Vertical Antenna
Sebuah study literature dari berbagai sumber diantaranya adalah The ARRL Handbook 2008 for Radio Communication, edisi ke 85.
Salah satu antena paling terkenal adalah vertikal, yaitu terdiri dari sebuah radiator vertikal dengan ditambahkan radial ground dibawahnya, terbuat dari kawat konduktor maupun tubing aluminium.
Sebuah antena dengan radiator vertikal single memiliki pola radiasi sama dan tidak ada yang null kesegala arah (omnidirectional), berbeda dengan kebanyakan antena horisontal, sehingga secara natural antena ini akan lebih noisy (mengintriduce QRM lebih tinggi) relatif dibandingkan dengan antena horisontal, kecuali beberapa radiator vertikal digunakan sehingga pola radiasinya tidak lagi dari berbagai arah, maka QRM akan dapat ditekan lebih rendah.
Selain hal tersebut diatas, dibandingkan dengan antena horisontal, antena vertikal memiliki masalah berupa ground return loss, ada 2 (dua) macam, yaitu: near field dan far-field ground lossess. Secara sederhana ground return loss bisa dijelaskan sebagai berikut, yaitu arus yang hilang pada ground sistem antena vertikal, arus dari radiator memiliki lintasan berputar, sebagian putaran terjadi pada udara, dan sisanya menembus ground sistem dari antena tersebut, saat melintasi udara tidak banyak arus yang hilang, sementara saat melintasi groung terdapat banyak hambatan sehingga arusnya akan berkurang banyak, lebih jelasnya lihat gambar dibawah.
Ground Loss
Loss pada near field ground lossess dapat dikurangi dengan menambahkan jumlah ground radial pada antena, namun far-field ground lossess merupakan gejala alamiah yang tidak dapat dikurangi oleh manusia, kecuali kita berpindah QTH di sebuah pulau kecil dengan dikelilingi air laut.
Efek dari ground lossess ini adalah berubahnya pola radiasi terutama pada sudut kecil (low elevation angle – biasanya untuk keperluan DX) dan yang paling merugikan adalah berkurangnya gain antenna dibandingkan dengan kondisi idealnya. Sebagai gambaran, berdasarkan ilustrasi dibawah, dibandingkan dengan kondisi idealnya, pada sudut elevasi 10 derajat terjadi pengurangan gain sebesar hampir 6dB, sementara pada sudut elevasi 60 derajat pengurangan sekitar 2dB.
radiation pattern
Setelah melihat kekurangan antena vertikal diatas, rasanya tidak fair jika saya tidak menyampaikan kelebihan dari antena vertikal ini, diantaranya adalah:
Low angle radiation atau sudut radiasi/ elevasi yang kecil, yang cocok digunakan untuk komunikasi jarak jauh atau DX. Seperti yang kita ketahui, komunikasi dengan gelombang HF (1.8 – 30 MHz) sangat dipengaruhi oleh lapisan ionosfir diatas bumi yang berfungsi layaknya sebuah cermin, dimana gelombang berjalan akibat pantulan dari sumber pemancar ke lapisan ionosfir dan kembali lagi kebumi, demikian seterusnya, sampai dengan sinyal tersebut lenyap akibat redaman yang dialaminya selama perjalanan bolak-balik bumi ke angkasa. Skip distance satu hop (dari bumi ke ionosfir kembali lagi ke bumi) antena dengan angle radiation besar lebih pendek (jarak A – B) dibandingkan dengan antena dengan angle radiation kecil (jarak A – C).
Skip Distance on HF
Antena vertikal biasanya lebih mudah untuk dibuat dan didirikan dibandingkan dengan antena horisontal, dengan demikian antena vertikal memiliki cost versus performance yang lebih baik dibandingkan dengan antena horisontal.
Bila anda akan membuat antena vertikal dilengkapi dengan ground radial, maka berlaku aturan “ground radial pendek namun berjumlah banyak, adalah lebih baik dibandingkan dengan ground radial panjang namun jumlahnya sedikit”.
Seperti yang diketahui, ground radial adalah upaya manusia untuk menduplikat lempengan konduktor yang diletakkan tepat dibawah radiator antena vertikal, dengan demikian makin rapat dan makin luas ground radial dibuat, maka makin mendekati sifatnya dengan lempengan konduktor. Ground radial bisa dibuat dari berbagai jenis konduktor, mulai dari kawat email sampai dengan tubing aluminium. Bila antena diletakkan tepat diatas permukaan tanah, maka ground radial bisa digelar diatas permukaan tanah, atau dikubur beberapa cm dibawah permukaan tanah. Bila lahan dirumah anda sempit, maka ground radial bisa ditekuk menyesuaikan dengan ukuran lahan.
number of radial ground
Tabel diatas memperlihatkan hubungan dari panjang dan jumlah radial ground pada sebuah antena vertikal ¼ lambda, relatif terhadap ground radial sempurna (teoritis). Terlihat bahwa makin banyak dan besar ukuran ground radial, maka makin kecil juga loss yang dialaminya pada sudut elevasi kecil.
Sekarang mari kita pelajari hubungan panjang radiator antena vertikal dengan karakteristik yang dipengaruhinya. Gambar dibawah memperlihatkan hubungan dari panjang radiator vertikal terhadap impedansi antena riil R maupun imajiner X. Impedansi antena riil atau disebut dengan radiation resistance R ditunjukkan pada garis solid, sementara reaktansi antena X ditunjukkan dengan garis bertitik-titik.
