Antena parabola

Antena parabola adalah antena yang menggunakan reflektor parabola, permukaan melengkung dengan bentuk penampang parabola, untuk mengarahkan gelombang radio. Bentuk paling umum berbentuk seperti piring dan populer disebut antena parabola atau parabola. Keuntungan utama antena parabola adalah ia memiliki directivity tinggi. Fungsinya mirip dengan lampu sorot atau reflektor senter untuk mengarahkan gelombang radio dalam sinar yang sempit, atau menerima gelombang radio dari satu arah saja. Antena parabola memiliki beberapa keuntungan tertinggi, artinya antena dapat menghasilkan lebar pita terkecil dari semua jenis antena.^[1] Untuk mencapai beamwidth yang sempit, reflektor parabola harus jauh lebih besar daripada panjang gelombang gelombang radio yang digunakan,^[2] sehingga antena parabola digunakan di bagian frekuensi tinggi dari spektrum radio, pada frekuensi UHF dan gelombang mikro (SHF), di mana panjang gelombangnya cukup kecil sehingga reflektor berukuran nyaman dapat digunakan.

Antena parabola digunakan sebagai antena tinggi untuk komunikasi titik-ke-titik, dalam aplikasi seperti tautan relai gelombang mikro yang membawa sinyal telepon dan televisi antara kota-kota terdekat, tautan WAN / LAN nirkabel untuk komunikasi data, komunikasi satelit, dan antena komunikasi pesawat ruang angkasa. Mereka juga digunakan dalam teleskop radio.

Sejarah

Antena parabola pertama, dibangun oleh Heinrich Hertz pada tahun 1888.

Gagasan untuk menggunakan reflektor parabola untuk antena radio diambil dari optik, di mana kekuatan cermin parabola untuk memfokuskan cahaya menjadi sinar telah dikenal sejak zaman kuno klasik. Desain dari beberapa jenis antena parabola tertentu, seperti Cassegrain dan Gregorian, berasal dari sejenis teleskop pemantul analog, yang ditemukan oleh para astronom selama abad ke-15.^[2]

Fisikawan Jerman Heinrich Hertz membangun antena reflektor parabola pertama di dunia pada tahun 1888.^[2] Antena adalah reflektor parabola silindris yang terbuat dari logam lembaran seng yang didukung oleh bingkai kayu, dan memiliki dipol tereksitasi cangkang 26 cm sebagai antena umpan di sepanjang garis fokus. Bukaannya 2 meter dengan lebar 1,2 meter, dengan panjang fokus 0,12 meter, dan digunakan pada frekuensi operasi sekitar 450 MHz. Dengan dua antena tersebut, satu digunakan untuk mentransmisikan dan yang lainnya untuk menerima, Hertz menunjukkan keberadaan gelombang radio yang telah diprediksi oleh James Clerk Maxwell sekitar 22 tahun sebelumnya. Namun, perkembangan awal radio terbatas pada frekuensi yang lebih rendah di mana antena parabola tidak cocok, dan mereka tidak digunakan secara luas sampai setelah Perang Dunia 2, ketika frekuensi gelombang mikro mulai dieksploitasi.

Perintis radio Italia Guglielmo Marconi menggunakan reflektor parabola selama tahun 1930-an dalam penyelidikan transmisi UHF dari kapalnya di Mediterania.^[3] Pada tahun 1931, ditunjukkan hubungan telepon relay gelombang mikro 1,7 GHz melintasi Selat Inggris menggunakan piringan berdiameter 10 kaki (3 meter).^[3] Antena parabola besar pertama, piringan 9 m, dibangun pada tahun 1937 oleh perintis astronom radio Grote Reber di halaman belakang rumahnya,^[2] dan survei langit yang ia lakukan dengannya adalah salah satu peristiwa yang mendirikan bidang astronomi radio.^[3]

Perkembangan radar selama Perang Dunia II memberikan dorongan besar untuk penelitian antena parabola, dan melihat evolusi antena berbentuk balok, di mana kurva reflektor berbeda dalam arah vertikal dan horizontal, yang dirancang untuk menghasilkan balok dengan bentuk tertentu. Setelah perang, parabola yang sangat besar dibangun sebagai teleskop radio. Teleskop Radio Green Bank 100 meter di Green Bank, Virginia Barat, versi pertama yang selesai pada tahun 1962, saat ini merupakan parabola yang sepenuhnya dapat dikendalikan sepenuhnya terbesar di dunia.

