ANTENNA ANALYZER , SMITH CHART & IMPEDANSI KABEL TRANSMISI

 

ANTENNA ANALYZER , SMITH CHART & IMPEDANSI KABEL TRANSMISI
By : Djoko Haryono

Beberapa hari lalu saya sempat membaca tulisan salah seorang teman yg membahas impedansi kabel coax yang TIDAK PERSIS 50 ohm ( ada kabel yg impedansinya 49 ohm atau 52.2 0hm dsb ). Ketika baru sekarang saya ( sempat ) mengomentari tulisan tsb. , saya justru belum berhasil menemukan kembali tulisan itu , terutama karena saya lupa / tidak yakin di ( akun ) FB yang mana (ada sekitar 6 FB yg berkaitan dengan radio yang sering saya kunjungi ) topik itu saya baca.

Menurut saya , meski kita misalnya sedang bekerja pada sistem ( standard ) 50 ohm , sebetulnya jika yang kita dapatkan / miliki adalah kabel coaxial yang tidak ( persis ) 50 ohm impedansi karakteristiknya , sebetulnya hal itu tidaklah perlu terlalu kita persoalkan ( tidak menjadi masalah ) , karena jika coax kita ternyata impedansinya 52.2 ohm , tetap saja kita bisa melakukan matching kesana. Itu artinya beban / load ( = antenna ) kitalah yang harus kita set ke 52.2 ohm ( dan bukan ke 50 ohm ) untuk mendapatkan kondisi matched.

Kalaupun karakteristik 52.2 ohm itu kita anggap sebagai “masih kurang akurat” atau “bisa menimbulkan ketidak akuratan” , maka letak ( sedikit akibat dari ) kekurang akuratan itu bukanlah pada “kabel”nya , melainkan lebih pada .....
.....“ketika kita melakukan berbagai pengukuran yang menggunakan bantuan dummy load , maka akan lebih baik jika kita memiliki ( membuat sendiri ) dummy load 52.2 ohm” .... hal itu karena ketika kita menggunakan kabel 52.2 ohm ( atupun 49 ohm atau nilai2 lainnya disekitar itu ) dummy load yang kita pakai selalu tetap yang “standard dipasaran” yang 50 ohm itu.
Demikian sedikit komentar saya seputar bahasan kabel 52.2 ohm ( atau “non 50 ohm” lainnya ) tsb.

COAX 50 OHM MEMANG TIDAK SELALU “MENAMPILKAN” IMPEDANSI 50 OHM , MELAINKAN ( SAAT KITA PRAKTEK ) IMPEDANSI YANG TAMPIL BISA BERBEDA & SANGAT BERVARIASI , TERGANTUNG “DARI APA YANG ( SEDANG ) KITA LAKUKAN”.

Selanjutnya , senyampang / selagi ( Jawa “mumpung” ) sedang membahas topik impedansi kabel / saluran transmisi , saya tambahi tulisan ini dengan bahasan lainnya yg juga masih berkaitan dengan impedansi kabel. Bahasan ke 2 berikut ini juga mengomentari tulisan teman lain sebelumnya yang isi tulisannya membahas seputar ...... “coax yang oleh produsennya ditulis memiliki impedansi 50 ohm , dalam prakteknya ternyata sering bukan / tidak 50 ohm ( = salah informasi. Info produsen dianggap kadang salah )”

Untuk yang ke 2 ini kasusnya tidak sama dengan yang saya komentari pertama paling atas. Jadi bukan diukur oleh teman , ternyata bukan 50 ohm”.
Pernyataan teman tsb. ingin saya komentari sbb.:
Mengapa muncul pandangan semacam itu ? Ada beberapa kemungkinan yang terjadi :

01
Kemungkinan pertama adalah “kualitas produknya memang rendah”. Kondisi realnya tidak sama dengan apa yang dirancang oleh produsennya. Ini bisa saja terjadi tetapi –selama coax yang kita pakai berasal dari merk terkenal- kemungkinannya kecil. Ingat , dipasaran juga ada sejumlah “coax KW-3” yang tidak jelas kualitasnya , bahkan dipasaran kita kadang temukan coax yang “polos” , sama sekali tidak ada identitasnya ( tidak ada tulisan nomor seri , type , bahkan merknya dsb ). Hati2 menghadapi barang2 yang tidak jelas semacam ini.

