makalah pengukuran pada frekuensi tinggi

BAB I
PENDAHULUAN

A.    Latar Belakang

Pada frekuensi tinggi, elemen-elemen rangkaian sangat dipengaruhi induktansi-induktansi sisa (residual inductance), kapasitansi-kapasitansi yang tak dikehendaki (stray capacitance) ataupun skin effect dengan bertambahnya frekuensi; harga-harganya berubah dengan berubahnya frekuensi. Hal lain yang harus diperhatikan, walaupun dapat digunakan dalam pengukuran secara umurn ialah sebagai berikut. Suatu peredarn harus diletakkan antara sumber energi seperti oscillator dan rangkaian pengukuran sehingga, timbulnya perbedaan impedansi yang tiba-tiba, jika ada di antaranya, tidak akan mempengaruhi stunber enersi sehingga dapat menyebabkan kerusakan padanya ataupun kerja yang tidak stabil. Maka dari itu ”matching” antara impedansi output dari stunber energi dengan impedansi input dari rangkaian pengukuran merupakan suatu hal yang diperlukan pada rangkaian-rangkaian frekuensi tinggi (impedance matching).

B.     Topik Pembahasan

Pada makalah ini saya akan membahas tentang pengukuran pada frekuensi tinggi.

C.      Tujuan Penulisan Makalah

Makalah ini dibuat dengan tujuan untuk memenuhi tugas yang diberikan oleh asisten dosen Instrumentasi dan Pengukuran serta menjelaskan tentang pengukuran pada frekuensi tinggi.

BAB II

ISI

3.1 Ketentuan-ketentuan Gelombang Elektromagnitis Dan Klasifikasi-klasifikasi Frekuensi

Frekuensi rendah ialah daerah frekuensi yang tak melampaui frekuensi audio dan frekuensi tinggi adalah daerah frekuensi di atas frekuensi audio. Dalam beberapa hal, gelombang elektromagnitis yang termasuk ke dalam daerah UHF atau SHF dinyatakan sebagai microwave, dan yang dalam daerah EHF sebagai  gelombang millimeter ataupun sub-millimeter. Untuk satuan dari frekuensi dipakai c/s akan tetapi secara internasional satuan yang dipakai adalah Hertz. Satuan-satuan

 frekuensi yang dipakai adalah sebagai berikut:

1 GHz (giga Hertz) = 109 Hz.

1 MHz (mega Hertz)  106 Hz.

I  kHz (kilo Hertz) = 103 Hz.

Tabel 3-1 Klassifikasi dan penggolongan dari daerah-daerah frekuensi dan daerah-daerah panjang gelombang.

       

Daerah frekuensi (tak termasuk batas bawah dan termasuk batas atas)	Klassifikasi Metrik	Singkatan
Sampai     30 kHz                  30 kHz - 300 kHz                               300 kHz - 3000 kHz                  3 MHz  -   30 MHz                  30 MHz - 300 MHz                  300 MHz - 3000 MHz                  3 GHz  -   30 GHz                  30 GHz - 300 GHz                        300 GHz - 3000 GHz	Gelombang Kilometer Gelombang Hektometer Gelombang Dekameter  Gelombang meter       Gelombang Desimeter Gelombang Sentimeter  Gelombang Millimeter	VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF

3.2 Elemen-elemen Rangkaian Frekuensi Tinggi

Elemen-elemen rangkaian (tahanan, induktansi, kapasitansi) yang menunjukkan harga kira-kira konstan untuk perubahan frekuensi pada daerah frekuensi rendah, akan berubah harganya secara cepat dengan bertambahnya frekuensi karena pengaruh induktansi sisa, kapasitansi yang tak dikehendaki atau skin effect. Oleh karena itu elemen elemen rangkaian yang dipakai pada frekuensi rendah tidak dapat dipakai untuk membentuk rangkaian rangkaian frekuensi tinggi Sebagai contoh kumparan atau kondensator, memperlihatkan bertarnbahnya kerugian tahanan, kerugian radiasi dan kerugian dielektrik dan menjadi tidak dapat dipakai dengan bertambahnya frekuensi, tanpa adanya perubahan pada bentuk ataupun ukuran alat-alat tersebut untuk penggunaan pada frekuensi tinggi. Berikut ini beberapa gejala yang pada frekuensi tinggi :

a.       Skin effect

Karena harga tahanan pada frekuensi tinggi memperlihatkan pertambahan dibandingkan dengan pada arus DC ataupun pada frekuensi rendah maka  ini yang disebut skin effect.  

b.      Skin depth

Dalamnya bagian pada penghantar dimana besar arus di situ adalah 36,8 % (lie) dari harga arus pada permukaan disebut skin depth, dan besarnya adalah:

d=

dimana :

d = skin depth (m)

f =  frekuensi (Hz)

