan dan turbulensi angin disebabkan oleh berubahnya suhu, tekanan dan kepadatan udara. Kondisi ini sangat mempengaruhi dalam propagasi gelombang radio, karena akan menyebabkan terjadinya perubahan-perubahan pada komponen gelombang

4.6.2. Stratosfir

Stratosfir terletak di antara lapisan troposfir dan ionosfir. Suhu pada lapisan ini hampir pasti tetap dan sangat sedikit uang air yang ada. Karena kondisi lapisan ini yang cukup stabil, tenang, maka daerah ini tidak banyak memberi akibat yang jelek pada propagasi gelombang radio.

4.6.3. Ionosfir

Lapisan ini adalah lapisan terpenting yang ada di angkasa di atas permukaan bumi. Lapisan ini sangat baik untuk medium komunikasi jarak jauh dan komunikasi titik ke titik (point to point). Keadaan ionosfir dan kondisinya berkaitan langsung dengan radiasi yang dipancarkan oleh matahari, pergerakan bumi terhadap matahari atau perubahan aktivitas matahari akan menyebabkan berubahnya ionosfir. Perubahan itu secara umum ada dua jenis, yaitu

(1)  kejadian siklus yang dapat diprediksikan secara akurat dan rasional,

(2) kejadian yang tidak teratur sebagai hasil tidak normalnya matahari dan karena itu tidak dapat diprediksikan.

Kedua perubahan syang teratur dan tidak teratur ini membawa akibat dalam propagasi gelombang radio. Oleh karena itulah hal ini perlu diperhatikan. Sebagaimana diketahui bahwa sinyal radio yang ditransmisikan, beberapa sinyal akan keluar dan lepas dari permukaan bumi menuju lapisan ionosfir. Gelombang tanah (tanda panah ungu) merupakan sinyal langsung yang dapat didengar dalam keadaan normal.

Gelombang ini secara cepat akan melemah dan akan didengar kembali sebagai “fading”. Gelombang yang lain (tanda panah merah dan biru) merupakan gelombang langit. Gelombang-gelombang ini dapat memantul pada lapisan ionosfir dan pemantulan itu dapat beberapa ribu kilometer bergantung kepada kondisi atmosfir.

4.6.4. Propagasi atmosferik

Dalam atmosfir, gelombang radio dapat dibiaskan, dipantulkan dan disebarkan. Perubahan sifat gelombang radio tersebut tentu saja akan membawa pengaruh dalam hal propagasi. Akibat perubahan ini, maka perlu diperhatikan gejala-gejalanya, sehingga dalam penentuan atau pemilihan frekuensi untuk media transmisi dapat dilakukan secara efektif dan efisien. Berikut ini akan dijelaskan mengenai gejala-gejala itu.

Saat gelombang memasuki lapisan yang lebih padat dari muatan ion, bagian atas mempunyai kecepatan yang lebih daripada di bawahnya. Kecepatan yang diserap ini menyebabkan terjadinya pembengkokan gelombang dan kembali ke bumi.

Ada tiga faktor penting terhadap refraksi gelombang radio ini, yaitu :

1.   Kepadatan ionisasi lapisan

2.   Frekuensi gelombang radio

3.   Sudut datang gelombang radio menuju lapisan.

Sinyal yang dipancarkan dari pemancar melalui lapisan-lapisan mengalami pembengkokkan yang tidak sama. Pada daerah yang sangat kurang ionisasinya gelombang radio mengalami pembengkokan keluar. Sementara daerah yang lebih padat gelombang radio akan dibelokkan ke bumi hingga sinyal dapat ditangkap lagi oleh antena penerima.

Suatu fenomena frekuensi yang berbeda mengalami pembengkokan yang tidak sama. Semakin tinggi frekuensi arah beloknya semakin jauh.

4.6.4.1. Pantulan (Refleksi)

Pantulan terjadi bila gelombang radio tersimpul pada bidang/permukaan datar. Pada dasarnya ada dua jenis pantulan yang terjadi di atmosfir yaitu pantulan bumi dan pantulan ionosfir. Pada gambar 4.14. di bawah ini dapat ditunjukkan adanya dua gelombang yang mengalami pantulan oleh permukaan bumi. Perhatikan bahwa dua gelombang tersebut mengalami perubahan fasa antara gelombang yang satu dengan gelombang lainnya.

