REFLEKSI, REFRAKSI, DIFRAKSI, INTERFERENSI, DAN POLARISASI GELOMBANG

 1. Pendahuluan

Bab Sembilan ini membahas cara gelombang elektromagnetik berinteraksi dengan batas medium, penghalang, celah,  permukaan,  dan  struktur  lingkungan.  Pada  sistem  telekomunikasi  digital,  sinyal  jarang merambat pada ruang bebas ideal. Gelombang radio dapat dipantulkan oleh gedung, dibiaskan oleh atmosfer,  terdifraksi  oleh  tepi  bangunan  atau  bukit,  dihamburkan  oleh  objek  kecil,  dan  tiba  di penerima melalui banyak lintasan. Pada sistem optik, cahaya mengalami refleksi dan refraksi pada batas core–cladding, serta dapat mengalami polarisasi dan interferensi pada perangkat 

Gambar 9.1 Peta kontribusi interaksi gelombang terhadap mata kuliah telekomunikasi.

Untuk tatap muka 100 menit (2 × 50 menit), bab ini tidak diarahkan menjadi pembahasan optika fisis yang mendalam. Tujuannya adalah membekali kita dengan bahasa fisika yang akan muncul kembali dalam Antena, Sistem Komunikasi Radio, Sistem Komunikasi Seluler, Sistem Komunikasi Satelit dan Radar, Saluran Transmisi dan Gelombang Mikro, serta Sistem Komunikasi Fiber Optik.

2. Refleksi Gelombang

Refleksi terjadi ketika gelombang mengenai batas antara dua medium atau permukaan yang menyebabkan sebagian energi kembali ke medium asal. Pada optika geometris, hukum refleksi menyatakan bahwa sudut datang sama dengan sudut pantul [2]

Gambar 9.2 Hukum refleksi pada batas medium.

 

Secara matematis:

 

��  = �� 

Dengan ��  adalah sudut datang dan ��  adalah sudut pantul, keduanya diukur terhadap garis  normal. Dalam sistem radio,  refleksi muncul ketika gelombang  mengenai gedung,  permukaan  tanah, air, kendaraan, atau struktur logam. Refleksi dapat menguntungkan karena memperluas cakupan non-line- of-sight, tetapi juga dapat menimbulkan multipath dan fading.

Pada sistem fiber, refleksi kecil dapat muncul pada konektor atau sambungan yang tidak sempurna. Refleksi balik yang besar dapat mengganggu sumber laser dan menurunkan kualitas link optik. Oleh karena itu, pada praktikum fiber optik kita akan mengenal istilah return loss, back reflection, dan optical return loss.

3. Refraksi dan Hukum Snell

Refraksi adalah pembelokan arah rambat gelombang ketika gelombang berpindah dari satu medium ke medium lain dengan kecepatan rambat yang berbeda. Pada optika, indeks bias � didefinisikan sebagai perbandingan kecepatan cahaya di vakum terhadap kecepatan cahaya di medium [2].

�

� =

�

Dengan � adalah kecepatan cahaya di vakum dan � adalah kecepatan cahaya dalam medium

Gambar 9.3 Refraksi dan hukum Snell.

 

Hukum Snell ditulis sebagai:

 

�1sin�1  = �2sin�2 

Jika gelombang  masuk ke medium dengan  indeks  bias  lebih besar,  maka gelombang  membelok mendekati normal. Jika masuk ke medium dengan indeks bias lebih kecil, maka gelombang membelok menjauhi normal. Konsep ini menjadi dasar total internal reflection pada fiber optik yang akan dibahas pada Bab X.

Pada propagasi radio, refraksi atmosfer dapat memengaruhi lintasan gelombang, terutama pada microwave link dan sistem radar. Perubahan indeks bias atmosfer dapat membuat lintasan gelombang sedikit melengkung, sehingga coverage aktual dapat berbeda dari perhitungan geometri sederhana.

4. Difraksi

Difraksi adalah pembelokan atau penyebaran gelombang ketika gelombang melewati tepi penghalang atau celah. Efek difraksi menjadi signifikan ketika ukuran penghalang atau celah sebanding dengan panjang gelombang [2].

Gambar 9.4 Difraksi gelombang pada tepi penghalang.

Pada sistem radio, difraksi membantu menjelaskan mengapa sinyal masih dapat diterima di belakang bukit, gedung, atau penghalang lain. Namun, difraksi juga menyebabkan tambahan rugi-rugi. Dalam perencanaan link radio, model difraksi digunakan untuk memperkirakan loss ketika lintasan tidak sepenuhnya  bebas  penghalang.  Rekomendasi  ITU-R  P.526  membahas  propagasi melalui difraksi untuk keperluan perencanaan radiowave [5].

