Prosiding SENTIA 2016 – Politeknik Negeri Malang
Volume 8 – ISSN: 2085-2347
PERANCANGAN BPF CAUER-CHEBYSHEV PITA SEMPIT UNTUK APLIKASI SAR BERBASIS FMCW Zainal Abidin1, Achmad Munir2 Laboratorium Telekomunikasi Radio dan Gelombang Mikro Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung 1
[email protected],
[email protected]
Abstract It is known that synthetic aperture radar (SAR) was commonly used to obtain a high image resolution of radar detection. Therefore, supporting devices for SAR are almost required. This research is proposed to design bandpass filter (BPF) Cauer-Chebyshev for SAR application. Signal types and techniques of signal generation are important things in the design of the filter. Here, frequency modulated continuous wave (FMCW) method with narrowband response is used as a modulation technique for SAR. Whilst, wideband response was rarely used due to a great attenuation affected by atmosphere. In the design, it shows that the filter is made from lumped elements with Cauer-Chebyshev type of order 5 with the passband area of 25-35MHz. The result demonsrates that the filter has the minimum S11value of -0.274dB at the passband area of of 25-35MHz and the maximum S21 value with ripple of -12.141dB at the passband area of of 25-35MHz. It indicates that the value of S21 at the passband area of of 2535MHz is almost constant. In adiition, it shows that the filter has a transition area quite narrow but with high complexity on its circuitry. Keyword : BPF, Cauer-Chebyshev, FMCW, synthetic aperture radar, lumped element. 1.
Chebyshev yang hanya meiliki ripple di salah satunya saja (Nugroho dan Widi).
Pendahuluan
Bandpass filter (BPF) merupakan salah satu komponen penting dalam dunia aplikasi gelombang mikro, radar, dan perangkat RF lainnya. Salah satu fungsi utama dari filter adalah melakukan peredaman sinyal pada daerah stopband dan mentransmisikan sinyal secara sempurna pada daerah passband sehingga keluaran dari filter merupakan sinyal dengan frekuensi pada daerah yang diinginkan (Steven). Berdasarkan fungsi transfernya, secara umum terdapat beberapa jenis filter analog yang umum digunakan, diantaranya adalah filter Butterworth yang memberikan respon cenderung konstan pada daerah passband, dan filter Chebyshev yang memberikan ripple pada daerah passband (Collin, E. Robert). Fungsi transfer tersebut kemudian dikembangkan ke berbagai macam bentuk dan metode, salah satunya adalah Cauer-Chebyshev.
Salah satu parameter yang dapat dijadikan acuan untuk menunjukkan suatu performansi filter adalah parameter-S (scattering parameter). Secara umum, parameter-S didefinisikan oleh gelombang datang dan gelombang pantul. Prinsipnya menggunakan analisis rangkaian 2 port dengan beberapa istilah diantaranya S11 dan S22 (koefisien refleksi), S12 (isolation), dan S21 (insertion loss). Indeks angka pada istilah tersebut menunjukkan penomoran port yang diamati dimana penomoran pertama merupakan port keluaran dan penomoran kedua merupakan port masukan. Sehingga S11 menunjukkan perbandingan antara gelombang pantul pada port 1 dengan gelombang datang pada port 1, begitu juga dengan S22, S12, dan S21. Suatu filter disebut mempunyai respon yang baik jika mempunyai nilai S11 dan S22 yang maksimum pada daerah passband, serta nilai S12 dan S21 yang minimum pada daerah stopband (Misra, K. D).