02
Coax bekas / lama / used cable.
Usahakan untuk tidak menggunakan ( membeli ) kabel bekas meskipun secara secara visual terlihat seperti masih bagus kondisinya. Ada bermacam diskontinuitas ( dicontinuity ) yg sering terjadi pada coax yang sudah lama atau terpakai ( ada retak2 halus / retak rambut pada isolatornya , retak2 halus pada kulitnya sehingga air hujan bisa merembes masuk , ada bagian yg pernah tergencet / terjepit , air atau kelembaban pernah masuk dari braid / salah satu ujungnya , ada tekukan2 pada innernya dsb. ). Discontinuity adalah salah satu musuh utama pada coax.
Hal2 diatas bisa menimbulkan perubahan karakteristik kabel.

03
Kemungkinan ke 3 adalah “kekurang tepatan ( = kesalahan ) cara pengukuran” yang dilakukan oleh pemakai , sehingga pemakai akhirnya sampai pada kesimpulan yang tidak akurat / salah juga.

04
Kemungkinan ke 4 adalah ...... masih banyaknya pemakai /praktisi yang mengira bahwa “coax yang oleh produsennya dinyatakan memiliki impedansi 50 ohm , ketika digunakan oleh konsumen / user , pastilah akan LANGSUNG MENAMPILKAN IMPEDANSI 50 OHM” , alias masih banyak user yang belum menyadari bahwa coax dengan Z = 50 ohm ( R = 50 ; X = 0 ), ketika dipakai ternyata malah menampilkan sifat yang sangat berbeda yang sama sekali BUKAN murni 50 ohm ( melainkan 42 + j12 atau 35 – j37 , 46 + j28 , 40 – j21 dsb.).
Memang kondisi “TIDAK LANGSUNG menampilkan impedansi 50 ohm sebagaimana yang diklaim oleh produsennya” itulah yang sebenarnya paling sering terjadi. Mengapa demikian ? Ini penjelasan singkatnya menurut saya :

04A
Pengertian dari “coax dengan impedansi 50 ohm” ( atau transmisiion line lainnya jenis apapun / non coax , dengan impedansi berapapun , 52.2 ohm , 49 ohm , 53 ohm , 75 ohm , 72 ohm atau 300 , 450 , 600 ohm dsb ) , sebetulnya yang dimaksudkan dengan impedansi disini BUKANLAH IMPEDANSI YANG SUDAH FIXED ( DANA AKAN LANGSUNG TERUKUR 50 OHM ) , melainkan yang dimaksudkan adalah CHARACTERISTIC IMPEDANCE nya , dan impedansi karakteristik itu HANYA AKAN LANGSUNG TAMPIL ( menunjukkan Z = 50 ohm alias R = 50 ohm dan X = 0 ohm ) pada kondisi khusus tertentu saja , yaitu HANYA ketika kabel tersebut dihubungkan dengan beban / load ( antenna , dummy load dsb ) yang resistive 50 ohm.

04B
Dan arti dari ( sudah ) TAMPIL DENGAN IMPEDANSI ( KARAKTERISTIK ) 50 OHM itu adalah DISETIAP TITIK MANAPUN YANG ADA DISEPANJANG KABEL , akan terukur ( = menunjukkan ) impedansi 50 ohm alias resistive 50 ohm ( R = 50 ohm dan X = tepat atau sedikit disekitar 0 ohm ) , atau “Ratio E/I” pada setiap titik sepanjang kabel = 50.
Sekali lagi , kondisi ini HANYA AKAN MUNCUL jika kabel terhubung pada LOAD yang sifatnya 50 ohm resistive.

04C
Keadaan 04B diatas juga bisa kita nyatakan sebagai ...... Tegangan dan Arus TERDISTRIBUSIKAN SECARA MERATA DISEPANJANG KABEL ( = DISETIAP TITIK ).
Hal ini akan berakibat .... SWR akan terukur sama disepanjang kabel.

