DESAIN DAN REALISASI ANTENA MOBILE BROADBAND VSAT PITA
KU-BAND/KA-BAND DENGAN KEMAMPUAN AUTO BEAM STEERING
Sugihartono dan Joko Suryana
Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesa 10 Bandung 40132, Telepon (022) 2501661
∗
e-Mail: sugihartono@ltrgm.ee.itb.ac.id
Disajikan 29-30 Nop 2012
ABSTRAK
Pada penelitian ini, akan dirancang dan diimplementasikan antena mobile VSAT berbasis mikrostrip phased array pada pita Ku / Ka band yang memiliki kemampuan auto beamsteering untuk memenuhi kebutuhan komunikasi satelit bergerak broad-band. Sistem antena mikrostrip phased array pita Ku/Ka band yang dirancang memiliki ketebalan 6 cm dengan kemampuan scanning dua dimensi. Susunan antena phased array yang dirancang terdiri dari deretan 8 subarray mikrostrip 4 x 16 pada pita Ku / Ka-band baik pada sisi uplink maupun sisi downliknya. Subarray 4 x 16 terdiri 64 patch elemen antena dengan saluran pencatu 50 ohm dan memiliki polarisasi sirkuler LHCP dengan bandwidth total>500 MHz dan gain>30 dBi untuk Ku-band dan>40 dB untuk Ka-band. Untuk mendukung kemampuan auto beamsteering, suatu algoritma penentuan arah satelit akan diimplementasikan dengan teknik Direction of Arrival dibandingkan dengan teknik Kalman Filtering untuk menjejak posisi satelit secara kontinu walaupun kendaraan dalam keadaan bergerak dan bermanuver.
Kata Kunci: Microstrip array, komunikasi satelit, mobile broadband VSAT, polarisasi sirkuler, auto beamsteer, pita Ku-band / Ka-band
I.
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Saat ini, kebutuhan akan penyediaan komunikasi broadband pada kendaraan bergerak semakin besar. Kemajuan sistem komunikasi seluler yang pesat be-berapa tahun terakhir masih belum bisa memberikan layanan broadband yang merata, sehingga hanya di kota-kota utama saja bisa terlayani. Kebutuhan layanan broadband pada kendaraan bergerak seperti kapal laut, pesawat udara, kereta api dan kendaraan militer yang biasanya melalui daerah-daerah tanpa sinyal seluler broadband dirasakan semakin meningkat. Dalam hal ini, teknologi satelit broadband dianggap sebagai solusi satu-satunya layanan broadband bergerak yang memi-liki kelebihan coverage yang area yang sangat luas baik di perkotaan, daerah rural serta terpencil, pegunungan, hutan dan komunikasi di laut.
Sistem komunikasi satelit bergerak L-band Inmarsat secara komersial memang sudah memenuhi kebutuhan layanan kendaraan bergerak berbasis satelit, namun mahalnya airtime serta keterbatasan laju data membuat para peneliti mengembangkan komunikasi satelit berg-erak pita Ku/Ka-band. Pita Ku/Ka-band ini dianggap solusi yang ideal untuk komunikasi broadband karena bandwidth yang tersedia sangat lebar serta,
menurun-GAMBAR1: Penerapan sistem komunikasi satelit mobile VSAT
nya cost perangkat akibat lambda sinyal RF nya lebih pendek, sehingga perangkat RF menjadi lebih kecil.
B. Tujuan Penelitian
Pada penelitian ini, akan dirancang dan diim-plementasikan antena mikrostrip phased array pada pita Ku/Ka band yang memiliki kemampuan auto beamsteering untuk memenuhi kebutuhan komunikasi satelit bergerak broadband. Sistem antena mikrostrip phased array pita Ku/Ka band yang dirancang memi-liki ketebalan 6 cm dengan kemampuan scanning dua dimensi. Susunan antena phased array yang
diran-cang terdiri dari deretan 8 subarray mikrostrip 4×16 pada pita Ku/Ka-band baik pada sisi uplink maupun sisi downliknya. Subarray 4×16 terdiri 64 patch elemen antena dengan saluran pencatu 50 ohm dan memiliki polarisasi sirkuler LHCP dengan bandwidth total>500 MHz dan gain >30 dBi untuk Ku-band dan >40 dB untuk Ka-band. Untuk mendukung kemampuan auto beamsteering, suatu algoritma penentuan arah satelit akan diimplementasikan dengan teknik Direction of Ar-rival dibandingkan dengan teknik Kalman Filtering un-tuk menjejak posisi satelit secara kontinu walaupun kendaraan dalam keadaan bergerak dan bermanuver.
