1).Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi – LIPI
Jl. Cisitu 21/ 154D Bandung 40135 Telp. 022 250 4660, 250 4661 Fax. 022 250 4659 2) IRCTR-TU DELFT The Netherland
Email : folin@ppet.lipi.go.id
ABSTRAK
Pada makalah ini dibahas tentang antena ground penetrating radar adaptif terhadap multi pulsa. Antena terdiri dari 2 buah antena dipole yang dibuat seperti struktur bow-tie. Antena didesain untuk dieksitasi pulsa pendek dan pulsa panjang. Untuk mengetahui unjuk kerja dari antena maka sebelumnya dilakukan simulasi dengan menggunakan software FDTD 3D. Pulsa yang digunakan untuk eksitasi antena adalah 1,2 ns dan 2,4 ns. Sedangkan pada pengukuran digunakan pulsa eksitasi 0,6 ns, 1,2 ns, 2,4 ns dan 4,8 ns. Hasil simulasi dan pengukuran menunjukan bahwa antena dapat beradaptasi dengan pulsa-pulsa tersebut dan mentransmisikan masing-masing pulsa tersebut dengan peak-to peak amplitudo maksimal pada arah pancaran. Antena ini dapat digunakan untuk operasi GPR pada aplikasi yang berbeda-beda dengan menggunakan sistem antena tunggal
Kata kunci : antena, ground penetrating radar, multi pulsa
1. PENDAHULUAN
Ground Penetrating Radar (GPR) merupakan suatu
alat yang digunakan untuk proses deteksi benda – benda yang berada / terkubur di bawah tanah dengan tingkat kedalaman tertentu, dengan menggunakan gelombang radio, biasanya dalam range 10 MHz sampai 1GHz . GPR dapat digunakan untuk memetakan kondisi geologi yang meliputi kedalaman batuan dasar, kedalaman skema air di bawah permukaan tanah, kedalaman dan ketebalan strata tanah dan sedimen di daratan dan di bawah permukaan air bersih, dan lokasi rongga- rongga di bawah permukaan tanah serta patahan/retakan batuan dasar. Aplikasi lain diantaranya digunakan untuk mengetahui keberadaan seperti pipa, drum, tangki, kabel, dan batuan-batuan besar, pemetaan lahan dan batasan- batasan saluran air, dan melaksanakan penelitian arkeologis.
Beberapa aplikasi GPR membutuhkan resolusi dan kedalaman penetrasi yang berbeda-beda. Sebagai contoh, pemeriksaan jalan dengan menggunakan GPR membutuhkan resolusi yang tinggi dengan kedalaman penetrasi hanya beberapa cm, sedangkan untuk aplikasi hidrologi secara umum membutuhkan resolusi yang rendah dengan kedalaman penetrasi mencapai puluhan meter. Untuk mendapatkan resolusi tinggi suatu impulse GPR mengirimkan (mentransmisikan) pulsa pendek, sedangkan resolusi rendah dan kedalaman penetrasi yang besar diperoleh dengan mengirimkan pulsa panjang. Oleh karena itu, untuk masing-masing aplikasi GPR akan membutuhkan antena dengan ukuran yang berbeda-beda. Antena GPR secara umum hanya efektif untuk lebar pulsa tertentu. Jadi apabila GPR bekerja dengan impuls
yang mempunyai lebar pulsa berbeda memerlukan antena yang berbeda pula. Hal ini sangat tidak efektif dalam penggunaan di lapangan terutama bila digunakan untuk aplikasi yang berbeda.
Dengan melihat penjelasan diatas, pada tulisan ini dipaparkan pengembangkan antena GPR dimana dapat digunakan secara efektif terhadap beberapa pulsa eksitasi yang berbeda. Sehingga diharapkan dapat dibuat suatu antena GPR yang dapat bekerja pada range aplikasi yang luas.
2. DESAIN ANTENA
Geometri antena yang dirancang disini dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1: Geometri Antena GPR: (a). Keseluruhan antena (b). Sisilengan kanan antena
Lengan antena terdiri atas elemen panjang dan pendek yang dibuat seperti struktur bow-tie. Elemen panjang dan pendek dioptimasi terhadap pulsa 2.4 ns dan 1,2 ns.
Pada gambar 1 dapat dilihat bahwa masing- masing elemen terdiri dari bagian tanpa beban /
unloaded (antara feedpoint dan tekukan) dan bagian terbebani/loading (antara tekukan dan bagian akhir antena). Panjang dari bagian unloaded pada masing-masing elemen ditentukan sebesar λc/4
untuk mendapatkan radiasi maksimal pada arah pancaran dari antena, seperti yang telah dijelaskan di atas. Apabila elemen panjang dioptimasi untuk pulsa 2,4 ns (frekuensi tengah 450 MHz), diasumsikan permitivas relatif efektif dari substrat adalah 2,5 maka panjang optimal dari bagian unloaded adalah skitar 10 cm. Untuk elemen pendek, yang dioptimasi untuk pulsa 1,2 ns (frekuensi sentral 900 MHz) maka panjang bagian tanpa beban adalah duakali lebih pendek dari elemen panjang. Selain itu, analisa FDTD mengindikasikan bahwa pemisahan angular 70o antar bagian tanpa beban, seperti ditunjukkan pada gambar 1, menghasilkan isolasi yang baik antara kedua elemen tersebut.
