PEMILIHAN GEOMETRI ANTENA WIRE BOW-TIE MENGGUNAKAN SIMULASI FDTD3D PADA RENTANG FREKUENSI 500-1200 MHz
Ringkasan TUGAS AKHIR
Oleh: Ryan Himawan 13201140 Kelompok Keilmuan Teknik Telekomunikasi
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
ABSTRAKSI
dengan gelombang bebas, atau sebaliknya.
Antena merupakan bagian yang sangat penting bagi sistem GPR. Antena untuk aplikasi GPR harus didesain untuk meradiasikan pulsa durasi pendek ke tanah dan menerima pulsa-pulsa yang dihamburkan
oleh
objek-objek
dibawah
permukaan tanah. Oleh karena itu antenna GPR harus memiliki bandwidth yang sangat lebar
Antena dikatakan merupakan sebuah bentuk transisi dari gelombang elektromagnetik yang dihasilkan oleh peralatan penghasil gelombang elektromagnetik lalu disalurkan melalui suatu saluran transmisi tertentu yang digunakan sebagai
pembimbing
tersebut,
dengan gelombang elektromagnetik bebas yang merupakan
(Teknologi Ultra Wideband).
gelombang
gelombang
elektromagnetik
sebenarnya yang akan diterima oleh antena lain Pada tugas akhir ini penulis akan memilih
yang berfungsi sebagai penerima.
geometri dari antena wire bow-tie dengan dua spesifikasi berbeda pada rentang frekuensi 5001200 MHz (fc=850 MHz) dengan melakukan simulasi menggunakan program FDTD3D. Pada simulasi menggunakan software FDTD3D ini akan dilihat respon pulsa antena wire bow-tie pada titik pengamatan 5 dan 10 cm dari broadside antena untuk mengetahui besaran grafik medan listrik dan magnitudenya.
Sedangkan menurut definisi yang terdapat pada The IEEE Standard Definitions of Terms for Antenas (IEEE Std 145-1973), yaitu definisi antena adalah suatu alat yang digunakan untuk meradiasikan atau menerima gelombang radio. Dari sini terlihat bahwa suatu struktur dikatakan antena adalah ketika struktur tersebut dapat berfungsi
sebagai
penerima
maupun,
meradiasikan gelombang radio. Agar mendapatkan grafik yang lebih baik atau signifikan (perubahan amplituda lebih baik dari LTR) maka wire bowtie dipasangi resistor sebanyak 25 buah setiap wirenya. Hasilnya kinerja (grafik) antena menjadi lebih baik ditandai
dengan
perbandingan
pengurangan
ampitude medan (Epp) terhadap berkurangnya Late Time Ringing (LTR) menjadi lebih besar.
Seperti sistem radar umumnya, sistem GPR terdiri atas bagian pengirim (transmitter), yaitu antena yang terhubung ke sumber pulsa, dan bagian penerima (receiver), yaitu antena yang terhubung ke unit pengolahan sinyal dan citra. Adapun dalam menentukan tipe antena yang digunakan, sinyal yang ditransmisikan dan metoda pengolahan sinyal tergantung pada
Kata kunci: antena GPR, antena transient, impulse GPR, durasi pulsa, FDTD
beberapa hal yaitu: • Jenis objek yang akan dideteksi • Kedalaman objek
PENDAHULUAN
• Karakteristik elektrik medium tanah Dari proses pendeteksian seperti diatas, maka
Secara umum antena dapat didefinisikan sebagai struktur transisi antara gelombang terbimbing
akan didapatkan suatu citra dari letak dan bentuk dari objek yang terletak dibawah tanah.
Untuk menghasilkan pendeteksian yang baik,
memenuhi rentang frekuensi yang diharapkan
suatu sistem GPR harus memenuhi empat
yaitu 500-1200 MHz. Optimasi ini dilakukan
persyaratan sebagai berikut:
dengan
• Kopling radiasi yang efisien kedalam tanah
permitivitasnya, yaitu ε r = 4.5 dan ε r = 16 .