Selama antena parabola 1960-an menjadi banyak digunakan dalam jaringan komunikasi relai gelombang mikro terestrial, yang membawa panggilan telepon dan program televisi di seluruh benua.^[3] Antena parabola pertama yang digunakan untuk komunikasi satelit dibangun pada tahun 1962 di Goonhilly di Cornwall, Inggris untuk berkomunikasi dengan satelit Telstar. Antena Cassegrain dikembangkan di Jepang pada tahun 1963 oleh NTT, KDDI dan Mitsubishi Electric.^[4] Munculnya pada tahun 1970-an alat desain komputer seperti NEC yang mampu menghitung pola radiasi antena parabola telah menyebabkan pengembangan desain asimetris, multireflektor dan multifeed canggih dalam beberapa tahun terakhir.

Pola sinyal

Pengaruh pola radiasi antena umpan (permukaan berbentuk labu kecil) pada spillover. - Kiri: Dengan antena umpan penguatan rendah, bagian-bagian signifikan dari radiasi berada di luar piringan. - Kanan: Dengan feed penguatan yang lebih tinggi, hampir semua radiasinya dipancarkan dalam sudut piringan.

Pola radiasi antena umpan harus disesuaikan dengan bentuk antena piringan, karena antena ini memiliki pengaruh kuat pada efisiensi bukaan, yang menentukan penguatan antena (lihat Bagian penguatan di bawah). Radiasi dari umpan yang berada di luar tepi piringan disebut "limpahan" dan terbuang, mengurangi penguatan dan meningkatkan backlob, yang mungkin menyebabkan gangguan atau (dalam menerima antena) meningkatkan kerentanan terhadap kebisingan di tanah. Namun, keuntungan maksimum hanya dicapai ketika piringan secara seragam "menyala" dengan kekuatan medan konstan ke tepinya. Jadi pola radiasi yang ideal dari antena umpan adalah kekuatan medan yang konstan di seluruh sudut padat antena, turun secara tiba-tiba ke nol di tepinya. Namun, antena feed praktis memiliki pola radiasi yang turun secara bertahap di tepi, sehingga antena feed adalah kompromi antara spillover rendah yang dapat diterima dan pencahayaan yang memadai. Untuk sebagian besar tanduk feed depan, iluminasi optimal dicapai ketika daya yang dipancarkan oleh tanduk feed adalah 10 dB lebih sedikit di tepi piring daripada nilai maksimumnya di tengah piring

Polarisasi

Pola medan listrik dan magnet di mulut antena parabola hanyalah gambar yang diperbesar dari bidang yang dipancarkan oleh antena umpan, sehingga polarisasi ditentukan oleh antena umpan. Untuk mencapai penguatan maksimum, antena umpan dalam antena pengirim dan penerima harus memiliki polarisasi yang sama.^[5] Misalnya, antena umpan dipol vertikal akan memancarkan sinar gelombang radio dengan medan listriknya vertikal, yang disebut polarisasi vertikal. Antena umpan penerima juga harus memiliki polarisasi vertikal untuk menerimanya; jika umpan horisontal (polarisasi horizontal) antena akan menderita kerugian yang sangat besar.

Untuk meningkatkan kecepatan data, beberapa antena parabola mengirimkan dua saluran radio terpisah pada frekuensi yang sama dengan polarisasi ortogonal, menggunakan antena umpan yang terpisah; ini disebut antena polarisasi ganda. Misalnya, sinyal televisi satelit ditransmisikan dari satelit pada dua saluran terpisah pada frekuensi yang sama menggunakan polarisasi sirkuler kanan dan kiri. Dalam parabola rumah, ini diterima oleh dua antena monopole kecil di feed horn, yang berorientasi pada sudut kanan. Setiap antena terhubung ke penerima yang terpisah.

