Pengaturan Footprint Antena Ground Penetrating Radar Dengan Menggunakan Susunan Antena Modified Dipole Andre Eka Saputra (13204243) Jalur Pilihan Teknik Telekomunikasi Sekolah Teknik Elektro dan Informatika Institut Teknologi Bandung
Abstrak Footprint dari antena adalah parameter penting untuk hasil deteksi yang baik pada Ground Penetrating Radar (GPR). Beragam kondisi tanah dimana objek terkubur dapat mengubah footprint dari antena. Antena yang dapat menyesuaikan footprintnya terhadap kondisi tanah yang berbeda diperlukan disini. Footprint antena berhubungan dengan dengan dimensi antena. Footprint antena akan membesar dengan membesarnya dimensi antena jika orientasinya medan dekat. Tetapi dalam hal ini jika footprint terlalu besar maka akan meningkatkan clutter, jika footprint kecil maka akan susah untuk mendeteksi objek. Maka diinginkan footprint antena yang optimal. Footprint antena yang optimal sesuai dengan ukuran/dimensi objek yang ingin dideteksi. Maka dalam tugas akhir ini diusulkan susunan antena modified dipole sebagai antena yang adaptif terhadap kondisi tanah. Dengan Radio Frekuensi (RF) switch kita dapat memilih elemen antena yang ingin dicatu sehingga didapatkan footprint yang diinginkan. Karena antena ini merupakan susunan dari beberapa antena modified dipole maka juga diperhatikan coupling antar elemen yang berdekatan. Jika coupling antar elemen yang berdekatan terlalu besar maka mekanisme pengaturan footprint akan gagal. Untuk menekan efek coupling ini digunakan metoda pembebanan resistor pada setiap elemen susunan. Kata kunci : footprint, coupling, modified dipole
1. Pendahuluan Ground Penetrating Radar (GPR) merupakan suatu alat untuk mendeteksi keberadaan objek di dalam tanah. Metoda yang digunakan adalah dengan meradiasikan gelombang elektromagnetik pada band frekuensi UHF/VHF spektrum radio dan mendeteksi sinyal pantulan dari sub-permukaan. GPR menggunakan antena transmitter dan receiver. Antena transmitter meradiasikan pulsa pendek gelombang radio ke tanah. Ketika gelombang mengenai objek atau sub-permukaan yang
berbeda konstanta dielektriknya maka gelombang tersebut dipantulkan. Batas kedalaman radiasi antena ditentukan oleh konduktivitas tanah tersebut. Jika konduktivitas meningkat maka kedalaman penetrasi akan berkurang. Ini dikarenakan energi elektromagnetik lebih cepat didisipasikan menjadi panas sehingga menyebabkan berkurangnya kuat sinyal. Bermacam-macam kondisi tanah dimana target terkubur bisa mengubah footprint dari antena GPR itu sendiri. Antena dengan kemampuan adaptasi footprint terhadap kondisi tanah dibutuhkan disini. Antena ini dapat menjaga agar footprintnya relatif konstan pada kondisi tanah yang berbeda. Footprint dari antena bergantung pada dimensi dari antena itu sendiri. Footprint antena akan membesar dengan membesarnya dimensi antena jika orientasinya medan dekat. Tetapi dalam hal ini jika footprint terlalu besar maka akan meningkatkan clutter, jika footprint kecil maka akan susah untuk mendeteksi objek. Maka diinginkan footprint antena yang optimal. Dalam tugas akhir ini diusulkan susunan antena modified dipole sebagai antena adaptif untuk aplikasi GPR. Coupling antar elemen pada susunan antena ini juga sangat penting. Jika coupling antar elemen sangat besar maka skema pengaturan footprint akan gagal. Dalam hal ini digunakan metoda penambahan resistor pada ujung setiap elemen susunan antena. Tetapi dengan menambahkan resistor pada ujung setiap elemen maka akan mengurangi efisiensi dari antena itu sendiri. Maka akan dicari nilai resistor yang paling optimum.
2. Perancangan dan Simulasi Antena Untuk Aplikasi GPR Untuk memperoleh antena dengan kemampuan adaptasi dengan kondisi tanah yang berbeda maka diusulkan antena array yang mana merupakan susunan dari beberapa antena yang mempunyai karakteristik sama tetapi ukuran berbeda sehingga kita dapat memilih elemen yang dicatu sehingga footprint yang dihasilkan sesuai dengan kondisi tanah. Antena array akan dirancang diatas substrat dielektrik FR4-epoxy dengan permitivitas relatif 4.4 dan ketebalan 3.2 mm. Pemilihan bahan FR4-epoxy ini dikarenakan substrat ini mudah didapat dipasaran.
