Antena Array (pengertian, dasar dan rumus)Abi Blog

Antena Array (pengertian, dasar dan rumus)

Pengertian Antena Array (Antena Bersusun)

Antena Array (antena susun) adalah antena yang terdiri dari beberapa elemen yang saling berhubungan dan diatur dalam struktur yang teratur untuk membentuk menjadi satu antena.

Tujuan dari di buatnya sebuah antena array adalah untuk menghasilkan pola radiasi yang memiliki karakteristik tertentu yang diinginkan dengan beberapa  elemen menjadi satu. Sebuah array dipole disusun, seperti yang ditunjukkan pada dibawah ini, terdiri dari elemen dipole vertikal.

Antena Array Dipole Lipat
Antena Array Dipole Lipat

Dipole Array ini memiliki pola Omnidirectional seperti elemen yang bukan dipole, namun memiliki keuntungan yang lebih tinggi dan beamwidth lobus lebih sempit dalam tangkapan dan pancaran posisi bidang vertikal.

Gambar di bawah menunjukkan bagaimana keuntungan antena pemancar-vertikal dengan elemen dipole dapat “ditingkatkan” dengan membuat sebuah susunan. Tanda (a) merupakan pola radiasi dari satu elemen, tanda (b) adalah pola dua elemen, dan tanda (c) adalah tiga elemen.

Antena Array pola radiasi vertikal-plane
Antena Array pola radiasi vertikal-plane

Keterangan gambar diatas:

(a) Dipole tunggal setengah panjang gelombang,

(b) Dua-elemen array, dan

(c) Array tiga elemen.

Rangkaian antena ini disebut array binomial atau collinear. Karena jumlah elemen semakin banyak, gain meningkat dan beamwidth berkurang.

Omnidirectional antena coaxial collinear ( sering disebut sebagai “omni ” ) adalah desain antena array yang sangat populer untuk BTS. metode antena  ini terdiri dari seperempat-gelombang pada bagian koaksial dengan konduktor dalam dan luar dialihkan di setiap persimpangan.

Sebuah ilustrasi konseptual ditunjukkan pada dibawah ini, meskipun lebih kompleks daripada ilustrasi , antena array ini berperilaku seperti serangkaian dipole vertikal disusun satu di atas yang lain.

Antena Array Collinear
Antena Array Collinear

Bagian bagian yang susun keatas / tumpuk, akan semakin besar gain-nya dan memiliki vertikal beamwidth yang sempit. Sebuah pola vertikal -plane untuk jenis antena ditunjukkan pada gambar dibawah ini :

Sebuah Antena Array pola radiasivertikal -plane  tanpa "tilt"
Sebuah Antena Array pola radiasi vertikal -plane tanpa “tilt”

Seperti dengan semua antena, array frequencydependent. Gain, directivity, dan pola radiasi masing-masing fungsi dari frekuensi. Beberapa antena akan bekerja dengan baik hanya untuk frekuensi tertentu, dan kinerja-nya akan menurun pada operasi frekuensi yang lain.

Variasi dalam desain listrik dapat menghasilkan kemiringan ke bawah dari pola vertikal -plane seperti pada gambar di bawah. Antena ini sering ditutupi dalam selubung fiberglass , yang disebut radome, dan tampak seperti tiang sederhana yang dapat dipasang dari sisi atau di atas tiang atau menara.

Sebuah pola radiasi vertikal-plane dengan 8 tilt
Sebuah pola radiasi vertikal-plane dengan 8 tilt

Sebuah antena array adalah satu set terdiri dari 2 atau lebih antena. Sinyal – sinyal dari antena digabungkan atau diolah untuk mencapai peningkatan kinerja tinggi dan merupakan antena tunggal.

Antena array dapat digunakan untuk:

  • Meningkatkan keseluruhan gain,
  • Menghasilkan keragaman penerimaan,
  • Menghilangkan / menepis gangguan dari arah satu set tertentu,
  • “Mengarahkan” array sehingga menemukan arah paling tepat,
  • Menentukan arah kedatangan sinyal masuk,
  • Untuk memaksimalkan sinyal pada Signal to Interference Plus Noise Ratio (SINR)

Dasar-dasar antena Array

Antena array adalah satu set antena spasial yang dipisahkan. Jumlah antena array dari 2, sampai beberapa ribu (seperti yang digunakan pada angkatan udara).

