Instrumentasi Astronomi Radio 2: Antena

Antena adalah salah satu elemen penting yang harus ada pada sebuah teleskop radio. Fungsinya adalah untuk mengubah sinyal listrik menjadi sinyal elektromagnetik, lalu meradiasikannya. Dan sebaliknya, antena juga dapat berfungsi untuk menerima sinyal elektromagnetik dan mengubahnya menjadi sinyal listrik. Pada radar atau sistem komunikasi satelit, sering dijumpai sebuah antena yang melakukan kedua fungsi (peradiasi dan penerima) sekaligus. Namun, pada sebuah teleskop radio, antena hanya menjalankan fungsi penerima saja.

Ada berbagai jenis antena, antara lain monopol, dipol, mikrostrip, parabola, vee, horn, helix, dan loop. Walaupun amat sering dijumpai teleskop radio yang menggunakan antena berbentuk parabola, ada beberapa jenis antena lainnya yang juga sering digunakan pada sebuah teleskop radio atau interferometer. Misalnya, Mauritius Radio Telescope (MRT) yang menggunakan 1084 buah antena berbentuk helix (gambar 1 dan 2). Contoh lainnya adalah teleskop radio yang menggunakan antena berbentuk horn, yang digunakan oleh Arno Penzias dan Robert Woodrow Wilson ketika menemukan Cosmic Microwave Background (CMB) (gambar 3). Pada artikel ini, yang akan disinggung adalah antena berbentuk dipol dan parabola.

Karakter Antena
Ada beberapa karakter penting antena yang perlu dipertimbangkan dalam memilih jenis antena untuk suatu aplikasi (termasuk untuk digunakan pada sebuah teleskop radio), yaitu pola radiasi, directivity, gain, dan polarisasi. Karakter-karakter ini umumnya sama pada sebuah antena, baik ketika antena tersebut menjadi peradiasi atau menjadi penerima, untuk suatu frekuensi, polarisasi, dan bidang irisan tertentu.

Pola radiasi antena adalah plot 3-dimensi distribusi sinyal yang dipancarkan oleh sebuah antena, atau plot 3-dimensi tingkat penerimaan sinyal yang diterima oleh sebuah antena. Pola radiasi antena dibentuk oleh dua buah pola radiasi berdasar bidang irisan, yaitu pola radiasi pada bidang irisan arah elevasi (pola elevasi) dan pola radiasi pada bidang irisan arah azimuth (pola azimuth).

Kedua pola di atas akan membentuk pola 3-dimensi seperti terlihat pada gambar 5. Pola radiasi 3-dimensi inilah yang umum disebut sebagai pola radiasi antena dipol.

Sebuah antena yang meradiasikan sinyalnya sama besar ke segala arah disebut sebagai antena isotropis. Antena seperti ini akan memiliki pola radiasi berbentuk bola (gambar 6a). Namun, jika sebuah antena memiliki arah tertentu, di mana pada arah tersebut distribusi sinyalnya lebih besar dibandingkan pada arah lain, maka antena ini akan memiliki directivity (gambar 6b). Semakin spesifik arah distribusi sinyal oleh sebuah antena, maka directivity antena tersebut semakin besar (gambar 7a dan 7b).

Dari gambar 4 dan 5, kita dapat melihat bahwa sinyal didistribusikan oleh sebuah antena dipol secara merata ke semua arah pada bidang XY. Oleh karena itu, antena dipol termasuk non-directive antenna. Dengan karakter seperti ini, antena dipol banyak dimanfaatkan untuk sistem komunikasi dengan wilayah cakupan yang luas. Pada astronomi radio, antena dipol digunakan pada teleskop radio untuk melakukan pengamatan pada rentang High Frequency (HF). Bentuk data yang dapat diperoleh adalah variabilitas intensitas sinyal yang dipancarkan oleh sebuah objek astronomi. Namun, karena antena dipol tidak memiliki directivity pada arah tertentu, teleskop radio elemen tunggal yang menggunakan antena jenis ini tidak dapat digunakan untuk melakukan pencitraan.