Beberapa sumber menyebutkan filter CauerChebyshev ini sebagai filter elliptic. Jika dibandingkan dengan filter Chebyshev, filter ini memiliki tingkat respon yang lebih curam pada daerah transisinya namun lebih kompleks dalam implementasi rangkaiannya (Zverev, A.I.). Sifat lain dari filter Cauer-Chebyshev ini adalah memiliki ripple baik di daerah stopband maupun daerah passband. Hal tersebut berbeda dengan filter
Sebagai komponen penting dalam radar, filter dalam hal ini BPF mempunyai peranan yang besar dalam proses pencitraan (imaging). Pada dasarnya, terdapat 2 jenis sensor yang sering digunakan dalam teknik pencitraan yaitu sensor optik dan sensor radar. Sensor radar yang lebih dikenal dengan synthetic aperture radar (SAR), memiliki kelebihan dapat
D-29
Prosiding SENTIA 2016 – Politeknik Negeri Malang mendeteksi ketinggian gedung, bentuk atap, material bangunan dan lain sebagainya. Beberapa kelebihan tersebut menjadi sorotan pada SAR sebagai teknik pencitraan yang lebih handal dibandingkan dengan sensor optik (Tao dkk).
Volume 8 – ISSN: 2085-2347 cakupan yang lebar (Liu dkk). Gambar 1 menunjukkan blok diagram dari sistem SAR berbasis FMCW. Terlihat dari gambar tersebur bahwa keluaran DDS yang berperan sebagai signal generator adalah blok BPF. Hal ini sesuai dengan prinsip pengolahan sinyal pada FMCW yaitu membangkitkan sinyal kirim yang berubah terhadap waktu yang kemudian diolah dengan membandingkan sinyal kirim dan sinyal terima dengan skema de-chirping (Stringham, dkk).
Gambar 1. Blok diagram SAR berbasis FMCW SAR pada umumnya bekerja dengan ukuran antena yang relatif kecil, namun tetap mampu mendapatkan hasil citra yang relatif besar. Konsep dasar dari SAR adalah dengan memanfaatkan frekuensi dari sinyal radar sepanjang jalur spektrum untuk membedakan dua penyebaran pada pancaran antenna (Goodman dkk). Salah satu teknik modulasi pada SAR dan juga radar lainnya adalah frequencymodulated continous-wave (FMCW). Dalam teknik modulasi ini, bentuk gelombang yang umum digunakan adalah bentuk chirp, dimana bentuk gelombang ini mampu mendeteksi objek yang bergerak, yang mana gelombang pantul yang dihasilkan oleh target yang bergerak akan menghasilkan pergeseran frekuensi akibat efek Doppler. Teknik FMCW menggunakan perbandingan frekuensi kirim dan frekuensi terima dari sistem untuk mendapatkan informasi jarak (Edward dan Munir, A.).
Pada umunya, proses pendeteksian pada SAR berbasis FCMW menggunakan pita frekuensi yang sempit. Hal tersebut disebabkan karena pita frekuensi yang lebar menimbulkan noise yang besar dari lingkungan dan atenuasi dari atmosfir (Syrovatka, Bretislav). Dalam penelitian ini, rentang frekuensi baseband dari SAR FMCW yang digunakan, yaitu pada daerah passband 25-35MHz, merupakan hasil perhitungan dan pertimbangan dari beberapa aspek. Oleh karena itu, sinyal sumber harus sesuai dengan sinyal yang diinginkan. Sehingga akan diperlukan BPF yang bekerja pada rentang frekuensi 25-35MHz yang akan meredam sinyal di luar frekuensi yang tidak diinginkan dari keluaran DDS yang berperan sebagai signal generator dengan daerah transisi yang sempit (C. Stringham, dkk). Dari penjelasan tersebut, dapat diketahui bahwa penelitian ini memiliki tujuan untuk merancang BPF Cauer-Chebyshev yang memiliki daerah transisi yang cukup sempit untuk diaplikasikan pada sistem SAR berbasis FMCW.
