PERANCANGAN DAN SIMULASI ANTENA ROLLED DIPOLE ARRAY UNTUK APLIKASI GROUND PENETRATING RADAR (GPR) DENGAN FOOTPRINT YANG
DAPAT BERUBAH MENGGUNAKAN METODE FINITE-DIFFERENCE TIME-DOMAIN (FDTD)
Herry Gunawan Sibarani¹, Heroe Wijanto², Yuyu Wahyu³
¹Teknik Telekomunikasi, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Telkom
Abstrak
GPR (Ground Penetrating Radar) merupakan perangkat yang berguna untuk proses pendeteksian objek yang terkubur di bawah permukaan tanah hingga kedalaman tertentu. GPR menjadi sangat berguna karena tidak perlu dilakukan penggalian tanah untuk mengetahui benda maupun informasi tentang keadaan di dalam tanah sehingga dapat menghemat waktu dan tenaga. Dalam kebanyakan sistem GPR, antena memegang peranan yang sangat penting. Umumnya setiap antena hanya memiliki footprint tertentu. Secara umum footprint merupakan daerah (spot) yang dapat discan oleh antena pengirim, pada bidang horizontal di dalam tanah pada kedalaman tertentu. Untuk mendapatkan performansi yang optimal, bentuk dan ukuran footprint harus sebanding dengan objek (target yang akan dideteksi). Jika footprint terlalu besar dibandingkan dengan objek, maka ground clutter juga ikut meningkat. Ground clutter merupakan benda-benda di luar objek yang ikut memantulkan sinyal dari transmitter sehingga dapat mengaburkan penggambaran dari objek. Jika hal ini terjadi, pengguna GPR harus melakukan image processing tingkat lanjut agar dapat membedakan antara target dengan clutter. Dengan kata lain
penggambaran objek makin optimal jika ground clutter seminimal mungkin. Sebaliknya jika footprint terlalu kecil dibandingkan objek, maka objek akan sulit untuk dideteksi. Dengan pertimbangan tersebut, dalam penelitan tugas akhir ini penulis mencoba untuk mengembangkan sistem antena GPR yang footprint nya dapat diubah - ubah.
Antena yang diusulkan pada simulasi ini ialah antena rolled-dipole dengan pembebanan resistif untuk aplikasi impulse GPR. Pembebanan resistif bertujuan untuk menekan late-time ringing. Late-time ringing merupakan osilasi yang mengikuti pulsa yang dikirimkan. Osilasi ini dapat mengaburkan sinyal yang dipantulkan oleh objek sehingga menyulitkan untuk dilakukan proses deteksi. Sistem antena yang akan disimulasikan berjumlah 9 buah yang disusun berbentuk wajik. Pemilihan pencatuan antena akan menentukan footprint yang dihasilkan. Hal tersebut
memungkinkan pengoperasian GPR untuk berbagai footprint dengan menggunakan satu sistem antena saja.
Untuk keperluan analisis elektromagnetik penulis menggunakan metode FDTD (finite-difference time-domain) dengan software FDTD3D untuk mengamati bentuk gelombang yang ditransmisikan pada arah broadside antena dalam domain waktu dan mengamati footprint yang dihasilkan. Pemilihan metode ini diantaranya karena FDTD bekerja pada domain waktu, sehingga untuk suatu rentang frekuensi yang lebar dapat dipecahkan dengan sekali simulasi.
Dari hasil simulasi dapat dianalisa beberapa hal penting. Pertama, antena rolled-dipole dapat digunakan untuk aplikasi impulse GPR dengan fractional bandwidth sebesar 0.53 sehingga bersifat ultra-wideband (UWB). Kedua, Level ringing antena rolled-dipole adalah sebesar -29.9 dB pada jarak 15 cm dari permukaan tanah dan -31.3 dB pada jarak 30 cm dari permukaan tanah, sehingga sudah layak dipakai untuk aplikasi impluse GPR resolusi menengah. Ketiga, ukuran footprint dapat diatur sesuai dengan antena yang dicatu, dan jarak antar feedpoint terdekat untuk menghasilkan footprint yang diinginkan adalah sebesar 25 cm atau sebesar setengah dari panjang gelombang. Keempat, antena rolled-dipole sangat mendukung untuk konfigurasi antena susunan karena dapat memperkecil dimensi antena dengan faktor pengecilan sampai dengan 4. Kata Kunci : antena GPR, impulse GPR, pulsa, antena rolled dipole, pembebanan resistif, footprint, FDTD, FDTD3D, Matlab.
