Peberlin Sitompul
1, Aries Kurniawan
1, M. Sjarifudin
1, Mario Batubara
1,
Harry Bangkit
1, Timbul Manik
1, J.R Roettger
21)Pusat Pemanfaatan Sains Antariksa – LAPAN Jln Dr. Djunjunan No 133 Pasteur Bandung
Email : [email protected]
2)DLR ( Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt ) Jerman Email : [email protected]
ABSTRAK
Radar VHF LAPAN merupakan jenis Radar MST ( Mesosfer Stratosfer Troposfer ) yang dibangun didaerah Pamengpeuk, Garut, Jawa Barat dan letaknya di tepi pantai Lautan Hindia untuk meningkatkan pemahaman tentang cuaca dan iklim dikawasan selatan Indonesia serta mendukung informasi beberapa fenomena lainya seperti ENSO dan QBO. Beroperasi pada frekuensi 150 MHz dengan daya puncak 1 KW ( masih dalam pengembangan). Radar ini merupakan versi mini dari Radar TRAINERS dalam rangka kerjasama proyek multi- nasional TRAINERS. Pendukung utama proyek ini adalah LAPAN, DLR Jerman dan ISRO India. Dengan pengaturan arah pancar sinyal yang ditransmisikan, radar VHF LAPAN juga dapat dipakai untuk penelitian irregularitas ionosfer pada lapisan E dan F seperti fenomena ES dan ESF, serta penelitian VHF-TEP di daerah Equator. Dalam makalah ini dibahas sistem antenna radar VHF LAPAN meliputi Jenis Antena, Power Divider/ Combine , Koneksi, Analisa Pengaturan Beam dan Phase Shifter.
Kata Kunci : Antena, Power Divider, Power Combiner, Pengaturan Beam, Phase Shifter.
1. LATAR BELAKANG
Proyek kerjasama multi-nasional TRAINERS ( Tropical Atmosphere and Ionosphere New Equatorial Radar System ) yang dimulai pada tahun 2003 didukung oleh LAPAN ( Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional ) Indonesia, DLR ( Deutsche Zentrum fur Luft und raumfahrt ) Jerman dan ISRO ( Indian Space Research Organisation ) India. Pada proyek TRAINERS akan dibangun radar TRAINERS yang merupakan sebuah radar atmosphere dengan frekuensi 150 MHz dan daya pancar puncak 10 kW di Pamenungpeuk, Garut, Jawa Barat. Pada awalnya radar TRAINERS ditargetkan selesai tahun 2008. Radar ini akan digunakan untuk memantau perilaku atmosphere dan ionosfer dikawasan barat Indonesia. Kegiatan dalam proyek ini cukup menantang karna adanya kegiatan mengkonstruksi system radar VHF dari awal, dan menciptakan komunitas pengguna ilmiah yang kompeten dari semua pendukung proyek. Juga terdapat missi pendidikan teknologi, rekayasa, riste ilmiah dan penangan logistic yang berguna bagi LAPAN ( Roetger, 1989 ).
2. RADAR VHF LAPAN
Radar VHF Lapan terdiri dari Pemancar 150 MHz, 1 kW yang dibeli dari Vikas Communication Pvt. Ltd. Penerima 3-kanal frekuensi 150 MHz, LO frekuensi 120 MHz, IF frekuensi 30 MHz, Bandwidth 3.4 MHz, yang dibeli dari United system Engineering Ltd. India ( USE ). Pengontrol Radar menggunakan signal 150
MHz yang diambil dari penerima radar, dan signal pulsa dari mikrokontroller dan dicampur dengan
frequency mixer ADEX-10L. Pengaturan lebar dan
perioda signal yang dibangkitkan pada PC menggunakan perangkat lunak LabView Profesional versi 8.
Gambar 1: Diagram Radar VHF LAPAN
2.1 Antena
Ada 4 fungsi dasar antena :
a. Memusatkan output transmitter menjadi beam yang sempit, oleh karena itu menaikkan kerapatan daya dalam beam
b. Menyesuaikan impedansi saluran transmisi radar dengan media perambatan.
c. Menangkap energi echo dari target. Penangkapan echo ini akan efektif dari arah sumbu antenna
d. Mengatur arah pancaran transmisi (beam) dan penerimaan sinyal yang dapat diatur kearah yang diinginkan.