Secara umum, kinerja dari sebuah antena array (untuk aplikasi apa pun yang sedang digunakan) meningkat sesuai jumlah antena (elemen) dalam array; kelemahannya tentu saja adalah peningkatan biaya, ukuran, dan kompleksitas.

Gambar di bawah adalah  Antena Array Sel Tower. Antena  Array ini biasanya digunakan dalam 3 kelompok (2 antena penerima dan 1 antena pemancar).

Empat - elemen mikrostrip  antena array
Empat – elemen mikrostrip antena array

Bentuk umum dari array antena dapat diilustrasikan seperti pada gambar di bawah ini :

Antena Array Geometri mutlak N elemen
Antena Array Geometri mutlak N elemen

Asal dan sistem koordinat yang dipilih, dan kemudian unsur-unsur N diposisikan, masing-masing di lokasi yang dihitung dengan rumus :

dn = [xn yn zn]

Mari kita hitung X1, X2, …, Xn  merupakan output dari antena 1 sampai N, masing-masing output dari antena ini yang paling sering dikalikan dengan satu set N nilai W1, W2, …, Wn. Dan ditambahkan bersama-sama seperti yang ditunjukkan pada di bawah :

Pembebanan dan penjumlahan  sinyal dari antena untuk membentuk output pada antena Array.
Pembebanan dan penjumlahan sinyal dari antena untuk membentuk output pada antena Array.

Output dari array antena dapat ditulis dengan rumus :

Rumus

Manfaat Antenna Array

Untuk memahami manfaat dari antena array, kita akan mempertimbangkan satu set 3-antena terletak di sepanjang sumbu z, menerima sinyal (gelombang pesawat atau informasi yang diinginkan) tiba dari sudut relatif terhadap z-sumbu.

Seperti yang ditunjukkan pada gambar ini :

Contoh Antena Array 3 elemen
Contoh Antena Array 3 elemen

Antena dalam array bertahap spasi satu-setengah panjang gelombang terpisah (berpusat di z = 0).

Bidang gelombang (diasumsikan memiliki amplitudo konstan di mana-mana) dapat ditulis sebagai:

E(x,y,z) = e-j(kxx +kyy+kzz)

E(x,y,z) = e-j[k] (sinθcosØx + sinθsinØy + cosθz)

E(x,y,z) = e-jk.r

Dalam contoh di atas, k adalah vektor gelombang , yang menentukan variasi fase sebagai fungsi dari posisi. (X, y) koordinat masing-masing antena (0,0);  z adalah koordinat perubahan untuk setiap antena.

Selanjutnya, dengan asumsi bahwa antena sensor isotropik, sinyal yang diterima dari masing-masing antena sebanding dengan E di lokasi antena. Oleh karena itu, untuk antena i, sinyal yang diterima adalah:

X1 = e-j(2π / λ) cosθZ1

Sinyal yang diterima adalah berbeda dengan faktor fase yang kompleks, yang tergantung pada pemisahan antena dan sudut kedatangan pada gelombang. Jika sinyal dijumlahkan bersama-sama, hasilnya adalah:

Y = e-j(2π / λ)cosθz1 + e-j(2π / λ)cosθz2 + + e-j(2π / λ)cosθz3

Y = Σ1m=-1e-j(2π / λ)cosθz1

Y = Σ1m=-1e-jmπcosθ

Yang menarik adalah jika besarnya Y diplot terhadap (Sudut kedatangan gelombang pesawat). Hasilnya menjadi seperti gambar berikut :

Besarnya output sebagai fungsi dari  sudut kedatangan untuk Antena Array.
Besarnya output sebagai fungsi dari sudut kedatangan untuk Antena Array.

Gambar diatas menunjukkan bahwa array bertahap benar-benar memproses sinyal yang lebih baik di beberapa arah daripada yang lain. Misalnya, antena array yang paling reseptif saat sudut kedatangan adalah 90 derajat.