Gain (directive gain) adalah karakter antena yang terkait dengan kemampuan antena mengarahkan radiasi sinyalnya, atau penerimaan sinyal dari arah tertentu. Gain bukanlah kuantitas yang dapat diukur dalam satuan fisis pada umumnya seperti watt, ohm, atau lainnya, melainkan suatu bentuk perbandingan. Oleh karena itu, satuan yang digunakan untuk gain adalah desibel.

Polarisasi didefinisikan sebagai arah rambat dari medan listrik. Antena dipol memiliki polarisasi linear vertikal (pada gambar 4, searah dengan sumbu z). Mengenali polarisasi antena amat berguna dalam sistem komunikasi, khususnya untuk mendapatkan efisiensi maksimum pada transmisi sinyal. Pada astronomi radio, tujuan mengenali polarisasi sinyal yang dipancarkan oleh sebuah objek astronomi adalah untuk mempelajari medan magnetik dari objek tersebut.

Antena Parabola
Antena berbentuk parabola banyak digunakan dalam sistem komunikasi point-to-point, misalnya dalam sistem komunikasi satelit, karena antena parabola termasuk directive antenna. Hal ini dapat dilihat melalui pola radiasinya (gambar 9).

Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam pola radiasi, yang pertama adalah Half-power Beamwidth (HPBW), atau yang biasa dikenal sebagai beamwidth suatu antena. Dalam astronomi radio, beamwidth adalah resolusi spasial dari sebuah teleskop radio, yaitu diameter sudut minimun dari dua buah titik yang mampu dipisahkan oleh teleskop radio tersebut. Secara teori, beamwidth untuk antena yang berbentuk parabola dapat ditentukan.

Antena dipol, walaupun tidak termasuk directive antenna, juga memiliki beamwidth. Yang kedua adalah First Null Beamwidth (FNBW), yaitu sudut yang dilingkupi oleh main/major lobe sebuah antena. Kedua besaran tersebut menggambarkan bentuk dari major lobe. Dalam sistem komunikasi satelit, major lobe diharapkan sesempit mungkin. Selain menghindari sinyal melebar ke satelit lain, major lobe yang sempit memberikan gain yang besar jika dibandingkan dengan major lobe yang lebar. Hal yang sama berlaku jika antena parabola digunakan pada sebuah teleskop radio dalam bidang astronomi, dimana beamwidth yang sempit memberikan resolusi spasial yang tinggi. Major lobe juga memberikan gambaran mengenai directivity antena–semakin kecil major lobe sebuah antena, maka semakin tinggi directivity antena tersebut.

Minor lobes (side lobes dan back lobes) selalu muncul dalam setiap pola radiasi antena parabola. Minor lobes selalu diharapkan berukuran sekecil mungkin, karena selain mengurangi efisiensi, minor lobes yang besar dapat menyebabkan sinyal melebar ke satelit lain. Dalam kondisi antena sebagai penerima (misalnya pada sebuah teleskop radio), minor lobes memberikan kontribusi dalam menambah noise pada sinyal.

Jenis polarisasi pada antena berbentuk parabola ditentukan oleh polarisasi feedhorn-nya. Pada antena parabola, elemen yang mengubah sinyal elektromagnetik menjadi sinyal listrik (atau sebaliknya) terdapat di dalam feedhorn. Piringan parabola berfungsi untuk mengarahkan radiasi sinyal (antena sebagai peradiasi) atau mengumpulkan dan memfokuskan sinyal yang diterima (antena sebagai penerima).

Sumber-sumber utama:
Antenna Tutorial. AEROCOMM
Radiation Pattern Tutorial. Granite Island Group
N.J. Kolias et. al., Antennas. 2000. CRC Press L.L.C. http://www.engnetbase.com
MRT HOME PAGE. http://icarus.uom.ac.mu/mrt2.html
Hill, J.E., Gain of Directional Antenna. Watkins-Johnson Company
Antenna Patterns. Teleconsult Group.