• Penetrasi gelombang elektromagnetik yang
Kemudian untuk mengurangi late time ringing
efisien
dua
antena
yang
berbeda
yang terjadi, kedua tipe antena ini selanjutnya
• Menghasilkan sinyal dengan amplituda yang
akan diberi resistor di lengan (wing) antenanya.
besar dari objek yang dideteksi • Bandwidth yang cukup untuk menghasilkan
METODE FDTD
resolusi yang baik Metode finite-difference time domain (FDTD) Antena merupakan bagian yang sangat penting
merupakan metode yang paling popular dan
bagi
paling banyak digunakan dalam
sistem
GPR
harus
didesain
untuk
simulasi
meradiasikan pulsa ke tanah dan menerima
elektromagnetik. Metode ini pertama kali
pulsa-pulsa yang dihamburkan oleh objek-objek
diperkenalkan oleh Kane S Yee pada tahun
di bawah permukaan tanah. Oleh karena itu,
1966. metode FDTD merupakan pendekatan
antena GPR harus memiliki bandwidth yang
untuk menyelesaikan permasalahan persamaan
sangat lebar (Ultra Wideband) dengan karakter
Maxwell melalui diskritisasi domain waktu dan
fasa linear dan polarisasi konstan. Sedangkan
domain ruang. Meskipun Yee mempublikasikan
menurut definisi yang dikeluarkan oleh Defense
metode FDTD pada tahun 1966, namun metode
Advanced Research Projects Agency (DARPA)
tidak langsung mendapat popularitas, persoalan
pada tahun 1990, ultra wideband merupakan
utamanya
sistem dan sinyal yang fractional-bandwidth-nya
komputer (kecepatan komputer dan kapasitas
lebih besar atau sama dengan 25%. Sedangkan
memori) yang ada pada saat itu. Metode FDTD
fractional bandwidth itu sendiri didefinisikan
didasarkan atas persamaan Maxwell yang
sebagai berikut :
merupakan
Fractional Bandwidth =
2( fH − fL) ≥ 25% ( fH + fL )
adalah
keterbatasan
perumusan
teknologi
matematis
untuk
hukum-hukum alam yang mendasari fenomenafenomena EM. Perdasamaan Maxwell ini
dengan fH didefinisikan sebagai batas frekuensi
merupakan rangkuman dari empat hukum
fL didefinisikan sebagai batas
mengenai medan listrik dan medan magnet,
tertinggi dan
frekuensi terendah pada –10 dB dari spektrum sinyal yang digunakan. Pada tugas akhir ini penulis akan mencoba untuk mengoptimasikan geometri dari antena wire bow-tie menggunakan simulasi FDTD3D, sehingga didapatkan dimensi dan
geometri
antena
wire
bow-tie
yang
yaitu hukum Faraday, hukum Ampere, hukum Gauss untuk medan listrik dan hukum Gauss untuk medan magnet. Keempat hukum tersebut dapat dituliskan baik dalam bentuk integral maupun dalam bentuk differensial sebagai berikut.
o Hukum Faraday
ur ur uur ∂B = −∇ × E − J m ∂t ur uur uur uur ∂ ur uur B.ds = − ∫ E.dl − ∫∫ J m .ds ∫∫ ∂t s c s
dimana
adalah
kecepatan-rambat
gelombang tertinggi dalam ruang permasalahan, biasanya diasumsikan kecepatan cahaya di
o Hukum Ampere
ruang hampa. Bila
ur uur uur ∂D = ∇ × H + Je ∂t uur uur uur uur ∂ ur uur D . ds H . dl = − + ∫c ∫∫s J e .ds ∂t ∫∫ s
akan
diperoleh
, maka hubungan
langkah-waktu
dengan langkah-ruang sebagai suatu persamaan yang sederhana berikut ini:
o Hukum Gauss untuk medan listrik
ur ∇.D = 0
dan
ur uur ∫∫ D.ds = 0
o Hukum Gauss untuk medan magnet
ur ∇.B = 0
dan
PERANCANGAN DAN HASIL SIMULASI
ur uur ∫∫ D.ds = 0
Algoritma FDTD didasarkan atas difference,
Arus input yang digunakan adalah turunan
dimana keakurasian akan semakin baik bila
pertama pulsa Gaussian yang mempunyai
ukuran sel yang digunakan semakin kecil.
