Perancangan dan Realisasi Antena Rolled Dipole untuk Keperluan Ground Penetrating Radar GPR dengan
MenggunakanMetode Finite-Difference Time-Domain FDTD
Yudi Yuliyus Maulana
1
, Yuyu Wahyu
1
, Folin Oktafiani
1
dan , AA Lestari
2
1 Pusat Elektronika dan Telekomunikasi-LIPI Kampus LIPI Gd.20 Lt.4 Jl. Sangkuriang Bandung - INDONESIA
Telp.022-2504660 Fax. 022-2504659 Email : yudippet.lipi.go.id 2 International Research Centre for Telecommunication and Radar - Indonesian Branch
IRCTR-IB , STEI-ITB IRCTR-TU Delft, Jl. Ganesha 10, Bandung 40132 – INDONESIA
ABSTRAK
Antena GPR yang dirancang adalah antena Rolled dipole. Antena rolled dipole adalah sebuah antena dipole yang dibuat melingkar yang diberi pembebanan resistif. Untuk keperluan analisis digunakan metode
Finite Difference Time Domain FDTD dengan software FDTD3D untuk menganailisa sistem antena. Software FDTD3D akan secara langsung menghasilkan bentuk dan amplitudo sinyal transmisi antena rolled dipole.
Dalam pengukuran digunakan network analyzer VNA untuk mengukur impedansi input, VSWR, dan footprint antena. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa hasil simulasi dan realisasi berbeda. Hal ini
disebabkan oleh gejala staircasing yang terjadi dalam mendesain geometri antena
Kata kunci : antena GPR, rolled dipole, FDTD, scattering parameter, network analyzer
1. PENDAHULUAN GPR
Ground Penetrating Radar merupakan device
yang berguna untuk proses pendeteksian objek yang terkubur di bawah permukaan tanah
hingga kedalaman tertentu. Dengan GPR, berbagai kegiatan atau penelitian untuk mengetahui informasi
tentang keadaan di bawah permukaan tanah dapat dilakukan dengan cepat dan mudah. Contohnya
untuk mendeteksi kabel yang ada di bawah permukaan tanah, pondasi dari sebuah tower, dan
masih ada bidang lain dimana aplikasi GPR digunakan. Sehingga jelas bahwa penggunaan GPR
akan terus berkembang seiring dengan pengembangan teknologi yang menggunakan
subsurface
permukaan di bawah tanah sebagai medianya.
Dalam sistem GPR antena memainkan peran yang sangat penting, karena performansi umum dari
GPR yang menggunakan impuls radar sangat ditentukan oleh kemampuan antena untuk
meradiasikan impuls ke tanah dengan tingkat loss dan distorsi yang seminimal mungkin.
Secara umum, persyaratan antena GPR dan antena untuk aplikasi lain seperti telekomunikasi
secara esensi berbeda. Antena GPR impuls secara umum memerlukan ultra wide band UWB dan
dapat memancarkan pulsa-pulsa UWB secara baik. Antena harus mempunyai kopling yang baik
terhadap tanah untuk memaksimalkan energi yang ditransmisikan dibawah permukaan tanah.
Pada makalah ini akan dibahas perancangan dan realisasi antena rolled dipole untuk keperluan
ground penetrating radar. Antena rolled dipole adalah sebuah antena dipole yang dibuat melingkar
yang diberi pembebanan resistif. Antena dibuat melingkar untuk memperkecil dimensi antena,
sehinggga akan mempermudah penggunaan dilapangan.
Antena tersebut dirancang untuk eksitasi pulsa monocycle dengan durasi 1,6 ns frekuensi
pusat 600 MHz . Frekuensi tersebut cocok untuk aplikasi GPR resolusi menengah, yang digunakan
untuk mendeteksi target yang kedalaman nya kurang dari 1m contohnya ranjau, pipa, dan kabel.
Untuk menganalisa kinerja antena, digunakan pemodelan numerik dengan metode finite-difference
time-domain FDTD dengan menggunakan software FDTD3D. Pemilihan metode ini karena
keunggulan yang dimilikinya, diantaranya : FDTD bekerja pada domain waktu dimana untuk rentang
frekuensi yang lebar dapat diselesaikan hanya dengan sekali simulasi sehingga efektif jika
digunakan pada sistem yang menggunakan pulsa monocycle sebagai sumber eksitasi. Kemudian
FDTD memungkinkan pengguna untuk mendefinisikan sifat material pada semua titik di
dalam domain simulasi, sehingga antena yang di desain lebih nyata atau realistis [3].
2. SIMULASI
Pulsa yang dipilih dalam perancangan antena GPR yang diusulkan ini adalah pulsa monocycle
dengan durasi 1.6 ns . Dalam spektrum frekuensi pulsa monocycle dengan durasi 1.6 ns memiliki
119
frekuensi center pada 600 MHz. Simulasi antena dilakukan dengan software FDTD-3D.