C. Pendekatan Pemecahan Masalah
Demi tercapainya sistem komunikasi satelite berg-erak (mobile VSAT) broadband Ku-band/Ka-band ini, para peneliti sedang melakukan pengembangan sistem antena yang cost-effective, low profile, gain tinggi serta memiliki kemampuan pengarahan beam pada satelit se-cara kontinu sambil melakukan pergerakan dan manu-ver.
GAMBAR2: Antena Satelit Bergerak dengan Parabola
Sebelumnya, antena satelit bergerak menggunakan parabola yang terpasang pada stabilized platform de-ngan motor ganda. Namun demikian, walaupun mem-berikan gain yang cukup baik, penggunaan antena parabola pada kendaraan darat, laut dan udara terk-endala oleh tantangan tekanan udara terhadap parabola serta beratnya massa parabola menuntut sistem kendali motor yang sangat mahal. Oleh karena itu, solusi an-tena mikrostrip phased array yang flat-thin memung-kinkan kendaraan tetap bergerak secara aerodinamis dengan tetap terjaga kontinuitas hubungan
telekomu-GAMBAR3:Antena Satelit Bergerak dengan Flat Microstrip Array
nikasi selama bergerak maupun bermanuver. Namun demikian, pengadaan sistem komunikasi satelit berg-erak broadband terkendala dengan belum tersedianya perangkat oleh pabrikan dalam negeri. Masih ma-halnya import perangkat pendukung satelit bergerak ini, membuat pemanfaatan komunikasi satelit pada kendaraan militer dan komersial baik darat, laut dan udara belum optimal.
Sehingga masalah utama pada penelitian ini adalah untuk mendapatkan solusi engineering yang cost effec-tive untuk sistem komunikasi bergerak satelit broad-band pita Ku-broad-band/ Ka-broad-band, dan untuk mendapatkan prototip dengan memperbesar TKDN (tingkat kandung dalam negeri ) perangkat telekomunikasi nasional. De-ngan meningkatnya TKDN, diharapkan dapat menum-buhkan industri telekomunikasi di dalam negeri
Oleh karena itu, pendekatan yang dipakai dalam penelitian ini adalah perancangan dan implementasi sistem antena flat microstrip array untuk mobile broad-band VSAT pita Ku-broad-band/ Ka-broad-band terdiri pada dua komponen utama yaitu sistem antena flat array gain be-sar yang ringan serta sistem autobeam steering untuk pengarahan terus menerus ke arah satelit yang menjaga kontinuitas link.
II.
METODOLOGI
Pada penelitian ini, akan fokus pada perancangan dan implementasi antena mikrostrip phased array pada pita Ku/Ka band yang memiliki kemampuan auto beamsteering untuk memenuhi kebutuhan komunikasi satelit bergerak broadband.
Sistem antena mikrostrip phased array pita Ku/Ka band yang dirancang memiliki ketebalan 6 cm dengan kemampuan scanning dua dimensi. Susunan antena phased array yang dirancang terdiri dari deretan 8 sub-array mikrostrip 4×16 pada pita Ku/Ka-band baik pada sisi uplink maupun sisi downliknya. Subarray 4×16 terdiri 64 patch elemen antena dengan saluran pencatu
50 ohm dan memiliki polarisasi sirkuler LHCP dengan bandwidth total>500 MHz dan gain>30 dBi untuk Ku-band dan>40 dB untuk Ka-band. Untuk mendukung kemampuan auto beamsteering, suatu algoritma pe-nentuan arah satelit akan diimplementasikan dengan teknik Direction of Arrival dibandingkan dengan teknik Kalman Filtering untuk menjejak posisi satelit secara kontinu walaupun kendaraan dalam keadaan bergerak dan bermanuver.