Membentuk reflektor ganda

Dalam antena Cassegrain dan Gregorian, keberadaan dua permukaan pemantul di jalur sinyal menawarkan kemungkinan tambahan untuk meningkatkan kinerja. Ketika kinerja tertinggi diperlukan, teknik yang disebut "pembentukan reflektor ganda" dapat digunakan. Ini melibatkan perubahan bentuk sub-reflektor untuk mengarahkan lebih banyak kekuatan sinyal ke area luar antena, untuk memetakan pola umpan yang dikenal menjadi iluminasi seragam primer, untuk memaksimalkan penguatan. Namun, ini menghasilkan sekunder yang tidak lagi tepat hiperbolik (meskipun masih sangat dekat), sehingga properti fase konstan hilang. Kesalahan fase ini, bagaimanapun, dapat dikompensasi dengan sedikit mengubah bentuk cermin utama. Hasilnya adalah gain yang lebih tinggi, atau rasio gain / spillover, dengan biaya permukaan yang lebih sulit untuk dibuat dan diuji. Pola iluminasi piringan lainnya juga dapat disintesis, seperti pola dengan lancip tinggi di tepi piringan untuk sidelob spillover ultra-rendah, dan pola dengan "lubang" sentral untuk mengurangi bayangan sinyal.

Desain sistem

Prinsip operasi antena parabola adalah bahwa sumber titik gelombang radio pada titik fokus di depan reflektor parabola dari bahan konduktif akan dipantulkan ke dalam klominasi gelombang pesawat yang terpolarisasi sepanjang sumbu reflektor. Sebaliknya, gelombang bidang yang masuk sejajar dengan sumbu akan difokuskan ke titik di titik fokus.

Antena parabola tipikal terdiri dari reflektor parabola logam dengan antena umpan kecil yang tergantung di depan reflektor dengan fokusnya,^[2] menunjuk ke arah reflektor. Reflektor adalah permukaan logam yang dibentuk menjadi parabola revolusi dan biasanya terpotong di tepi lingkaran yang membentuk diameter antena.^[2] Dalam antena pemancar, arus frekuensi radio dari pemancar disuplai melalui kabel saluran transmisi ke antena umpan, yang mengubahnya menjadi gelombang radio. Gelombang radio dipancarkan kembali ke arah antena piringan oleh antena umpan dan memantulkan antena piringan menjadi sinar paralel. Dalam antena penerima gelombang radio yang masuk memantul dari piringan dan difokuskan ke suatu titik di antena umpan, yang mengubahnya menjadi arus listrik yang bergerak melalui saluran transmisi ke penerima radio.

Reflektor parabola

Antena parabola tipe kotak kawat yang digunakan untuk tautan data MMDS pada frekuensi 2,5-2,7 GHz. Ini diberi makan oleh dipol vertikal di bawah reflektor aluminium kecil pada boom. Ini memancarkan gelombang mikro terpolarisasi vertikal.

Reflektor dapat dari lembaran logam, layar logam, atau konstruksi pemanggang kawat, dan dapat berupa "piringan" bundar atau berbagai bentuk lain untuk membuat bentuk pancaran yang berbeda. Layar logam memantulkan gelombang radio serta permukaan logam padat selama lubang lebih kecil dari sepersepuluh dari panjang gelombang, sehingga reflektor layar sering digunakan untuk mengurangi berat dan beban angin pada piringan. Untuk mencapai penguatan maksimum, perlu bahwa bentuk antena harus akurat dalam fraksi kecil dari panjang gelombang, untuk memastikan gelombang dari berbagai bagian antena mencapai fokus dalam fase. Piring besar sering membutuhkan struktur rangka pendukung di belakangnya untuk memberikan kekakuan yang diperlukan.