Sebaliknya, ketika sudut kedatangan adalah 45 atau 135 derajat, antena array memiliki nol output daya, tidak peduli berapa banyak daya dalam gelombang insiden pesawat. Dengan cara ini, pola radiasi directional diperoleh meskipun antena diasumsikan isotropik. Meskipun ini ditunjukkan untuk antena penerima, karena timbal balik , sifat transmisi akan sama.

Nilai dan utilitas dari sebuah antena array terletak pada kemampuannya untuk menentukan (atau mengubah) daya yang diterima atau dikirim sebagai fungsi dari sudut kedatangan.

Dengan memilih bobot dan geometri dari  antena array dengan benar, array bertahap dapat dirancang untuk membatalkan energi dari arah yang tidak diinginkan dan menerima energi yang paling sensitif dari arah lain.

Antenna Array Geometri

Kinerja array akan tergantung pada jumlah elemen dalam (elemen array umumnya lebih menghasilkan kinerja yang lebih baik), vektor bobot yang digunakan, dan geometri dari array.

Mencermati Array Factor, perlu dicatat bahwa output array (atau pola penerimaan) adalah memiliki fungsi kuat dari geometri (posisi dari elemen antena yang membentuk array).

Pada bagian ini, kita akan membahas berbagai geometri. Ada beberapa aturan dasar, tapi tidak juga dipahami sebagai metode pembobotan, yang dipelajari secara ekstensif.

Secara umum, jika jarak antar-elemen antara unsur-unsur untuk berbagai elemen N meningkat, beamwidth berkurang. Namun, seperti yang terlihat pada lobus kisi halaman, meningkatkan ukuran array pada akhirnya akan menghasilkan kisi lobus – arah yang tidak diinginkan dari radiasi maksimum.

Untuk seragam spasi array ( baik 1D, 2D, 3D atau array dengan jarak konstan antara elemen), jarak maksimum adalah setengah panjang gelombang untuk menghindari kisi lobus.

Efek ini kadang-kadang disebut “aliasing”, yang merupakan istilah yang dipinjam dari bidang pemrosesan sinyal. Aliasing terjadi ketika gelombang pesawat dari dua arah yang berbeda dari kedatangan (DOAS) menghasilkan set yang sama di seluruh fase array. Karena antena array memanipulasi sinyal berdasarkan perbedaan fase yang mengamati seluruh array, hasil aliasing dalam array tidak mampu membedakan sinyal dari DOAS berbeda.

Jika array memiliki jarak non-seragam (jarak antara unsur-unsur yang berdekatan tidak seragam), aliasing dapat dihindari – terutama jika jarak tidak kelipatan satu sama lain. Misalnya, N = 3 elemen linear array yang didefinisikan oleh posisi tidak akan menunjukkan aliasing:

d = [d1 d2 d3] = 0 Cλ C√2λ

Tidak peduli seberapa besar parameter C tumbuh, ini susunan 3 elemen tidak akan menunjukkan aliasing. Tidak ada dua arah yang berbeda kedatangan akan menghasilkan set yang sama penundaan propagasi seluruh array.

Namun, kurangnya aliasing tidak berarti bahwa kisi lobus tidak akan ada. Bahkan, jika C adalah sangat besar (> 10), untuk setiap scan sudut sana akan ada beberapa lobus kisi. Oleh karena itu, aliasing bukanlah kriteria untuk fokus pada; bukan, keberadaan lobus kisi adalah criterian lebih solid.

Array non-seragam tidak memecahkan masalah lobus kisi-kisi, tetapi mereka memungkinkan derajat kebebasan ekstra dalam merancang array. Secara umum, tidak ada metode cepat menentukan apakah sebuah array akan menunjukkan lobus kisi-kisi. Namun, setiap geometri array dapat cepat dianalisis untuk menentukan apakah lobus kisi akan terjadi.