GAMBAR4: Ilustrasi Bentuk Fisik Antena
GAMBAR5: Blok diagram sistem antena
Pada tahun pertama akan dikembangkan prototip antena mikrostrip phased array Ku-band dengan ke-mampuan scanning dua dimensi dengan algoritma penjejakan berbasis algoritma DOA (direction of ar-rival).
Pada tahun kedua, dikembangkan prototip antena mikrostrip phased array dualband Ku/Ka-band yang memiliki kemampuan scanning dua dimensi yang lebih halus dengan penjejakan berbasis algoritma Modified DOA.
Pada tahun ketiga, prototip antena mikrostrip phased dual band Ku/Ka-band yang memiliki kemam-puan scanning dua dimensi yang lebih baik dan de-ngan penjejakan berbasis Kalman Filtering dan Ex-tended Kalman Filtering.
A. Penentuan Spesifikasi Teknis
Penentuan spesifikasi teknik sistem mobile VSAT/satelit bergerak mengacu pada data-data teknis EIRP satelit Ku/Ka-band yang ada di atas Indonesia serta kebutuhan komunikasi bergerak satelit di pemerintahan, militer dan enterprise. Penentuan spesifikasi terkait dengan kebutuhan gain minimal, range frekuensi kerja, polarisasi, kecepatan kendaraan, laju data broadband yang diinginkan secara respon pengarahan antena yang dipersyaratkan.
B. Pemilihan Sistem Antena
Hasil penentuan spesifikasi teknis akan menentukan persyaratan sistem antena yang akan dipakai. Dalam hal ini, penelitian akan difokuskan pada phased array microstrip. Susunan antena phased array yang diran-cang terdiri dari deretan 8 subarray mikrostrip 4×16 pada pita Ku/Ka-band baik pada sisi uplink maupun sisi downliknya. Subarray 4×16 terdiri 64 patch elemen antena dengan saluran pencatu 50 ohm dan memiliki polarisasi sirkuler LHCP dengan bandwidth total>500 MHz dan gain>30 dBi untuk Ku-band dan>40 dB un-tuk Ka-band.
C. Pemilihan Teknik Autobeam Steering
Deteksi sinyal lemah satelit yang berjarak 36.000 km dari bumi dapat dianggap sebagai problem pendetek-sian sinyal yang diingkan terhadap derau sekitar. Suatu penerima heterodyne yang dikombinasikan dengan LNA akan dipilih untuk mengatasi derau lingkungan ini. Pada penelitian ini digunakan 4 kanal pener-ima pencari arah satelit yang masing-masing mewakili kuadrant A, B , C dan D. Dalam hal ini sistem penerima 4 kanal ini dirancang mendukung operasi autobeam steering dengan teknik tracking monopulse secara cepat dan akurat. Berikut ini bagan sistem auto beam steering yang akan dibuat.
D. Pemilihan Algoritma Autobeam Steering
Untuk melakukan autobeam steering dengan metode monopulse, algoritma yang dipakai
menggu-GAMBAR6: Blok diagram autobeam steering
nakan tiga langkah utama yaitu: Akuisisi, Tracking Tentatif dan Confirmed Tracking. Pada tahun pertama akan dikembangkan scanning dua dimensi dengan algoritma autobeam steering berbasis algoritma DOA (direction of arrival).
GAMBAR7: Flowchart algoritma beam steering
E. Pengukuran Kinerja
Pada tahap pengukuran kinerja ini, beberapa pengu-kuran akan dilakukan terkait dengan kinerja sistem an-tena serta kinerja algoritma tracking yang telah diim-plementasikan. Pengukuran meliputi kinerja subsistem antena dan pengukuran subsistem transceiver serta ki-nerja subsistem DSP terkait dengan pengarahan beam secara otomatis ke satelit.
F. Pengujian di Lapangan
Pada tahap ini di tahun pertama, ujicoba lapangan yang akan dilakukan terutama untuk tracking satelit
Ku-band yang ada diatas Indonesia. Sedangkan Ka-band di tahun kedua. Ujicoba lapangan ini akan menentukan evaluasi riil dari sistem tracking yang di-implementasikan dalam hal : Kegesitan dalam esti-masi azimuth dan elevasi, Kecepatan waktu respon dan Akurasi.