Gambar 4.14. Gelombang pantulan oleh permukaan bumi

4.6.4.2. Defraksi

Defraksi adalah kemampuan gelombang radio untuk berputar pada sudut yang tajam dan membelok disekitar penghalangnya. Defraksi menghasilkan perubahan arah dari energi gelombang radio di sekitar tepi penghalang. Gelombang radio dengan panjang gelombang panjang dibandingkan dengan diameter suatu penghalang, maka dengan mudah dipropagsikan disekitar penghalang itu.

Namun demikian, bila panjang gelombang turun akan terjadilah pelemahan, hingga frekuensi-frekuensi sangat tinggi membentuk daerah bayangan (Shadow zone). Daerah bayangan pada dasarnya adalah daerah kosong dari sisi berlawanan datangnya gelombang dalam arah segaris pandang dari pemancar terhadap penerima.

4.7. Daerah dan jarak lompatan (Skip)

Ingat kembali tentang adanya jenis-jenis gelombang radio, yakni gelombang langit dan gelombang tanah. Untuk itu di sini akan dijelaskan tentang jarak skip dan daerah skip.

4.7.1 Jarak Skip

Perhatikan gambar 4.16 di bawah ini tentang hubungan jarak skip, daerah skip dan gelombang tanah. Jarak skip adalah jarak dari pemancar hingga ke titik di mana gelombang langit pertama kali kembali ke bumi. Jarak skip bergantung kepada frekuensi gelombang radio dan sudut datangnya, serta tingkat ionisasi pada lapisan itu

4.7.2. Daerah skip

Daerah skip adalah daerah tenang antara 2 titik di mana gelombang tanah terlalu lemah untuk dapat diterima oleh antena penerima dan titik dimana gelombang langit pertama kali kembali ke bumi. Batas luar daerah skip bervariasi bergantung pada frekuensi kerja, kapan terjadinya (hari), musim, aktivitas matahari dan arah pancaran.

Pada frekuensi rendah dan sangat rendah, daerah skip tidak kelihatan, tetapi untuk frekuensi tinggi dapat diketahui daerah skip tersebut. Apabila frekuensi kerja semakin tinggi, maka daerah skip menjadi semakin lebar terhadap titik di mana batas luar daerah skip dapat mencapai beberapa ribu kilometer jauhnya.

4.8. Pengaruh atmosfir pada propagasi

Sebagaimana telah disebutkan di depan bahwa perubahan yang terjadi pada ionosfir akan membawa perubahan yang sangat mengherankan ketika seseorang melakukan komunikasi. Untuk kasus-kasus tertentu, jarak komunikasi akan terkurangi atau bahkan hilang. Fenomena ini timbul karena suatu kejadian yang disebut fading.

4.8.1. Fading

Masalah yang sangat menggangu dan membuat orang frustasi dalam mengatur penerimaan sinyal radio adalah berubah-ubahnya kuat sinyal. Keadaan ini sering disebut sebagai efek fading. Beberapa kondisi dapat menghasikan fading. 

Bila gelombang radio dibengkokkan oleh lapisan ionosfir atau dipantulkan dari permukaan bumi, maka perubahan acak dalam polarisasi gelombang akan terjadi. Secara vertikal atau horisontal pengaturan antena penerima dirancang agar dapat menangkap gelombang terpolarisasi baik secara vertikal atau horisontal bergatian.

Perubahan polarisasi menyebabkan perubahan level tangkapan sinyal sebab ketidak stabilan antena untuk menerima perubahan polarisasi sinyal penerimaan itu. Fading juga dihasilkan oleh adanya serapan energi frekuensi radio (RF) dalam atmosfir. Banyak absorbsi ionosferik terjadi pada daerah rendah ionosfir di mana kepadatan ionisasi lebih besar.

4.8.1.1. Multipath Fading

Fading jalur jamak merupakan istilah sederhana untuk menggambarkan jalur-laur berganda suatu gelombang radio bisa melewati antara pemancar dan penerima. Jalur propagasi seperti ini meliputi gelombang tanah, refraksi ionosferik, radiasi kembali oleh lapisan ionosferik, pantulan dari permukaan bumi atau lebih dari satu lapisan ionosfir dan seterusnya.

Lapisan D :

Memantulkan gelombang frekuensi sangat rendah untuk komunikasi jarak jauh; menyebar atau refraksi frekuensi rendah dan frekuensi menengah untuk komunikasi jarak pendek, mempunyai pengaruh kecil ter-hadap frekuensi sangat tinggi, hilang di malam hari.