Secara kualitatif, semakin besar penghalang terhadap zona rambat gelombang, semakin besar rugi-rugi difraksi. Karena itu, desain radio link tidak cukup hanya melihat garis lurus antara pemancar dan penerima, tetapi juga harus memperhatikan clearance zona Fresnel.

5. Interferensi

Interferensi terjadi ketika dua atau lebih gelombang bertemu dan saling menjumlahkan amplitudonya. Jika gelombang tiba sefase, maka terjadi interferensi konstruktif. Jika gelombang tiba berlawanan fase, maka terjadi interferensi destruktif [2].

Gambar 9.5 Interferensi dua sumber gelombang.

Untuk dua gelombang sinusoidal dengan amplitudo sama, beda fase ��� menentukan penguatan atau pelemahan resultan. Syarat interferensi konstruktif ideal dapat ditulis sebagai:

�� = ��,  � = 0,1,2, …

Sedangkan syarat interferensi destruktif ideal adalah:

1

�� = (� +    ) �

2

Dengan �� adalah beda lintasan dan � adalah panjang gelombang. Pada sistem seluler,  interferensi tidak hanya berasal dari pantulan, tetapi juga dari pemancar lain yang menggunakan  sumber daya frekuensi  atau  waktu  yang  berdekatan.  Oleh  sebab  itu,  konsep  interferensi  menjadi  dasar  bagi frequency planning, cell planning, SINR, MIMO, dan optimasi jaringan.

6. Polarisasi

Polarisasi menyatakan arah osilasi medan listrik pada gelombang elektromagnetik. Pada antena, orientasi medan listrik sangat penting karena antena penerima akan menerima daya maksimum ketika polarisasinya cocok dengan antena pemancar [11].

Gambar 9.6 Ilustrasi polarisasi linear dan circular.

Jenis polarisasi yang umum dibahas adalah polarisasi linear horizontal, linear vertikal, circular, dan elliptical. Pada sistem radio sederhana, antena vertikal akan paling efektif menerima sinyal berpolarisasi vertikal. Jika antena penerima diputar 90 derajat dari polarisasi pemancar, daya yang diterima dapat turun drastis.

Secara ideal, rugi polarisasi antara dua antena linear dapat dinyatakan sebagai:

��  = −20log10|cos�|

Dengan � adalah sudut ketidakselarasan polarisasi. Persamaan ini memberikan pemahaman  bahwa mismatch  kecil  mungkin  masih  dapat  ditoleransi,  tetapi  mismatch  mendekati  90   derajat   akan menghasilkan rugi sangat besar secara ideal.

7. Multipath dan Fading

Multipath terjadi ketika sinyal mencapai penerima melalui lebih dari satu lintasan. Lintasan tersebut dapat berupa lintasan langsung, lintasan pantulan tanah, pantulan gedung, difraksi, atau scattering. Karena setiap lintasan memiliki panjang dan delay berbeda, sinyal-sinyal tersebut tiba dengan fase berbeda.

Gambar 9.7 Multipath pada lingkungan radio.

Jika beberapa komponen multipath tiba sefase, sinyal menguat. Jika tiba berlawanan fase, sinyal melemah. Perubahan posisi pengguna, kendaraan, atau objek di sekitar dapat mengubah fase relatif sehingga level sinyal berubah cepat. Fenomena ini disebut fading. Inilah alasan mengapa RSSI atau SINR pada sistem wireless dapat naik-turun meskipun pemancar dan penerima tidak berubah dayanya. 

Pada sistem komunikasi digital, multipath dapat menyebabkan inter-symbol interference jika delay spread mendekati atau melebihi durasi simbol. Oleh karena itu, sistem modern seperti LTE, 5G, Wi- Fi, dan OFDM menggunakan teknik equalization, cyclic prefix, diversity, dan MIMO untuk mengurangi dampak multipath.

8. Zona Fresnel

Dalam link radio point-to-point, jalur propagasi tidak cukup hanya berupa garis lurus. Energi gelombang tersebar dalam volume elips di sekitar garis langsung yang disebut zona Fresnel. Zona Fresnel pertama sangat penting karena penghalang pada zona ini dapat menyebabkan difraksi dan interferensi yang menurunkan level sinyal.

Gambar 9.8 Zona Fresnel pada radio link.