04D
Dan ini pula yang MENIMBULKAN CARA PANDANG / ANGGAPAN ( YANG BENAR ) BAHWA .... “Panjang kabel coax yang kita pakai adalah BEBAS alias BOLEH BERAPAPUN ( selama tidak sampai menimbulkan losses yang terlalu besar karena losses yang besar selain merugikan power yang akan mencapai antenna , juga akan “juga menimbulkan pembacaan SWR yang salah / menipu. Menipu dengan cara yang berbeda dengan kasus pada 04E3 dibawah yg disebabkan karena terjadinya transformasi impedansi. Pada kasus yang ini , yang akan terjadi adalah ..... semakin besar losses kabel , SWR akan “menipu” dengan meunjukkan nilai SWR yang semakin jauh lebih rendah dibandingkan dengan nilai SWR real yang ada di antenna).

04E
Namun ketika kabel tsb. digunakan oleh user/konsumen , beban atau antenna yang dipasang kekabel tsb. TIDAK SELALU ( BAHKAN SERING ) BUKAN , atau BELUM BERSIFAT RESISTIVE 50 OHM.

E1. Antenna yang salah perancangannya.
E2. Rancangan antenna betul tetapi antenna belum di stel.
E3. Antenna sudah di stel tetapi user/teknisinya “salah persepsi” ( hanya berpatokan pada penunjukan SWR terendah –katakanlah penunjukan SWR yang sudah “Unity” / 1 : 1 – tetapi teknisinya tidak bisa membedakan / tidak tahu bahwa penunjukan SWR meter jenis VSWR bisa menunjukkan penunjukan sesuai kondisi SWR real / sebenarnya di antenna , tetapi juga bisa yang muncul adalah penunjukan nilai “semu”/ palsu yang mudah terjadi disaat beban reactive ) sehingga yakin bahwa antennanya sudah match meski sebenarnya belum.

04F
Yang saya maksud dengan KABEL TIDAK ( BELUM ) MENAMPILKAN IMPEDANSI 50 OHM NYA ( belum resistive ) pada penjelasan 04E diatas adalah ...... “Impedansi pada SETIAP TITIK-TITIK DISEPANJANG berbeda – beda ( naik turun terus ber-ulang2 disepanjang kabel ).

Contoh : di antenna 9 ujung coax ( misalnya ) terukur impedansinya 30 + j40 , tetapi dititik lainnya terukur impedansi dikabel 60 + j15 , lalu dititik lain lagi 42 – j33 dst. Singkat kata hampir tidak pernah impedansi dikabel terbaca 50 ohm , maka

Ini menunjukkan bahwa Tegangan dan Arus TIDAK TERDISTRIBUSIKAN SECARA MERATA DISEPANJANG KABEL ( dan ratio E/I terus menerus berubah ubah disetiap titik disepanjang kabel ).

04G
Kondisi 04F diatas itulah YANG MENIMBULKAN CARA PANDANG BERBEDA DENGAN CARA PANDANG 04D ( tetapi meski berbeda , CARA PANDANG YANG INI JUGA BENAR ADANYA ).

Cara pandang ke 2 ini adalah bahwa ....... “Panjang kabel coax TIDAK BOLEH SEMBARANGAN alias TIDAK BEBAS ( jika kita menginginkan agar SWR meter KEHILANGAN KESEMPATAN untuk bisa menipu kita / menampilkan penunjukan SWR yang semu , MESKIPUN KONDISI ANTENNA MASIH BERSIFAT SANGAT REACTIVE sekalipun ). Agar pada saat BAGAIMANAPUN kondisi beban / antenna , SWR meter tetap menunjukkan nilai real unmatch di antenna , maka panjang coax perlu dibuat agar merupakan “kelipatan ½ lambda elektrik” dari frekuensi yang digunakan.