Lapisan E :

Bergantung pada sudut datang matahari, menyebar gelombang frekuensi tinggi pada siang hari untuk frekuensi di atas 20 MHz dengan 1200 mil, berkurang sangat besar pada malam hari.

Lapisan F :

Struktur dan kepadatannya bergantung pada waktu siang hari dan sudut datang matahari, terdiri satu lapisan di malam hari dan terpisah menjadi dua pada siang hari.

Lapisan F1 :

Kepadatan bergantung pada sudut datang matahari, pengaruh utama adalah menyerap gelombang frekuensi tinggi yang melintasinya hingga sampai lapisan F2.

Lapisan F2 :

Diperuntukkan bagi komunikasi frekuensi tinggi jarak jauh, sangat berubah-ubah, perubahan ketinggian dan kepadatan ditentukan waktu siang hari, musim, dan keberadaan sinar matahari.

4.9. Rangkuman

Propagasi gelombang radio atau gelombang elektromagnetik pada umumnya dipengaruhi oleh banyak faktor dalam bentuk yang sangat kompleks. Di antara sekian banyak pengaruh adalah adanya kondisi yang sangat bergantung pada keadaan cuaca dan fenomena luar angkasa yang tidak menentu.

Dengan melihat kondisi yang demikian, maka sangat sulit diperkirakan sebaran radiasi medan elektromagenitik secara pasti dari suatu jarak terhadap kedudukan suatu pemancar. Namun, hal itu masih me-mungkinkan untuk mempropagasikan gelombang tetapi harus diperhatikan setiap pengamatan cuaca yang disampaikan oleh lembaga meteorologi dan geofisika.

Jenis-jenis gelombang yang ditransmisikan dapat dibedakan menjadi empat macam.

1. Gelombang terarah antara dua titik. Propagasi gelombang yang demikian biasa disebut dengan propagasi segaris pandang (line of sight).

2.  Gelombang terpantul, yakni merupakan gelombang yang datang setelah adanya pantulan pada suatu titik antara di permukaan bumi.

3. Gelombang permukaan, yakni merupakan gelombang yang merampat pada permukaan bumi mengikuti kelengkungan yang ada.

4. Gelombang ionosferik atau gelombang langit merupakan gelombang yang mengarah ke atas langit meninggalkan pemancar kemudian bengkok karena ada lapisan konduksi dari lapisan pada atmosfir yang lebih tinggi, setelah itu kembali ke permukaan bumi.

Gelombang permukaan adalah gelombang yang menjalar sepanjang permukaan bumi, sedangkan gelombang ruang adalah gelombang yang menjalar di atas permukaan bumi. Antara kata ”sepanjang” dan “di atas“ ada sedikit perbedaan. Menjalar di atas artinya penjalaran gelombang beberapa puluh meter di atas permukaan bumi pada ketinggian antena.

Lapisan ionosfir mempunyai kualitas yang baik untuk memancarkan atau memantulkan sinyal radio dari permukaan bumi. Sinyal radio yang ditransmisikan, beberapa sinyal akan keluar dan lepas dari permukaan bumi menuju lapisan ionosfir. Gelombang tanah merupakan sinyal langsung yang dapat didengar dalam keadaan normal. Gelombang ini secara cepat akan melemah dan akan didengar kembali sebagai “fading”.

Gelombang yang lain merupakan gelombang langit. Gelombang-gelombang ini dapat memantul pada lapisan ionosfir dan pemantulan itu dapat beberapa ribu kilometer bergantung kepada kondisi atmosfir.

4.10. Soal latihan

Kerjakan soal-soal di bawah ini dengan baik dan benar

1.   Apa yang disebut dengan propagasi ? Berilah penjelasan singkat !

2. Sebutkan jenis-jenis gelombang yang ditransmisikan dalam ruang ionosfir ! Gambarkan pola pemantulan atau persebarannya !.

3.   Apa yang disebut gelombang permukaan dan gelombang ruang ?

4.  Mengapa propagasi gelombang pada siang hari berbeda dengan malam hari ?. Jelaskan secara singkat !.

5.   Jelaskan efek dari ketinggian antena dengan kuat sinyal !

6.   Apa yang anda ketahui denga istilah fading ? Berilah penjelasan !

7.  Lapisan pada ionosfir yang manakah, bila siang hari terpisah dan malam hari menyatu kembali ? Mengapa bisa terjadi demikian ?

Tweet

Postingan terkait:

Ditulis Unknown — Saturday, August 20, 2016 — Add Comment — KOMUNIKASI