Jari-jari zona Fresnel ke-� pada titik antara pemancar dan penerima dapat didekati sebagai:

���1�2 

��  = √

1

 

+ �2 

Dengan �1 dan �2 adalah jarak dari titik tersebut ke pemancar dan penerima. Untuk zona pertama:

��1�2 

�1  = √

1

 

+ �2 

Dalam  praktik,  clearance  zona  Fresnel  sering  menjadi  syarat  penting  pada  microwave  link  dan backhaul  radio.  Jika  sebagian  besar  zona  Fresnel  terhalang,  path  loss  efektif  akan  lebih  besar dibanding perhitungan ruang bebas.

9. Scattering, Absorpsi, dan Loss

Scattering terjadi ketika gelombang dihamburkan oleh objek kecil, ketidakteraturan permukaan, hujan, vegetasi, atau partikel di udara. Absorpsi terjadi ketika sebagian energi gelombang diubah menjadi energi internal medium, misalnya panas.

Gambar 9.9 Scattering dan absorpsi gelombang.

Pada frekuensi microwave dan gelombang milimeter, hujan dapat menghasilkan redaman yang signifikan.  Rekomendasi  ITU-R  P.838  memberikan  model  redaman  spesifik  akibat  hujan  untuk metode prediksi propagasi [13]. Pada fiber optik, scattering Rayleigh dan absorpsi material adalah penyebab utama redaman intrinsik. Karena itu,  konsep scattering dan absorpsi menjadi jembatan antara sistem radio dan sistem fiber.

Redaman sebagai besaran positif dapat ditulis sebagai:

  ���

���  = 10log10 (        )

���

Jika yang digunakan adalah perubahan daya bertanda, maka:

 ��� �   

Sehingga:

 

���  = 10log10 (        )

�� 

���  = −���

10. Studi Kasus: Antena Salah Polarisasi

Sebuah link radio menggunakan antena pemancar vertikal dan antena penerima yang tidak sengaja dipasang dengan orientasi mendekati horizontal. Secara fisika, antena penerima tidak lagi sejajar dengan medan listrik sinyal yang datang. Akibatnya, daya yang diterima turun meskipun jarak, frekuensi, dan daya pancar tidak berubah.

Kasus ini menunjukkan bahwa troubleshooting link radio tidak cukup hanya memeriksa daya pancar. Teknisi juga perlu memeriksa orientasi antena, line-of-sight, penghalang zona Fresnel, multipath, konektor, kabel, dan lingkungan sekitar.

11. Materi Pengayaan

Materi berikut tidak wajib dibahas penuh pada tatap muka 100 menit (2 × 50 menit), tetapi dapat dijadikan bacaan mandiri:

1. koefisien refleksi Fresnel;
2. difraksi knife-edge secara matematis;
3. fading Rayleigh dan Rician;
4. delay spread dan coherence bandwidth;
5. model propagasi empiris pada system seluler;
6. polarisasi silang dan isolasi antena;
7. scattering Rayleigh pada fiber optik.

12. Ringkasan

Bab ini memperkenalkan fenomena fisika yang menjelaskan mengapa sinyal telekomunikasi tidak selalu merambat secara ideal. Refleksi, refraksi, difraksi, interferensi, polarisasi, scattering, dan multipath menentukan kualitas link radio maupun optik. Untuk kita Jaringan Telekomunikasi Digital, pemahaman konseptual bab ini menjadi prasyarat penting bagi Antena, Sistem Radio, Sistem Seluler, Satelit dan Radar, Fiber Optik, serta troubleshooting jaringan.

13. Soal Latihan

1. Sudut datang gelombang terhadap normal adalah 35°. Tentukan sudut pantul.
2. Cahaya dari udara (n1=1,00) masuk kaca (n2=1,50) dengan sudut datang 30°. Hitung sudut bias.
3. Hitung sudut kritis dari medium n1=1,50 ke udara n2=1,00.
4. Hitung panjang gelombang sinyal Wi-Fi 2,4 GHz.
5. Dua lintasan memiliki beda panjang tepat satu panjang gelombang. Jenis interferensi ideal apa yang terjadi?
6. Dua lintasan memiliki beda panjang λ/2. Jenis interferensi ideal apa yang terjadi?
7. Antena linear memiliki mismatch polarisasi 60°. Hitung faktor daya dan loss polarisasi.
8. Daya masuk 10 mW dan daya keluar 2 mW. Hitung redaman positif dalam dB.
9. Hitung jari-jari zona Fresnel pertama di titik tengah link 10 km pada 2,4 GHz.
10. Mengapa sinyal masih dapat diterima di balik tepi gedung meskipun LoS terhalang?
11. Mengapa level Wi-Fi dapat berubah walaupun perangkat hanya bergerak beberapa sentimeter?
12. Mengapa hujan makin penting pada link microwave frekuensi tinggi?
13. Berikan satu contoh scattering pada radio dan satu pada fiber.
14. Jelaskan pengaruh refraksi atmosfer terhadap lintasan microwave.
15. Jika RSSI turun  karena  antena penerima diputar  90° terhadap  antena pemancar  linear,  apa penyebab fisik pertama yang perlu diperiksa?