persamaan sebagai berikut:
Namun, kompensasi yang harus dibayar adalah
I (t ) = − 2 I 0
komputasi
akan
semakin
rumit
dan
(t − t c ) e x p ⎛ (t − t c ) ⎞ ⎜ ⎝
tw
tw
2
⎟ ⎠
membutuhkan resource computer (kecepatan
Agar antena bekerja pada frekuensi yang
CPU dan kapasitas memori) yang sangat tinggi.
diinginkan yaitu 500-1200 MHz atau memiliki
Untuk
mendapatkan
resolusi
ruang
yang
memadai dalam region komputasi, sel Yee harus sekecil
mungkin,
biasanya
ukuran
sel
diambil 1/10 sampai dengan 1/20 dari panjang gelombang terhadap frekuensi tertinggi yang digunakan. Langkah-
f c = 850 MHz , maka input arus adalah: tc = pusat pulsa = 1ns tw = lebar pulsa = 0.265 ns Gambar input arus pada titik catu dalam domain waktu dan frekuensi adalah sebagai berikut:
waktu (time-step) harus dipilih untuk memenuhi kestabilan numerik dari algoritma lompat-katak (leap-frog). Berdasarkan teorema kestabilan, langkah-waktu
memiliki hubungan matematis
dengan langkah-ruang
,
, dan
. Untuk
suatu kisi-kisi FDTD 3-dimensi, persyaratan kestabilan Curant berikut harus terpenuhi: (a)
Software yang digunakan adalah FDTD3D seperti yang terlihat dibawah ini:
(b) Gambar 1. Pulsa yang dibangkitkan oleh antenna (a) bentuk gelombang, (b) spektrum.
Dalam
penelitian
tugas
akhir
ini
Gambar 2. Pulsa Software FDTD3D
dirancang dua antena GPR dengan masingmasing memiliki ε r yang berbeda, sehingga
Pada tugas akhir ini antena akan dioptimasi
didapatkan geometri antena sebagai berikut:
pada 4 titik yaitu feedpoint(1), terminal
lmax =
antena(2), 5 cm dari broadside(3) dan 10 cm
c 4 fc ε r
dari broadside(4). Antenna Under Test (AUT)
Maka didapat untuk main antena :
12
8
lmax1 =
3.10 =0.0416 meter= 4.16 cm 4.850.106 4.5
lmax 2 =
3.108 =0.0221 meter= 2.21 cm 4.850.106 16
3 Z
Dengan nilai ini maka panjang main antena yang digunakan adalah 4 cm untuk ε r =4.5 dan 2.2 cm untuk ε r =16. Optimasi panjang wing antena yang paling
4 X
Gambar 3. Titik-titik pengamatan pada simulasi
Analisis Hasil Simulasi •
Untuk Main antena 4 cm
sesuai dengan kriteria antena yang diinginkan seperti yang tertera dibawah: •
Untuk Main antena 4 cm Untuk wing antena, akan dicari optimasi dengan panjang bervariasi yaitu 5, 6.25, 7.5, dan 9 cm untuk dicari yang terbaik.
•
Untuk Main max antena 2.21 cm Untuk wing antena, akan dicari optimasi dengan panjang bervariasi yaitu 2.5, 3.75, 4.5, dan 7.5 cm untuk dicari yang terbaik.
(a)
(b) Gambar 4. Membandingkan antena dengan wing 5 cm, 6.25 cm, 7.5 cm, dan 9 cm pada (a) jarak 5 cm dari broadside, Gambar(b) pada jarak 10 cm dari broadside.
Gambar 5. Membandingkan antena dengan wing 2.5 cm, 3.75 cm, 4.5 cm, dan 7.5 cm (a) pada jarak 5 cm dari broadside, Gambar(b) pada jarak 10 cm dari broadside.