merupakan saluran transimisi yang banyak dipasaran. Pada setiap garis pada kurva menunjukkan nilai return loss, VSWR, coupling dan impedansi input ketika setiap elemen dicatu bergantian. Pada setiap kurva, elemen 1 maksudnya adalah ketika elemen 1 dicatu, elemen 2 maksudnya adalah ketika elemen 2 dicatu dan seterusnya. -12 -14 -16 Magnitude of Return Loss (dB)
Selain itu ketebalan bahan substrat dipilih lebih tebal untuk memperbesar bandwidth dari antena. Setiap elemen antena yang akan didesign memiliki spesifikasi sebagai berikut : 1. Bandwidth setiap elemen 100 MHz – 1000 Mhz 2. Return loss dari setiap elemen susunan < -10 dB 3. Level kopling antar elemen yang paling berdekatan < -30 dB 4. Fungsi transfer setiap elemen relatif hampir sama. Setiap element antena modified dipole array berbentuk dipol bengkok. Pemilihan elemen ini dikarenakan dengan adanya patahan/bengkok pada bagian antena maka arus perpindahan (displacement current) akan lebih besar atau dengan kata lain radiasi antena makin meningkat dibandingkan dengan antena dipol biasa, selain itu antena bentuk ini memilik return loss, VSWR dan level error sinyal yang lebih kecil dibandingkan antena dipol biasa [1].
-18 elemen 1 elemen 2 elemen 3 elemen 4 elemen 5
-20 -22 -24 -26 -28 -30 -32 0.1
0.2
0.3
0.4
0.5 0.6 frekuensi (GHz)
0.7
0.8
0.9
1
Gambar 2.1. Kurva hasil simulasi return loss setiap elemen array
1.8 elemen 1 elemen 2 elemen 3 elemen 4 elemen 5
1.7 1.6
VSWR
1.5 1.4 1.3 1.2 1.1
Gambar 2.1 Dimensi antena modified dipole array dengan pembebanan resistor
Pada setiap ujung elemen antena diberi resistor untuk menekan efek coupling (yang mana diwakili oleh nilai Snm) antar elemen dan untuk memperbesar bandwidth antena [2]. Hasil simulasi menunjukkan nilai resistor tersebut adalah sekitar 60 ohm. Ini merupakan nilai yang paling optimum setelah membandingkan hasilnya dengan beberapa nilai resistor lain yaitu 20, 30, 40, 50, 70, 80, 90, 100, 110 dan 120 ohm. Gambar dari antena array ditunjukkan oleh gambar 1.1. 2.1 Hasil Simulasi Hasil simulasi S11 atau return loss, VSWR , coupling antar elemen yang berdekatan , dan impedansi input pada freespace ditunjukkan oleh gambar 3.3 , 3.4, 3.5, 3.6 dan 3.7. Dalam simulasi ini impedansi saluran transmisi adalah kabel coaxial 50 ohm yang mana
1 0.1
0.2
0.3
0.4
0.5 0.6 frekuensi (GHz)
0.7
0.8
0.9
1
Gambar 2.2 Kurva hasil simulasi VSWR setiap elemen array Hasil simulasi return loss dan VSWR menunjukkan bahwa tiap elemen modified dipole pada antena array ini memiliki karakteristik bandwidth yang memenuhi rentang system SFCW GPR dari 100-1000 MHz dimana dalam hal ini bandwidth diwakili oleh rentang frekuensi yang mana nilai return loss dibawah -10 dB atau VSWR 1:2. Hal ini ditunjukkan oleh nilai VSWR dan S11 pada setiap elemen modified dipole array yang mana pada rentang frekuensi 100-1000 MHz nilai VSWR dari setiap elemen modified dipole array kecil dari 2 dan nilai S11 dari setiap elemen kecil dari -10 dB. Selain itu dari kurva S11 (return loss) dapat dilihat bahwa dengan mengecilnya elemen maka frekuensi resonan bergeser ke frekuensi yang lebih tinggi. Hal ini dikarenakan dengan
-30
Magnitude of Snm (dB)
-35
-40 S12 S23 S34 S45
-45
6 4 2 0 elemen elemen elemen elemen elemen
-2
-6 0.1
0.2
0.3
0.4
1 2 3 4 5
0.5 0.6 frekuensi (GHz)
0.7
0.8
0.9
0.2
0.3
0.4
0.5 0.6 frekuensi (GHz)
0.7
0.8
0.9
1
Gambar 2.3. Kurva hasil simulasi coupling antar elemen yang berdekatan Dari kurva coupling antar elemen dapat dilihat bahwa semakin besar elemen maka nilai coupling-nya meningkat. Hal ini disebabkan dengan membesarnya elemen maka aperture dari antena juga akan membesar sehingga radiasi elemen disebelahnya menjadi lebih banyak tertangkap karena luas tangkapnya bertambah. Tetapi dari hasil semua coupling antar elemen terdekat dapat dilihat bahwa nilai coupling ini memenuhi persyaratan SFCW GPR yaitu dibawah -30 dB.