04H
Jadi , baik pandangan yg menganggap bahwa PANJANG COAX ADALAH BEBAS , maupun pandangan yang menganggap PANJANG COAX SEBAIKNYA ( = MAKIN AMAN ) JIKA MERUPAKAN KELIPATAN ½ LAMBDA ELEKTRIK , kedua pandangan itu sama benarnya ( asalkan keduanya dipahami secara benar konteksnya ).
BAGAIMANAKAH ( SALAH SATU ) CONTOH YANG BISA DIBERIKAN UNTUK MENUNJUKKAN BAHWA IMPEDANSI PADA KABEL COAX BISA BERVARIASI ( TIDAK 50 OHM SEPERTI YANG TERTULIS PADA SPEC. DARI PABRIKNYA ) TERGANTUNG PADA “TITIK MANA” PADA PANJANG KABEL KITA MELAKUKAN PENGUKURANNYA ( dan impedansi kabel baru akan benar2 tampil 50 ohm atau mendekati 50 ohm disetiap titik , ketika karakter antenna sudah “murni” resistive 50 ohm ) ?

05
Kita ambil contoh pada kabel coax sepanjang 1 lambda. Misalnya kita bekerja pada band 6 meter ( bisa juga kita membuat contoh lain dengan memilih band / frekuensi lainnya apakah 2 meter , 70 cm , 10 meter / 28 MHz , 11 meter / CB 27 MHz dsb ).
Frekuensi 51.000 MHz. Velocity coax yang kita gunakan 0.8
Kita misalkan impedansi antenna ( diujung atas coax ) = 40 + j30 ( R = 40 ohm X = 30 ohm ).

06
Maka 1 lambda ( free space ) , jika semua hitungan kita gunakan cm = 588.25 cm
1 lambda elektrik ( rambatan di coax ) = 0.8 x 588.2 = 470.60 cm.
Jadi coax 1 lambda yg kita maksudkan diatas adalah coax yang panjangnya ( panjang dari connector ke connector ) 470.60 cm

07
Mari kita hitung impedansi ( pada sejumlah titik-titik ) sepanjang kabel. Ada 2 cara untuk mengetahui impedansi tsb. :

CARA 1 ( BAGI MEREKA YG. SUDAH PERNAH BELAJAR MENGGUNAKAN TABEL SMITH / SMITH CHART ).

Bagi yang sudah bisa menggunakan Smith Chart , mereka bisa menghitung dengan hanya menggunakan Smith Chart ( mereka tetap memerlukan pengukuran menggunakan Antenna Analyzer , namun cukup 1X saja yaitu untuk mengetahui impedansi antenna saja , sedangkan untuk mengetahui impedansi disetiap titik sepanjang coax , mereka akan bisa menemukannya cukup dengan menggunakan Smith Chart dan tidak perlu sering / terus menerus memotong – motong kabel secara bertahap ).

Bagi mereka yang sudah bisa menggunakan Smith Chart , selain bisa menemukan jawabannya dengan memakai Smith Chart seperti diatas , tentu saja ( kalau diinginkan ) merekapun bisa mengetahui impedansi disetiap titik dengan seluruhnya menggunakan bantuan Antenna Analyzer seperti pada Cara 2 dibawah.

CARA 2 ( BAGI MEREKA YANG BELUM BISA MENGGUNAKAN SMITH CHART ).

Maka mereka bisa menemukan seluruh jawabannya HANYA dengan menggunakan antenna analyzer untuk mengukur SETIAP PERUBAHAN KONDISI YANG TERJADI ( atau setiap perubahan titik yang ditunjuk ). Untuk cara kedua ini , untuk melakukan pengukuran diperlukan berkali – kali melakukan pemotongan / perubahan panjang kabel ( artinya ukur – potong – ukur lagi – potong lagi – dst. sampai nilai impedansi di masing2 panjang tertentu coax bisa diukur )

08
Dengan Smith Chart , seluruh impedansi pada setiap titik di coax tsb. bisa kita temukan , seperti yang saya susunkan secara berurutan dibawah ini :

09
Pada ujung lain dari coax ( pada titik yang berjarak 470.60 cm dari antenna , alias pada jarak 1 lambda ) impedansi pada kabel akan terukur 40 + j30 ( R nya 40 ohm dan X nya 30 ohm ). Tentu saja pada Smith Chart kita tidak akan menemukan tulisan 40 +j30 tersebut karena dalam Smith Chart posisi ini akan kita kenali sebagai titik “kordinat” 0.75 +j0.56

Mengapa Smith Chart menggunakan cara penulisan impedansi yg berbeda dengan penulisan impedansi “yang umum tertulis pada display Antenna Analyzer” ?