Terlihat dari gambar bahwa main antena 4 cm dengan wing antena sepanjang 7.5 cm memiliki kenaikan amplituda yang signifikan terhadap memiliki Late Time Ringing (LTR). •
(b)
Terlihat dari gambar bahwa main antena 2.2 cm dengan wing antena sepanjang 3.75 cm memiliki kenaikan amplituda yang signifikan terhadap Late Time Ringing (LTR). Setelah didapatkan Wing yang paling optimum, maka
Untuk Main antena 2.2 cm
selanjutnya akan dilihat kinerja antena pada bentuk wire, dan wire dengan loading. Maka hasilnya adalah sebagai berikut: •
Untuk ε r =4.5 dengan main antena 4 cm dan wing antena 7.5 cm
(a)
(a)
•
Untuk ε r =16 dengan main antena 2.2 cm dan wing antena 3.75 cm
(b) Gambar 6. Perbandingan [ Ex ] untuk main 4 cm dan wing 7.5 cm dengan jenis plate, wire, loading (a) jarak 5 cm (b) jarak 10 cm
(a) Perhitungan Medan terhadap LTR (Plate vs Loading) pada jarak 5 cm dari broadside:
⎛ 433.2 − 498 ⎞ ⎟100% =-14.959% ⎝ 433.2 ⎠
Ampl= ⎜
⎛ 65.502 − 154.42 ⎞ ⎟100% =-135.749% 65.502 ⎝ ⎠
LTR= ⎜
(b) Gambar 7. Perbandingan [ Ex ] untuk main 2.2 cm
Terlihat bahwa dengan penambahan resistor
dan wing 3.75 cm dengan jenis plate, wire, loading
pada wing antena, amplituda medan mengecil
(a) jarak 5 cm (b) jarak 10 cm
sebesar
hampir
15%
walaupun
begitu
pengurangan LTR jauh lebih kecil yaitu hampir
Perhitungan Medan terhadap LTR pada jarak 5
136%. Hal seperti inilah yang diharapkan dari
cm dari broadside:
penambahan resistor.
Ampl
=
⎛ 215.9 − 337.1 ⎞ ⎜ ⎟100% =-56.137% 215.9 ⎝ ⎠
⎛ 60.54 − 96.196 ⎞ ⎟100% =--58.897% 60.54 ⎝ ⎠
LTR= ⎜
Terlihat bahwa dengan penambahan resistor pada wing antena, amplituda medan mengecil sebesar
hampir
56%
walaupun
begitu
pengurangan LTR jauh lebih kecil yaitu hampir 59%. Walaupun pengurangan LTR jauh lebih
besar
daripada
Amplituda
medan
(sesuai
flat dibandingkan dengan input impedansi
harapan), tetapi besarnya tidak terlalu jauh
antena bowtie wire tanpa resistor, ini berarti
(hanya 1.054 kali) jika dibandingkan dengan
konfigurasi antena wire bowtie dengan loading
pengurangan LTR terhadap Amplituda medan
mampu memperbaiki impedansi input antena
pada main antena 4 cm yang dapat mencapai
wire tanpa loading.
9.067 kalinya. • Impedansi Input •
Untuk ε r =16 dengan main antena 2.2 cm dan wing antena 3.75 cm
Untuk ε r =4.5 dengan main antena 4 cm dan wing antena 7.5 cm
Gambar 9. Impedansi input main antena 2.2 cm Gambar 8. Impedansi input main antena 4 cm
dan wing antena 3.75 cm dengan loading
dan wing antena 7.5 cm dengan loading
Gambar 9 adalah impedansi input dari antena Gambar 8 adalah impedansi input dari antena
wire bowtie
wire bowtie pada saat pembebanan dengan main
main antena 2.2 cm. Pada gambar tersebut
antena 4 cm. Pada gambar tersebut terlihat
terlihat bahwa resistansi antena bowtie yang
bahwa resistansi antena bowtie yang dirancang
dirancang tidak terlalu flat terutama pada
relatif flat dan konstan pada harga tertentu
rentang frekuensi 2-2.5 GHz dan sisanya
sedangkan nilai reaktansinya mendekati nol. Hal
konstan pada harga tertentu sedangkan nilai
tersebut menunjukkan bahwa antena bowtie
reaktansinya jika dirata-data mendekati nol.
yang dirancang
telah memiliki karaktersitik
ultrawideband seperti yang diinginkan dimana nilai resistansinya konstan pada nilai tertentu sedangkan nilai reaktansinya nol.