Abstract
GPR (Ground Penetrating Radar) is a useful tool for the detection of objects buried beneath the soil surface to a certain depth. GPR be very useful because it is not necessary to dig the ground to find objects as well as information about the situation in the ground so that it can save time and energy. In most GPR systems, the antenna is very important. Generally, each antenna only has a certain footprint. In general, the footprint area (spot) that can be scanned by the antenna sender, in a horizontal plane in the soil at certain depths. To obtain optimal performance, shape and size of the footprint should be proportional to the object. If the footprint is too large compared to the object, then the ground clutter also increases. Ground clutter is the signal that come out of the object reflecting the signal from the transmitter so as to obscure the description of the object. If this happens, the user must perform GPR advanced image processing in order to distinguish between targets with clutter. In other words, the more optimal depiction of the object if the ground clutter to a minimum. Conversely if the footprint is too small compared to the object, the object will be difficult to detect. With these considerations, the author tries to develop a GPR antenna system with multiple footprints.
The antenna in this simulation is rolled-dipole antennas with resistive loading for impulse GPR applications. Resistive loading aims to suppress late-time ringing. Late-time ringing is an oscillation that followed pulses sent. These oscillations can obscure the signal reflected by the object, making it hard to do the detection. Antenna system that will simulate numbered 9 arranged pieces shaped diamonds. Antenna rationing election will determine the resulting footprint. This allows the operation of the GPR for a variety of footprint by using only a single antenna system.
For purposes of analysis the author uses electromagnetic FDTD method (Finite-difference time-domain) with software for watching FDTD3D the transmitted waveform at the broadside antenna in time domain and observing the resulting footprint. These methods include the selection for work on domain FDTD time, so for a wide range of frequencies can be solved with a single simulation.
From the simulation results can be analyzed several important things. First, rolled-dipole antenna can be used for impulse GPR applications with Fractional bandwidth for 0:53 so that is ultra-wideband (UWB). Second, Level ringing rolled-dipole antenna is of -29.9 dB at a distance of 15 cm from the ground, and -31.3 dB at a distance of 30 cm from the ground, so that's feasible to use GPR applications impluse high resolution. Third, footprint size can be adjusted in accordance with a powered antenna, and the distance between the nearest feedpoint to produce the desired footprint is 25 cm or one-half of a wavelength. Fourth, rolled-dipole antenna is very supportive for the antenna configuration can reduce the order for the antenna dimension reduction by a factor up to 4.
Keywords : GPR antenna, impulse GPR, pulse, rolled dipole antenna, resistive loading, footprint, FDTD, FDTD3D, Matlab.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
GPR (Ground Penetrating Radar) merupakan device yang berguna untuk proses pendeteksian objek yang terkubur di bawah permukaan tanah hingga kedalaman tertentu, tanpa perlu dilakukan penggalian tanah. Dengan GPR, berbagai kegiatan atau penelitian untuk mengetahui informasi tentang keadaan di bawah permukaan tanah dapat dilakukan dengan cepat dan mudah. Contohnya untuk mendeteksi kabel yang ada di bawah permukaan tanah, untuk mendeteksi pondasi dari sebuah tower, untuk pendeteksian ranjau, dan masih ada bidang lain dimana aplikasi GPR digunakan. Sehingga jelas bahwa penggunaan GPR akan terus berkembang seiring dengan pengembangan teknologi yang menggunakan subsurface (permukaan di bawah tanah) sebagai medianya.
