PERANCANGAN DAN REALISASI ANTENA WIRE DIPOLE PADA GROUND PENETRATING RADAR (GPR) UNTUK DETEKSI OBJEK BAWAH TANAH WIRE
DIPOLE ANTENNA DESIGN AND REALIZATION OF GROUND PENETRATING RADAR (GPR) FOR UNDERGROUND OBJECT DETECTION
Retno Purdyastuti¹, Heroe Wijanto², Bambang Setia Nugroho³
¹Teknik Telekomunikasi, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Telkom Abstrak
Ground Penetrating Radar (GPR) merupakan jenis radar yang digunakan untuk mendeteksi objek yang bersifat metal dan non-metal yang berada di dalam tanah. Dalam hal ini antena memainkan peran yang sangat penting ( krusial ). Antena pengirim GPR mentransmisikan pulsa
elektromagnetik menembus tanah dan mengenai objek. Sebagian pulsa yang diterima objek akan dipantulkan kembali oleh objek tersebut dan diterima oleh antena penerima. Dari sinyal pantul akan dapat diketahui posisi dan bentuk objek. Aplikasi GPR membutuhkan resolusi dan
kedalaman penetrasi yang berbeda-beda. Kedua parameter ini dapat dicapai dengan optimum jika mengunakan durasi pulsa tertentu. Dalam tugas akhir ini akan dirancang dan direalisasikan antena wire dipole untuk aplikasi GPR (sebagai antena pengirim dan penerima yang terpisah) untuk mendeteksi objek bawah tanah dengan jenis tanah yang berbeda-beda sehingga dapat diperoleh resolusi dan penetrasi yang optimum sesuai dengan yang diharapkan. Antenna wire dipole dirancang untuk durasi pulsa 5 ns dengan mensimulasikannya melalui program Ansoft HFSS 9.2. Dari simulasi dapat dianalisa parameter-parameter antena, seperti pola radiasi, impedansi, gain, dan VSWR berdasarkan dimensi antena. pulsa
Kata Kunci : Kata kunci : GPR, antena wire dipole, durasi
Abstract
Ground Penetrating Radar (GPR) is kind of radar that is used to detect and locate buried metal and non-metal objects. In this consideration antenna play important rule, the transmitting antenna radiates electromagnetic pulse into the ground and hits the objects. The wave spreads out and travels downward. If it hits a buried object or a boundary with different electrical
properties, the receiving antenna receives variations in the reflected return. From reflected signal information, the position and the type of the object can be obtained by signal processing. GPR application needs different resolution and penetration depth. Both of these parameters can be reached optimum if they use certain pulse range. This final project describes the design and realization of wire dipole antenna that can be used in GPR application (as a transceiver and receiver separate antenna) to detect a buried object with different kind of soil to get resolution and penetration depth optimum. Wire dipole antenna is designed for 5 ns pulse range ( 200 MHz frequency) by simulating it using Ansoft HFSS 9.2. The simulation result shows that to get the wire dipole antenna which is appropriate to GPR is affected by antenna length and feedpoint that influences some antenna parameters, such as radiation pattern, impedance, gain, and VSWR. range
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar BelakangPerkembangan teknologi elektromagnetik yang sangat cepat dalam beberapa tahun terakhir telah melahirkan sebuah metode baru dalam bidang ilmu geofisika eksplorasi, yaitu GPR. Metode GPR sangat intensif digunakan di darat untuk memetakan struktur bawah permukaan, pencarian benda-benda arkeologi, pipa, kabel, bahan mineral di dalam tanah.
Ground Penetrating Radar (GPR) merupakan sistem radar yang
digunakan dalam pendeteksian objek yang terkubur di dalam tanah. Proses pendeteksian dilakukan dengan memancarkan suatu pulsa elektromagnetik. Pulsa ini akan merambat di dalam tanah dan dipantulkan oleh objek. Posisi dan bentuk objek akan dapat diketahui dari sinyal pantul yang secara terus menerus dikirimkan oleh objek tersebut. Pulsa radar untuk mendeteksi objek terkubur bergantung secara signifikan kepada kemampuan antena untuk meradiasikan pulsa ke tanah dengan tingkat loss dan late time ringing yang minimal untuk menghindari efek masking terhadap objek yang dideteksi.
Antena GPR secara umum dioptimasi hanya untuk durasi pulsa tertentu. Jadi sebelum merancang sistem GPR, biasanya ditentukan dulu objek apa yang akan dideteksi dan berapa kedalaman maksimum dari objek tersebut. Semakin kecil frekuensi maka kedalaman penetrasi akan semakin besar tetapi dengan resolusi tidak terlalu bagus. Bila frekuensi tinggi maka akan menghasilkan resolusi yang baik dengan kedalaman penetrasi yang kecil.