Dari gambar tersebut juga terlihat bahwa nilai impedansi input dari antena GPR yang diberi resistor, terutama komponen resistansinya, lebih
pada saat pembebanan dengan
[5].
KESIMPULAN
AA.Lestari,A.G
Yarovoy,
L.P
Lighart,”Ground Influence on the input Setelah melakukan semua proses perancangan
Impedance of transient dipole and
dan simulasi antena GPR yang dioptimasi
bowtie antennas,’’IEEE trans.Antennas
terhadap rentang frekuensi 500-1200 MHz, maka
Propagate,
dapat disimpulkan bahwa:
1975,aug.2004.
1. Dengan
menggunakan
analisis
FDTD
[6].
vol.52,no.8,pp.1970-
A.A. Lestari, Antennas For Improved
terbukti bahwa antena dapat dioptimasi
Ground Penetratimg Radar: Modeling,
terhadap durasi pulsa yang dibangkitkan
Tools,
dengan mengatur panjang antena (baik main
Ph.D.Dissertation, ISBN 90-76928-05-
antena maupun wing antena) sesuai dengan
3, Delft University of Technology, The
durasi pulsa yang dibangkitkan.
Netherlands, 2003.
2. Panjang antena yang optimum agar dapat
[7].
Analisys
And
Design,
A.A. Lestari, A.G. Yarovoy, L. P.
yang
Ligthart, Adaptive Antenna for Ground
maksimum sangat ditentukan oleh nilai
Penetrating Radar , Delft University of
durasi
Technology, The Netherlands.
menghasilkan
efisiensi
pulsa
yang
radiasi
dibangkitkan
dan
permitivitas relatif epoxy substrat yang
[8].
A.A. Lestari, A.G. Yarovoy, L.P. Ligthart, “RC loaded bow-tie antenna
digunakan sebagai bahan antena. diterapkan
for improved pulse radiation,” IEEE
disepanjang lengan (wing) antena dapat
Trans. An-tennas Propagat., vol. 52,
meningkatkan
no. 10, pp. 2555-2563, Oct. 2004.
3. Pembebanan
resistif
yang
bandwidth
antena
dan
menekan ringing yang merugikan karena
[9].
Lestari, A. Andaya, A.G. Yarovoy, L.
dapat menimbulkan efek masking pada
P. Ligthart, Capasitively Tapered Bow-
objek yang dideteksi.
Tie
Antenna,
Delft
University
of
Technology, The Netherlands. [10].
DAFTAR PUSTAKA [1].
[2].
[3].
Lestari,
Y.A.
Iskander, Magdy F., Electromagnetic
Suksmono,
Fields and Waves, Prentice Hall, 1992.
research
Judawisastra, Herman, Catatan Kuliah:
Radar,
Bow-tie
Antena dan Propagasi, Penerbit ITB.
antenna,
Adaptive
R.W.P.King,
wideband
G.S.Smith,
M.Owens,
E. on
Kirana,
Bharata, Ground
A.B.
Ap-plied Penetrating
An-tenna,
GPR
antenna,
Ultra-
an-tennas,
Supplemental
matter:
Report (Project ID: IS 03143), no.
fundamental, theory, and applications,
IRCTR-S-043-04, Delft University of
The MIT Press, Cambridge, 1981.
Technology, The Netherlands, Dec.
Kraus,John.,Antennas 2nd ed., McGraw-
2004.
T.T.Wu,
[4].
A.A.
Hill, 1988.
Antennas
in
[11].
Josaphat Tetuko Sri Sumantyo, Ph.D, Metoda Beda Beda Hingga Hingga
Kawasan Kawasan Waktu Waktu (Finite Difference
Time
Domain
Method),
Penerbit ITB. [12].
T.T.Wu, R.W.P.King,”The cylindrical antenna with non reflecting resistiv loading”,
IEE
Trans.Antennas
Propagat., vol.AP-13, no.5, pp.369-373, May 1965. [13].
Wawan Saprudin, Optimasi Geometri Metalic Shielding pada Antena Bowtie yang Dimodifikasi untuk Aplikasi GPR dengan Metode FDTD, Tugas Akhir, ITB, 2004.