elemen 1 elemen 2 elemen 3 elemen 4 elemen 5
46 44
Impedansi input berada pada nilai yang mana nilai resistifnya berada pada kisaran 40 ohm dan nilai imaginernya kecil. Dengan karakteristik tersebut diharapkan ringing level yang terjadi tidak begitu signifikan. 2.2 Simulasi Footprint Antena Modified Dipole Array. Simulasi footprint dilakukan dengan menempatkan dielektrik sebagai pengganti media tanah diantara antena penerima dan antena array seperti gambar 2.7. Simulasi ini dilakukan 3 kali yaitu untuk ketebalan tanah 30 cm dan 20 cm dengan konstanta dielektrik sebagai penganti tanah ε r = 5 dan µ r = 1 dan ketebalan tanah 30 cm
dengan konstanta dielektrik ε r = 4 dan µ r = 3 . Antena penerima ini dipindah-pindahkan pada beberapa titik dalam area observasi seperti gambar 2.8.
48
42 40 38 36 34 32 30 0.1
1
Gambar 2.5 Kurva hasil simulasi nilai imaginer dari impedansi input setiap elemen
-55
Nilai real dari Impedansi Input (Ohm)
8
-4
-50
-60 0.1
10
Nilai imaginer dari Impedansi Input (Ohm)
mengecilnya elemen maka panjang gelombang resonan akan mengecil sehingga frekuensi resonan akan bergeser ke nilai yang lebih tinggi karena frekuensi berbanding terbalik dengan panjang gelombang.
0.2
0.3
0.4
0.5 0.6 frekuensi (GHz)
0.7
0.8
0.9
1
Gambar 2.4 Kurva hasil simulasi nilai real dari impedansi input setiap elemen
Gambar 2.6 Skema pensimulasian footprint tampak dari samping
50
25
10 5 13 00 3 0. 01 0. 0
5 0
40
30
35
40
45
8 01
0.0 0
25 20 15 10 5 0
0
0. 001 9
0.0 01 8
5
19
10
15
17 00 0.
18 0.00
20
25 cm
30
35
40
45
50
Gambar 2.10 Hasil simulasi footprint ketika elemen 3 dicatu
0.002 1
1 02 0. 0
15
5 0. 00 18 0 0 5
0. 00 2
0. 00 2
0. 0022
0. 002
20
02 0.0
02 2 0. 0
0. 0 02 2
15
20
25 cm
2 00 0.
1
18 00 0.
02 0. 0
0.0021
10
0.0 0. 0 01 01 7 8
0. 00 19
25
0.002
30
0.00 19
0.002
02 2
35
9 0.001
0. 0
40
7 01 01 8 0.0 0. 0
0.0 02 1
45
0. 00 19
50
cm 25 cm
0. 0
0. 0018
cm
30
0.00 18
30
35
40
45
50
Gambar 2.11 Hasil simulasi footprint ketika elemen 4 dicatu
0. 0 01
0.00115
0. 0 0
cm
10 5 0. 0 0
11
20
0. 00 17
35
9 01 0.0
15
0.0 01 7
16 00 0.
0. 0017
10
11 00 0.
0.0017
01 4
0.0 01 5
6 01 0.0
5
5
50
02 1 0.0
0
11
5 01 0.0
0.0018
0
0 0.0
0. 0 01 1
45
0. 0
2 02 0. 0
5 10 00 0.
5
40
0.00 16
23 0.00
0.001
10
35
0. 0015
3 02 0.0
15
0.00105
0.001 15
01 0. 0
20
11 00 0.
25
30
0. 0016
21 00 0.
0.0011
25 cm
0.001 5
01 4 0. 0
45
9 01 0. 0
30
20
45 01 4 01 0 0.0 0.
0.0 01 6
50
10
0.0 01 0. 0 01 0 5
5 0.0010
5 09 00 0.
09 00 0. 5 09 00 1 0. 00 0.
35
0.000 9 0.000 95
15
6
0 85 0.00 0.0009 5 0.0009 0. 001
10
01 0. 0
40
0.0 0 0. 0 0 75 0 0. 0 0 8 00 85
0.000 85
0.001 5
0.00 1 45
14
01 7 0.0
75 00 0. 0 0 8 0 45 0.0
5
0. 0015
0. 0 01 9
2.2.1 Simulasi footprint dengan ketebalan tanah 30 cm, εr = 5 dan µr = 1
50
0. 0 0
01 2
Gambar 2.9 Hasil simulasi footprint ketika elemen 2 dicatu
Gambar 2.7 Titik -titik observasi dari antena penerima dilihat dari atas
Pada bagian ini akan ditampilkan hasil simulasi footprint dari antena array dengan ketebelan tanah 30 cm dan ε r = 5 dan µ r = 1 . Hasil simulasi footprint dari setiap elemen antena array ditunjukkan oleh gambar 3.13 – 3.17. Footprint merupakan luas area yang diiluminasi oleh medan EM yang dipancarkan antena dengan kata lain footprint merupakan luas area yang mewakili level daya tertentu. Gambar 3.13 menunjukkan footprint ketika hanya elemen 1 saja yang dicatu. Gambar 3.14 menunjukkan footprint ketika hanya elemen 2 saja yang dicatu dan seterusnya. Maka terlihat dari perbandingan antara gambar 3.13 sampai 3.14 bahwa footprint dari setiap elemen bentuknya relatif hampir sama tetapi besar footprintnya berbeda. Terlihat dari distribusi amplituda medan listrik pada setiap kurva tidak sama yang mana elemen yang kecil cenderung distribusi amplituda medan listriknya lebih kecil sehingga footprinnya lebih lebar.