Karena reflektor parabola logam mengkilap juga dapat memfokuskan sinar matahari, dan sebagian besar piringan dapat memusatkan energi matahari yang cukup pada struktur umpan untuk membuatnya terlalu panas jika mereka diarahkan ke matahari, reflektor padat selalu diberi lapisan cat datar.

Antena pengumpan

Antena pengumpan pada fokus reflektor biasanya merupakan tipe dengan gain rendah seperti dipol setengah gelombang atau lebih sering berupa antena tanduk kecil yang disebut tanduk umpan. Dalam desain yang lebih kompleks, seperti Cassegrain dan Gregorian, reflektor sekunder digunakan untuk mengarahkan energi ke reflektor parabola dari antena umpan yang terletak jauh dari titik fokus primer. Antena umpan dihubungkan ke peralatan transmisi atau penerima frekuensi radio (RF) terkait melalui jalur transmisi kabel koaksial atau Waveguide.

Keuntungan dari antena parabola adalah bahwa sebagian besar struktur antena (semua itu kecuali antena umpan) adalah nonresonan, sehingga dapat berfungsi pada berbagai frekuensi, yaitu bandwidth yang lebar. Semua yang diperlukan untuk mengubah frekuensi operasi adalah mengganti antena umpan dengan yang bekerja pada frekuensi baru. Beberapa antena parabola mengirim atau menerima pada beberapa frekuensi dengan memasang beberapa antena feed pada titik fokus, berdekatan.

Antena parabola parabola

Piringan jaringan gelombang mikro yang diselimuti pada menara komunikasi di Australia.

Antena televisi satelit, contoh antena parabola offset.

Antena komunikasi satelit Cassegrain di Swedia.

Antena Gregorian offset digunakan dalam Allen Telescope Array, sebuah teleskop radio di University of California Berkeley, AS.

Antena parabola berbentuk balok

Antena "kulit jeruk" vertikal untuk radar pencari ketinggian militer, Jerman.

Antena parabola silinder awal, 1931, Nauen, Jerman.

Antena radar kontrol lalu lintas udara, dekat Hannover, Jerman.

Antena radar pengawasan bandara ASR-9.

Antena "Kulit jeruk" untuk radar pencarian udara, Finlandia.

Tipe

Jenis utama antena parabola.

Himpunan beberapa tanduk umpan pada antena radar pengawas bandara Jerman untuk mengontrol sudut ketinggian sinar

Antena parabola dibedakan berdasarkan bentuknya:

Parabola atau piring - Reflektor berbentuk seperti parabola yang terpotong di tepi lingkaran. Ini adalah tipe yang paling umum. Ini memancarkan sinar berbentuk pensil sempit di sepanjang sumbu piring.
- Piringan tertutup - Kadang-kadang pelindung logam berbentuk silinder menempel pada tepi piring.^[6] Kain kafan melindungi antena dari radiasi dari sudut di luar sumbu sinar utama, mengurangi sidelob. Kadang-kadang digunakan untuk mencegah interferensi dalam hubungan gelombang mikro terestrial, di mana beberapa antena menggunakan frekuensi yang sama terletak berdekatan. Kain kafan dilapisi bagian dalamnya dengan bahan penyerap gelombang mikro. Selubung dapat mengurangi radiasi lobus belakang hingga 10 dB.^[6]
Silinder - Reflektor melengkung hanya dalam satu arah dan datar di yang lain. Gelombang radio menjadi fokus bukan pada titik tetapi sepanjang garis. Umpan terkadang adalah antena dipol yang terletak di sepanjang garis fokus. Antena parabola silinder memancarkan sinar berbentuk kipas, menyempit dalam dimensi melengkung, dan lebar dalam dimensi tidak meluruskan. Ujung melengkung dari reflektor kadang-kadang ditutup oleh pelat datar, untuk mencegah radiasi dari ujungnya, dan ini disebut antena kotak pil.
Antena berbentuk balok - Antena reflektor modern dapat dirancang untuk menghasilkan balok atau balok dengan bentuk tertentu, bukan hanya balok "pensil" atau "kipas" sempit antena parabola dan silinder sederhana di atas.^[3] Dua teknik digunakan, seringkali dalam kombinasi, untuk mengontrol bentuk balok:
- Antena "Kulit jeruk" - Digunakan dalam radar pencarian, ini adalah antena panjang sempit yang berbentuk seperti huruf "C". Ini memancarkan sinar berbentuk kipas vertikal sempit.
Susunan umpan- Untuk menghasilkan balok berbentuk sewenang-wenang, alih-alih satu tanduk feed, array tanduk feed yang berkerumun di sekitar titik fokus dapat digunakan. Antena yang diberi makan array sering digunakan pada satelit komunikasi, khususnya satelit siaran langsung, untuk membuat pola radiasi downlink untuk mencakup benua atau area cakupan tertentu. Mereka sering digunakan dengan antena reflektor sekunder seperti Cassegrain.

