YB Land DX Club DX-ing Is Our Life
Peringatan : Proses perancangan dan perhitungan pada tulisan ini menggunakan angka yang diambil dari asumsi penulis. Tujuan dari tulisan ini adalah sebagai perkiraan kasar (“ballpark estimation / quick and dirty calculation”). Angka hasil perhitungan yang sebenarnya sangat bergantung pada kondisi lingkungan dan karakter ground di tempat pemasangan antena.
Beberapa waktu lalu Mr. Igor Khrustalev ( VR2ZQZ ) menghubungi saya melalui e-mail untuk meminta bantuan saya merancangkan antena wire yagi 160m band (1,8 MHz) yang akan beliau dipasang di Hong Kong. Setelah selesai mengerjakan rancangan antena tersebut, saya mencoba merancang short vertical antenna untuk 80 m band (3,5 MHz) , just-for-fun. Mungkin saja di waktu yang akan datang saya akan mencoba QRV di 80 m band secara intensif. Dengan begitu, saya sudah punya rancangan dan tinggal membuat antena nya.
Prioritas utama yang ditekankan pada perancangan ini adalah ukuran vertikal maksimum sebesar 10 m. Ukuran tersebut dipilih karena menyesuaikan dengan kemampuan konstruksi mekanik yang bisa saya kerjakan saat ini. Lagi pula, ukuran vertikal sebesar 10 m masih cukup masuk akal jika antena tersebut dibangun dengan tubing alumunium atau material lain yang bersifat self-supporting.
Perancangan dilakukan menggunakan software MMANA-GAL karena alasan kemudahan. Setelah seluruh bagian antena selesai saya rancang dengan matang, saya akan coba gunakan software 4NEC2 untuk melihat performanya secara detail.
Evolusi dari short vertical menjadi top-loaded vertical
Langkah pertama yang saya kerjakan adalah simulasi radiator vertikal sepanjang 10 m pada frekuensi 3,55 MHz. Seluruh simulasi pada tulisan ini menggunakan wire dengan diameter 2 mm, real ground, dan fed-againts-the-ground.
A = 10 m , Frekuensi = 3,55 MHz
Hasil nya adalah radiator vertikal tersebut memiliki impedansi input sebesar
Z = (6,0 – j525,4) Ω
Sangat masuk akal karena radiator tersebut hanya sekitar 1/8 lambda sehingga memiliki komponen resistif hanya sebesar 6 Ohm dan komponen reaktansi sebesar 525,4 Ohm kapasitif.
Untuk memperbaiki impedansi radiator tersebut, mari kita pasang induktor pada feed point (base loading) dengan reaktansi sebesar +j525,4 Ω untuk meresonansikan radiator tersebut.
Sesuai dugaan, sekarang impedansi input radiator tersebut menjadi
Z = (6,0 – j0) Ω
Mari kita hitung efisiensi radiator tersebut. Untuk sekarang, mari kita asumsikan ground resistance sebesar 10 Ω dan berdasarkan http://chemandy.com/calculators/round-wire-ac-resistance-calculator.htm skin effect resistance dari radiator sepanjang 10 m pada 3,55 MHz adalah sebesar 0,7 Ω.
Input Impedance = Radiation resistance + Conductor resistance
6,0 Ω = Radiation resistance + 0,7 Ω
Radiation resistance = 5,3 Ω
Radiation Efficiency = Radiation resistance / (Input impedance + Ground resistance)
Radiation Efficiency = 5,3 Ω / (6,0 Ω + 10 Ω)
Radiation Efficiency = 33 %
Dengan ground resistance sebesar 10 Ω saja, nilai efisiensi sudah cukup buruk.
Mari kita perbaiki nilai efisiensi tersebut dengan meningkatkan radiation resistance. Kita tahu bahwa radiaton resistance meningkat seiring dengan panjang radiator. Sayang sekali, karena panjang radiator vertikal sebesar 10 m sudah maksimal, kita tidak bisa menambah panjang radiator “ke atas”. Karena kita tidak bisa menambahkan panjang radiator ke atas, mari kita coba tambahkan wire dari ujung atas vertikal radiator ke samping. Hasilnya adalah sebuah top-loaded vertical radiator (konfigurasi inverted-L). Kita lepas base loading sehingga top-loaded vertical radiator tersebut kita kerjakan secara direct-feed.
A = 10 m , Frekuensi = 3,55 MHz.
Pertanyaannya adalah, berapa panjang B agar radiator tersebut resonan pada 3,55 MHz ? Biarkan software MMANA-GAL yang menghitung untuk kita.