Antena yang dipasang adalah timbal balik, karakter dan parameter sama untuk transmisi dan penerimaan sinyal.
2.2 Specifikasi Antena Radar VHF LAPAN
Antena YAGI, 4 element, elemen terbuat dari aluminium bulat dengan d = 10 mm, f = 150 MHz. L = 150 cm. L l= 1 0 0 cm l l=8 6 cm l=80 cm l=8 0 cm 86 cm 22 c m 54 c m R efle k tor D ri v en El e m e n t Dir e ct o r D irector 5 cm
Gambar 2: Antena Radar VHF LAPAN
Gambar 3 :Gambar Array Antena Radar VHF LAPAN
2.3 Kajian Pengaturan Beam Antena Array
Jika satu group antena diberikan sinyal dengan phasa yang sama, maka arah beam akan terpusat di tengah. Pada gambar 4 terlihat ada lima antena, dimana pada setiap arah itu merupakan penjumlahan dari kelima signal tersebut dengan arah yang berbeda beda. Pada gambar paling atas (arah panah) dimana ada beam ( side beam ) yang mana besar beam didominasi oleh antena 1. Dibawahnya terlihat besar beam sama dengan nol, itu dikarenakan semua signal mempunyai arah yang berbeda-beda dengan perbedaan sudut 360 / 5 = 72 derajat, dan pada derajat ini lah disebut nul
beam (pada derajat tersebut besar signal akan sama dengan nol). Yang paling diharapkan seperti gambar paling tengah dimana besar signal pada beam tersebut merupakan penjumlahan signal dari antena 1+2+3+4+5, dan pada arah ini disebut sebagai main beam ( beam utama ).
Gambar 4: Arah Beam
Gambar 5: Pola Beam dengan phasa yang sama Untuk pengukuran arah dan kecepatan angin vertikal, zonal dan meridional diperlukan pancaran arah sinyal radar ( beam ) kearah tertentu seperti gambar 4. Hal ini bisa dilakukan dengan cara manual dan secara elektronik. Dimana dengan cara manual, arah antena diubah-ubah secara fisik, bisa dengan menggunakan rotator. Sedangkan secara elektronik ini dilakukan dengan cara mengubah besar sudut phasa sinyal pada tiap-tiap antena. Ini seperti dilakukan di EAR ( Equatorial Radar Atmosphere ) Kototabang. Pada gambar 6 diatas terlihat main beam berubah sebesar sudut θ dari sudut zenitnya. Bila jarak antara antenna S (antenna 3 dan 4), maka perbedaan jarak yang ditempuh signal antenna 3 dan 4 akan berbeda sebesar ∆r.
Gambarr 6: Pola beam dengan phasa signal berbeda
Ant 3
Ant 4
s
s
θ
∆r
Untuk mendapatkan pergeseran beam sebesar θ derajat, maka perbedaan phasa antara antena 3 dan 4 adalah :
∆r = S. Sin θ Maka perbedaan phasa antara antena 3 dan 4
adalah : C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 B1 B3 B2 B4 D1 D2 B8 B5 C9 C15 D3 D4 B6 B9 B7 B10 B14 B11 C22 C28 B12 B15 B13 B16 B20 B17 C34 C40 D7 D8 B18 B21 B19 B22 B26 B23 C46 C52 D9 D10 B24 B27 B25 B28 C57 C58 C59 C60 C61 C62 C63 C64 B29 B31 B30 B32 D11 D12 C11 C10 C16 C17 C12 C18 C13 C19 C14 C20 C21 C27 C23 C29 C24 C30 D5 D6 C25 C31 C26 C27 C39 C33 C45 C51 C47 C53 C48 C54 C49 C55 C50 C56 C35 C41 C36 C42 C37 C43 C38 C44 E1 E2 E3 F1
ANT1 ANT2 ANT3 ANT4 ANT5 ANT5
ANT9 ANT10 ANT11 ANT12