Antena parabola juga diklasifikasikan berdasarkan jenis umpan, yaitu, bagaimana gelombang radio disuplai ke antena:^[6]

Umpan aksial, fokus utama, atau depan - Ini adalah jenis umpan yang paling umum, dengan antena umpan terletak di depan piringan pada fokus, pada sumbu balok, diarahkan kembali ke arah piringan. Kerugian dari jenis ini adalah bahwa umpan dan penyangganya memblokir beberapa balok, yang membatasi efisiensi apertur hanya 55–60%.
Sumbu lepas atau offset - Reflektor adalah segmen parabola yang asimetris, sehingga fokus, dan antena umpan, terletak di satu sisi piringan. Tujuan dari desain ini adalah untuk memindahkan struktur umpan keluar dari jalur balok, sehingga tidak menghalangi balok. Ini banyak digunakan dalam piringan televisi satelit rumah, yang cukup kecil sehingga struktur umpan sebaliknya akan memblokir persentase sinyal yang signifikan. Umpan offset juga dapat digunakan dalam beberapa desain reflektor seperti Cassegrain dan Gregorian, di bawah ini.
Cassegrain - Dalam antena Cassegrain, umpan terletak di atau di belakang piringan, dan memancarkan ke depan, menerangi reflektor sekunder cembung hiperboloidal pada fokus piringan. Gelombang radio dari umpan memantulkan kembali reflektor sekunder ke piringan, yang memantulkannya ke depan lagi, membentuk berkas keluar. Keuntungan dari konfigurasi ini adalah bahwa umpan, dengan pandu gelombang dan elektronik "ujung depan" tidak harus ditangguhkan di depan antena, sehingga digunakan untuk antena dengan umpan yang rumit atau tebal, seperti antena komunikasi satelit besar dan teleskop radio. Efisiensi bukaan berada di urutan 65–70%.
Gregorian - Mirip dengan desain Cassegrain kecuali reflektor sekunder berbentuk cekung (ellipsoidal). Efisiensi bukaan di atas 70% dapat dicapai.^[6]

Pencapaian

Berkas:The Arecibo Observatory 20151101114231-0 8e7cc c7a44aca orig.jpg

Teleskop radio Arecibo, di Puerto Riko, AS. Dengan diameter 1000 kaki (300 m), itu adalah antena "piringan" terbesar kedua di dunia. Bentuk reflektor sebenarnya berbentuk bulat, bukan parabola, untuk mengurangi aberasi ketika difokuskan pada sumbu.

Kualitas direktif antena diukur dengan parameter berdimensi yang disebut gain, yang merupakan rasio daya yang diterima antena dari sumber sepanjang sumbu sinar dengan daya yang diterima oleh antena isotropik hipotetis. Keuntungan dari antena parabola adalah:^[7]

G={\frac {4\pi A}{\lambda ^{2}}}e_{A}=\left({\frac {\pi d}{\lambda }}\right)^{2}e_{A}

Yang dimana:

$A$ adalah area bukaan antena, yaitu mulut reflektor parabola. Untuk antena parabola, $A=\pi d^{2}/4$ , memberikan formula kedua di atas.
$d$ adalah diameter reflektor parabola, jika melingkar
$\lambda$ adalah panjang gelombang dari gelombang radio.
$e_{A}$ adalah parameter tanpa dimensi antara 0 dan 1 yang disebut efisiensi apertur. Efisiensi bukaan antena parabola tipikal adalah 0,55 hingga 0,70.

