1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
GPR merupakan sistem yang sangat berguna untuk proses pendeteksian benda- benda yang berada atau terkubur di dalam tanah dengan kedalaman tertentu tanpa harus menggali tanah. Dengan adanya devices ini, berbagai kegiatan atau penelitian yang memerlukan informasi keadaan di bawah permukaan tanah dapat dilakukan dengan mudah dan murah. Dalam kebanyakan sistem ground penetrating radar (GPR), antena memainkan peran yang sangat penting. Aplikasi GPR melibatkan penggunaan pulsa sempit sebagai gelombang yang akan dipancarkan oleh antena penerima. Pulsa ini tentunya akan mempunyai lebar bidang frekuensi yang luas, semakin sempit pulsa yang digunakan maka lebar bidang frekuensinya tentunya akan semakin besar. Di sinilah diperlukan suatu antena yang dapat mengatasi masalah tersebut. Yaitu antena yang dapat mempertahankan kestabilan pola radiasinya untuk rentang frekuensi yang sangat luas. Hal diatas tersebut merupakan salah satu yang melatarbelakangi ide tentang penggunaan antena ultrawideband pada aplikasi GPR.
Kemampuan GPR dalam pendeteksian amat bergantung pada kemampuan antena yang digunakan. Hal ini disebabkan, antena adalah bagian yang meradiasikan pulsa sempit tersebut ke tanah dengan radiasi antena yang diharapkan memiliki tingkat loss dan distorsi yang kecil. Jika frekuensi rendah dalam GPR tidak diradiasikan secara maksimal, akan terdapat refleksi internal yang mengakibatkan osilasi. Selanjutnya osilasi ini akan mengakibatkan gejala late time ringing dan osilasi juga dapat mengaburkan sinyal pendeteksian yang mengakibatkan analisis benda menjadi sulit[1]. Refleksi internal dapat diatasi dengan penggunaan pembebanan resistif (resistive loading). Selanjutnya, pulsa sempit diharapkan diradiasikan secara maksimal. Dalam hal ini, level daya pulsa utama dihasilkan harus besar. Oleh karena itu, perlu ditambahkan pembebanan bersifat kapasitif yang mampu meningkatkan pulsa utama antena GPR. Adapun, Antena
2 ultrawideband yang biasa digunakan pada GPR adalah antena dipole setengah lamda.
Berdasarkan penelitian Reto Zingg[2], antena cetak dipole menarik untuk diimplementasikan, karena pembuatannya dilakukan di atas PCB. Hal ini sesuai dengan kebutuhan khalayak untuk menciptakan antena yang portable dan compact dengan harga yang murah. Antena ini baik diimplementasikan sebagai antena transmitter dan receiver untuk devais yang portable. Permasalahannya adalah antena ini belum sanggup untuk bekerja pada bandwidth yang lebih lebar. Padahal di dalam aplikasi GPR dibutuhkan antena dengan bandwidth yang lebar untuk pendeteksian objek yang memiliki permitivitas bervariasi.
Dalam penelitian ini akan dirancang antena mikrostrip dipole dengan pembebanan resistif untuk meningkatkan bandwidth antena dan pembebanan kapasitif untuk meningkatkan level pulsa utama antena. Antena ini menggunakan satu lapis bahan dasar (substrat) dengan satu bagian konduktor. 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. Monocycle pulse adalah bentuk pulsa yang ditransmisikan dalam domain waktu karena aplikasi GPR membutuhkan sumber pulsa yang ultrawideband atau pulsa ini dikenal juga sebagai Gaussian pulse. Kemudian FDTD memungkinkan pengguna untuk mendefinisikan sifat material pada semua titik di dalam domain simulasi, sehingga antena yang didesain lebih nyata atau realistis[3].
1.2 Tujuan
Tujuan dari Tugas Akhir ini adalah:
1. Mendesain antena cetak dipole dengan pembebanan resistif dan kapasitif yang memenuhi standar parameter antena pada aplikasi GPR resolusi menengah 2. Menguji dan melakukan optimasi hasil desain antena cetak dipole dengan
pembebanan resistif dan kapasitif menggunakan metode FDTD dan software FDTD3D
3 3. Merealisasikan serta mengukur antena cetak dipole dengan pembebanan resistif dan kapasitif hasil optimasi yang sesuai dengan kebutuhan pada aplikasi GPR resolusi menengah.
1.3 Perumusan Masalah
Permasalahan yang dibahas dalam penulisan Tugas Akhir ini adalah:
1. Bagaimana merancang dan mensimulasikan antena cetak dipole dengan pembebanan resistif dan kapasitif pada frekuensi 600 MHz
2. Bagaimana melakukan optimasi antena dipole dengan pembebanan resistif dan kapasitif pada frekuensi 600 MHz untuk kebutuhan aplikasi GPR resolusi menengah
3. Bagaimana menganalisis pengaruh pembebanan resistif dan kapasitif terhadap karakter antena dipole untuk aplikasi GPR resolusi menengah
4. Bagaimana menganalisis perbandingan parameter-parameter antena hasil optimasi pada simulasi terhadap hasil pengukuran antena realisasi
1.4 Batasan Masalah
Untuk menghindari meluasnya materi Tugas Akhir ini, maka penulis membatasi permasalahannya hanya mencakup hal-hal sebagai berikut:
1. Perancangan dan simulasi antena spiral dipole ini akan menggunakan analisis menggunakan metode FDTD, dengan software FDTD3D dan software pembantu berupa Microsoft Visual Studio (C++) v.6.0, Corel Draw, dan MATLAB R2008 untuk menampilkan hasil simulasi.
2. Antena yang diimplementasikan adalah antena cetak berbentuk patch dipole dengan adanya pembebanan resistif dan kapasitif pada frekuensi 600 MHz yang disesuaikan dengan kebutuhan aplikasi GPR resolusi menengah serta bekerja pada rentang frekuensi ultrawideband.
3. Proses pabrikasi antena dengan melakukan fotoetching
4. Analisis dan pengukuran dalam penelitian tugas akhir ini dilakukan dalam domain waktu sehingga yang menjadi fokus utama dalam penelitian ini adalah bentuk dan amplitudo gelombang yang ditransmisikan dalam fungsi dan jarak serta impedansi input antena dan VSWR antena untuk mengetahui karakteristik UWB antena
4 5. 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
6. Metode pembebanan kapasitif tidak membahas besar strip dan slot yang diimplementasi (analisis kapasitansi) tetapi hanya membahas jumlah beban kapasitif yang digunakan dengan ukuran yang sama dan tetap yaitu jarak slot dan strip sebesar ukuran sel Yee serta lebar yang sejajar dengan antena.
7. Mode pengukuran antena GPR yang dilakukan adalah mode A-Scan yaitu pengukuran free-space menggunakan medium udara guna mendapatkan karakter internal antena GPR hasil perancangan saja.
1.5 Metode Penyelesaian Masalah
Metode penyelesaian masalah dalam Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:
1. Studi Literatur
Merupakan proses pembelajaran materi dari literatur-literatur berupa buku referensi, artikel, serta jurnal-jurnal ilmiah yang mendukung dalam penyusunan teori dasar dan penjelasan selengkap-lengkapnya berhubungan mengenai Tugas Akhir ini
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 menggunakan metode FDTD agar dapat memenuhi spesifikasi yang diinginkan dan dioptimasi untuk mencapai hasil yang lebih baik
4. Pabrikasi
Pada tahap ini dilakukan proses perealisasian antena, dimana proses perealisasian antena ini akan mendapatkan bentuk fisik (hardware) yang disesuaikan dengan karakteristik dan spesifikasi dalam simulasi
5. Pengukuran
Proses pengukuran dilakukan setelah proses perancangan dan pabrikasi dilaksanakan. Pengukuran ditujukan untuk mengetahui dan menganalisis parameter-parameter kinerja antena yang telah direalisasikan.
5 6. Analisis
Analisis dilakukan setelah proses perancangan dan pengukuran dilaksanakan.
Analisis bertujuan untuk membandingkan hasil realisasi dengan teori yang ada, untuk kemudian disimpulkan mengenai penyimpangan yang terjadi, dan bagaimana cara mengatasi masalah tersebut.
7. Pembuatan Laporan
Tahap akhir dari penelitian ini adalah pembuatan laporan tugas akhir dan mengikuti sidang tugas akhir.
1.6 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan yang digunakan dalam Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :
BAB I Pendahuluan
Pada bab ini dibahas tentang latar belakang penelitian, tujuan penelitian, rumusan masalah, batasan masalah, metode penelitian, dan sistematika penulisan tugas akhir.
BAB II Dasar Teori
Pada bab ini memuat berbagai dasar teori yang mendukung dan mendasari penulisan tugas akhir ini.
BAB III Perancangan dan Simulasi
Bab ini berisi semua hal yang berhubungan dengan tahap perancangan dan simulasi antena GPR dengan penggunaan FDTD3D sebagai software
BAB IV Pengukuran dan Analisis
Bab ini berisi proses pengukuran dan hasil pengukuran yang meliputi: sinyal transmisi, impedansi input, VSWR, karakteristik level pulsa utama dan late time ringing antena.
BAB V Kesimpulan dan Saran
Bab ini menjelaskan mengenai kesimpulan dari proses penelitian Tugas Akhir ini dan saran-saran yang mungkin berguna untuk pengembangan selanjutnya.