Berbeda dengan radar pulsa, radar berbasis FMCW menggunakan perbedaan frekuensi kirim dengan frekuensi terima untuk mendapatkan informasi dari objek. Radar FMCW pada dasarnya mengirim dan menerima sinyal termodulasi dengan 100% duty cycle. Dengan teknik tersebut, SAR FMCW memiliki beberapa kelebihan diantaranya dapat memantau frekuensi, pencitraan dengan resolusi tinggi, dan pendeteksian dengan luas
2. Perancangan BPF Cauer-Chebyshev Filter BPF Cauer-Chebyshev dirancang dengan orde 5 menggunakan komponen Surface Mount Devices (SMD) 0805 yang berukuran
D-30
Prosiding SENTIA 2016 – Politeknik Negeri Malang 2,032mm x 0,127mm. Tabel 1, Tabel 2 dan Tabel 3 menunjukkan nilai-nilai ternormalisasi dari rangkaian LPF orde 5 (Zverev, A. I.). Langkah selanjutnya adalah melakukan transformasi nilai dari LPF ke BPF. Untuk pengambilan nilai yang yang diinginkan, dilakukan simulasi untuk nilai-nilai lainnya, kemudian hasil-hasil simulasi tersebut dibandingkan satu sama lain. Hasil simulasi yang dibandingkan adalah nilai S11 dan S21. Dari hasil perbandingan, digunakan nilai yang ditunjukkan oleh blok warna pada tabel-tabel tersebut.
Tabel 2. Nilai komponen rangkaian LPF CauerChebyshev orde 5 untuk = 0,08 (L2, C1 - C3 ) K2=1,0
Pada rangkaian BPF Cauer-Chebyshev, seperti diperlihatkan pada Gambar 2, rangkaian LPF disusun oleh kapasitor yang diparalel dengan kapasitor lain. Selain itu, terdapat rangkaian yang disusun seri terhadap impedansi keluaran berupa kapasitor dan induktor yang diparalel. Tranformasi BPF didapatkan dengan menggantikan kapasitor bernomor ganjil yang disusun paralel, dengan induktor dan kapasitor baru yang disusun paralel serta mengubah kapasitor dan induktor yang bernomor genap dengan 2 pasang kapasitor dan induktor baru yag disusun seri. Hasil tranformasi dari LPF ke BPF dapat dilihat pada Gambar 3. Terlihat bahwa bentuk rangkaian BPF Cauer-Chebyshev lebih kompleks dibandingkan dengan BPF Chebyshev.
Amin
2
4
C
2,0
28,6537
171,96
48,7389
301,274
3,0
19,1073
154,34
32,4927
20,0893
4,0
14,3356
141,84
24,3697
15,0716
5,0
11,4737
132,14
19,4959
12,0620
C2
L2
C3
0,8973
0,0000
1,3590
1,7170
0,8970
0,0003
1,3589
1,7257
0,8967
0,0007
1,3584
1,7248
0,8962
0,0012
1,3578
1,7235
0,8957
0,0019
1,3570
1,7218
K2=1.0 C4
L4
C5
0,0000
1,3590
0,8973
0,0008
1,3581
0,8965
0,0018
1,3566
0,8965
0,0032
1,3546
0,8942
0,0050
1,3520
0,8925
Gambar 3 merupakan gambar rangkaian yang telah didenormalisasi sesuai dengan frekuensi kerja dan spesifikasi lainnya yang diinginkan. Rangkaian hasil transformasi untuk nilai yang dinormalisasi memiliki bentuk rangkaian yang berbeda dengan rangkaian realisasi Dengan frekuensi 25-35MHz, impedansi masukan serta keluaran sebesar 50, dan nilai ternormalisasi dari Tabel 1, Tabel 2, dan Tabel 3, maka didapatkan nilai masing-masing komponen untuk Gambar 3 seperti diperlihatkan pada Tabel 4. Terlihat bahwa kapasitor bernomor ganjil pada Gambar 2 digantikan dengan induktor dan kapasitor baru yang disusun paralel. Sedangkan komponen bernomor genap berupa kapasitor dan induktor yang disusun paralel, diubah menjadi 2 pasang kapasitor dan induktor baru yang disusun paralel.
Tabel 1. Nilai ternormalisasi rangkaian LPF CauerChebyshev orde 5 untuk = 0,08 K
C1
Tabel 3. Nilai komponen rangkaian LPF orde 5 untuk = 0,08 (C4 – C5 )
Gambar 2. Rangkaian dasar LPF Cauer-Chebyshev orde 5
Volume 8 – ISSN: 2085-2347
D-31
Prosiding SENTIA 2016 – Politeknik Negeri Malang
Volume 8 – ISSN: 2085-2347 3.