μ=  permeabilitas magnit dari penghantar (H/m)

σ= konduktivitas penghantar (S)

c.       Proximity effect

Distribusi arus pada salah satu penghantar dipengaruhi oleh fluksi magnit yang ditimbulkan oleh penghantar yang lain, juga oleh fluksi magnit yang ditimbulkan sendiri. Pengaruh ini disebut ”proximity effect”.

d.      Effect Radasi

Efek ini bertambah dengan bertambahnya frekuensi, Efek ini dapat dicegah dengan memakai kabel koaksial.

e.       Kerugian dielektrik

Nilai kerugian dielektrik berubah dengan berubahnya frekuensi dan dalam penentuan nilainya pengaruh frekuensi harus selalu diperhatikan.

3.2.1 Elemen-elemen Tahanan

Elemen tahanan untuk penggunaan frekuensi tinggi dibuat agar harga-harga L dan C-nya sekecil mungkin. Elemen tahanan dibuat berupa lilitan kawat dengan memakai bahan kawat tahanan. Pada frekuensi tinggi yang lebih sering dipakai adalah elemen tahanan dengan film, karena tebal yang sangat tipis di bawah  cm dari film menghasilkan skin effect yang sangat kecil. Tahanan film pada frekuensi tinggi dibuat dengan menutupkan suatu keramik silinder dengan tahanan film, dimana bagian dalam dari  keramik tersebut bebas dari tahanan film, oleh sebab itu apabila tahanan film terdapat pada bagian dalam akan menurunkan karakteristik-karakteristik tahanan pada frekuensi tinggi. Untuk pemakaian pada frekuensi tinggi diperlukan pelilitan secara khusus untuk menghilangkan pengaruh induktansi.

3.2.2 Elemen Induktansi

Inti-inti yang dipakai pada rangkaian rangkaian frekuensi tinggi memperlihatkan pertambahan rugi-rugi disebabkan rugi-rugi eddy current, rugi-rugi histerisis, dan lain-lain sehingga harga efektif permeabilitas berkurang dengan bertambahnya frekuensi. Untuk mencegah ini maka yang sering dipakai orang adalah inti-inti serbuk yang dibuat dengan tekanan tinggi dari electrically insulating iron atau magnetic alloy dust. Bahan Ferrite ini terdiri dari campuran oksida besi, nikkel, mangan, d.1.1. dan dilebur pada temperatur 1.300 s/d 1.400C dan digunakan dalam berbagai kebutuhan untuk bahan-bahan magnitis frekuensi tinggi, peredam-peredam microwave d.1.1. Untuk menyatakan sifat kelistrikan dari suatu rangkaian ataupun elemen, maka dipakai suatu besaran Q yang pengertiannya dijelaskan sebagai berikut:

Definisi Q

Q didefinisikan sebagai energi yang tersimpan dalam rangkaian, dikalikan 27t, dibagi dengan enersi yang dipakai dalam rangkaian untuk I cycle. Dan i sini dapat diambil kesimpulan bahwa rangkaian yang mempunyai Q besar mempunyai kerugian yang kecil.

Q dari suatu kumparan

Q dari suatu kumparan dinyatakan sebagai ωL/r dimana r adalah komponen tahanan dan L adalah komponen induktipnya. Jadi makin kecil r, makin besar harga Q dan nuakin baik kumparannya. Kumparan yang dipakai pada frekuensi tinggi umumnya ditempatkan dalam suatu kaleng logam untuk keperluan perlindungan elektrostatik. Dalam hal ini harga Q dari kumparan bisa berkurang keouali jika ada sedikit ruang antara kumparan dengan kaleng logamnya

3.2.3 Elemen Kapasitansi

Elemen kapasitansi terdiri dari sepasang elektroda yang di antaranya terdapat bahan dielektrik. (termasuk udara) yang memberikan kapasitansi statis. Kapasitansi ini diberikan oleh rumus:

C = 0,0884 (pF)                               

Dimana

A : luas elektroda (cm2)         

 t :  jarak antara elektroda (cm)

: konstanta dielektrik dari bahan dielektrik antara elektroda.

Pada frekuensi tinggi, elemen ini dibuat dengan ukuran kecil. Untuk mendapatkan kapasitansi yang besar, jarak antar elektroda diperkecil tanpa menyebabkan terjadinya ”breakdown” pada dielektrik, dan untuk ini dipakai bahan dielektrik yang mempunyai rugi-rugi kecil dan konstanta dielektrik yang tinggi.