Aplikasi GPR melibatkan penggunaan pulsa sempit sebagai gelombang yang akan dipancarkan oleh antena pengirim. Pulsa sempit ini tentunya akan mempunyai lebar bidang frekuensi yang luas, karena besaran waktu dengan besaran frekuensi mempunyai hubungan yang berkebalikan atau dengan kata lain semakin sempit pulsa maka lebar bidang frekuensinya akan semakin besar. Disinilah diperlukan suatu antena yang dapat mempertahankan kestabilan pola radiasi untuk rentang frekuensi yang luas. Hal tersebut merupakan salah satu yang melatarbelakangi ide penggunaan antena ultra wideband pada aplikasi GPR.
Dalam sistem GPR antena memainkan peran yang sangat penting, karena performansi umum dari GPR yang menggunakan impuls radar sangat ditentukan oleh kemampuan antena untuk meradiasikan impuls ke tanah dengan tingkat loss dan distorsi yang seminimal mungkin. Ini berarti bahwa impuls antena GPR harus mampu meminimalkan late-time
ringing. Late-time ringing merupakan osilasi yang mengikuti pulsa yang dikirimkan. Osilasi
ini disebabkan oleh refleksi internal antara feedpoint dengan ujung antena. Pembebanan resistif dan penggunaan absorber digunakan untuk mengatasi refleksi internal tersebut [1].
Menurut [2], semakin tinggi frekuensi maka semakin tinggi juga pelemahan sinyal pada waktu perambatannya sehingga jarak jangkauan dari GPR juga akan semakin dangkal. Tetapi di sisi lain resolusi frekuensi nya yang selanjutnya akan mempengaruhi dari kualitas pencitraan akan semakin baik. Sehingga ada tradeoff antara kedalaman penetrasi dengan kualitas dari pencitraan. Dengan pertimbangan tersebut, antena yang digunakan didesain untuk eksitasi pulsa monocycle dengan durasi 1,6 ns ( frekuensi pusat 600 MHz ). Frekuensi
tersebut cocok untuk aplikasi GPR resolusi menengah, yang digunakan untuk mendeteksi target yang kedalaman nya kurang dari 1 meter (contohnya ranjau, pipa, dan kabel).
Daerah yang diiluminasi (diterangi) oleh antena GPR di dalam bidang horizontal pada permukaan tanah atau dibawah permukaan tanah disebut footprint. Untuk mendapatkan hasil penggambaran yang optimal, bentuk dan ukuran footprint harus sebanding dengan objek (target yang akan dideteksi). Jika footprint terlalu besar dibandingkan dengan objek, maka
ground clutter juga ikut meningkat. Ground clutter merupakan benda-benda di luar objek
pada daerah yang discan antena GPR, yang ikut memantulkan sinyal dari transmitter sehingga dapat mengaburkan penggambaran dari objek. Sebaliknya jika footprint terlalu kecil dibandingkan objek, maka objek akan sulit untuk dideteksi. Umumnya suatu antena memiliki footprint tertentu. Dengan kata lain satu antena akan optimal untuk mendeteksi objek dengan bentuk dan ukuran tertentu saja. Pada kenyataannya, bentuk dan ukuran objek tidak selalu sama. Untuk itu pada aplikasi GPR diperlukan sistem antena yang footprint nya dapat diubah-ubah. Hal tersebut merupakan yang melatarbelakangi dilakukannya penelitian antena dengan footprint yang dapat berubah pada aplikasi GPR.
Untuk menganalisa kinerja antena, digunakan pemodelan numerik dengan metode finite-difference time-domain (FDTD) dengan menggunakan software FDTD3D. Pemilihan metode ini karena keunggulan yang dimilikinya, diantaranya : FDTD bekerja pada domain waktu dimana untuk rentang frekuensi yang lebar dapat diselesaikan hanya dengan sekali simulasi sehingga efektif jika digunakan pada sistem yang menggunakan pulsa monocycle sebagai sumber eksitasi. Kemudian FDTD memungkinkan pengguna untuk mendefinisikan sifat material pada semua titik di dalam domain simulasi, sehingga antena yang di desain lebih nyata atau realistis [3].
