DESAIN DAN IMPLEMENTASI ANTENA GENERASI I UNTUK LITBANG KONSORSIUM RADAR

DESAIN DAN IMPLEMENTASI ANTENA GENERASI I

UNTUK LITBANG KONSORSIUM RADAR

Mashury Wahab1,*_{, Yuyu Wahyu}1_{, Purwoko Adhi}1_{, Yussi Perdana Saputera}1

Fitry Yuli Zulkifli2_{, dan Eko Tjipto Raharjo}2

1_{Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi LIPI Bandung} 2_{Universitas Indonesia}

*e-Mail: mashury@ppet.lipi.go.id

Disajikan 29-30 Nop 2012

ABSTRAK

Desain dan realisasi antenna array S-band disampaikan dalam makalah ini, yang merupakan hasil litbang konsorsium radar udara yang dibiayai oleh Kemenristek. Dalam tahapan perancangan, antena Generasi I untuk penelitian litbang konsursium radar terdiri dari antena miktrostrip bersusun atau array sebanyak 2,4 dan 8 patch dengan jarak yang sama pada masing-masing patch-nya dalam satu modul antena. Pengaturan jumlah patch antena dalam satu modul antenna ini bertujuan untuk mempersempit beamwidth dan memperbesar gain antenna sehingga sesuai dengan spesifikasi radar yang sudah di tentukan, yaitu: beamwidth azimuth di bawah 1º, dan beamwidth elevasi di bawah 20º. Aplikasi antenna ini untuk Radar yang menggunakan teknologi pulsa. Bahan yang digunakan untuk substrat antenna adalah FR 4 (epoxy) dan Droid 5880 dengan perancangan ketebalan substrat 0,508 mm, 1,6 mm dan 3,2 mm. Sementara parameter substrat yang lain adalah: tebal patch dan tebal ground adalah 0,035 mm yang bertujuan untuk mendapatkan lebar bandwidth yang paling optimum, serta memiliki nilai r = 2,2 (Droid) dan r = 4,4 (FR 4). Dalam penelitian ini dilakukan beberapa kali percobaan, dengan menghasilkan lebar bandwidth 50 MHz dan 60 MHz. Modul antena ini dapat digunakan sebagai antena transmitter (Pemancar) dan receiver (penerima). Kinerja antenna yang paling sesuai dengan spesifikasi adalah modul antenna dengan 8 patch, yaitu nilai S11 < -15 dB, VSWR < 1.5. Sementara gain dari modul antenna ini adalah 12,79 dBi (simulasi) dan 11.98 dBi (pengukuran). Modul antenna yang lengkap berupa antenna array 8 x 4 dengan gain sebesar 27,58 dBi (simulasi).

Kata kunci:Radar, S-band, Antena, Beamwidth, Bandwidth

I.

PENDAHULUAN

Indonesia secara geografis memiliki posisi yang strategis karena terletak di antara benua Asia dan Australia. Terdapat tiga alur laut kepulauan Indonesia (ALKI) yang merupakan lintasan untuk kapal-kapal laut dari negara-negara asing untuk perairan Indonesia.

Wilayah Negara Kesatuan Republik Indonesia (NKRI) sangat luas, di mana 2/3 dari total luas wilayah merupakan perairan. Data tentang wilayah NKRI (sumber: presentasi KASAL pada Seminar Radar Nasional (SRN) IV) adalah sebagai berikut.

 Luas Wilayah Yuridis Nasional: 7,8 Jt km².  Panjang Garis Pantai: 81.000 km.

 Jumlah Pulau: ± 17.500 Pulau.  Luas Laut Yuridis Nasional: 5,9 Jt km².

o Laut Nusantara : 2,9Jt km² o Laut Teritorial : 0,3Jt km²

o ZEEI : 2,7Jt km²

 Luas Daratan: 1,9 Jt km².

Gambar 1. Kombinasi cakupan dari Radar Hanud dan Bandara (sipil), sumber: presentasi Kadislitbang TNI-AU pada workshop Ristek tahun

2010.