Q dari kondensator

 Q dari kondensator yang dinyatakan dengan rangkaian ekivalen paralel tersebut, ialah Q coCr. Suatu kapasitor yang baik adalah kapasitor yang mempunyai r besar, sehingga kondensator tanpa rugi - rugi r nya ialah tak terhingga besarnya. Untuk setiap elemen seperti tahanan, induktansi ataupun kondensator, pengaruh dari kawat penghubung atau bahan pembantu lain yang dihubungkan ke terminalnya tidak dapat diabaikan.

3.2.4 Connector (Penghubung)

Jenis BNC banyak dipakai pada kabel-kabel kecil untuk menghubungkan alat pengukur. Jenis APC-7 dipakai untuk daerah frekuensi ultra sampai 18 GHz, dan untuk alat-alat pengukur microwave dan perubahan pulsa-pulsa tinggi (high rate pulses) atau 18 GHz band sampling oscilloscope, d.1.1.). GR-900 BT dibuat khusus untuk pengukuran-pengukuran teliti dan umumnya dipakai sebagai elemen rangkaian koaksial standard. Jenis M banyak dipakai untuk daerah frekuensi di bawah 200 MHz tapi tidak dapat dipakai apabila impedansi merupakan suatu persoalan

3.3 Elemen-elemen Konstanta Rangkaian Terbagi (Distributed Circuit Constants)

Penggunaan rangkaian terbagi, yaitu suatu rangkaian yang mempunyai tahanan, induktansi, kapasitansi terbagi dan tahanan bocor.

Dari gambar diatas misalkan panjang suatu bagian kecil dari kawat transmisi ialah L, dan benda tegangan yang disebabkan oleh arus i yang mengalir melalui tahanan Rl dan reaktansi jwll dari bagian l tersebut  adalah . Jika arus mengalir diantara pengantar-pengantar melalui kapasitansi C dan kondisi G(kebalian dari tahanan bocor) dari bagian  akan menyebabkan beda arus sebesar .

Beberapa persamaan-persamaan dasar yaitu:

    V = l(R +  jL)    l                                 

     l = V(G +  jC)    I                              

dimana: R, L, G dan C adalah tahanan, induktansi, konduktansi dan kapasitansi persatuan panjang transmisi.

Transmisi perubahan waktu adalah:

Untuk melukiskan besr dari gelombang pantulan, dipakai koefisien pantulan arus dan tegangan diberi sebagai berikut:

Dimana Tv dan T1 adalah besaran kompleks karena Z, biasanya terdiri dari kolom tahanan dan reactive.

Untuk mencari Zin maka kita dapat mengunakan rumus :

Satu kerugian ( boleh diabaikan karena kawat transmisi biasanya diangap sempurna jika frekuensi tidak tinggi sekali.

3.3.1 Kawat Koaksial

3.3.1.1 Mode-mode gelombang elektromagnitis pada kawat koaksial

Untuk menganalisa perambatan dari gelombang elektromagnitis pada kawat koaksial diperlukan mengetahui distribusi dari medan listrik dan medan magnit dengan menyelesaikan persamaan-persamaan Maxwell pada syarat-syarat daerah perbatasan dimana gelombang elektromdgnit akan merambat pada bagian dalam dari penghantar koaksial silinder metalik.

3.3.1.2  Elemen-elemen rangkaian jenis koaksial

1.      Elemen tahanan jenis koaksial (peredam koaksial)

Pada frekuensi tinggi tahanan film dipakai sebagai elemen tahanan dan pada rangkaian kabel koaksial panjang tahanan film ini dibuat lebih kecil dari panjang gelombang dan penggunaan praktisnya sebagai tahanan murni.

2.      Elemen reaktansi,koaksial

Khusus pada kabel koaksial elemen reaktansi yang dipakai adalah juga suatu kabel koaksial yang dihubung singkat. Harga reaktansi diperoleh dengan memilih panjang 1 yang cocok. Dan i sini apabila 1 < 1/4 maka sifatnya adalah induktip dan jika 1/4 A < 1 < 1/2 1 sifatnya adalah kapasitip. Jika 1 terus bertambah, maka reaktansi induktip dan reaktansi kapasitip akan berputar bergantian.

3.      Elemen phasa jenis koaksial

Jika diinginkan perubahan phasa dari gelombang tegangan dan gelombang arus pada suatu titik di suatu kawat koaksial, maka suatu kawat koaksial lain yang mempunyai penampang sama dihubungkan pada sisi sumber dari titik tersebut. Besarnya phasa dapat diperoleh dengan memilih panjang yang cocok dari kawat koaksial tersebut.

4.      Penghubung penyearah (directional couplers) jenis koaksial

Kadang-kadang dibutuhkan pencabangan aliran dari gelombang elektromagnit.