Tujuan utama simulasi adalah melihat respon S11 dan S21 dari filter yang telah dirancang pada perhitungan sebelumnya. Beberapa aspek penting dalam simulasi yang perlu diperhatikan adalah pada saat dalam mengubah nilai komponen seperti S21 supaya minimum pada daerah passband dan S11 supaya maksimum pada daerah stopband. Gambar 4 menunjukkan hasil simulasi respon BPF CauerChebyshev orde 5 dengan nilai komponen yang diperoleh dari hasil perhitungan. Hasil simulasi tersebut menunjukkan bahwa nilai S21 pada daerah passband 25-35MHz cenderung memiliki nilai konstan di atas -0,274dB sedangkan nila S11 pada daerah passband 25-35MHz memiliki ripple dengan nilai maksimum -12,141dB. Hasil simulasi menujukkan baik S11 maupun S12 memiliki daerah transisi yang cukup sempit.
Gambar 3. Hasil transformasi BPF CauerChebyshev orde 5 Tabel 4. Hasil tranformasi LPF-BPF CauerChebyshev orde 5 Kapasitor
Induktor
C1
289,57 pF
L1
C2-
25,85 pF
L2-
292,76
C2+
97,21 fF
L2+
1100,84 nH
C3
557,1 pF
L3
51,96 nH
C4-
26,82 pF
L4-
113,82
C4+
260,77 pF
L4+
1106,73 nH
C5
289,41 pF
L5
100,03 nH
99,97 nH H
H
Tahap selanjutnya adalah penyesuaian komponen yang dibutuhkan dengan komponen yang tersedia. Hal ini disebabkan karena tidak semua nilai komponen dari hasil perhitungan, tersedia untuk direalisasikan. Setelah dilakukan penyesuaian, dengan mempertahankan beberapa kondisi yang diperlukan seperti S11 dan S21 pada daerah passsband dan stopband, maka diperoleh nilai komponen untuk direalisasi pada Tabel 5.
Gambar 4. Hasil simulasi BPF Cauer-Chebyshev orde 5 dengan nilai komponen hasil perhitungan. Gambar 5 merupakan hasil simulasi respon BPF Cauer-Chebyshev orde 5 dengan nilai pendekatan komponen. Seperti telah dijelaskan sebelumnya, hasil perhitungan diubah kembali dengan mempertahankan beberapa aspek seperti S11 dan S21 karena terdapat penyesuaian nilai hasil perhitungan dengan komponen yang tersedia.
Tabel 5. Hasil tranformasi LPF-BPF CauerChebyshev orde 5 melalui pendekatan komponen Kapasitor
Simulasi dan Diskusi
Induktor
C1
283 pF
L1
100 nH
C2-
25 pF
L2-
300
C2+
97,22 fF
L2+
1150 nH
C3
560 pF
L3
51,2 nH
C4-
27 pF
L4-
115
C4+
200 fF
L4+
1100 nH
C5
290 pF
L5
100 nH
Simulasi dilakukan berulang kali dengan nilai yang berbeda-beda untuk mengetahui perbedaan dan fungsi tiap komponen. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa komponen C1 dan L1 berbanding lurus dengan nilai S21. Semakin besar nilai C1 atau L1 maka akan didapatkan nilai S21 yang semakin besar. Namun nilai S21 berbanding terbalik dengan nilai C5 dan L5. Sedangkan simulasi dengan nilai C3 dan L3 yang berbeda, cenderung menghasilkan bentuk nilai S21 yang konstan, namun lebih berpengaruh pada frekuensi kerja. Nilai C3 atau L3 yang diperbesar menyebabkan frekuensi kerja filter mengalami penurunan di luar daerah passband 25-35MHz.