Nilai awal, B = 10 m, menghasilkan
Z = (17,4 – j47,6) Ω
Dengan fitur optimize, kita atur panjang B sebagai variable dan goal adalah best reactance. Hasilnya, B = 11,2 m (A tetap sebesar 10 m) dan impedansi sebesar
Z = (20,0 – j0,0) Ω
Hasil perhitungan awal menunjukkan peningkatan yang cukup signifikan. Komponen resistif dari impedansi input meningkat sebesar 14 Ω (dari 6,0 Ω menjadi 20,0 Ω). Sama seperti cara sebelumnya, kita dapat menghitung nilai efisiensi dari radiator ini
Input impedance = (20,0 – j0,0) Ω
Conductor resistance = 1,6 Ω
Ground resistance = 10,0 Ω
Input Impedance = Radiation resistance + Conductor resistance
20,0 Ω = Radiation resistance + 1,6 Ω
Radiation resistance = 18,4 Ω
Radiation Efficiency = Radiation resistance / (Input impedance + Ground resistance)
Radiation Efficiency = 18,4 Ω / (20,0 Ω + 10 Ω)
Radiation Efficiency = 61,3 %
Dengan dilakukan penambahan horizontal wire sepanjang 11,2 m, terjadi peningkatan efisiensi dari 33 % menjadi 61,3 %. Lumayan, bukan ?
Satu langkah lebih lanjut
Sangat wajar jika timbul pertanyaan : “Jika penambahan sebuah horizontal wire pada satu sisi menghasilkan peningkatan efisiensi hampir sebesar 2 kali lipat, apa yang terjadi jika kita tambahkan horizontal wire pada kedua sisi, sehingga menjadi T-antenna ?”
Mari kita coba.
A = 10 m, Frekuensi = 3,55 MHz, B = C
Berapa panjang B dan C ? Mari kita coba B = C = 10 m, sehingga total horizontal wire adalah 20 m.
Sekarang impedansi menjadi
Z = (23,0 + j120,4) Ω
Coba perhatikan, komponen reaktif meningkat menjadi +j120,4 Ω sedangkan komponen resistif hanya meningkat menjadi 23,0 Ω. Peningkatan komponen reaktif tersebut menjadi nilai positif terjadi karena kita menambahkan konduktor pada antena inverted-L yang sudah resonan sehingga menjadi “too much wire”. Untuk memperbaiki nilai impedansi tersebut agar resonan, kita harus “memotong” atau mengurangi panjang horizontal wire pada kedua sisi secara bersamaan. Akibat lain yang timbul adalah, akan terjadi pengurangan komponen resistif dari 23,0 Ω menjadi nilai yang lebih rendah.
Lalu, harus berapa panjang kah wire B dan C ? Menurut perhitungan MMANA-GAL :
Panjang B = C = 7,1 m menghasilkan resonan pada 3,55 MHz dengan impedansi sebesar
Z = (18,9 – j0,0) Ω
Berapakah efisiensinya ? Mari kita hitung.
Karena horizontal wire dipasang pada kedua sisi, maka untuk menghitung skin effect resistance pada wire tersebut, wire B dan C dihitung secara paralel. Sehingga total panjang wire yang berkontribusi terhadap skin effect resistance adalah 10 m (radiator vertikal) ditambah 3,55 m (horizontal wire B dan C dihitung secara paralel).
Input impedance = (18,9 – j0,0) Ω
Conductor resistance = 1,0 Ω
Ground resistance = 10,0 Ω
Input Impedance = Radiation resistance + Conductor resistance
20,0 Ω = Radiation resistance + 1,0 Ω
Radiation resistance = 17,9 Ω
Radiation Efficiency = Radiation resistance / (Input impedance + Ground resistance)
Radiation Efficiency = 17,9 Ω / (18,9 Ω + 10 Ω)
Radiation Efficiency = 62 %
Peningkatan efisiensi yang marjinal (hanya meningkat 0,7 %).
Pada akhirnya, kita memiliki dua model top-loaded vertical antenna, yaitu :
- Inverted L, A = 10m, B = 11,2m
- T-antenna, A = 10m, B = C = 7,1m
dimana kedua model tersebut resonan pada 3,55 MHz. Perlu diingat, ukuran tersebut masih memiliki impedansi sekitar 20 Ω.
Bagian 2 dari tulisan ini akan membahas mengenai ground system.
-de YD1SDL-
dikutip dari www.labsdl.wordpress.com