0
0.00145
15 0.00
15
4
5 01 0. 0
20
0.
5 14 00
0.00145
cm
30
0. 0
5 01 4 0. 0
0. 0 0.0 01 01 0.0 3 25 01 3 5 0.00 14
35
0.00 1
5 12 1 3 00 35 0. 0. 00 001 01 4 0. 0. 0
12 00 0.
0.0 0.00 01 1 35 3
40
0. 0 01 1 0.0 5 01 1
0.001 2 0.001 25 0.001 3 0.00 1 35
0.0012 25 0.001 13 0.00 1 35 0.00 14 0.00
1 01 15 0.0 .001 0
45
50
Gambar 2.8 Hasil simulasi footprint ketika elemen 1 dicatu
0. 0022
50
0
20
25 cm
30
35
50
45
0.002 6
0. 003 0. 00 0.00 24 26
0.0028
cm
25
0
Gambar 2.13 Hasil simulasi footprint ketika elemen 1 dicatu
30
40
6
50
03 0.0
0.00 24 0. 0
0. 00 0. 2 00 22
0. 00 26
02 8
0. 0032
0. 0034
34
5
50
25 cm
24 0.00 6 02 0 0. 0028 . 0
02 2 0. 0 . 002 0
45
10
0. 00 13
0. 0.00 16 00 15
40
20
Gambar 2.15 Hasil simulasi footprint ketika elemen 3 dicatu
15
0. 0014
0.0 01 7
0.0 0 01 . 00 0.00 3 14 12 0. 0 01 5
cm
0.0 01 6
15
15
0. 0028
10
10
4
5
0.00 17
5
02 0. 0
0
17 00 0.
0
32 0.00
16 00 0. 01 5 0 0. 4 1 00 0. 3 1 00 0.
5
26 00 0. 4 2 02 0 . 02 0 0.0 35 40 45
0.0028
0.002 6 0.0 02 4
03 0.0
0.0 01 8
10
0.
0.0 02 2
cm
5
0. 00 18
0.0028 6 0.002
10
0.
0
00 22
5
3 00 0.
15
0
0. 0 01 7
50
0.0 01 6
0. 00 0.0 22 02 4
0.002 6
6 02 0.0
26 0.00
15
6 4 02 0.0 .002 0
01 7 0.0
45
0. 00 2
0.0028
20
4
20
40
25
20
5 01 0. 0
25
0. 00 16
35
0.002 4
2 02 0.0 2 00 0.
30
0.0 0. 00 8 00 0 0. 9 0 0. 01 00 1 0 0. . 00 1 0 1 0. 01 3 2 00 14
0.001 6
30
2 00 0.
30
30
0.00 15
25 cm
0.002 2
02 2 0.0
24 00 0.
35
35
13 0.00 01 4 0. 0 15 0.00
20
0. 002
2 00 0.
40
0. 002
Pada bagian ini akan ditunjukkan hasil simulasi footprint setiap elemen antena array dengan ketebalan tanah 30 cm , ε r = 4 dan µ r = 3 . Hasil simulasi footprint dimana antena penerima dipindahkan dalam area dua dimensi ditunjukkan oleh gambar 3.18 – 3.22. Dari hasil simulasi ini terlihat karakteristik yang sama seperti simulasi footprint pada keadaan tanah sebelumnya (pada bagian 3.4.1) yaitu footprint dari setiap elemen berbeda-beda. Terlihat juga bahwa adanya perbedaaan footprint dari keadaan tanah sebelumnya dengan tanah sekarang dengan elemen yang dicatu sama. Hal ini disebabkan karena dengan berbedanya kondisi tanah (konstanta dielektrik yang berbeda) maka redaman dari tanah juga berbeda yang dimana diwakili oleh nilai loss tangent sehingga sinyal yang sampai pada titik pengukuran juga berbeda sehingga footprintnnya juga berbeda.
0. 001 0.001 1 0.001 2 0. 0013 0.001 4
15
6 01 18 0.0 0.00
45
0.001 0.001 1 12 0.00
10
0.002 4
2.2.2 Simulasi footprint dengan ketebalan tanah 30 cm, εr = 4 dan µr = 3
08 45 0.00 9 00 0. 0 40 .001 0 11 00 35 0.
0. 0022
5
Gambar 2.14 Hasil simulasi footprint ketika elemen 2 dicatu
Gambar 2.12 Hasil simulasi footprint ketika elemen 5 dicatu
50
0.00 2
0
18 00 0.