H
H
D-32
Prosiding SENTIA 2016 – Politeknik Negeri Malang
Volume 8 – ISSN: 2085-2347
Daftar Pustaka: Collin, E. Robert (2001): Foundations for Microwave Engineering, New Jersey, John Wiley & Sons, Inc., Second Edition. Stringham, C., Long, D. G., Wicks, B., and Ramsey, G.(2010): Digital Receiver Design for an Offset IF LFM-CW SAR, Utah and New York, BYU Microwave Earth Remote Sensing Laboratory and ARTEMIS Inc., pp. 960. Edwar & Munir, A. (2015): Developent of SAR Transmitter for Nanosatellite-based Remote Sensing Application, Proc. of 5th ICEE, Bali, Indonesia, August 2015, pp. 1.
Gambar 5. Hasil simulasi BPF Cauer-Chebyshev orde 5 dengan pendekatan komponen Komponen dengan urutan bernomor genap lebih berfungsi sebagai pembentuk nilai S11 dan S21, dimana memperbesar induktor pada N- (baik itu 4 atau 2) atau memperkecil kapasitor pada N+ cenderung tidak merubah hasil simulasi, bahkan menunjukkan bentuk dan frekuensi kerja yang sama. Namun perubahan akan berpengaruh besar pada nilai S11 dan S21 ketika memperkecil induktor pada N- atau memperbesar kapasitor pada N+. Untuk induktor pada N+ atau kapasitor pada N- tidak diperoleh sifat linieritas dari nilai komponen terhadap nilai S11 dan S21. Dapat diketahui bahwa induktor pada N+ atau kapasitor pada N- lebih bersifat penyeimbang.
4.
Goodman, A. N., Lin, C. S. Rajakhrisna, D., Stiles, M.J. (2002): Processing of Multiple-Receiver Spaceborne Arrays for Wide-Area SAR, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Kansas, The University of Kansas, Vol. 40, No.4. Liu, Y., Deng, K. Y., Wang, R., and Loffeld, O. (2013): Bistatic FMCW SAR Signal Model and Imaging Approach, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 49, No.3. Misra, K. D. (2001): Radio Frequency and Microwave Communication Circuits, New Jersey, John Wiley & Sons, Inc. Nugroho & Widi, A. K. (2010): Studi Perbandingan Chebyshev Filter, Cauer Filter dan BesselThomson Filter yang Direalisasikan Menggunakan Operasional Amplifier dan Field Progamable Analog Array FPPA, Surabaya, ITS.
Kesimpulan
Perancangan BPF Cauer-Chebyshev orde 5 telah berhasil dilakukan sesuai dengan ketentuan yang diinginkan. Dari hasil yang diperoleh, respon BPF Cauer-Chebyshev yang dirancang dengan nilai komponen hasil perhitungan dan dengan pendekatan menunjukkan kesamaan karakteristik pada daerah passband 25-35MHz. Terlihat bahwa BPF CauerChebyshev memiliki beberapa kelebihan salah satunya adalah daerah transisi filter pada S11 maupun S21 yang sempit. Namun BPF Cauer-Chebyshev memiliki rangkaian yang lebih kompleks dibandingkan rangkaian BPF Chebyshev biasa. Oleh karena itu, BPF Cauer-Chebysev sangat banyak membantu dalam beberapa aplikasi seperti SAR berbasis FCMW yang membutuhkan daerah transisi filter yang cukup sempit.
Steven (1997): The Scientist and Engineer’s Guide to Digital Signal Processing, California, California Technical. Syrovatka, Bretislav (1995): Narrowband Tracking Filters in FMCW Radar Sensors, Czech Republic, Department of RadioElectronics. Tao, J., Palubinskas, G., Reinartz, P., and Auer, S.(2011): Interpretation of SAR Images in Urban Areas Using Simulated Optical and Radar Images, IEEE Joint Urban Remote Sensing Event, Munich, Germany, April 11-13. Zverev, A. I. (1967): Handbook of Filter Synthesis, New York, USA, John Wiley & Sons, Inc.
D-33