III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Penentuan Spesifikasi Teknis
Penentuan spesifikasi teknik sistem mobile VSAT/satelit bergerak mengacu pada data-data teknis EIRP satelit Ku/Ka-band yang ada di atas Indonesia serta kebutuhan komunikasi bergerak satelit di pemerintahan, militer dan enterprise. Penentuan spesifikasi terkait dengan gain minimal, frekuensi kerja, polarisasi, kecepatan kendaraan, laju data yang diinginkan secara respon pengarahan antena yang dipersyaratkan.
TABEL1: Spesifikasi Teknis
B. Perancangan Antena
Hasil penentuan spesifikasi teknis akan menentukan persyaratan sistem antena yang akan dipakai. Dalam hal ini, penelitian akan difokuskan pada phased ar-ray microstrip. Susunan antena phased array yang dirancang terdiri dari Subarray 4×4 pada pita Ku-banddan Subarray 4×16 pada pita Ku-band. Subarray-subarray tersebut tersusun dari patch elemen antena dengan saluran pencatu 50 ohm dan memiliki polar-isasi sirkuler LHCP dengan bandwidth total>500 MHz dan gain>30 dBi untuk Ku-band dan>40 dB untuk Ka-band.
Pada gambar hasil simulasi S11 Subarray 4×4 Ku-band terlihat bahwa Ku-bandwidth antena sudah menca-pai kurang-lebih 500 MHz yang ada di spesifikasi de-sain. Antena subarray sanggup bekerja di pita 11.7 GHz sampai dengan 12.2 GHz. Sedangkan hasil perancan-gan Subarray 4×16 Ku-band :
GAMBAR8: Hasil Perancangan Subarray 4×4 Ku-band
GAMBAR9: Simulasi S11 Subarray 4×4 Ku-band
GAMBAR10: Hasil Perancangan Subarray 4×16 Ku-band
Pada gambar hasil simulasi parameter Subarray 4×16 Ku-band terlihat bahwa bandwidth antena belum
GAMBAR11: Simulasi S11 Subarray 4×16 Ku-band
mencapai 500 MHz sesuai dengan yang ada di spesi-fikasi desain. Antena subarray sanggup bekerja di pita 12.4 GHz sampai dengan 12.9 GHz atau memiliki band-width 500 MHz.
C. Tahap Implementasi Antena SubArray Ku-band Setelah tahap desain dan simulasi antena, berikut-nya dilakukan pabrikasi antena menggunakan ma-terial mikrostrip dengan substrat RO4003C dengan metode photo etching. Hasil implementasi menun-jukkan tingkat ketelitian proses pabrikasi adalah 0.2 mm. Kemudian dilakukan pemasangan konektor SMA 50 ohm untuk sambungan probing.
GAMBAR13: Foto Implementasi Antena dua subarray 4×16 Ku-band
D. Tahap Pengukuran Antena SubArray Ku-band Setelah tahap pabrikasi antena, dilakukan pengu-kuran laboratorium untuk parameter VSWR dan Pola Radiasi. Pengukuan VSWR diperlukan utnuk menge-tahui apakah antena sudah memiliki impedansi ma-sukan sebesar 50 ohm agar tercapai transfer daya mak-simum. Selain itu, pengukuran VSWR juga berkait de-ngan seberapa besar bandwidth kerja antena.
GAMBAR 14: Hasil Pengukuran VSWR Antena Subarray 4×4
Ku-band
Sedangkan pengukuran pola radiasi terkait dengan representasi perbandingan daya keluar atau masuk dari antena pada berbagai arah. Pengukuran pola radiasi penting untuk mengetahui pola pancaran baik arah te-rima maupun arah transmit dan juga untuk menen-tukan gain antena.
GAMBAR15: Hasil Pengukuran VSWR Antena Subarray 4×16
Ku-band
GAMBAR 16: Foto Pengukuran Pola Radiasi Subarray 4×4
Ku-band
Sedangkan pola radiasi antena subarray 4×16 ku-band telah dievaluasi dan diplot dengan perangkat lu-nak RF.