Pada panjang radiator antara 0.1 s/d 0.25 kemudian berulang di 0.45 s/d 0.6 lambda antena bersifat kapasitif, ditunjukkan dengan nilai negatif pada reaktansinya. Sebaliknya pada panjang antara 0.25 s/d 0.45 lambda antena bersifat induktif. Pengetahuan mengenai sifat antena ini sangat diperlukan dalam mendesain trap loading maupun matching impedansi, untuk diarahkan sesuai dengan impedansi saluran coax 50 ohm riil. Bila antena bersifat kapasitif, maka trap loading atau matching impedansi yang cocok harus menggunakan rangkaian induktif, yaitu menggunakan lilitan, sebaliknya bila antena bersifat induktif, maka trap loading atau matching impedansi yang cocok adalah menggunakan kapasitor.
radiator length
Well, mari kita lihat pada panjang radiator ¼ lambda, ia memiliki radiation resistance sekitar 45 Ohm dan reaktansi sebesar +j45 Ohm, dengan demikian impedansi antenna ini adalag sebesar SQRT(45^2 + 45^2) = 45 Ohm, hampir mendekati dengan impedansi saluran coaxial 50 Ohm, maka kita bisa memprediksi SWR-nya akan mendekati 1 (matched).
Untuk frekuensi rendah (misal 1.8 s/d 3.8 MHz), untuk membuat antena vertikal dengan ukuran mendekati panjang gelombangnya (full size) bisa dikatakan hampir tidak mungkin, sehingga cenderung kita akan membonsai antenna sekecil mungkin yang biasanya panjangnya < 0.25 lambda, akibatnya antenna tersebut akan memiliki radiation resistance kecil dan bersifat kapasitif. Dengan perbedaan nilai resistif dan kapasitif yang sangat besar ini juga akan mempengaruhi efisiensi dari antena, yang juga memperkecil bandwidth dari antena dimaksud.
Short Vert Design
Mari kita ambil contoh, untuk antena vertikal 80M dengan panjang radiator sebesar 0.1 lambda atau sekitar 8 meter, antena ini memiliki radiation resistance hanya sebesar 5 Ohm dan reaktansi sebesar –J200 Ohm, maka hanya memiliki efisiensi sebesar 5/SQRT(5^2 + 200^2) = 2.5%, bandingkan dengan efisiensi antena yang sama dengan panjang radiator ¼ lambda = 70.7%, dengan kata lain antena tersebut sangat tidak efisien. Makin kecil efisiensi sebuah antena, maka makin kecil pula gain (dBi) dan Bandwidthnya yang dimilikinya. Untuk menaikkan efisiensi dari antenna pendek tersebut biasanya kita berusaha untuk menaikkan nilai resistansi dan menurunkan nilai reaktansi, caranya dengan menambahkan trap loading induktor, namun perlu dicatat, penambahan trap loading induktor berarti juga akan ada power loss pada induktor tersebut. Kompromi merupakan kata kunci dalam desain antena vertikal pendek. Setelah mengetahui karakteristik dasar dari antena vertikal pendek (< 0.25 lambda), mari kita lihat kemungkinan desain untuk antena ini.
Gambar diatas memperlihatkan beberapa kemungkinan praktikal untuk membangun sebuah antena vertikal pendek, kita akan membahas tipe A, B dan C saja, tipe selebihnya diserahkan kepada anda untuk mengeksplore sendiri.
Bila dilihat dari rangking efisiensi, maka antena A paling efisien dan C paling tidak efisien, karena pada desain C maksima arus justru paling banyak diserap oleh trap loading coil. Maksima arus terjadi pada feedpoint dan semakin mengecil sampai ujung radiator. Design A, loss arus pada loading coil paling kecil, karena arus maksima yang berada didekat feedpoint masih dipertahankan. Berikut adalah penjelasan lebih jauh tentang loss daya akibat loading coil.
Antena akan melihat trap loading coil mirip seperti radiator dengan suatu panjang tertentu, dengan demikian secara fisik distribusi arus diujung panas (ujung coil terdekat dengan feedpoint) tiba-tiba akan turun diujung dingin (ujung coil terjauh dengan feedpoint antenna) trap loading coil, dengan kata lain perbedaan arus tersebut diserap oleh coil, sehingga kita kehilangan banyak daya pada coil tersebut. Lebih jelasnya lihat gambar.
trap coil loss
Untuk desain A dan B untuk mengatrol efisiensi antena dilakukan dengan cara mengkombinasikan trap loading coil yang bersifat induktif dengan capacitance hat yang bersifat induktif, perpaduan antara keduanya akan menambahkan nilai resistance kepada antena, sementara itu nilai reaktansi antena diminimisasi. Seperti diketahui trap loading coil memiliki impedansi RL + jXL, sementara capacitance hat memiliki impedansi Rc – jXc, dengan men-seri-kan kedua loading tersebut diharapkan diperoleh Zloading = (RL+Rc) + j(XL-Xc) = Rloading + jXloading, sehingga bila digabungkan dengan impedansi raditor antena akan diperoleh resultan Zantena = (Rrad+Rloading) + j(Xloading-Xrad) = Rantena + jXantena. Nah tujuan akhirnya adalah jXantena sekecil mungkin, sementara Rantena mendekati 50 Ohm, sehingga diperoleh peningkatan efisiensi dan kondisi matched pada frekuensi tengahnya.
Oh yaa, satu lagi dalam rangka menaikkan bandwidth dari sebuah antenna bisa dilakukan dengan memperbesar diameter radiator atau membuatnya berbentuk corong, sisi lancip pada feedpoint.
Demikian sekelumit teori tentang antena vertikal pendek dari berbagai sumber, semoga bermanfaat bagi Rekan AR yang space limitted seperti saya, untuk memberikan masukan dalam perjalanannya mencari antena paling cocok bagi QTH dengan keterbatasan lahan, namun dengan efisiensi antena yang masih acceptable.