1.2 Tujuan
Tujuan penelitian tugas akhir ini adalah:
1. Merancang dan mensimulasikan antena rolled dipole array yang dapat
menghasilkan footprint yang berbeda-beda.
2. Mengamati pengaruh pembebanan resistif terhadap impedansi input dan VSWR antena rolled-dipole.
3. Mengamati pengaruh pembebanan resistif terhadap late-time-ringing pulsa.
4. Mendapatkan jarak yang terbaik antar elemen antena rolled dipole array sesuai susunan yang dirancang untuk menghasilkan footprint yang diinginkan, yaitu
1.3 Batasan Masalah
Untuk mencapai tujuan dari penelitian ini, penulis membatasi perasalahan sebagai berikut:
Ø Metode analisis yang digunakan dalam penelitian ini adalah analsis dengan menggunakan metode FDTD yang melakukan analisis dalam domain waktu. Dalam praktiknya digunakan software FDTD3D yang merupakan paket three dimensional
finite-difference time-domain untuk menghitung medan elektromagnetik, yang ditulis
dengan menggunakan bahasa C++.
Ø Parameter medan jauh, seperti gain antena dan pola radiasi, tidak menjadi perhatian dalam penelitian ini karena karakteristik dari sistem GPR yang bekerja hanya pada daerah medan dekat dan menengah saja.
Ø GPR yang disimulasikan pada penelitian ini adalah GPR impuls dan analisis dalam dilakukan dalam domain waktu sehingga yang menjadi fokus utama dalam penelitian ini adalah bentuk dan amplitudo pulsa yang ditransmisikan yang merupakan fugsi dari jarak serta impedansi input antena untuk mengetahui karakteristik UWB antena. Ø Medium yang digunakan adalah medium pasir kering yang bersifat homogen. Ø Tidak melakukan realisasi antenna.
1.4 Metodologi Penelitian
Pelaksanaan Tugas Akhir ini melalui beberapa tahapan hingga didapat hasil akhir yang diinginkan. Tahapan-tahapan tersebut adalah:
1. Studi Literatur
Pada tahap ini, dilakukan pendalaman materi-materi yang terkait melalui literatur dan referensi yang tersedia di berbagai sumber.
2. Proses Perancangan
Pada tahap ini, dilakukan proses perancangan geometri dan profil pembebanan antena yang akan dibuat.
3. Simulasi dan Optimasi
Pada tahap ini, dilakukan simulasi desain sistem yang telah dirancang dengan menggunkan metode FDTD agar dapat memenuhi spesifikasi yang diinginkan dan dioptimasi untuk mencapai hasil yang lebih baik.
4. Pembuatan Laporan
Tahap akhir dari penelitian ini adalah pembuatan laporan Tugas Akhir dan Sidang Tugas Akhir.
1.5 Sistematika Penulisan Laporan
Secara umum sistematika penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut : BAB I: Pendahuluan
Bab ini menjelaskan mengenai Latar Belakang dilakukannya Tugas Akhir ini, Tujuan penelitian Tugas Akhir, Batasan Masalah, Metode Penelitian Tugas Akhir dan Sistematika Penulisan Laporan.
BAB II: Dasar Teori
Bab ini menjelaskan mengenai teori-teori yang digunakan sebagai referensi yang meliputi gambaran umum GPR, antena untuk aplikasi GPR, konsep dasar antena UWB, footprint, dan clutter. Bab ini juga menjelaskan mengenai metoda yang digunakan dalam penelitian tugas akhir ini (metode FDTD) diantaranya : gambaran umum FDTD, algoritma Yee, Syarat batas penyerapan (Absorbing
Boundary Condition).
BAB III: Perancangan dan Simulasi
Bab ini menjelaskan mengenai semua hal yang berkaitan dengan proses perancangan dan simulasi antena GPR dengan menggunakan FDTD3D sebagai software yang menerapkan metode FDTD dalam analisisnya.