14. Pembahasan Soal

1. Pembahasan Soal 1

Diketahui:    𝜃𝑖 = 35°

Ditanya:    θr. 

Rumus/Ketentuan:    𝜃𝑟 = 𝜃𝑖

Jawab:    𝜃𝑟 = 35∘

Hasil akhir:    Sudut pantul adalah 35° terhadap normal.

2. Pembahasan Soal 2

Diketahui: 𝑛1 = 1,00; 𝑛2 = 1,50; 𝜃1 = 30°

Ditanya: θ2. 

Rumus/Ketentuan:    𝑛1sin𝜃1 = 𝑛2sin𝜃2

Jawab: sin𝜃2 = (1/1,5) sin30∘ = 1/3;     𝜃2 ≈ 19, 47∘

Hasil akhir: Sudut bias sekitar 19,5°.

3. Pembahasan Soal 3

Diketahui: 𝑛1 = 1,50; 𝑛2 = 1,00 

Ditanya: θc. 

Rumus/Ketentuan:    sin𝜃𝑐 = 𝑛2/𝑛1

Jawab: 𝜃𝑐 = sin−1(1/1,5) ≈ 41, 81∘

Hasil akhir:

Sudut kritis sekitar 41,8°.

4. Pembahasan Soal 4

Diketahui:

Ditanya: λ. Rumus/Ketentuan:

 1,5

� = 2,4GHz; � = 3 × 108�/�

Jawab: 

Hasil akhir:

� = 0,125� 

Panjang gelombang adalah 12,5 cm.

5. Pembahasan Soal 5

Diketahui:

Ditanya: Jenis interferensi. Rumus/Ketentuan:

 Jawab: 

Untuk � = 1, beda fase = 2� sehingga gelombang tiba sefase. Hasil akhir:

Terjadi interferensi konstruktif ideal.

6. Pembahasan Soal 6

Diketahui:

Ditanya: Jenis interferensi. 

Rumus/Ketentuan:

Jawab:

Untuk � = 0, beda fase = �. Hasil akhir:

 

��������������� = (� +   ) �

2 

Terjadi interferensi destruktif ideal.

7. Pembahasan Soal 7

Diketahui: ψ=60°. Ditanya:

Faktor daya dan Lpol.

Rumus/Ketentuan: 

Jawab: Hasil akhir:

 

PLF = cos2�; ���� = −10log10(PLF)

PLF = cos260∘  = 0,25; ���� = −10log10(0,25) = 6,02dB 

Hanya 25% daya ideal terkopel; loss sekitar 6,0 dB.

8. Pembahasan Soal 8

Diketahui: 

Ditanya: A. Rumus/Ketentuan:

 

��� = 10mW; ����  = 2mW

Jawab:

 � = 10log10 (        )

��� 

Hasil akhir: Redaman adalah sekitar 7,0 dB.

9. Pembahasan Soal 9

Diketahui:

 

� = 10log10(5) = 6,99dB 

Ditanya:

r1.

 

�1  = �2  = 5km = 5000�; � = 0,125�; � = �1 + �2  = 10000� 

Rumus/Ketentuan:

 

Jawab:

 

�1  = √(�

 Hasil akhir:

 

0,125 × 5000 × 5000

≈ 17,68�

10000 

Jari-jari Fresnel pertama di titik tengah sekitar 17,7 m.

10. Pembahasan Soal 10

Diketahui:

Ada tepi penghalang pada lintasan. Ditanya:

Fenomena fisika.

Rumus/Ketentuan: 

Jawab:

 

������� ��������. 

Gelombang menyebar/membelok di sekitar tepi sehingga sebagian energi mencapai area bayangan. Hasil akhir:

Penerimaan NLoS sebagian dapat dijelaskan oleh difraksi.