00 1
0. 00 16
0
50
0.002 2
8
0.002 2
45
22 00 0.
0. 00 2
40
0. 00 1
0.0 02
0.0026
35
6
0. 0
0.0 02 8
10
15
0.0 03 4 03 2
03 2 0. 0
20
0.003 0.0028 25 30 cm
35
0.
3 00 8 2 00 . 0 6 02 0 . 0
40
4
30
00 1
0. 00 2
25 cm
2
0.0028
20
5
0. 0 03 2
15
10
5 4 02 02 0.0 0. 0 22 00 2 1 3 0. . 00 002 02 0 0. 0. 0
0. 00 28
0.002 4
15
0. 0 03
6
5
0.001 8
0.0 02 4
0.00 23
cm
0. 00 25
0.002 3
20
0. 00 2
0.
0. 001 8
0. 002
0. 00 2
25
0.0 01 8
0.00 2
2 0.00
2 0.002
16 00 0.
0 5 0.0 0.0 .00 02 02 2 2 1 0 0 5 10
0.0 01 2
4
02 0.0
4 02 0.0 23 00 0.
10
8 01 0. 0
30
4 0.002
02 5 0. 0
02 6 0. 0
35
2 02 0. 0
23 00 0.
0. 0025
40
6
15
0.00 1
6
00 2
0.0 02 4
6 02 0.0
20
0. 001 0.0018
24 0.00
0.002
0.0025
25
14 0.00 6 0.001
2 01 0. 0
45
3
35 30
50
0.0 0. 00 0.0 02 2 02 2 1
cm
02 0. 0
22 00 0.
40
0. 0023
0.
1 02 0.0 0.002
45
0.00
50
22 00 0.
45
50
Gambar 2.16 Hasil simulasi footprint ketika elemen 4 dicatu
35
40
00 18 0.0 02
45
0.00 16
0. 00 36
0.0 01 4
15
0.002
10 5
50
0
Gambar 2.17 Hasil simulasi footprint ketika elemen 5 dicatu
0
8 01 0. 0
0.0 01 8
5
10
0. 0 01 6 15
20
25 cm
0. 00 14
30
0.
cm
3 0. 00 32
0.0 0
0.00 34
cm
0.0038
25 cm
0. 00 16
0.001 8
14 00 0.
20
25
14 00 0.
15
0.
20
8 03 2 2 6 4 0.0 0.00 0.00 002 2 2 0. 0.00
0.0034 0.003 2
0. 00 3
0.0016
16 00
01 8 0.0
0.0038
30
0. 00 12
2 00 0.
0.00 36
12 00
0.0 01
0.001 4
14 0.00
6 0.001
0 0. .00 5 0. 0 002 2 8 00 .0 6 2 2 02 4 0 0 5 10
36 00 0.
0.
35
0.003 2
4 00 0.
0. 00 0.0 3 4 03 2
10
40
0.001 2
2 0.001
01 45 0.0
3 00
03 0. 0
15
0.0038
20
0.0038
4 0.00
0.0036
0.0032
25
50
0.
30
0.0036
34 00
4 03 0.0 03 6 0.0
0.
0 0.0 0.0 .002 02 02 4 6 8
0. 0 03 2
0.0034
40 35
0.003
3 0. 00 0.0032
0.00 3
24 00 0. 02 6 2 8 0 0. 0.00
45
0. 0. 00 00 32 34
50
01 6 0.0 35
30
40
45
50
Gambar 2.19 Hasil simulasi footprint ketika elemen 2 dicatu
2.2.3 Simulasi footprint dengan ketebalan tanah 20 cm, εr = 5 dan µr = 1 50
16 00 18 0. 00 0.
0
25 cm
30
35
40
Gambar 2.18 Hasil simulasi footprint ketika elemen 1 dicatu
35
40
45
50
0
5
0.003
03 0.0
0. 0 02 4
0.0 02 8
0.00 22 15 20
28 00 0.
02 6 4 0. 0 02 0.0
0.0024
10
6
0.0 01 8
25 cm
30
02 2 0.0 35
0.0024
0.00 2
0.0 02 8 0. 0 02 6
0. 00 0. 00 2 18
5
0.0024
0.0 02 2
0. 0.0 00 02 2 2 0. 0 02 4
10
0
50
30
0.002 0.002 2
6 02 0. 0 8 02 0.0
0.0 02 8
cm 0.001 1
0. 0 01 2
0. 0 01 4
0.001 2
25
15
0. 00 1
0. 00 1
0. 0 01 1
cm
30
20
45
25 cm
0.0026
10
4 01 13 0.0 00 0.
20
0.003
5
0.00 13 15 20
0.0015
15
22 0.00
0.0026
1 01 0.0 1 00 0.
0
0.0 01 2
0.0 01 4
00 11
16 00 0.
0. 002
0.002
4 02 0.0 2 02 0.0
10
0
14
13 0.00
15
5
0.