Hal itu karena Smith Chart DITUNTUT / HARUS bisa digunakan secara universal ( artinya dengan 1 tabel yang sama , tabel tsb. tetap bisa digunakan untuk menghitung sistem 50 ohm , sistem 75 ohm , 300 ohm, 450 ohm , 600 ohm atau BERAPA OHM pun ).

Untuk itulah maka semua keperluan itu perlu “diwakili” oleh satu cara penulisan tersendiri ( yang kemudian nantinya kita lakukan suatu langkah “normalisasi / normalization” 50 jika coax kita 50 ohm , normalisasi 75 jika coax kita 75 ohm dsb ).

10
Pada titik lain di coax yg berjarak 7/8 lambda ( alias pada jarak 411.80 cm dari ujung atas coax ) kita akan temukan impedansi coaxnya = 25 +j30 ( dinyatakan dengan kordinat 0.5 – j0.06 )

11
Pada titik ¾ lambda ( atau pada jarak 352.95 cm ) akan kita temukan impedansinya 45 – j32.5 ( pada kordinat 0.9 – j0.65 ).

12
Pada titik 5/8 lambda ( atau pada jarak 294.15 cm ) impedansi akan terukur 100 +j10 ( pada kordinat 2.0 + j0.2 ).

13
Pada titik ½ lambda ( atau pada jarak 235.30 cm ) impedansi akan terukur 40 + j30 ( kordinat 0.75 +j0.56 ).

14
Pada titik 3/8 lambda ( atau pada jarak 176.50 cm ) impedansi akan terukur = 25 +j30 ( pada kordinat 0.5 – j0.06 ).

15
Pada titik ¼ lambda ( atau pada jarak 117.65 cm ) impedansi akan terukur = 45 – j32.5 ( pada kordinat 0.9 – j0.65 ).

16
Pada titik 1/8 lambda ( atau pada jarak 58.85 cm ) impedansi akan terukur = 100 +j10 ( pada kordinat 2.0 + j0.2 ).

17
Demikianlah 9 titik2 pengukuran impedansi yang saya contohkan diantara puluhan ( atau ratusan ) kemungkinan titik yg ada sepanjang kabel. Saya tidak menuliskan detail seluruhnya karena akan menjadi daftar yang bisa sangat panjang. Saya hanya mengambilkan 9 contoh “titik2 kelipatan 1/8 lambda”nya saja yang ada dikabel yang hanya 1 lambda itu.

DARI CONTOH2 DIATAS KITA JADI ( MAKIN ) YAKIN BAHWA NILAI IMPEDANSI YANG TERUKUR PADA TITIK-TITIK DISEPANJANG KABEL AKAN TERUS BERUBAH ( TERGANTUNG LOKASINYA ) , KETIKA ANTENNA KITA SIFATNYA MASIH REACTIVE.
DAN SEMAKIN TINGGI KOMPONEN REACTIVENYA , “RANGE” VARIASI PERUBAHAN IMPEDANSI YANG TIMBUL AKAN MAKIN “LEBAR” , .....

DAN SEBALIKNYA , SEMAKIN KECIL REAKTANSI ANTENNA ( DAN NILAI RESISTIVENYA SEMAKIN MENDEKATI NILAI IMPEDANSI KARAKTERISTIK KABEL ) , MAKA “BENTUK” VARIASI / PERUBAHAN IMPEDANSI YANG TIMBUL AKAN SEMAKIN “DATAR” SIFATNYA.

CATATAN :
Karena saya sendiri sudah tidak aktif di ORARI sekitar 20 tahun , mungkin ketelitian saya menghitung ( dan atau membahas ) sudah banyak menurun. Tolong dikoreksi jika ternyata ditemukan kesalahan pada tulisan saya kali ini ( dengan membantu menyebutkan uraian nomor berapa yang keliru , plus masukan tentang bagaimana yang seharusnya ).

NORMALISASI ( NORMALISATION )
Seperti sudah pernah saya tulis dalam topik tulisan saya sebelum ini , metode normalisasi diperlukan dengan tujuan agar Smith Chart bisa digunakan bagi saluran transmisi yang memiliki nilai impedansi karakteristik BERAPAPUN.

