SIMULASI Prosiding.Seminar.Radar.Nasional.2009

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