15 00 0.
20
0.001 3 0.001 4
0 0.0
25
35 0. 00 09
2 01 13 0. 0 0. 00
30
10
6 01 8 0.0 .001 0
40
01
35
5
2 02 0.0 02 0. 0
0.002
cm
50
0.0 00 7
0. 0011 0. 0012
00 18
Gambar 2.20 Hasil simulasi footprint ketika elemen 3 dicatu
0 0.
0.
01 1 0.0 2 01 0.0 13 0 0.0
09 00
0.0 00 8
0.000 9 0.001
0.000 9 0.001
0.0 01 5
40
00 8 0.0
24 0.00
0.00 22
2 2 00 0. 02 0.0
7 00 0. 0
45
0.
22 0.00
16 00 0.
5
4 02 0. 0
02 0. 0
10
0
4 02 0.0
15
45 50
0.002 2
20
24 0.00 6 02 0. 0
25
0.0022 22 00 0.
0. 00 16
18 0.00
30
0. 0 02
8
0. 00 2
35
0.0 01 8
0.002
0.0 02 6
40
0.0 01 4
0.0018
0. 00 1
45
0.0018
Pada bagian ini akan ditunjukkan hasil simulasi footprint setiap elemen antena array dengan ketebalan tanah 20 cm ε r = 5 dan µ r = 1 . Hasil simulasi footprint dimana antena penerima dipindahkan dalam area dua dimensi ditunjukkan oleh gambar 3.23 – 3.27. Dari hasil simulasi ini dapat dilihat juga bahwa footprint dari setiap elemen yang dicatu berbeda-beda. Kondisi tanah pada simulasi ini sama dengan kondisi tanah pada bagian 3.4.1, tetapi perbedaannya disini adalah kedalaman tanahnya. Dapat dilihat adanya perbedaan footprint jika kedalaman tanahnya juga berbeda dengan kecendrungan bertambah dalam tanah maka footprint akan membesar. Hal ini sesuai dengan teori medan yang merambat pada medium lossy yaitu makin jauh gelombang elektromagnetik merambat maka redaman juga akan meningkat sehingga distribusi amplituda medan listrik akan mengecil..
0.001 6
0.001 6
4 01 0.0
02 8 0.0 001 0.
40
45
Gambar 2.21 Hasil simulasi footprint ketika elemen 4 dicatu
50
5
0. 0 02 8
0.0 0.0 02 02 2
0
5
10
0.002 4
0. 0 03 2
3 00 0.
-10
0.003
0.002 6 0.00 24 15 20
0.0028
25 cm
30
6 02 002 4 0.0 0. 2 2 02 0 0.0 0.0 35 40 45
Magnitude of Return Ross (dB)
10
0.00 34 0.003 2
0.00 26
00 34
26 00 0. 4 02 0. 0
15
0. 0 02 8
0. 00 3
0.
0.0 03 6
3 0.00
20
0
0. 0 03 2
4 0.003
0.0 03 6
25
0.003 2
cm
30
2 03 0.0
-5
0.002 4
0.002 4
35
0. 0 02 6 0.0028
40
0. 0. 0 00 0 2 0. 0 2 2 02 4
0.0026 0. 0028 0. 003
26 00 002 8 0. 0. 03 0.0
2 2 00 .002 0. 0 4 02 0. 0 .002 6 0 8 02 0. 0
45
0.0034
50
50
3. Pengukuran dan Analisis Antena Modified Dipole Array Hasil pengukuran return loss tiap elemen antena ditunjukkan oleh gambar 4.6. Hasil pengukuran VSWR tiap elemen antena ditunjukkan oleh gambar 4.7. Hasil pengukuran level coupling antar elemen yang berdekatan ditunjukkan oleh gambar 4.8.
-20 -25 -30 -35 elemen 1 elemen 2 elemen 3 elemen 4 elemen 5
-40 -45
Gambar 2.22 Hasil simulasi footprint ketika elemen 5 dicatu
-50 0.1
0.2
0.3
0.4
0.5 0.6 frekuensi (GHz)
0.7
0.8
0.9
1
Gambar 3.1 Kurva hasil pengukuran S11 setiap elemen antena 2.5 elemen 1 elemen 2 elemen 3 elemen 4 elemen 5 2 VSWR
Dari semua hasil simulasi footprint dapat dilihat bahwa setiap elemen aktif yang berbeda menghasilkan footprint dengan ukuran yang berbeda. Elemen yang memiliki dimensi kecil menghasilkan distribusi amplituda dari medan listrik yang kecil dan sebaliknya karena sesuai dengan teori antena bahwa semakin panjang antena maka pola radiasinya akan menyempit sehingga cenderung footprint elemen yang lebih kecil akan lebih besar. Selain itu juga dapat dilihat bahwa dengan kedalaman tanah yang bertambah maka distribusi amplituda dari medan listrik dari antena akan mengecil ini sesuai dengan sifat gelombang elektromagnetik bahwa pada medium lossy maka amplituda gelombang akan berkurang sesuai dengan panjang jarak tempuh gelombang tersebut sehingga footprint akan membesar. Selain itu dengan adanya perubahan konstanta dielektrik tanah dapat dilihat bahwa footprint dari antena akan berubah juga, karena dengan berbeda konstanta dielektrik maka nilai dari loss tangent juga berbeda dan medan listrik yang diterima juga berbeda sehingga footprint juga akan berbeda. Tetapi dengan adanya antena array ini kita dapat mengatur elemen mana yang dicatu sehingga didapatkan footprint yang diinginkan.