BAB IV: Analisis
Bab ini merupakan penjelasan dari simulasi yang telah dilakukan pada Bab sebelumnya.
BAB V: Kesimpulan dan Saran
Bab ini menjelaskan mengenai kesimpulan dari proses penelitian Tugas Akhir ini dan saran-saran yang mungkin berguna untuk pengembangan lebih lanjut di kemudian hari.
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Setelah melakukan proses perancangan dan simulasi susunan antena GPR yang dapat menghasilkan beberapa footprint, maka dapat disimpulkan bahwa:
1. Antena rolled dipole array dapat menghasilkan beberapa footprint yang berbeda sesuai elemen antenna yang dicatu.
2. Antena rolled-dipole yang disimulasikan terbukti dapat mentransmisikan pulsa dengan frekuensi tengah 600 MHz dan merupakan antenna ultra wide band dengan fractional
bandwidth sebesar 0.68 pada VSWR maksimum sebesar 2 dan impedansi input
sebesar 27.37- j2.771ohm.
3. Pembebanan resistif yang diterapkan disepanjang lengan antena terbukti dapat menekan late-time-ringing sehingga efek masking pada objek yang dideteksi dapat dihindari.
4. Jarak terbaik antar feedpoint antena terdekat pada antenna rolled-dipole array dengan frekuensi 600 MHz adalah sebesar 25 cm atau sekitar setengah dari panjang gelombang.
5.2 Saran
Adapun saran-saran yang dapat penulis sampaikan demi kemajuan penelitian kedepannya diantaranya :
1. Geometri dan profil pembebanan resistif yang optimum perlu diselidiki lebih lanjut untuk meningkatkan performansi dari antena GPR.
2. Perlu diadakan penelitian lebih lanjut mengenai berlaku atau tidaknya jarak antar feedpoint sebesar setengah dari panjang gelombang pada semua frekuensi operasi sehingga dapat menghasilkan footprint yang diharapkan.
3. Diperlukan software yang lebih handal dari FDTD3D dalam pendefenisian geometri antenna dan penggunaan komputer dengan spesifikasi yang tinggi untuk mempercepat simulasi antenna.
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
DAFTAR PUSTAKA
[1]. A.A. Lestari, A.G. Yarovoy, L. P. Ligthart, Adaptive Antenna for Ground Penetrating
Radar , Delft University of Technology, The Netherlands.
[2]. D.J.Daniels, Surface-Penetrating Radar, The Institution of Electrical Engineers, London, United Kingdom.
[3]. D.J.Daniels, Ground Penetrating Radar 2nd edition, The Institution of Electrical
Engineers, London, United Kingdom.
[4]. A.A. Lestari, Antennas For Improved Ground Penetratimg Radar: Modeling, Tools,
Analisys And Design, Ph.D.Dissertation, ISBN 90-76928-05-3, Delft University of
Technology, The Netherlands, 2003.
[5]. A. A. Lestari, A. G. Yarovoy, and L. P. Ligthart, “Numerical and experimental
analysis of circular-end wire bow-tie antennas over a lossy ground,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 52, no. 1, pp. 26–35, Jan.2004.
[6]. A.A. Lestari, A.G. Yarovoy, L. P. Ligthart, Adaptation Capabilities of a Wire Bow-Tie
Antenna for GPR, Delft University of Technology, The Netherlands.
[7]. T.T.Wu, R.W.P.King,”The cylindrical antenna with non reflecting resistive loading”,
IEE Trans.Antennas Propagat., vol.AP-13, no.5, pp.369-373, May 1965.
[8]. J.G.Maloney, G.S.Smith, “A study of transient radiation from the Wu-King resistif monopole-FDTD analisys and experimental measurements’, IEEE Trans.Antennas
Propagat., vol.41, no.5, pp.668-679, May 1993.
[9]. Iskander, Magdy F., Electromagnetic Fields and Waves, Prentice Hall, 1992.
