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], 2[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
25-35MHz 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. 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.
Beberapa sumber menyebutkan filter Cauer-Chebyshev 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
Chebyshev yang hanya meiliki ripple di salah satunya saja (Nugroho dan Widi).
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). 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
Prosiding SENTIA 2016 – Politeknik Negeri Malang
Volume 8 – ISSN: 2085-2347
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).
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
frequency-modulated 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.).
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
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).
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.
2. Perancangan BPF Cauer-Chebyshev Gambar 1. Blok diagram SAR berbasis FMCW
Prosiding SENTIA 2016 – Politeknik Negeri Malang
Volume 8 – ISSN: 2085-2347
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.
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.
Gambar 2. Rangkaian dasar LPF Cauer-Chebyshev
orde 5
Tabel 1. Nilai ternormalisasi rangkaian LPF
Cauer-Chebyshev orde 5 untuk = 0,08
K 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 12,0620Tabel 2. Nilai komponen rangkaian LPF
Cauer-Chebyshev orde 5 untuk = 0,08 (L2, C1 - C3 )
K2=1,0 C1 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
Tabel 3. Nilai komponen rangkaian LPF orde 5
untuk = 0,08 (C4 – C5 ) 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.
Prosiding SENTIA 2016 – Politeknik Negeri Malang
Volume 8 – ISSN: 2085-2347
Gambar 3. Hasil transformasi BPF
Cauer-Chebyshev orde 5
Tabel 4. Hasil tranformasi LPF-BPF
Cauer-Chebyshev orde 5 Kapasitor Induktor C1 289,57 pF L1 99,97 nH C2- 25,85 pF L2- 292,76 H C2+ 97,21 fF L2+ 1100,84 nH C3 557,1 pF L3 51,96 nH C4- 26,82 pF L4- 113,82 H C4+ 260,77 pF L4+ 1106,73 nH C5 289,41 pF L5 100,03 nH
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.
Tabel 5. Hasil tranformasi LPF-BPF
Cauer-Chebyshev orde 5 melalui pendekatan komponen
Kapasitor Induktor C1 283 pF L1 100 nH C2- 25 pF L2- 300 H C2+ 97,22 fF L2+ 1150 nH C3 560 pF L3 51,2 nH C4- 27 pF L4- 115 H C4+ 200 fF L4+ 1100 nH
3. Simulasi dan Diskusi
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 Cauer-Chebyshev 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 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. 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
Prosiding SENTIA 2016 – Politeknik Negeri Malang
Volume 8 – ISSN: 2085-2347
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. 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
Cauer-Chebyshev 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.
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.
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 Bessel-Thomson Filter yang Direalisasikan Menggunakan Operasional Amplifier dan Field Progamable Analog Array FPPA, Surabaya, ITS.
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.