ANT13 ANT14
ANT15 ANT16
ANT6 ANT8
ANT17 ANT18 ANT19 ANT20 ANT21 ANT22 ANT23 ANT24 ANT25 ANT26 ANT27 ANT28
ANT29 ANT30 ANT31 ANT32 ANT33 ANT34 ANT35 ANT36 ANT37 ANT38 ANT39 ANT40
ANT41 ANT42 ANT43 ANT44 ANT45 ANT46 ANT47 ANT48 ANT49 ANT50 ANT51 ANT52
ANT64 ANT63 ANT62 ANT61 ANT60 ANT59 ANT58 ANT57 ANT56 ANT55 ANT54 ANT53
ANT65 ANT66 ANT67 ANT68 ANT69 ANT70 ANT71 ANT72 ANT73 ANT74 ANT75 ANT76
ANT77 ANT78 ANT79 ANT80ANT81 ANT82 ANT83 ANT84 ANT85 ANT86 ANT87 ANT88
ANT89 ANT90 ANT91 ANT92 ANT93 ANT94 ANT95 ANT96 ANT97 ANT98 ANT99 ANT100
ANT101 ANT102 ANT103 ANT104 ANT105 ANT106 ANT107 ANT108 ANT109 ANT110 ANT111 ANT112
ANT113 ANT114 ANT115 ANT116 ANT117 ANT118 ANT119 ANT120
ANT121 ANT122 ANT123 ANT124 ANT125 ANT126 ANT127 ANT128
1.4 mtr
∆ø = ( S. Sin θ/λ) x 360 derajat
Untuk radar VHF LAPAN, s = 2.4 meter, 2 antena, sejajar, jika mau membuat arah beam sebesar 10 derajat terhadap sudut zenith, maka
∆r = S. Sin θ = 2.4 x Sin 100
= 0.4167 meter
∆ø = (2.4 x Sin (100)/ 2) x 3600
= 75 derajat
2.3.1 Metode Pengaturan Phasa Antena Array
⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ + + − =
Φmn XmnSinθCosφ YmnSinθ Sinφ αmn
λ π φ θ, ) 2 ( ) (
)
,
(θ
φ
mnΦ
(rad) = phase setting value of the phase shifter in mnth TRx MDLm = mth point in the Y direction n = nth point in the X direction
θ,
φ
(rad) = beam scan angleλ (mm) = wavelength = 299792.458/ f (mm) f (MHz) = frequency
Xmn (mm)= X coordinate of mnth point of element antenna
Ymn(mm) = Y coordinate of mnth point of
element antenna c 1 A n t 1 -4 A n t 5 -8 c 2 c 3 A n t 9 - 1 2 A n t 1 3 - 1 6 A n t 1 7 - 1 8 A n t 1 9 - 2 2 A n t 2 3 - 2 6 A n t 2 7 -2 8 A n t 2 9 - 3 0 A n t 3 1 - 3 4 A n t 3 5 -3 8 A n t 3 9 - 4 0 A n t 4 1 -4 2 A n t 4 3 - 4 6 A n t 4 7 - 5 0 A n t 5 1 - 5 2 A n t 5 3 - 5 4 A n t 5 5 - 5 8 A n t 5 9 -6 2 A n t 6 3 - 6 4 A n t 6 5 -6 6 A n t 6 7 - 7 0 A n t 7 1 -7 4 A n t 7 5 - 7 6 A n t 7 7 - 7 8 A n t 7 9 - 8 2 A n t 8 3 -8 6 A n t 8 7 - 8 8 A n t 8 9 -9 0 A n t 9 1 - 9 4 A n t 9 9 - 1 0 0 A n t 1 0 1 - 1 0 2 c 4 c 5 c 6 c 7 c 8 c 9 c 1 0 c 1 1 c 1 2 c 1 3 c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 c 1 8 c 1 9 c 2 0 c 2 1 c 2 2 c 2 3 c 2 4 c 2 5 c 2 6 c 2 7 c 2 8 c 2 9 c 3 0 c 3 1 C 3 3 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 D 8 D 9 D 1 0 D 1 1 D 1 2 E 1 F 1 T o T R x A n t 1 0 3 - 1 0 6 A n t 1 0 7 - 1 1 0 A n t 1 1 1 - 1 1 2 A n t 1 1 3 - 1 1 6 A n t 1 1 7 - 1 2 0 A n t 1 2 1 -1 2 4 A n t 1 2 5 -1 2 8 C 4 0 C 3 9 C 3 8 C 3 7 C 3 6 C 3 5 C 3 4 A n t 9 5 - 9 8 c 3 2 E 2 E 3 E 4 Xmn = (25.5 – n). dx (mm) Ymn = (14.5 – m). dy (mm) dx = 2250.0 (mm), dy = 3897.1 (mm)
αmn (rad) = phase correcting value of mnth transmission line
2.4 Power Divider / Combiner ( PDC )
Power Divider berfungsi sebagai pembagi sinyal ke masing-masing antena, sedangkan combiner berfungsi untuk menggabungkan sinyal yang diterima.