Dalam tugas akhir ini, penulis menerapkan teknik untuk merancang antena pengirim dan penerima GPR yang dapat dioptimasi terhadap durasi pulsa 5 ns yang dihasilkan oleh generator pulsa. Antena yang dirancang diharapkan dapat mentransmisikan pulsa monocycle Gaussian dengan ringing yang sangat minimal sehingga tidak mengurangi performansi pendeteksian objek. Dengan bantuan software Ansoft HFSS 9.2, penulis merancang antena
GPR wire dipole dan mensimulasikannya untuk memperoleh parameter-parameter antena yang dirancang.
1.2 Tujuan
1. Memahami prinsip kerja dan perancangan antena wire dpole yang
tepat untuk aplikasi GPR.
2. Mendesain dan merealisasikan antena wire dipole dengan panjang 34
cm (sebagai antena pengirim dan penerima yang terpisah).
3. Menguji hasil rancangan antena yang disimulasikan dengan Ansoft
HFSS 9.2 untuk melihat parameter-parameter antena yang dihasilkan.
1.3 Rumusan Masalah
Dalam penyusunan tugas akhir ini akan membahas beberapa permasalahan antara lain,
1. Menentukan frekuensi yang digunakan oleh pulsa yang dipancarkan,
yang sesuai untuk aplikasi GPR.
2. Menentukan dan menghasilkan rancangan geometri antena wire dipole
yang sesuai untuk aplikasi GPR.
3. Menganalisa parameter-parameter antena yang dihasilkan dalam
perancangan antena menggunakan Ansoft HFSS 9.2.
4. Bagaimana penyusunan antena yang tepat agar mengurangi adanya
kopling antara antena pemancar dengan antena penerima.
5. Membandingkan antara hasil pengukuran secara langsung dengan hasil
simulasi menggunakan Ansoft HFSS 9.2.
1.4 Batasan Masalah
Untuk menghindari meluasnya materi pembahasan Tugas Akhir ini, maka permasalahan pada tugas akhir ini dibatasi pada beberapa hal berikut :
1. Pulsa yang digunakan adalah 5 ns untuk frekuensi 200 MHz dan
berbentuk monocycle Gaussian.
2. Asumsi tanah homogen ( satu jenis saja).
3. Software yang digunakan dalam simulasi adalah Ansoft HFSS 9.2
3
4. Pembuatan antena wire dipole.
5. Diameter wire 2 mm dan terbuat dari tembaga.
6. Pencatuan feedline 100 ohm.
7. Pengukuran hanya dilakukan pada medium udara.
8. Analisa hanya dilakukan di domain frekuensi.
1.5 Metoda Penelitian
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 antena yang akan dibuat.
3. Simulasi dan Optimasi
Pada tahap ini, dilakukan simulasi desain sistem yang telah dirancang dengan menggunakan Ansoft HFSS 9.2 agar dapat memenuhi spesifikasi yang diinginkan dan dioptimasi untuk mencapai hasil yang lebih baik.
4. Proses Realisasi
Pada tahap ini, dilakukan proses realisasi antena yang telah dirancang agar didapat bentuk fisik realisasi dari antena GPR sesuai dengan karakteristik dan spesifikasi yang diinginkan.
5. Pengukuran
Pada tahap ini, dilakukan proses pengukuran antena yang telah direalisasikan dan membandingkan karakteristik antena hasil pengukuran dengan hasil simulasi.
6. Analisis
Analisis dilakukan setelah proses perancangan, realisasi, dan pengukuran dilakukan. Analisis dilakukan untuk membandingkan hasil pengukuran dengan hasil simulasi. Setelah dibandingkan kemudian dianalisis untuk setiap penyimpangan yang terjadi, dan bagaimana cara mengatasi masalah tersebut.
1.6 Sistematika Penulisan
Secara umum sistematika penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini berisi latar belakang, tujuan dan manfaat, perumusan masalah, batasan masalah, metodologi penelitian, dan sistematika penulisan.
BAB II DASAR TEORI
Bab ini membahas mengenai penjelasan secara umum tentang sistem GPR dan referensi yang meliputi Teori antena untuk aplikasi GPR dan konsep dasar antena dipole.
BAB III PERANCANGAN DAN SIMULASI
Bab ini membahas mengenai semua hal yang berkaitan dengan proses perancangan dan simulasi antena wire dipole sebagai antena GPR dengan menggunakan software Ansoft HFSS 9.2.
BAB IV PENGUKURAN DAN ANALISIS
Bab ini berisikan hasil pengukuran dan anlisis perbandingan hasil pengukuran dengan hasil simulasi yang didapatkan.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi kesimpulan akhir mengenai hasil perancangan dan analisa yang diperoleh serta saran dan harapan untuk pengembangan selanjutnya.
49
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 KESIMPULANSetelah melakukan semua proses perancangan, simulasi, realisasi dan pengukuran antena wire dipole dengan panjang 34 cm, maka dapat disimpulkan bahwa :
1. Antena wire dipole ini memiliki karakteristik antena ultrawideband yang baik untuk GPR, yaitu memiliki fractional bandwidth ≥ 20% dari frekuensi operasi.
2. VSWR pada frekuensi 200 MHz yang diperoleh dari pengukuran lebih besar dari hasil simulasi, yaitu 1.223. Namun bandwidth yang diperoleh dari hasil pengukuran dua kali lebih besar dari hasil simulasi.
3. Dalam sistem GPR ini, antena wire dipole sudah bisa bekerja dengan baik pada SWR ≤ 1.36 dengan range frekuensi 172.23 – 212.23 MHz.
4. Pola radiasi yang didapatkan adalah omnidireksional.
5. Gain yang diperoleh dari hasil pengukuran yaitu 2.763 dBi dengan variasi medan 0.236 dB.
6. Bentuk polarisasi yang didapatkan pada pengukuran adalah elips.
5.2 SARAN
Adapun saran – saran yang sekiranya dapat membantu dalam pengembangan antena wire dipole pendeteksi objek bawah tanah ini adalah: 1. Penggunaan simulator lain seperti simulasi FDTD3D, karena bekerja
dalam domain waktu dan berbagai medium sehingga sangat cocok untuk merancang antena GPR.
2. Penggunaan shielding pada antena wire dipole agar pada saat mendeteksi objek, frekuensi antena tersebut tidak terinterferensi dan terkena pantulan benda di sekitarnya.
3. Pengukuran dilakukan di suatu ruangan yang benar-benar memenuhi syarat pengukuran seperti anechoic chamber.
4. Pengukuran juga dilakukan di atas media pasir. 5. Melakukan analisa dalam domain waktu.
51
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Astutik, Sri. (2001). ”Penggunaan Ground Penetrating Radar (GPR) Sebagai Metal Detector”. Jurnal Ilmu Dasar. vol. 2, no. 1, hal. 9 – 16.
[2]. A.A. Lestari. (2003). ”Antennas for Improved Ground Penetrating
Radar”, Modeling, Tools, Analisyy and design, Ph.D.Dissertation, ISBN
90-76928-05-3, Delft University of Technology, the Netherlands.
[3]. Balanis, Constantine A. (1982). Antenna Theory Analysis and Design. New York: Harper & Row Publishers, Inc.
[4]. Chen, Tai-Lin Greg. (2006). ”GPR Propagation Simulation and Fat
Dipole Antenna Design”. Dissertation of Electrical Engineering :Cape
Town.
[5]. Daniels, David J. (eds). (1996). Ground Penetrating Radar. (2nd ed.).
London: The Institution of Electrical Engineer.
[6]. Gery. (2008). “Desain dan Realisasi Antenna Rolled Dipole untuk Aplikasi
GPR dengan menggunakan metode FDTD”, Tugas Akhir ITB : Bandung.
[7]. Greenstein, Larry. et.al. “Antenna and Pulse Design for Meeting UWB
Spectrum Density Requirements”. WINLAB, ECE Department, Rutgers University.
[8]. Krauss, John D and Ronald J.Marhefka. (2002). Antenna for All
Application. (3rd ed.). New York: Mc Graw Hill.
[9]. Ligthart, L.P. and E.E. (2004). ”Lecture Notes for the Intensive Course on
Ground Penetrating Radar”, Delft University of Technology-IRCTR.
[10]. Nekoogar. (2005). ”Introduction to Ultra-Wideband Communication”
book page 2.
[11]. Setiawan, Andik. (2006). “Perancangan dan Realisasi Antena Wire
Dipole Pengukur Dielektrik Tanah dengan Menggunakan Metode FDTD 3D”. Tugas Akhir ITTELKOM : Bandung.
[12]. Syarif, Tesha Rofelina Larasati. (2007). “Desain dan Simulasi Antena
Logarithmic Spiral untuk Ground Penetrating Radar (GPR)”. Tugas
Akhir ITTELKOM : Bandung.
[13]. Tibebe, Tefera. ”Simulation Study of Ultra-Wideband Communication
System”, Departement of Electronic and Electrical Engineering,
University College London.
[14]. Yeung, Eva H.K and John Mitchell. ”Modelling of Ultra-Wideband Radio
System”, Departement of Electronic and Electrical Engineering,