E. Perancangan Platform Auto beam Steering ke Satelit
Setelah tahap pabrikasi antena dan pengukuran laboratorium untuk parameter VSWR, tahap berikut-nya adalah melakukan perancangan platform tracking satelit. Pada kegiatan ini, telah dilakukan perancangan mekanik sistem penggerak azimuth dengan motor lis-trik dan sistem gearnya.
GAMBAR17: Foto Pola Radiasi Subarray 4×16 Ku-band
Untuk menggerakan motor tersebut dibutuhkan driver daya yang pengendaliannya dilakukan dengan PWM ( Pulse Width Modulation ) dengan kendali mikroprosesor. Spesifikasi motor yang dipilih bisa digunakan untuk pengendalian beban seberat antena parabola/reflektor yang akan dipakai sebagai sistem monopulse.
GAMBAR 18: Foto Platform Autobeam Steering ke Satelit pada
pita Ku-band
GAMBAR 19: Foto sistem mikroprosesor ATMega32 yang akan
dipakai pada penelitian ini
F. Tahap Perancangan Ku-band Flat Array Antenna High Gain 8×Subarray 4×16
Pada tahun pertama riset ini, dilakukan pengujian penerimaan sinyal TV Satelit dengan frekuensi kerja Ku-band dengan antena yang telah dikembangkan pada penelitian ini. Untuk mendapatkan antena pener-ima TV Satelit dengan gain yang cukup, telah dikem-bangkan antena Ku-band Flat Array Antenna High Gain 8×Subarray 4×16. Berikut perbandingan tena komersial parabola Ku-band dengan prototip an-tena yang sedang dikembangkan. GAMBAR20 berikut adalah antena parabola TV Satelit Ku-band AORA:
Berikut ini adalah hasil perancangan antena Ku-band Flat Array Antenna High Gain 8×Subarray 4×16.
G. Tahap Implementasi Ku-band Flat Array An-tenna High Gain 8×Subarray 4×16
Pada tahap ini, telah diduplikasi prototip subarray 4×16 untuk kebutuhan Ku-band Flat Array Antenna High Gain 8×Subarray 4×16.
Dari perhitungan analisis didapatkan bahwa gain antena Ku-band Flat Array Antenna High Gain 8×Subarray 4×16 telah mencukupi untuk penerimaan TV satelit Ku-band. Keuntungan yang didapatkan dari implementasi Ku-band Flat Array Antenna High Gain 8×Subarray 4×16 adalah selain ukuran antena yang lebih kecil dibanding parabola, rancangan antena de-ngan mudah diaplikasikan pada kendaraan bergerak karena lebih kecil tekanan udaranya.
Pada tahap ini, diimplementasikan juga Butler ma-trix untuk pengarahan berkas adaptif pada arah el-evasi, sedangkan pada arah azimuth menggunakan mo-tor stepper untuk kecepatan adaptasi akibat pergerakan atau manuver kendaraan dimana antena terpasang.
GAMBAR 20: Antena parabola komersial TV Satelit Ku-band AORA
GAMBAR 21: Rancangan antena Ku-band untuk Mobile VSAT
Ku-band
IV.
KESIMPULAN
Dari paparan hasil riset di atas, dapat disimpulkan bahwa Telah tercapai target kegiatan riset untuk bulan 1 sampai dengan bulan 10 dengan anggaran 100% dari total anggaran .
1. Menentukan spesifikasi platform antena satelit bergerak mikrostrip phased array Ku/Ka-band 2. Merancang sistem antena, rangkaian RF
pen-dukung dan modul pencari arah satelit
3. Mengimplementasikan Antena Microstrip Phased array dan Algoritma Tracking
4. Melakukan pengujian penerimaan sinyal TV Satelit Ku-band Komersial
GAMBAR22: Antena 8 Subarray×4×16 Ku-band Patch
GAMBAR23: Implementasi Butler Matrix
DAFTAR PUSTAKA
[1] Sugihartono dkk., ”Laporan Akhir SINAS 2012”, Riset Insentif Nasional 2012, Kemenristek
[2] Joko Suryana, ”Mobile Ku/Ka-band GEO Satel-lite Propagation Measurements using Auto-matic Tracking Dish Antenna for Emergency Telemedicine Services”, ISAP 2006, November 1-4, 2006