Gambar 1: Hasil simulasi mat3d antena rolled dipole
Pada hasil simulasi Mat3d Antena Rolled dipole terlihat bentuk pendeskripsian yang sesuai
dengan yang diharapkan. Dimana hal ini berarti antena yang kita desain telah sesuai dengan
rancangan awal dan selanjutnya kita dapat melihat karakteristik sinyal transmisi dari antena yang telah
kita dideskripsikan diawal.
a
b
Gambar 2: Bentuk gelombang yang ditransmisikan oleh
antena rolled dipole yang dieksitasi oleh pulsa monocycle 1.6 ns, a titik pengamatan 5cm b titik pengamatan
10cm pada arah broadside antena dipol
Tabel 1: Nilai amplitudo peak to peak dan ringing bentuk
gelombang yang ditransmisikan oleh antena rolled dipole yang dieksitasi oleh pulsa monocycle 1.6 ns dengan titik
pengamatan 5 cm dan 10 cm pada arah broadside antena
.
Jarak Sinyal Transmisi
cm Amplitudo
puncak Vm
Amplitudo ringing
Vm Level
ringing dB
5 665 39
-24,6 10 436 56
-17.8
Dari tabel 1 terlihat nilai ringing yang kecil dibandingkan amplitudo sinyal pulsa utama. Hal ini
berarti antena rolled dipole baik untuk transmisi sinyal dengan pulsa lebar.
a
b
Gambar 3: Impedansi input antena rolled dipole saat
simulasi. a udara, b pasir
Salah satu parameter impedansi input dari antena ultrawideband adalah ia memiliki impedansi
input dengan nilai resistansi yang flat atau konstan pada range frekuensi tertentu dan nilai reaktansi nol
[11].
Pada gambar 3 terlihat bahwa terlihat karakteristik impedansi input yang mirip antara
udara dan pasir. Hal ini membuktikan antena ini adaptif pada permukaan yang berbeda. Pada gambar
tersebut juga terlihat bahwa impedansi input dalam medium pasir memberikan nilai yang lebih flat
dibandingkan dengan udara. Dimana hal ini terjadi
120
sebab pasir adalah absorber yang mengakibatkan perubahan karakteristik antena. Pasir ini akan
menyerap daya yang ditransmisikan antena. Pada bagian antara dua medium pasir dan udara akan
terjadi juga efek kopling, dimana efek kopling yang ada berupa pemantulan daya. Efek ini sering juga
disebut clutter untuk sisyem GPR. Efek kopling ini dapat diatasi dengan mendekatkan antena dengan
pasir. Pada simulasi ini antena dibuat menempel ke tanah.
Pada simulasi VSWR ini digunakan durasi pulsa 1.6 ns yang dalam spektrum frekuensinya
mempunyai center frequency pada 600 MHz. Pada makalah ini akan dianilisis nilai VSWR pada nilai
600 MHz ini. Antena yang baik untuk transmisi durasi pulsa 1.6 ns memiliki nilai VSWR yang
rendah pada frekuensi tersebut.
a
b
Gambar 4 : VSWR antena rolled dipole saat simulasi.
a udara, b pasir
Pada gambar 4 a dan b terlihat bahwa antena rolled dipole memiliki nilai VSWR yang
cukup baik rendah terhadap frekuensi . Hal ini sesuai dengan karakteristik VSWR yang diharapkan
dalam mendesain sebuah antena GPR dimana antena GPR harus memiliki nilai yang baik renda untuk
range frekuensi yang besar.
Pada gambar 4 a dan b terdapat sedikit perbedaan dalam nilai VSWR. VSWR yang rendah
pada gambar 4 a didapat pada frekuensi 825 Mhz dengan nilai VSWR 1,2 sedangkan pada 600 MHz
didapat VSWR 2,8. Pada gambar 4 b didapat VSWR yang rendah pada 667 MHz sebesar 1,5
sedangkan pada 600 MHz didapat VSWR 1,9. Sesuai dengan desain awal, diharapkan didapatkan
sebuah antena yang memiliki VSWR yang rendah pada 600MHz, hal ini dapat terbukti dari data diatas.
Hal ini membuktikan antena ini layak digunakan untuk transmisi pulsa dengan frekuensi center 600
MHz.
Gambar 5: Footprint antenna Rolled dipole disimulasikan
pada kedalaman 10 cm di pasir dalam desibel berdasarkan amplitude peak to peak
Pada gambar 5 terlihat footprint antena rolled dipole pada permukaan tanah. Footprint yang digunakan
pada percobaan ini menggunakan peak to peak amplitudo. Tabel 2 menunjukkan besar daerah -3 dB
dan -10 dB footprint antena. Nilai penurunan -3dB dan -10 dB adalah nilai yang paling banyak
digunakan dalam aplikasi GPR.
Tabel 2 : Nilai footprint antenna rolled dipole pada
simulasi 10 cm dibawah pasir dalam dB Level dB
X cm Y cm
-3 30 50 -10 40 90
3. PENGUKURAN DAN ANALISA