11. Pembahasan Soal 11

Diketahui:

Lingkungan memiliki pantulan multipath. 

Ditanya: Penyebab fluktuasi. 

Rumus/Ketentuan:

Jawab:

 

Perpindahan    kecil    mengubah    beda    lintasan    relatif    terhadap    λ    sehingga    resultan

konstruktif/destruktif berubah. Hasil akhir:

Fluktuasi cepat dapat berasal dari multipath fading.

12. Pembahasan Soal 12

Diketahui:

Tetes hujan berinteraksi dengan gelombang. Ditanya:

Dampak frekuensi.

Rumus/Ketentuan:

Jawab:

Ketika  panjang  gelombang  makin  sebanding  dengan  ukuran  tetes,  interaksi  dan  penyerapan menjadi lebih signifikan.

Hasil akhir:

Hujan dapat menambah attenuation pada microwave, khususnya pita lebih tinggi.

13. Pembahasan Soal 13

Diketahui:

Scattering adalah penyebaran energi oleh ketidakseragaman/objek. Ditanya:

Contoh.

Rumus/Ketentuan: 

Jawab:

Radio: penyebaran oleh pepohonan/permukaan kasar. Fiber: Rayleigh scattering  oleh fluktuasi mikroskopik indeks bias.

Hasil akhir:

Scattering terjadi pada radio maupun serat optik dengan mekanisme fisik sesuai mediumnya.

14. Pembahasan Soal 14

Diketahui:

Indeks bias atmosfer berubah dengan ketinggian. Ditanya:

Dampak lintasan. Rumus/Ketentuan: 

Jawab:

Perubahan bertahap indeks bias membelokkan lintasan gelombang sehingga lintasan efektif dapat sedikit melengkung.

Hasil akhir:

Refraksi atmosfer mengubah geometri coverage dan clearance.

15. Pembahasan Soal 15

Diketahui:

Antena linear awalnya cocok lalu diputar 90°. Ditanya:

Penyebab penurunan level.

Rumus/Ketentuan: 

Jawab:

 

PLF = cos2� 

Untuk � = 90∘ ,  model  ideal memberi PLF = 0 .  Sistem  nyata  masih  menerima  karena  cross- polarization dan multipath.

Hasil akhir: Penyebab utama adalah mismatch polarisasi.

15. Daftar Referensi

[1]    BIPM,  The  International  System  of  Units  (SI),  9th  ed.,  Bureau  International des  Poids  et
Mesures. Tautan:  https://www.bipm.org/en/publications/si-brochure

[2]    OpenStax,        University        Physics        Volume        3,        Rice        University.        Tautan:
https://openstax.org/details/books/university-physics-volume-3

[3]    NASA,          Introduction          to          the          Electromagnetic          Spectrum.          Tautan:
https://science.nasa.gov/ems/01_intro/

[4]    ITU-R,   Recommendation   ITU-R   P.525:   Calculation   of   free-space   attenuation.   Tautan:
https://www.itu.int/rec/R-REC-P.525

[5]    ITU-R,     Recommendation     ITU-R     P.526:     Propagation     by     diffraction.     Tautan:
https://www.itu.int/rec/R-REC-P.526

[6] ITU-T, Recommendation ITU-T G.650.1: Definitions and test methods for linear, deterministic attributes of single-mode fibre and cable. Tautan: https://www.itu.int/rec/T-REC-G.650.1

[7]    ITU-T, Recommendation ITU-T G.652: Characteristics of a single-mode optical fibre and cable.
Tautan: https://www.itu.int/rec/T-REC-G.652

[8]    G.      Keiser,      Optical      Fiber      Communications,      McGraw-Hill.      Tautan      penerbit:
https://www.mheducation.com/

[9]    G.    P.    Agrawal,     Fiber-Optic    Communication    Systems,    Wiley.    Tautan    penerbit: https://www.wiley.com/

[10]  B.  E.  A.  Saleh  and  M.  C.  Teich,  Fundamentals  of  Photonics,  Wiley.  Tautan  penerbit: https://www.wiley.com/

[11]  C.    A.    Balanis,    Antenna    Theory:    Analysis    and    Design,    Wiley.    Tautan    penerbit: https://www.wiley.com/

[12]  D. M. Pozar, Microwave Engineering, Wiley. Tautan penerbit: https://www.wiley.com/

[13]  ITU-R, Recommendation ITU-R P.838: Specific attenuation model for rain for use in prediction methods. Tautan: https://www.itu.int/rec/R-REC-P.838