-15
1.5
1 0.1
0.2
0.3
0.4
0.5 0.6 frekuensi (GHz)
0.7
0.8
0.9
1
Gambar 3.2 Kurva hasil pengukuran VSWR setiap elemen Dari hasil pengukuran S11 didapat nilai return loss setiap elemen dimana mengalami pergeseran frekuensi dibandingkan dengan hasil simulasi. Hal ini mungkin disebabkan oleh material FR4-epoxy yang memiliki tingkat homogenitas yang rendah dimana nilai permitivitas relatif pada setiap titik pada substrat yang mungkin tidak sama. Selain itu kemungkinan yang lain adalah nilai permitivitas relatif dari FR4-epoxy merupakan fungsi dari frekuensi dimana nilai permitivitas relatifnya tidak sama pada setiap frekuensi dengan kecendrungan makin kecil dengan meningkatnya frekuensi. Tetapi pergeseran frekuensi ini tidak masalah karena hasil pengukuran ini memenuhi persyaratan antena SFCW-GPR dimana return loss kecil dari -10 dB dan VSWR diatas 1:2 pada daerah frekensi dimana daya sinyal bernilai signifikan. Pada frekuensi tinggi yaitu sekita 800 MHz nilai VSWR diatas 2 tetapi hal ini tidak masalah karena pada daerah frekuensi ini daya sinyal yang ditransmisikan sangat kecil seperti terlihat pada gambar 3.9.
-30
50
-32
45 40 35
6e -005
05 5 -0 -00 6e 7e
30
7e -00 5
25 20
-42 15
-44 -46 -48 -50 0.1
0.2
0.3
0.4
0.5 0.6 frekuensi (GHz)
0.7
0.8
0.9
7e -0 05
5 0
05 -0 7e 5 -00 6e
8e-005
10
S12 S23 S34 S45
6e -005
0
5
10
15
005 6e-
-40
7e -00 5 05 -0 8e
cm
-38
8e -0 05
-36
5 6e-00
Magnitude of Snm (dB)
-34
20
25 cm
1
30
35
40
45
50
Gambar 3.5 Footprint ketika elemen 2 dicatu
Gambar 3.3 Kurva hasil pengukuran level coupling antar elemen paling berdekatan
50 45 40
30
1
5
10
35
1.6e-0 05
cm
0.000 11
0 11
0.00013 2 0.000 1
1 00 1 0.0
0.0001
1. 8e -0 05
30
0. 00 01 2
0. 0 00 1
5
05 -0 6e 1.
25 cm
50
0.00012
cm 20
45
0 1 0 11 0 00 0. 0.0
15
40
0.00013
10
35
3 0.000 1
5
0 11 0.00
0
0.000 1
0
05 2e -0
5
30
0.000 1 0.000 1 0.000 1 12 0.00013
00 1 0.0 0 11 0 0.0 2 1 00 0 . 0
25
0
1. 6e-005
25 cm
0.0 00 1
40
30
10
20
45
10
1. 8e -0 05
15
1 0.000
50
15
15
0. 00
cm
01
0
0.0001
2
00
0.000 1
0.00011
Gambar 3.6 Footprint ketika elemen 3 dicatu
35
05 -0 2e
2
0.
0
20
20
0. 000 12
5
40
25
3 00 1 0. 0
10
30
1. 6e -0 05
00 1
1
15
0. 0
20
50
05 e- 0 1.8e-005 1. 6
1 00 0.0
0.000 13
25
35
45
0.00 01 0.00 0 11
01 0.00 11 0 0 12 0 0. 0.000
35
0.000
Selain itu dapat juga dilihat bahwa level coupling antar elemen yang paling berdekatan dibawah -30 dB yang mana juga memenuhi persyaratan SFCW GPR. Coupling antar elemen berdekatan ini pada umumnya memiliki kecendrungan seperti pada hasil simulasi yaitu dengan membesarnya elemen maka nilai coupling antar elemen juga makin besar. Tetapi pada daerah frekuensi tinggi tidak berlaku hal demikian. Hal ini mungkin terjadi karena pada hasil pengukuran nilai VSWR elemen yang lebih besar juga lebih desar dibandingkan elemen yang lebih kecil sehingga radiasi dari elemen yang lebih besar juga akan lebih kecil dibanding elemen yang lebih kecil. Sehingga daya yang diterima oleh elemen yang disebelahnya juga akan lebih kecil. Hasil pengukuran footprint ditunjukkan oleh gambar 3.4 – gambar 3.8. Gambar 3.4 menunjukkan footprint antena ketika elemen 1 dicatu. Gambar 3.5 menunjukkan footprint antena ketika elemen 2 dicatu dan seterusnya. Seperti pada bagian simulasi bahwa footprint dalam hal ini didefinisikan sebagai daerah yang mana nilai medan listriknya lebih besar dari suatu nilai tertentu.