[10]. TP.Montoya, G.S.Smith,”A study of pulse radiation from several broad-band loaded monopoles”, IEE Trans.Antennas Propagat., vol.44,no.8,pp.1172-1182,Aug.1996-a. [11]. A.A.Lestari, D.Yulian, A.B.Sukmono, E.Bharata, A.G.Yarovoy, and L.P.Ligthart,
Rolled Dipole Antenna for Low-resolution GPR, Progress In Electromagnetics Research Symposium 2007, Beijing, China.
[12]. G. Mur, User’s Guide for FDTD3D; The C++ Finite-Difference Code for
Electromagnetic Fields in Three Dimensions and Time, IRCTR and Laboratory for
Electromagnetic Research, Delft University of Technology, Delft, The Netherlands, May 2000.
[13]. A.A. Lestari, A.G. Yarovoy, L.P. Ligthart, “RC loaded bow-tie antenna for improved
pulse radiation,” IEEE Trans. An-tennas Propagat., vol. 52, no. 10, pp. 2555-2563,
[14]. A.A. Lestari, E. Bharata, A.B. Suksmono, Extension of the Cooperative IRCTR-ITB
Research Project on GPR Antennas, April 2007.
[15]. L.P.Ligthart, Intensive Course On GPR, Delft University of Technology, The Netherlands.
[16]. Deni Yulian, Perancangan Dan Realisasi Sistem Antena GPR Yang Dioptimasi Terhadap Beberapa Durasi Pulsa dengan Menggunakan Metode FDTD. Tugas Akhir, ITB 2006.
[17]. A.A. Lestari, A.G. Yarovoy, L. P. Ligthart, Capasitively Tapered Bow-Tie Antenna, Delft University of Technology, The Netherlands.
[18]. A.G.Yarovoy, P.J.Aubry, L.P.Ligthart, GPR Antenna Measurements In Time Domain, Delft University of Technology, The Netherlands.
[19]. Kraus,John.,Antennas 2nd ed., McGraw-Hill, 1988.
[20]. Tetuko, Yosafat. Antaran Hantaran Gelombang Listrik Magnet dengan Menggunakan
Metode FDTD. BPPT, 1988.
[21]. A.A. Pramudita, A. Kurniawan, A.B. Suksmono, A.A. Lestari, “ Footprint Adjustment
On SFCW-GPR with Modified Dipole Array”, IEEE 2007 International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation, and EMC Technologies For Wireless Communications, pp.639-643, 2007.
[22]. Wawan Saprudin, Optimasi Geometri Metalic Shielding pada Antena Bowtie yang
Dimodifikasi untuk Aplikasi GPR dengan Metode FDTD, Tugas Akhir, ITB, 2004.
[23]. Widjayanto, Desain dan Realisasi Antenna Bow-Tie untuk Aplikasi GPR dengan
menggunakan metode FDTD, Tugas Akhir, ITB, 2004.
[24]. Yuan Hizuzaya, Simulasi FDTD untuk Analisis Optimasi Respon Transient Antena
GPR Wire Bow-Tie Menggunakan Shielding Triangular dan Absorber, Tugas Akhir,
ITB, 2004.
[25]. Swardiman Esron, Simulasi Sistem Antena Ground Penetrating Radar (GPR) yang
Adaptif Terhadap Footprint dengan Menggunakan Metode Finite-Difference Time-Domain (FDTD), Tugas Akhir, ITB, 2008.
[26]. Rommel Suhara, Simulasi Antena Ground Penetrating Radar (GPR) dengan
Pembebanan Resistif dan Layer Dielektrik dengan Menggunakan Metode Finite-Difference Time-Domain (FDTD), Tugas Akhir, ITB, 2008.
[27]. Gerry Roy, Perancangan dan Realisasi Antena Rolled Dipole untuk Keperluan GPR
dengan Menggunakan Metode FDTD, Tugas Akhir, ITB, 2008.
[28]. Andik Setiawan, Perancangan dan Realisasi Antena Wire Dipole Pengukur Dielektrik
Tanah dengan Menggunakan Metode FDTD 3D, Tugas Akhir, STT Telkom, 2006.
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