Mengingat luasnya wilayah NKRI maka tentunya kebutuhan akan Radar adalah sangat besar untuk mengawasi seluruh wilayah udara dan laut secara terus menerus supaya tidak ada pihak-pihak asing yang melakukan kegiatan illegal. Fakta tentang kebutuhan Radar ini terungkap melalui presentasi dari berbagai Narasumber dari berbagai Instansi Pemerintah, TNI-AU, TNI-AL, Dephan, dan Operator Pelabuhan udara (Angkasa Pura) pada saat Seminar Radar Nasional dari tahun 2007 sampai dengan tahun 2010.

Gambar 1 menunjukkan bahwa kombinasi cakupan dari Radar pertahanan udara (Hanud) milik TNI dan Radar pengawas udara milik Bandara-bandara masih belum dapat mencakup semua wilayah udara NKRI. Masih ada celah-celah kosong wilayah udara yang belum terpantau. Selain itu, jumlah Bandara yang memiliki Radar juga masih sedikit. Sementara untuk TNI-AU, masih ada kebutuhan sekitar 17 Radar Hanud untuk menjaga wilayah udara Indonesia.

Perbedaan utama antara Radar pengawas udara untuk aplikasi sipil (dipasang di Bandara) dengan Radar pertahanan udara adalah Radar pengawas udara digunakan untuk memantau pergerakan pesawat komersial (yang ukurannya relatif besar) pada saat memasuki/keluar wilayah Bandara tertentu atau juga hanya melintasi suatu wilayah udara Bandara tertentu. Selain itu, Radar pengawas udara juga digunakan untuk memantau pergerakan pesawat udara komersial sehingga pergerakan pesawat tersebut dapat selalu dimonitor dan dipandu. Sementara itu, Radar pertahanan udara (Hanud) berfungsi utama untuk mendeteksi pergerakan obyek terbang (pesawat udara komersial, pesawat tempur dll) sehingga dapat dipantau kecepatan, lintasan, ukuran obyek, dan posisi obyek. Setelah itu, pengguna Radar Hanud dapat melakukan antisipasi dengan melakukan pencegatan obyek terbang tersebut apabila tidak punya ijin melintas wilayah udara dengan menggunakan pesawat tempur atau peluru kendali.

Gambar 2. Sebaran Bandar udara di seluruh Indonesia (sumber: BNPB).

Gambar 3. Contoh Radar Pengawas Udara di Bandara.

Gambar 3 merupakan contoh dari Radar pengawas udara yang telah digunakan di Bandara yang berfungsi untuk mengatur lalu lintas pesawat terbang yang akan masuk (landing) dan yang keluar (take off) dari suatu Bandara. Sementara itu, Gambar 4 menyatakan bagaimana Radar yang antenanya berputar mengirimkan sinyal/gelombang elektromagnetik (EM) ke target pesawat terbang dan kemudian menerima kembali pantulan gelombang EM dari

target. Berdasarkan hal ini, dihitung jangkauan target terhadap posisi Radar. Selain itu, ketinggian pesawat diperkirakan dari posisi sudut elevasi antena Radar yang bergerak turun naik dan juga dari pola berkas antena. Jadi, Radar akan menghasilkan tiga macam informasi dari target yaitu, sudut, jangkauan dan ketinggian (elevasi).

Gambar 4. Contoh deteksi Radar terhadap pesawat terbang (target).

Penelitian ini bertujuan membangun kemampuan dalam negeri untuk pembuatan Radar pengawas udara didalam negeri, sinergi antar lembaga / institusi yang terkait, menumbuhkan industri Radar yang dapat menyerap banyak tenaga kerja, memperkuat kemampuan sumber daya Nasional & BUMNIS/Swasta Nasional, melahirkan inovasi-inovasi dibidang Radar, dan melengkapi sarana prasarana penelitian dibidang Radar dan Telekomunikasi.

Adapun beberapa pemecahan Masalah dalam pengembangan Radar didalam negeri selama ini sebagai berikut:

a. Komponen/modul microwave, radio frequencies, transmitter dan receiver, integrated circuits (IC) hasil rancangan sendiri yang bersifat unique dan diusahakan di produksi di Indonesia. Selain untuk keperluan Radar, komponen/modul ini akan dapat juga digunakan untuk aplikasi produk telekomunikasi karena, saat ini, impor produk telekomunikasi mencapai 50 Trilyun Rupiah/tahun.

b. Berkembangnya berbagai macam desain dan aplikasi antena untuk Radar dan telekomunikasi yang sesuai dengan perkembangan Iptek dan memiliki kinerja tinggi.