Alat yang dipakai untuk ini adalah suatu penghubung penyearah. Ada banyak macam penghubung, tapi disini akan diterangkan penghubung penyearah yang mempunyai dua lubang penghubung yang berjarak 1/4 panjang gelombang. Jika ada gelombang tegangan masuk sisi primer kawat dari sebelah kanan akan diperoleh hasil sama sehingga terdapatlah suatu penghubung penyearah.

3.3.2 Penghantar Wave Guide

Pada frekuensi tinggi UHF dan SHF, lebih baik tidak dipakai penghantar koaksial berdasarkan mode TEM, karena rugi-rugi akan bertambah dengan bertambah kecilnya penampang. Untuk menanggulangi kesulitan ini dipakai wave guide kosong, dalam bentuk suatu penghantar koaksial yang kosong tengahnya. Tetapi pada frekuensi sekitar 500 MHz, wave guide mempunyai penampang yang besar dan tidak dapat dipakai kecuali untuk tujuan-tujuan khusus. Pada kira-kira 3 GHz atau lebih, wave guide banyak dipakai.

3.3.2.1 Mode dari gelombang elektromagnit dalam suatu wave guide

Wave guide dibuat dalam bentuk empat segi ataupun lingkaran. Pada setiap jenis distribusi medan gelombang elektromagnit pada wave guide adalah dalam mode TB dimana komponen medan listrik hanya berada pada penampang melintang, ataupun mode TM dimana komponen medan listrik hanya berada pada penampang melintang, ataupun mode TM dimana komponen medan magnit hanya berada pada penampang melintang: Untuk wave guide yang tidak mungkin mempunyai mode TEM maka mode yang memperli hatkan frekuensi cut-off yang terrendah disebut mode dominan dan mode yang lain disebut mode tingkat tinggi (orde lebih tinggi).

Methoda untuk menentukan mode gelombang elektromagnit pada wave guide lingkaran adalah sama dengan wave guide empat persegi. Oleh sebab itu elemen-elemen ranglcaian jenis wave guide pada dasarnya dibuat berdasarkan pemikiran yang sama dengan elemen-elemen rangkaian jenis koaksial.

3.3.2.2 Elemen-elemen rangkaian jenis wave guide

Adapun elemen-elemen dari rangkaian jenis wave guide, yaitu :

1.      Elemen rangkaian tahanan jenis wave guide (peredam tahanan)

2.      Elemen reaktansi jenis wave guide

3.      Elemen phasa jenis wave guide

4.      Penghubung penyearah jenis wave guide

5.      Magic T (cabang)

6.       

3.4 Pengukuran-pengukuran Tegangan Frekuensi Tinggi

Untuk Voltmeter yang dipakai pada frekuensi tinggi, biasanya dipakai voltmeter tabung hampa yang mempergunakan tabung-tabung hampa yang kecil, tapi akhir-akhir ini banyak dipakai voltmeter-voltmeter dengan dioda sebagai pengganti tabung hampa. Daerah frekuensi yang bisa diukur oleh voltmeter ini adalah sampai 1 GHz.

Jenis-jenis voltmeter :

1.      Voltmeter tabung hampa jenis P

2.      Voltmeter penunjuk harga puncak ke puncak

Sebagai contoh suatu tegangan gelombang sinus.

3.      Voltmeter penunjuk harga rata-rata

Tegangan yang hendak di ukur di perkuat dan di serahkan untuk melalui suatu amperemeter  sehingga ini akan menunjuk harga rata-rata dari tegangan yang di ukur. Daerah kerja frekwensi ialah sampai sekitar 10 MHz.

4.      Voltmeter sampling

Voltmeter jenis ini dapat mempunyai daerah kerja frekwensi sampai di atas 1 GHz.

BAB III

PENUTUP

Kesimpulan

1.      Pada frekuensi tinggi, elemen-elemen rangkaian sangat dipengaruhi induktansi-induktansi sisa (residual inductance), kapasitansi-kapasitansi yang tak dikehendaki (stray capacitance) ataupun skin effect dengan bertambahnya frekuensi.

2.      Beberapa gejala yang pada frekuensi tinggi, yaitu Skin effect, Skin depth, Proximity effect, Effect Radasi dan Kerugian dielektrik

3.      Adapun elemen-elemen dari rangkaian jenis wave guide, yaitu Elemen rangkaian tahanan jenis wave guide (peredam tahanan), Elemen reaktansi jenis wave guide, Elemen phasa jenis wave guide, Penghubung penyearah jenis wave guide dan Magic T (cabang)

4.      Jenis-jenis voltmeter, yaitu Voltmeter tabung hampa jenis P, Voltmeter penunjuk harga puncak ke puncak, Voltmeter penunjuk harga rata-rata dan Voltmeter sampling.