Pembebanan resistif untuk menekan ringing ditambahkan pada bagian antena antara tekukan dan bagian akhir antena. Pada masing-masing elemen antena, bagian dari pembebanan yang terdekat dengan tekukan, dan pada tekukan itu sendiri menghasilkan diskontinuitas yang berperan sebagai sumber radiasi sekunder untuk meningkatkan pentransmisian pada arah pancaran. Pada penelitian ini digunakan 25 resistor seri sebagai pembebanan resistif dengan menggunakan profil pembebanan yang dihasilkan pada [1]. Pada prakteknya, resistor tersebut disolder melintang diantara gap sepanjang bagian loaded, seperti ditunjukkan pada Gambar-1.
Gambar-2 menunjukkan realisasi dari antena.
Gambar 2: Realisasi antena GPR yang dicetak diatas substrat FR-4
3. SIMULASI
Software simulasi yang digunakan adalah FDTD 3D (Finite Difference Time Domain 3 Dimensions) untuk perancangan antena. Pada saat simulasi hanya 2 pulsa yang digunakan untuk mengeksitasi antena. Pulsa yang digunakan disini adalah monocycle dengan durasi 1,2 ns dan 2,4 ns.
Gambar 3 : Pulsa untuk eksitasi antena: monocycle 1,2 ns dan 2,4 ns
(a). Bentuk gelombang (b). Spektrum frekuensi
Gambar 3 (a) menunjukan monocycle 1,2 ns dan 2,4 ns yang merupakan turunan pertama dari fungsi gausian, sedangkan spektrum frekuensinya ditunjukan pada gambar 3 (b) dimana dapat dilihat bahwa nilai frekuensi central adalah sekitar 900 MHz untuk monopulse 1,2 ns dan 450 MHz untuk
monopulse 2,4 ns. Hasil simulasi dari antena GPR dapat dilihat pada gambar dibawah ini
a.
b.
Gambar 4: Gelombang transmisi dari Antena GPR, yang dieksitasi dengan monocycle 1,2 dan
2,4 ns
a.
elemen pendek yang dihubungkanb.
elemen panjang yang dihubungkan4. HASIL PENGUKURAN
Setelah dilakukan simulasi maka langkah selanjutnya yaitu membuktikan secara eksperimen kemampuan antena GPR yang telah didesain dan disimulasikan untuk dieksitasi dengan monocycle
0.6ns, 1.2 ns, 2.4 ns dan 4.8 ns.
Alat yang digunakan pada perngukuran ini adalah generator pulsa 30 ps, sampling converter, PC,
UWB probe. Setup untuk pengukuran gelombang
yang ditransmisikan ditunjukan pada gambar 5.
Gambar 5: Setup untuk pengukuran gelombang yang ditransmisikan
Sensor elektromagnetik UWB yang diperkenalkan pada [2] digunakan sebagai probe dan dihubungkan dengan sampling converter yang dikontrol secara keseluruhan oleh PC. Antena yang diukur dihubungkan dengan generator pulsa yang mengeksitasi monocycle dengan durasi 30ps setelah mendapat trigger dari sampling converter. Spektrum dari 30ps lebih besar dari pulsa yang dipertimbangkan disini sehingga dapat diketahui respon antena yg dieksitasi oleh pulsa tersebut. Antena dan probe dicatu dengan kawat twin semi-
rigrid (TSR) untuk menghindari kebutuhan dari
balun menggunakan teknik yang dibahas pada [3]. Pada pengujian antena GPR ini pengantian antara elemen panjang dan elemen pendek dilakukan secara manual dengan menghubung pendekkan gap yang dekat dengan titik pencatuan.
Untuk pengukuran kami mempertimbangkan 3 seting elemen yang berbeda,
yaitu:
1) elemen pendek “on”, elemen panjang “off” 2) elemen panjang “on”, elemen pendek “off” 3) semua elemen “on”
dimana “on” kami asumsikan elemen yang sesuai terhubung dengan titik pencatuan dan “off” kami asumsikan elemen tidak terhubung. Seperti yang kami sebutkan sebelumnya elemen disini dihubungkan dengan menghubung pendekkan gap yang dekat dengan titik pencatuan.
Untuk masing-masing seting elemen, antena dieksitasi dengan masing-masing pulsa
monocycle 0.6, 1.2, 2.4, 4.8 ns . Bentuk gelombang dan spektrum frekuensinya ditunjukan pada gambar 6.