c. Berkembangnya berbagai aplikasi perangkat lunak untuk Radar yang mengutamakan penggunaan perangkat lunak open source dan perangkat lunak ini merupakan ‘jantung’ dari operasional Radar. Inovasi dari perangkat lunak ini akan didaftarkan sebagai copyright.

d. Inovasi dalam bentuk pengendalian secara otomatis dari Radar secara jarak jauh, pengembangan jaringan Radar, pengetesan dan monitoring fungsional Radar.

e. Inovasi dalam bentuk pengamananan kerahasiaan data seperti enkripsi, pengkodean dan pengacakan (scrambler).

f. Inovasi dari konstruksi mekanik dan system antena (dudukan antena).

g. Inovasi dalam bentuk konsep dan dokumen untuk melakukan produksi Radar Pengawas Udara ini oleh mitra industry

II.

METODOLOGI

Metoda penelitian dilakukan dengan melakukan penentuan spesifikasi dari Radar pengawas udara, melakukan desain dan simulasi, melakukan pembelian bahan dan material, melakukan perakitan dan pengetesan, melakukan uji fungsi, melakukan penyempurnaan, pembuatan laporan, publikasi ilmiah dan pendaftaran HaKI (paten/copyright).

III.

HASIL DAN PEMBAHASAN

1. Antena Susun Versi 1

Antena susun/array versi 1 ini dirancang pada frekuensi S-band yang bertipe antena mikrostrip, ketebalan substrat yang dilakukan dalam penelitian, yaitu: ketebalan 0,508 mm. Spesifikasi antena yang dibutuhkan dalam pembuatan antena radar udara adalah sebagai berikut:

• r = 2,2. Pada material Droid 5880

• bandwidth: 50 MHz • VSWR < 1,5 • S11 < -15 dB • HPBW azimuth < 20º (1modul) • HPBW elevasi < 90º. (1modul) • Gain 10 – 15 dBi

a. Perancangan Antena Susun 2

Gambar 5. Antena susun 2 Tampak depan.

Gambar 6. Antena susun 2 Tampak belakang.

b. Perancangan Antena Susun 4

Gambar 7. Antena susun 4 Tampak depan.

Gambar 8. Antena susun 4 Tampak Belakang.

c. Perancangan Antena Susun 8

Gambar 9. Antena susun 8 Tampak depan.

Gambar 10. Antena susun 8 Tampak belakang.

2. Antena Susun Versi 2

Antena susun/array versi 2 ini juga dirancang pada frekuensi S-band yang bertipe antena mikrostrip, dari beberapa percobaan terdapat 2 tipe ketebalan substrat yang dilakukan dalam penelitian, yaitu: ketebalan 1,6 mm dan 3,2 mm. Spesifikasi antena yang dibutuhkan dalam pembuatan antena radar udara adalah sebagai berikut:

• r = 4,4. Pada material FR4 (epoxy)

• bandwidth: 60 MHz • VSWR < 1,5 • S11 < -15 dB • HPBW azimuth < 20º (1modul) • HPBW elevasi < 90º. (1modul) • Gain 10 – 15 dBi

Gambar desain antena ditunjukan pada gambar 11. Untuk mencari dimensi patch/elemen, sebagai berikut.

λ

=

_f C c√er

=

……… 1

w

=

C_f c

√

er+

=

……….…… 2 L = C .f_c √eeff

-

2ΔL

=

………. 3

s

t

=

λd

=

……..……… 4 a. Perancangan Antena Susun 8

Gambar 11. Tampilan 1 modul antena susun 8

Dalam satu modul antena memiliki 8 buah patch yang memiliki ukuranya sama, satu elemen memiliki ukuran 20 x 20 mm berbentuk persegi, dapat di lihat seperti gambar di bawah ini.