Definisi impedansi ternormalisasi adalah impedansi real dibagi dengan impedansi karakteristik dari saluran transmisi ( kabel maupun wave guide ). Nilai2 yang dinyatakan dengan kordinat dari suatu impedansi input yang digambarkan pada Smith Chart inilah yang kita sebut sebagai nilai normalisasinya.

Smith Chart TIDAK HANYA BISA DIGUNAKAN UNTUK MENGHITUNG IMPEDANSI SAJA , TETAPI JUGA ADMITANSI ( ADMITTANCE / SUSCEPTANCE ) JUGA.

Dalam hal ini , prosedur “normalisasi” juga ikut berperan menjadikan Smith Chart semakin bervariasi / luas kegunaannya.

Berikut ini kita coba mengenali bagaimana tabel ( atau “grafik” ) Smith bisa dipakai untuk menghitung & menemukan nilai admitansi. Sayang bahwa admitansi ini masih sangat kurang kita pelajari. Sehari-hari kita praktis hanya bergelut dengan .... impedansi .... impedansi .... dan impedansi , padahal masalah ADMITTANCE ( SUSCEPTANCE ) juga sesuatu yang penting yang akan makin menambah wawasan dan kemampuan ( = kelancaran ) kita dalam setiap usaha melakukan setting dan matching antenna.

MENGHITUNG ADMITTANCE ANTENNA
Admitansi adalah “kebalikan/lawan” dari impedansi. Menjelaskan perbedaan antara IMPEDANSI dengan ADMITANSI , mungkin akan lebih mudah jika kita analogikan dan membandingkannya ( dengan ) antara TAHANAN / RESISTANSI dan DAYA HANTAR / KONDUKTANSI. Jika resistansi adalah “tahanan DC” dan impedansi adalah “tahanan yg. nilainya berubah/dipengaruhi frekuensi” , maka demikian juga dengan konduktans yang “dc” dan admitansi yang “dipengaruhi oleh frekuensinya”.

Dengan demikian jika ( misalnya ) Antenna Analyzer yang kita miliki tidak bisa dipakai untuk menghitung admitansi , maka kita bisa menggunakan Tabel Smith ( Smith Chart ) untuk menemukan nilai admitansi yang terjadi.

Saya berikan 1 contoh seputar proses normalisasi ini :
Kita misalkan kita memiliki coaxial dengan impedansi karakteristik 50 + j 0 ohm dan terhubung ke sebuah antenna berimpedansi 75 + j 100 ohm. Impedansi beban ini jika kita normalisasikan ke coax yang 50 ohm itu , akan terpresentasikan sebagai kordinat 1.5 + j2.0 ohm di Smith Chart yang berada pada titik perpotongan antara 2 kurva dari 2 “keluarga”/kelompok yang berbeda yaitu lengkung kurva dimana R/Zo = 1.5 berada , dengan lengkung kurva dimana +jX/Zo = 2.0 berada.

Dengan cara yang sama , bila ( misalnya ) kita menggunakan kabel transmisi jenis “parallel line / two wire” 500 ohm , itu akan terekspresikan sebagai 0.15 + j0.20 ohm pada kordinat yang berbeda dimana R/Zo nya = 0.15 dan +jX/o nya = 0.20.

Dari sini kita yakini bahwa Smith Chart bisa digunakan untuk berbagai macam impedansi karakteristik.

Impedansi karakteristik 50 ohm ekivalen dengan admitansi karakteristik 1/50 atau 0.020 mho dan impedansi beban 75 + j100 ohm ekivalen dengan admitansi beban 1 : ( 75 + j100 ) atau 0.0048 – j0.0064 mho.

Admitansi beban ternormalisasi ( normalized load admitance ) untuk transmission line ini menjadi
( 0.0048 – j0.0064 )/ 0.020 mho atau 0.24 – j 0.32 mho. Nilai admitansi ini adalah nilai “kebalikan / lawan” dari nilai impedansi karakteristik yg ada ( 1.5 + j2.0 ohm ).

Terima kasih & Salam saya.

73
Djoko Haryono
( formerly YC2BCG ).