0
5
10
15
20
25 cm
30
35
40
45
Gambar 3.7 Footprint ketika elemen 4 dicatu
40
45
Gambar 3.4 Footprint ketika elemen 1 dicatu
50
50
50 0.0001 0.00011
0.0 00 1
30 25
11
20 15
0 00 0.
10
1
5 0
0.00 0
12 0.
0 0. 0 .000 1 00 11 00 01 3
0 0.00
cm
0.0 00 0.00 0 12 11
35
2 00 10.000 13 0. 0
0.0 00 13
1 00 0.0
0.00012 0.00 0 11
40
0
5
10
0.00 0 13 0. 0 00 12 0.00 0 11 0. 0001
15
20
25 cm
0.0001
45
13 00 0.0 0 12 0. 00 11 1 0.000 0.000
30
35
40
45
50
Gambar 3.8 Footprint ketika elemen 5 dicatu Dari hasil pengukuran footprint dapat diperhatikan bahwa setiap elemen mempunyai footprint yang berbedabeda. Dengan kecendrungan elemen yang lebih kecil mempunyai footprint yang lebih besar.Tetapi dalam hal besarnya nilai medan listrik yang diterima oleh antena penerima terdapat perbedaan dengan hasil simulasi dimana nilai medan listriknya lebih besar. Ini disebabkan oleh karena pada pengukuran kedalam tanah yang digunakan adalah sekitar 40 cm dimana lebih besar 10 cm dari hasil simulasi sehingga nilai medan listrik yang diterima juga lebih kecil karena redaman bertambah secara eksponensial dan kedalaman tanah ini tidak bisa diubah karena antena penerima itu sudah terkubur secara permanen didalam tanah tersebut dan tidak bisa dipindahkan.
5.2 Rekomendasi Untuk menghasilkan antena yang dapat langsung digunakan sebagai antena GPR maka perlu dilakukan : 1. Perlu dilakukan survey terhadap tanah-tanah yang biasanya GPR digunakan. Sehingga dapat dirancang antena yang mana footprintnya adaptif disemua kondisi tanah yang biasanya GPR digunakan. 2. Untuk lebih leluasa dalam hal pengaturan footprint maka mungkin perlu ditambahkan elemen lagi. Jika GPR digunakan pada tanahtanah yang mana nilai konstanta dielektriknya tidak jauh berbeda maka mungkin perbedaan dimensi elemennya sedikit tetapi jika GPR akan digunakan pada tanah-tanah yang mana konstanta dielektriknya jauh berbeda maka perbedaan dimensi elemennya lebih besar. 3. Karena antena ini merupakan susunan dari beberapa antena maka perlu diperhatikan bagaimana cara mencatu setiap elemen secara otomatis sehingga tidak perlu menggunakan tangan dimana dimungkinkan menggunakan RF switch yang mempunyai daerah frekuensi kerja yang memenuhi band frekuensi dari antena itu sendiri.
Referensi [1].
[2].
4. Kesimpulan dan Rekomendasi 4.1 Kesimpulan Setelah melakukan semua proses perancangan, simulasi, realisasi, dan pengukuran antena modified dipole array, maka dapat disimpulkan : 1. Footprint dari setiap elemen berbeda-beda sehingga dengan mengubah-ubah elemen yang dicatu maka kita dapat mengubah-ubah besar footprint dari antena sesuai dengan yang kita inginkan. Sehingga metoda pengaturan footprint dengan antena array ini dapat digunakan sebagai metoda untuk menyesuaikan footprint antena GPR terhadap kondisi tanah yang berbeda-beda. 2. Footprint antena akan mengecil dengan bertambahnya kedalaman tanah yang mana disebabkan oleh bertambahnya redaman terhadap jarak secara eksponensial. 3. Footprint dari antena tidak sama pada kondisi tanah yang berbeda karena dengan berbedanya kondisi tanah maka nilai konstanta dielektrik dari tanah juga akan berbeda sehingga nilai loss tangent dari media tanah juga akan berbeda.
A. Pramudita, A.Kurniawan, A.B.Suksmono,”Modified Dipole Antenna for UWB SFCW GPR”, International Conference on Electrical Engineering and Informatics (ICEEI), 17-Juni-2007 A. Pramudita, A.Kurniawan, A.B.Suksmono,”Resistive Loading for Coupling Reduction Between element in array antenna for GPR”, International Conference on TSSAWSSA, Bandung, 2006