Dapat dilihat bahwa, seperti halnya antena aperture, semakin besar aperture, dibandingkan dengan panjang gelombang, semakin tinggi jangkauan. Jangkauan meningkat dengan kuadrat rasio lebar bukaan terhadap panjang gelombang, antena parabola yang sangat besar, seperti yang digunakan untuk komunikasi pesawat ruang angkasa dan teleskop radio, dapat memiliki jangkauan yang sangat tinggi. Menerapkan rumus di atas pada antena berdiameter 25 meter yang sering digunakan dalam susunan teleskop radio dan antena ground satelit pada panjang gelombang 21 cm (1,42 GHz, frekuensi radio astronomi umum), menghasilkan perkiraan kenaikan maksimum 140.000 kali atau sekitar 52 dBi (desibel di atas level isotropik). Antena parabola terbesar di dunia adalah Teleskop Spherical radio Aperture Lima ratus meter di barat daya Cina, dan teleskop radio Arecibo di Arecibo, Puerto Rico, AS, yang keduanya memiliki lubang efektif sekitar 300 meter. Gain piringan ini pada 3 GHz kira-kira 90 juta, atau 80 dBi.

Referensi

^ Stutzman, Warren L.; Thiele, Gary A. (2012-05-22). Antenna Theory and Design (dalam bahasa Inggris). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-57664-9.
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Stutzman, Warren L.; Thiele, Gary A. (2012-05-22). Antenna Theory and Design (dalam bahasa Inggris). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-57664-9.
^ ^a ^b ^c ^d ^e Olver, A. David; Clarricoats, P. J. (1994). Microwave Horns and Feeds (dalam bahasa Inggris). IET. ISBN 978-0-7803-1115-2.
^ Makino, Shigero (2006). "Historical review of reflector antenna systems developed for satellite communication by MELCO" (PDF). ISAP2006-International Symposium on Antennas and Propagation. Mitsubishi Electric Corp. Diakses tanggal 2011-12-24. on ISAP website
^ Seybold, John S. (2005-10-03). Introduction to RF Propagation (dalam bahasa Inggris). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-74368-2.
^ ^a ^b ^c ^d Lehpamer, Harvey (2010-06-22). Microwave Transmission Networks, Second Edition (dalam bahasa Inggris). McGraw Hill Professional. ISBN 978-0-07-170123-5.
^ Anderson, Harry R. (2003-07-25). Fixed Broadband WirelessSystem Design (dalam bahasa Inggris). Wiley. ISBN 978-0-470-86128-8.

[1] Stutzman, Warren L.; Thiele, Gary A. (2012-05-22). Antenna Theory and Design (dalam bahasa Inggris). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-57664-9.

[:0-2] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Stutzman, Warren L.; Thiele, Gary A. (2012-05-22). Antenna Theory and Design (dalam bahasa Inggris). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-57664-9.

[:1-3] Olver, A. David; Clarricoats, P. J. (1994). Microwave Horns and Feeds (dalam bahasa Inggris). IET. ISBN 978-0-7803-1115-2.

[Makino-4] Makino, Shigero (2006). "Historical review of reflector antenna systems developed for satellite communication by MELCO" (PDF). ISAP2006-International Symposium on Antennas and Propagation. Mitsubishi Electric Corp. Diakses tanggal 2011-12-24. on ISAP website

[5] Seybold, John S. (2005-10-03). Introduction to RF Propagation (dalam bahasa Inggris). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-74368-2.

[:2-6] Lehpamer, Harvey (2010-06-22). Microwave Transmission Networks, Second Edition (dalam bahasa Inggris). McGraw Hill Professional. ISBN 978-0-07-170123-5.

[7] Anderson, Harry R. (2003-07-25). Fixed Broadband WirelessSystem Design (dalam bahasa Inggris). Wiley. ISBN 978-0-470-86128-8.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]