DESAIN SISTEM ANTENA Prosiding.Seminar.Radar.Nasional.2009

133 Antena Dipole dengan Pembebanan Resistif dan Layer Dielektrik untuk Ground Penetrating Radar GPR Y.Wahyu 1 , A.Kurniawan 2 , Sugihartono 2 , A.S Ahmad 2 , A A Lestari 3 1 Puslit Elektronika dan Telekomunikasi-LIPI 2 Sekolah Teknik Elektro dan Informatika-ITB 3 IRCTR-TU DELFT The Netherland Email : yuyuppet.lipi.go.id ABSTRAK Pantulan dari bidang batas medium merupakan hal yang tidak dapat dihindarkan pada antena GPR.yang menyebabkan energi yang berhasil ditransmisikan ke dalam medium menjadi lebih kecil. Hal ini ditunjukkan dengan menurunnya amplituda gelombang yang ditransmisikan. Untuk meminimalisasi pantulan ini digunakanlah layer dielektrik sebagai media transisi dari antena ke medium yang diharapkan amplituda dari sinyal yang sampai ke medium akan semakin tinggi. Selain dari amplitud perlu juga diperhatikan level ringing. Antena yang baik mempunyai level ringing yang kecil. Oleh karena itu digunakan pembebanan resistif yang diharapkan gelombang pantulan dari ujung antena dapat diperkecil. Jadi adanya pembebanan resistif dan layer dielektrik diharapkan sinyal yang ditransmisikan ke dalam medium mempunyai level ringing yang rendah dan juga mempunyai amplituda yang tinggi. Kata kunci : antena GPR, ringing, layer dielektrik.

1. PENDAHULUAN

GPR merupakan device yang berguna untuk proses pendeteksian objek yang terkubur di bawah permukaan tanah hingga kedalaman tertentu tanpa perlu dilakukan penggalian tanah. GPR dapat memberikan berbagai kegiatan atau penelitian untuk mengetahui informasi tentang keadaan di bawah permukaan tanah dapat dilakukan dengan cepat dan mudah. 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. Ini berarti bahwa impuls antena GPR harus mampu meminimalkan late-time ringing . Pembebanan resistif digunakan untuk mengatasi refleksi internal tersebut [1]. Salah satu kemungkinan untuk adaptasi didepan antenna adalah melekatkan lempengan dilektrik yang berlapis diantara antena dan tanah yang diilustrasikan pada gambar 2. Tujuan pendekatan ini meciptakan transisi yang optimal penjalaran gelombang elektromagnetik dari antena kedalam tanah sehingga antena tidak sensitif dengan kehadiran tanah. Dengan demikian pendekatan ini akan memaksimalkan energi yang dipancarkan oleh antena ke dalam tanah sebagaimana transisi yang optimal yang akan meminimalkan refleksi dari permukaan tanah. Masalah yang utama pada pendekatan ini adalah mendaptkan profil optimal dari lapisan dielektrik untuk pulsa tertentu Untuk menganalisa bentuk amplituda yang sampai ke dalam medium digunakan pemodelan numerik dengan metode finite-difference time-domain FDTD dengan menggunakan software FDTD3D. Pemilihan metode ini dengan pertimbangan bahwa hasil yang ingin didapatkan adalah bentuk gelombang dalam domain waktu. Keuntungan lain penggunaan FDTD diantaranya : FDTD bekerja efektif pada sistem yang menggunakan pulsa monocycle sebagai sumber eksitasi, kemudian FDTD memungkinkan pengguna untuk mendefenisikan sifat material pada semua titik dalam domain komputasi sehingga antena yang didesain lebih realistis [2].

2. DESAIN SISTEM ANTENA

Antena GPR yang diusulkan yaitu antena dipole dengan pembebanan resistif dan layer dielektrik. Penggunaan antena dipole tak lain adalah karena antena dipole merupakan antena yang sering digunakan untuk aplikasi GPR terutama karena kesederhanaannya [3]. Permasalah utama antena dipole untuk aplikasi GPR adalah sifatnya yang narrowband , padahal untuk aplikasi GPR dibutuhkan antena dengan karakteristik ultra wideband . Untuk mengatasi hal ini pada lengan antena dilakukan pembebanan resistif sebut saja lengan ini lengan beban dengan profil Wu-King untuk mengurangi late-time ringing akibat multiple reflection antara ujung antena dan feedpoint. Geometri antena dapat dilihat pada gambar 1. Garis putus-putus menggambarkan lengan beban sedangkan celah yang memisahkan garis merupakan tempat pembebanan resistif dengan menyisipkan elemen lumped resistor sesuai dengan profil Wu-King. Jumlah resistor yang digunakan 65 buah dengan resistansi awal 200 ohm. Dari [5] diketahui bahwa jarak antara feedpoint dengan resistor pertama dipilih sejauh dimana c merupakan kecepatan cahaya, f merupakan frekuensi tengah pulsa dan merupakan permitifitas relatif substrat ε r = 4.34 agar radiasi dari resistor pertama saling menguatkan dengan radiasi dari feedpoint pada arah broadside antena. 134 4 cm Resistor 132 cm Substrat FR-4 Feedpoint Main section 6 cm Loaded section 57.9 cm Gambar 1: Geometri antena dipole dengan pembebanan resistif Selanjutnya pada antena dipasang 6 layer dielektrik sebagai transisi dari antena ke medium seperti terlihat pada gambar 2. Profil layer dielektrik yang digunakan adalah linear dimana selisih ε r antar layer dielektrik yang berurutan sama besar. Alasan pemilihan profil linear ini adalah karena kesederhanaannya. Nilai ε r dari masing – masing layer dielektrik dan tebalnya dapat dilihat pada tabel 1. Untuk simulasi ini digunakan 6 titik pengamatan seperti terlihat pada gambar 3. Titik 1 dan 2 digunakan untuk menghasilkan grafik impedansi input dan VSWR karena program FDTD3D tidak menghasilkan langsung impedansi input dan VSWR. Data yang dihasilkan dari titik 1 dan 2 harus diolah lebih lanjut dengan menggunakan Matlab agar dapat menghasilkan grafik impedansi input dan VSWR. Titik 3, 4, 5 dan 6 digunakan untuk melihat amplituda peak to peak sinyal dan ringing yang dihasilkan. Medium yang digunakan memiliki ε r = 10 dan σ = 0.05 Feed Line Layer dielektrik Medium Antena Gambar 2 : Antena dengan layer dielektrik Tabel 1: Profil layer dielektrik yang digunakan Layer Tebal 1 2.28 1.67 cm 2 3.57 1.67 cm 3 4.85 1.67 cm 4 6.14 1.67 cm 5 7.42 1.67 cm 6 8.71 1.67 cm X Z 1 2 Antenna Under Test AUT 3 5 4 6 10 cm 12 cm 15 cm Layer dielektrik Medium 7 cm Gambar 3: Titik-titik pengamatan simulasi Gambar 4: Model Antena dengan FDTD

3. HASIL SIMULASI