Specifikasi PDC dengan frekuenci 140-150 MHz, 50 ohm dengan tipe AT-2 dan AT-4, panjang 50 cm, berat 0.25 kg.
Gambar 7: Power Divider/ Combiner
2.5 Pengkabelan Antena
Untuk membentuk array antena yang diinginkan, maka koneksi antenna dibuat dengan menggabungkan antena dengan combiner / divider dengan pola tertentu.
Gambar 8: Koneksi Array Antena
Antena untuk 1 penerima terdiri dari 128 buah antena (seperti gambar 8). Antena yang sejajar ANT 1-4, 5-8 digabung dengan PDC 4:1 dengan menggunakan Belden RG-8 type 9914, dengan panjang 4 meter. kemudian group antena 1-4 dan 5-8 digabung dengan PDC 2:1. Antena yang lain disambung dengan metode yang sama, sehingga ada sebuah kabel yang terhubung dari group antena dengan Transmitter/Receiver dengan panjang 50 meter. Diagram satu garis koneksi antena seperti terlihat di gambar 9.
Gambar 9: Diagram garis koneksi Antena
77
2.6 Prinsip Phase Shifter
Phase shifter adalah penggeseran phasa signal transmisi, dengan penggeseran phasa ini sehingga diperoleh perbedaan phasa signal tiap antenna.
Gambar 10: Metoda Penggeseran phasa secara digital
3. PENGUJIAN PHERIPERAL
a. Hasil Pengukuran SWR Antena
SWR R X Ant 3 mtr 2.4 mtr 3 2.4 3 2.4 1 1.3 1.1 43 48 10 7 2 1.1 1.1 44 40 6 0 3 1 1.1 47 52 2 5 4 1 1 50 49 4 2 5 1.2 1.1 44 42 9 0 6 1.4 1.2 36 45 9 11 7 1.1 1.1 49 50 6 6 8 1.1 1.1 50 49 8 8 9 1.1 1.2 45 58 0 8 10 1.4 1 49 50 16 1 11 1.1 1.1 50 52 8 6 12 1.2 1 59 50 10 1 13 1.3 1.1 38 48 9 7 14 1.3 1.1 55 50 50 13 15 1.6 1 50 49 25 2 16 1.3 1 50 51 15 2 17 1.1 1 41 48 4 11 18 1.2 1 37 49 2 2 19 1 1.2 50 51 7 11 20 1.3 1 48 53 13 1
3.2. Pengukuran Sinyal dengan Directional
Coupler.
Untuk membandingkan pola sinyal pada sinyal generator dengan sinyal di masing-masing antena maka dilakukan pengukuran dengan alat Directional Coupler yang diamati dengan asiloskop, untuk memastikan kesamaan pola sinyalnya.
Gambar 11: Directional Coupler.
3.3 Pengukuran besar power.
Untuk mengetahui besar power di transmitter maka dilakukan pengukuran dengan Pulse Watt meter Bird 4314 B, dan juga pengukuran di group antena untuk mengetahui besar power pada di tiap-tiap grup antenna.
Gambar 12: Watt meter
4. KESIMPULAN
1. Radar sangat diperlukan sebagai alat untuk mengamati berbagai macam objek, secara khusus dalam hal ini untuk pengamatan phenomena yang terjadi di atmosfir dan antariksa.
2. Pemahaman tentang prinsip-prinsip setiap komponen radar khususnya sistem array antena sangat diperlukan untuk mendapatkan radar dengan kemampuan pengaturan arah pancar sinyal untuk pengukuran arah dan kecepatan angin.
DAFTAR REFERENSI
(1) M.Sjarifudin, Aries Kurniawan, Adi Purwono, Peberlin Sitompul, “Sistem Instrumentasi dan Konfigurasi Perangkat Keras Radar VHF Lapan”, Seminar Nasional Sains Antariksa III, LAPAN, Bandung, 2006.
(2) Mitsubishi Electronic Corporation, “ Equatorial Atmosphere Radar Technical Manual”, 2001 (3) NCU, “International School of Atmospheric
Radar” ISAR-NCU, 2006