Array Heksagonal

Mengapa array ini? Dalam pemrosesan sinyal digital multidimensi, diketahui bahwa sampel menggunakan kisi heksagonal akan menghasilkan aliasing setidaknya untuk sinyal pita-terbatas. Selain itu, array memiliki sedikit dari simetri melingkar, sehingga respon terhadap sudut azimuth yang berbeda tidak akan berbeda dengan gelar besar.

Struktur heksagonal adalah sedemikian rupa sehingga setiap elemen adalah jarak tetap. Selain itu, setiap 3 elemen yang berdekatan membentuk segitiga sama sisi. Jenis jarak dikenal sebagai heksagonal karena garis besar luar 6 elemen array; untuk array dengan elemen yang lebih. Oleh karena itu, array heksagonal dapat memiliki banyak elemen yang diinginkan.

Dalam pengalaman penulis, array ini akhirnya menjadi geometri optimal untuk sejumlah besar masalah. Misalnya, untuk array 2D yang dirancang untuk memiliki tingkat sidelobe mungkin minimum untuk beamwidth tetap, geometri optimal (yang terkait dengan bobot optimal) akan menjadi array heksagonal ketika N = 7. Dalam hal ini, parameter C dipilih sedemikian rupa sehingga beamwidth memenuhi kriteria yang ditetapkan dan lobus kisi tidak terjadi.

Sebagai contoh kedua, sebuah array yang adaptif yang dikembangkan oleh Raytheon yang mencoba untuk menghalangi gangguan (atau jamming sinyal) menggunakan geometri heksagonal. Ternyata bahwa dengan memiliki sampel berjarak dekat, nulls dalam pola radiasi berakhir menjadi luas, yang membantu nol array yang keluar arah yang tidak diinginkan.

Apakah ada alasan lain untuk memilih definitif array heksagonal; namun  itu biasa digunakan. Secara umum, jika perlu untuk merancang jarak untuk 2D array, struktur heksagonal adalah tempat yang tepat untuk memulai (dan mungkin berakhir). Pada bagian berikutnya, kita akan melihat mengoptimalkan berbagai geometri.

Salah satu metode paling awal mengoptimalkan berbagai geometri kembali ke sekitar tahun 1960 dan dikenal sebagai “penipisan array” atau “array menipis”.

Metode ini relatif sederhana.Sebuah besar array yang seragam spasi (linear atau planar) digunakan sebagai titik awal. Array besar yang kompleks untuk membangun, telah meningkatkan fabrikasi dan setup biaya, lebih berat, dll; Oleh karena itu, menghilangkan elemen antena dari array akan diinginkan, terutama jika kinerja array tidak terdegradasi secara signifikan.

Salah satu metode untuk mencapai tujuan ini adalah array menipis – sistematis menghapus elemen tanpa degradasi besar dalam kinerja. Elemen-elemen kemudian dapat terganggu dari lokasi mereka jika perlu.

Perhatikan bahwa kedua array memiliki sekitar panjang yang sama. Asumsikan bahwa semua bobot untuk array yang konstan dan diatur ke satu.

Pertama, puncak gain dari Array Factor menurun untuk array menipis. Hal ini karena unsur-unsur yang kurang membuat array; maka hasil ini akan selalu berlaku untuk array menipis.

Kedua, Tingkat Sidelobe dan beamwidth yang kurang lebih sama untuk dua kasus, kecuali untuk pemisahan sudut besar dari balok utama. Oleh karena itu, kinerja dari array seragam lengkap dapat dicapai dengan menggunakan elemen sekitar 40% lebih sedikit, yang sering sangat diinginkan.

Catatan: sidelobes besar dalam array menipis mudah dihilangkan. Ingat bahwa apa yang sebenarnya dipancarkan oleh sebuah array antena adalah produk (pola perkalian) dari Faktor Array dan pola radiasi dari antena yang membentuk array. Oleh karena itu, dengan memilih antena yang memiliki gain rendah untuk nilai-nilai kecil dan besar dari sudut theta polar (seperti antena dipole sederhana , sidelobes ini langsung dihapus.

Loading...
loading...
The following two tabs change content below.

Latest posts by Abi Royen (see all)

2 Comments

Buat Komentar

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *