SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 397
Studi Parametrik Antena Vivaldi Slot dengan Pencatuan Mikrostrip
Tommi Hariyadi, Mukhidin Departemen Pendidikan Teknik Elektro
Universitas Pendidikan Indonesia Jl. Dr. Setiabudhi No. 207 Bandung
e-mail: [email protected]
ABSTRAK
Saat ini antena ultra wideband (UWB) banyak digunakan untuk berbagai aplikasi seperti komunikasi nirkabel pita lebar, radar penembus tanah, radar penembus dinding, radar pendeteksi dini kanker, dan penginderaan jarak jauh. Salah satu komponen penting dalam sebuah radar penembus dinding adalah antena. Antena tersebut harus memiliki bandwidth yang sangat lebar, pola radiasi directional, dan gain tinggi. Salah satu antena yang memenuhi kriteria tersebut adalah antena vivaldi. Pada makalah ini akan dibahas tentang studi parametrik pengaruh dari bentuk dan dimensi antena terhadap kinerja antena slot Vivaldi dengan pencatuan mikrostrip. Konstruksi antena Vivaldi yang kami desain menggunakan substrat FR-4 dengan konstata dielektrik 4,4. Studi parametrik dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak 3d electromagnetic simulator. Berdasarkan hasil simulasi dan optimasi diperoleh bahwa antena vivaldi yang kami usulkan mencakup rentang frekuensi yang dianjurkan untuk aplikasi UWB 3,1 sampai 10,6 GHz untuk return loss kurang dari -10 dB. Gain antena sekitar 4,6-7,8 dBi dengan pola radiasi directional. Dengan hasil tersebut antena yang kami desain dapat digunakan untuk aplikasi radar penembus dinding.
Kata kunci: antena slot vivaldi, mikrostrip, ultra wideband, radar
Pendahuluan
Radar penembus permukaan (GPR/Ground Penetrating Radar) adalah suatu alat pencitra gelombang elektromagnetik (EM) yang mampu melihat benda-benda di bawah permukaan tanah atau dibalik dinding [1]. GPR memiliki aplikasi di berbagai bidang, antara lain: ilmu kebumian, arkeologi, teknik sipil, pengujian-tak-merusak (NDT/non-destructive testing), dan pertahanan keamanan. Pada bidang pertahanan keamanan, GPR dipakai untuk mendeteksi keberadaan ranjau darat (logam maupun non-logam), mencari lokasi penimbunan senjata, mencari bunker bawah tanah, dan mendeteksi benda/personil dibalik dinding atau ruang bawah tanah atau yang sering disebut dengan radar penembus dinding. Desain GPR sangat bergantung pada tujuan aplikasi; GPR untuk mencitra benda di bawah permukaan dalam (misalnya untuk mencari air) akan berbeda dengan yang akan dipakai untuk melihat benda di permukaan dangkal.
Kebutuhan resolusi juga akan menentukan persyaratan desain dari sebuah radar. Semakin tinggi resolusinya maka bandwidth yang dibutuhkan semakin lebar. Untuk kebutuhan radar dengan resolusi tinggi dibutuhkan sistem dengan bandwidth yang sangat lebar atau sering disebut dengan ultra wideband (UWB). Menurut Federal Communications Commisson (FCC), sinyal UWB harus memiliki bandwidth lebih besar dari 500 MHz atau bandwidth fraksionalnya lebih dari 20% [2]. Salah satu komponen perangkat keras yang sangat penting dalam suatu radar penembus dinding adalah sistem antena.
Ada beberapa persyaratan khusus untuk antena radar penembus dinding dibandingkan dengan antena untuk aplikasi radar pada umumnya. Selain memiliki pola radiasi directional dan gain tinggi, antena untuk aplikasi radar penembus dinding juga memiliki bandwidth yang sangat
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 398 lebar agar diperoleh resolusi yang tinggi. Oleh karena itu perlu dikembangkan sebuah antena UWB yang memiliki gain tinggi dan pola radiasi directional. Salah satu antena yang memenuhi kriteria tersebut adalah antena vivaldi.
Antena vivaldi pertama kali diperkenalkan oleh Gibson [3] yang memiliki karakteristik bandwidth-nya sangat lebar dan pola radiasi directional [4-5]. Hingga saat ini telah banyak dikembangkan antena vivaldi baik yang berbentuk tapered slot maupun antipodal. Desain antena vivaldi antipodal berukuran ringkas telah diusulkan dalam literatur lain [6].
Dibandingkan dengan antena yang memiliki bandwidth lebar lainnya, antena vivaldi slot berbasis mikrostrip memiliki beberapa kelebihan seperti direktivitas yang cukup tinggi, struktur planar, pola radiasi bidang E dan H simetri, dan biaya fabrikasi yang murah [7]. Tujuan dari makalah ini adalah untuk mendesain sebuah antena vivaldi slot berbasis mikrostrip yang berukuran ringkas dan memiliki bandwidth yang sangat lebar yang mencakup rentang frekuensi 3,1 sampai 10,6 GHz. Pada makalah ini akan dilakukan studi parametrik dari beberapa parameter antena slot vivaldi terhadap kinerja antena terutama return loss.
Metode Penelitian
Desain antena vivaldi slot pada makalah ini didasarkan pada bentuk antena Vivaldi yang sudah dirancang oleh Gibson [1]. Substrat antena menggunakan FR4 yang memiliki konstanta dielektrik 4,4 dan tebal 1,6 mm. Layout antena tampak depan dan belakang dapat dilihat pada gambar 1(a) dan 1(b). Layer atas menunjukkan saluran mikrostrip dan radial stub untuk mencatu antena slot. Layer bawah menunjukkan profil eksponensial yang oleh faktor taper ( ) dan dua titik P1 dan P2 yang memenuhi persamaan
(1)
dengan
(2)
dan
(3)
(a)
(b)
Gambar 1. Layout antena Vivaldi slot (a) tampak depan (b) tampak belakang
Detail pencatu mikrostrip dan radial stub dapat dilihat pada gambar 2. Sedangkan keterangan beberapa simbol dari gambar 1 dan 2 ditunjukkan pada tabel 1. Impedansi masukan
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 399 antena didesain 50 Ω sehingga lebar pencatu mikrostrip (Wmt) lebarnya disesuaikan sehingga impedansinya adalah 50 Ω.
Tabel 1. Keterangan beberapa simbol pada gambar 1 dan 2 No. Simbol Keterangan
1 Dc Diameter slot
2 Hc Lebar antena
3 Hf Lebar flare
4 Lf Panjang flare
5 Lmt Panjang saluran mikrostrip 6 Ws Lebar slotline
7 Wmt Lebar pencatu saluran transmisi
Gambar 2. Pencatu mikrostrip dan radial stub
Hasil dan Pembahasan
Hasil studi parametrik yang ditampilkan pada makalah ini hanya beberapa parameter yang pengaruhnya cukup signifikan jika parameter tersebut nilainya berubah. Parameter – parameter yang dilakukan studi parametrik pada makalah ini adalah diameter slot, lebar antena, lebar flare, panjang flare, panjang saluran mikrostrip, dan lebar slotline. Gambar 3 menunjukkan grafik return loss untuk nilai diameter slot yang berbeda. Dari gambar 3 dapat dilihat bahwa semakin kecil ukuran diameter slot, nilai return loss cenderung turun namun frekuensi bawahnya sedikit naik sehingga jika diameter slot diperkecil, agar frekuensi bawahnya tidak berubah maka dimensinya perlu diperbesar sedikit.
Gambar 3. Grafik perbandingan return loss untuk diameter slot 6 mm, 7 mm, dan 8 mm.
Grafik return loss untuk lebar antena yang berbeda dapat dilihat pada gambar 4. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa semakin besar lebar antena nilai return loss-nya semakin
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 400 bagus artinya bandwidth semakin lebar. Namun demikian jika lebar antena terus diperbesar maka akan dimensi antena juga semakin besar sehingga perlu dicari nilai optimumnya agar dimensi antena tidak terlalu besar tetapi diperoleh bandwidth yang lebar.
Gambar 4. Grafik perbandingan return loss untuk lebar antena 60 mm, 70 mm, dan 80 mm.
Selanjutnya akan dilihat pengaruh dari lebar dan panjang flare terhadap return loss.
Berdasarkan persamaan (1) sampai (3) lebar dan panjang flare mempengaruhi profil eksponensial dari antena Vivaldi. Gambar 5 dan 6 berturut-turut menampilkan grafik return loss untuk nilai lebar dan panjang flare yang berbeda. Dari gambar 5 dapat dilihat bahwa semakin kecil lebar flare return loss-nya cenderung lebih baik. Dari gambar 6 dapat dilihat bahwa panjang flare yang berbeda memberikan nilai return loss yang berbeda. Agar diperoleh dimensi antena yang ringkas maka dipilih panjang flare yang sependek mungkin namun nilai return loss-nya masih memenuhi spesifikasi.
Gambar 5. Grafik perbandingan return loss untuk lebar flare 50 mm, 55 mm, dan 60 mm
Gambar 6. Grafik perbandingan return loss untuk panjang flare 80 mm, 90 mm, dan 100 mm
Gambar 7 dan 8 berturut-turut menunjukkan grafik return loss untuk nilai panjang saluran mikrostrip dan lebar slotline yang berbeda. Dari gambar 7 dapat dilihat bahwa untuk panjang saluran mikrostrip 14 mm return loss pada frekuensi rendah dan tinggi bagus tetapi pada
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 401 frekuensi sekitar 7 – 8 GHz nilai return loss-nya masih di atas -10 dB sedangkan ketika panjang saluran mikrostrip 16 mm nilai return loss pada frekuensi bawah dan tengah sudah bagus tetapi pada frekuensi tingginya sedikit di ata -10 dB. Nilai return loss yang optimal ketika panjang saluran transmisi 15 mm. Dari gambar 8 dapat dilihat bahwa pada saat lebar slotline 1,4 mm nilai return loss pada frekuensi bawah sudah bagus namun pada frekuensi sekitar 10 GHz nilainya masih sedikit di atas -10 dB sedangkan ketika lebar slotline 1,6 mm nilai return loss pada frekuensi tinggi semakin baik namun pada frekuensi sekitar 5-8 GHz nilainya semakin tinggi. Nilai optimum diperoleh untuk lebar slotline 1,5 mm.
Gambar 7. Grafik perbandingan return loss untuk panjang saluran mikrostrip 14 mm, 15 mm, dan 16 mm
Gambar 8. Grafik perbandingan return loss untuk lebar slotline 1,4 mm, 1,5 mm, dan 1,6 mm
Setelah dilakukan optimasi untuk beberapa parameter di atas, diperoleh hasil akhir antena Vivaldi slot seperti ditunjukkan pada gambar 9. Antena ini memiliki panjang 90,5 mm dan lebar 60 mm. Grafik return loss dari desain antena yang diusulkan dapat dilihat pada gambar 10.
Gambar 11 dan 12 berturut-turut menunjukkan pola radiasi antena pada bidang-E dan bidang-H sedangkan grafik gain antena dapat dilihat pada gambar 13. Dari gambar 11 dapat dilihat bahwa pada frekuensi 3 – 11 GHz antena ini memiliki pola radiasi direksional. Gain antena berkisar antara 4,634 – 7,851 dBi. Gain terendah terjadi pada frekuensi 3 GHz sedangkan gain tertinggi terjadi pada frekuensi 5 GHz.
(a) (b)
Gambar 9. Layout antena yang diusulkan (a) tampak depan (b) tampak belakang
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 402 Gambar 10. Return loss antena yang diusulkan
(a) (b) (c)
Gambar 11. Pola radiasi bidang-E antena yang diusulkan pada frekuensi (a) 3 GHz (b) 8 GHz (c) 11 GHz
(a) (b) (c)
Gambar 12. Pola radiasi bidang-H antena yang diusulkan pada frekuensi (a) 3 GHz (b) 8 GHz (c) 11 GHz
Gambar 13. Gain antena yang diusulkan
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 403 Kesimpulan
Sebuah antena Vivaldi slot berbahan mikrostrip telah didesain dan disimulasikan menggunakan perangkat lunak 3D electromagnetic simulator. Ukuran dimensi terluar antena adalah 60 mm x 90,5 mm. Antena yang kami usulkan memiliki return loss kurang dari -10 dB pada rentang frekuensi 3 – 11 GHz sehingga mencakup rentang frekuensi untuk aplikasi UWB sesuai rekomendasi FCC. Antena ini memiliki pola radiasi directional dan gain sekitar 4,634 – 7,851 dBi sehingga bisa digunakan untuk aplikasi radar penembus dinding.
Ucapan Terima Kasih
Ucapan terima kasih kami sampaikan kepada UPI dan DIKTI yang telah mendanai penelitian kami ini melalui skim Penelitian Pembinaan dan Pengembangan Kelompok Bidang Keilmuan tahun 2014.
Daftar Pustaka
[1] D.J. Daniels, Ground Penetrating Radar, 2nd Ed., IET Publisher.
[2] http://www.fcc.gov/oet/info/rules
[3] Gibson, P. J., “The Vivaldi aerial,” 9th European Microwave Conference, 101–105, 1979.
[4] Bayat, A. R. and R. Mirzakhani, “A Parametric Study and Design of the Balanced Antipodal Vivaldi Antenna (BAVA),” PIERS Proceedings, Moscow, Russia, August 19–23, 2012.
[5] Yang, Y. et al., “Design of Compact Vivaldi Antenna Arrays for UWB See Through Wall Applications,” Progress In Electromagnetics Research, PIER 82, 401–418, 2008.
[6] Hood, Aaron Zachary. et al., "A Small Antipodal Vivaldi Antenna for Ultrawide-Band Applications," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 7, 2008.
[7] Vignesh, N. et al., "Design and Development of a Tapered Slot Vivaldi Antenna for Ultra- Wide Band Application," International Journal of Advanced Research in Computer Science and Software Engineering Vol. 4, Issue 5, May 2014.