Gambar 6: Pulsa untuk eksitasi antena: monocycle 0.6, 1.2, 2.4, 4.8 ns
(a). Bentuk gelombang (b). Spektrum frekuensi
Subjek utama yang menjadi pengamatan pada pengukuran ini adalah besarnya peak-to-peak
amplitudo dari pulsa yang ditransmisikan.
Hasil pengujian Antena GPR dapat dilihat pada gambar dibawah ini
Gambar 7: Pengukuran gelombang yang ditransmisikan oleh antena untuk seting elemen yang berbeda
(a). 0.6 ns, (b). 1.2 ns, (c). 2.4 ns, (d) 4.8 ns
5. ANALISA
Hasil simulasi yang ditunjukan pada gambar 4.(a) dapat dilihat bahwa pulsa 1,2 ns dapat ditransmisikan dengan optimal oleh antena dipole pendek dimana amplitudo gelombang secara substansial lebih besar dibandingkan dengan pulsa 2,4 ns. Hasil ini menunjukan bahwa untuk kasus ini antena efektif terhadap pulsa 1,2 ns, seperti yang diharapkan.
Pada gambar 4.(b) dapat dengan jelas diamati bahwa amplitudo gelombang dengan pulsa 2,4 ns pada arah pancaran antena lebih besar dibandingkan pulsa 1,2 ns. Jadi terbukti bahwa antena GPR dipole panjang efektif untuk eksitasi pulsa 2,4 ns.
Pada pengujian secara eksperimen kami menambahkan 2 pulsa untuk dieksitasi ke antena GPR yaitu monocycle 0.6 ns dan 4.8 ns, meskipun pada mulanya antena dioptimasi untuk monocycle
1.2 ns dan 2.4 ns. Dengan penambahan ini maka akan dapat dilihat kemampuan adaptasi dari antena dimana antena juga dapat bekerja pada pulsa eksitasi tambahan tersebut, sehingga memperluas daya guna dari antena.
Pengukuran gelombang yang ditransmisikan untuk seluruh seting elemen dan pulsa yang dieksitasi ditunjukan pada gambar 7. Nilai peak-to-peak amplitudo dari gelombang yang diukur dapat dilihat pada tabel 1.
Tabel 1. Nilai Amplitudo relatif untuk bermacam-macam seting elemen Peak-to-peak amplitudo Durasi Monocycle Elemen pendek ”on” Elemen panjang ”off” Elemen panjang”on” Elemen pendek ”off ” Kedua elemen ”on ” 0.6 ns 1 0.65 0.88 1.2 ns 1 0.84 0.91 2.4 ns 0.96 0.85 1 4.8 ns 0.73 1 0.96
Berdasarkan tabel 1, dapat dilihat bahwa hasil yang diperoleh sesuai dengan hasil simulasi antena. Seting 1 memberikan radiasi maksimal
untuk pulsa-pulsa rendah (0.6 ns dan 1.2 ns), seting 2 untuk pulsa panjang (4.8 ns), dan seting 3 untuk pulsa sedang (2.4 ns). Hasil ini menunjukan kemampuan adaptasi dari antena untuk transmisi optimal dari multipulsa. Pada hasil diatas diperhitungkan juga mismatch loss.
6. KESIMPULAN
Telah diperkenalkan dan diuji secara eksperimen antena GPR adaptif untuk transmisi optimal dari multi pulsa. Antena telah digunakan untuk mentransmisikan 4 monocycle dengan durasi yang berbeda yaitu 0.6 ns, 1.2 ns , 2.4 ns, 4.8 ns. Hasil eksperimen menunjukan bahwa antena dapat beradaptasi dengan pulsa-pulsa tersebut dan mentransmisikan masing-masing pula tersebut dengan peak-to peak amplitudo maksimal pada arah pancaran. Antena ini dapat digunakan untuk operasi GPR pada aplikasi yang berbeda-beda dengan menggunakan sistem antena tunggal
DAFTAR REFERENSI
[1]. A.A. Lestari, et al., “Design and realization of a GPR Antenna for Hydrological Application,” Proc. 2005 IEEE Int. Workshop Antenna Technology (IWAT 2005), pp. 295-298, Singapore
[2] A. Yarovoy, R. de Jongh, and L.P. Ligthart,
“Ultra-wideband sensor for electromagnetic
field measurement in time domain”, Electr.
Lett., vol. 36, no. 20, pp. 1679-1680, Sep.2000
[3] A.A. Lestari, A.B. Suksmono, A. Kurniawan, E. Bharata, A.G. Yarovoy, L.P. Ligthart, “A facility for UWB antenna measurements in time domain”, Proc. 2005 IEEE Int. Workhop Antenna Technology (IWAT @))%), pp.109- 112, Singapore, march 2005
[4] Mur G, 2000, User’s guide for FDTD3D; the C++ finite difference code for electromagnetic field in three dimentions and time, IRCTR and Laboratory for Electromagnetic Research Delft.