Gambar 12. Antena susun 8 Tampak depan

Gambar 13. Antena susun 8 Tampak belakang

Dalam perancangan dan simulasi yang dilakukan untuk antena susun versi 1 ini dilakukan dengan 3 tipe susunan/array, dan masing-masing susunan mempunyai hasil yang berbeda, yaitu:

Tabel 1. Hasil Simulasi Antena susun versi 2 jumlah element 2 4 8 spesifikasi gain 6.23 9.09 12.03 HPBW azimuth 44.90 22.10 10.90 HPBW elevasi 97.10 97.10 97.10 side lobe level -12.8 -12.8 -12.8

Dari simulasi yang dilakukan dapat dilihat, bahwa antena dengan elemen yang di susun sebanyak 8 lah yang mendekati spesifikasi antena yang di inginkan. Untuk hasil simulasi s11 dapat dilihat pada gambar 14, sedangkan untuk melihat hasil simulasi polaradiasi, dapat dilihat pada gambar 15 dan gambar 16.

Gambar 14. Hasil simulasi s11 antena susun 8 versi 1.

Setelah simulasi sesuai dengan spesifikasi yang di inginkan, maka antena tersebut siap dilakukan pabrikasi sesuai dengan hasil simulasi, yang dapat dilihat seperti gambar 16 dan gambar 17.

Dalam proses pengukuran antena susun versi 1 dilakukan di Universitas Indonesia, dengan hasil yang mendekati hasil simulasi, yang dapat dilihat pada grafik di bawah ini.

Gambar 15. Hasil simulasi HPBW azimuth.

Gambar 15. Hasil simulasi HPBW elevasi.

Gambar 16. Hasil realisasi antena 8 elemen susun tampak depan.

Gambar 17. Hasil realisasi antena 8 elemen susun tampak belakang

Dari grafik hasil pengukuran dapat dilihat, bahwa nilai dari s11

< -14 dB. Dan VSWR < 1,5. Hal ini menunjukan bahwa antenna yang di realisasikan memenuhi spesifikasi standard untuk digunakan dalam teknologi radar. Sedangkan untuk bandwidth sebesar 62 MHz (2850 – 2915 MHz). untuk pola radiasi yang di hasilkan dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Dalam perancangan dan simulasi yang dilakukan untuk antena susun versi 2 yang dilakukan mempunyai hasil yang sangat mendekati dengan spesifikasi radar yang dibutuhkan, dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Satu modul antena terdiri dari 8 buah patch/elemen berbentuk peregi. Panjang satu modul antena lebarnya adalah 435.2mm. Hasil simulasi antena ditunjukkan pada gambar 22.

Gambar 18. Grafik pengukuran s11 antena susun 8 elemen versi 1.

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 2500 2700 2900 3100 3300 3500 s11 -14 dB 2850 MHz 2900 MHz

Gambar 19. Grafik pengukuran VSWR antena susun 8 elemen versi 1.

. Gambar 20. Grafik polaradiasi azimuth

Gambar 21. Grafik polaradiasi elevasi

Gambar 22. Grafik S11 Antena Susun 8 Versi 2

Dari gambar 22, dapat dilihat bahwa antena untuk nilai s11 sebesar -38,319 dengan titik minimum berada pada frekuensi 2,9953 MHz. untuk hasil VSWR dapat dilihat pada gambar 23.

Gambar 23. Grafik VSWR Antena Susun 8 Versi 2

Dari gambar 23, dapat dilihat bahwa bandwidth antena untuk nilai < 1,5 memiliki besar bandwidth 60 Mhz, dengan batas frekuensi mulai dari 2,9645 GHz s/d 3,0245 GHz, dan nilai vswr minimum sebesar 1,0245682. Yang mana sangat sesuai dengan spesifikasi penggunaan radar udara.

Gambar 24. Gain simulasi Antena Susun 8 Versi 2

Gain satu modul antena ditunjukkan pada gambar 23, dari gambar terlihat bahwa antena yang didesain mempunyai gain sebesar 12,76 dBi. Untuk hasil simulasi polaradiasi serta nilai HPBW yang dihasilkan dari 1 modul antena, dapat dilihat pada gambar 25 dan gambar 26.

0 1 2 3 4 5 6 2500 2700 2900 3100 3300 3500 VS W R -40 -30 -20 -100 0 102030 4050₆₀ 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270280 290300 310320330 340350 E c o -60 -40 -20 0 0 ₁₀₂₀₃₀ 40₅₀ 60₇₀ 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270280 290300 310320330 340350 S21 H co

Gambar 25. Hasil simulasi HPBW azimuth.

Gambar 26. Hasil simulasi HPBW elevasi.

Hasil simulasi polaradiasi yang didapatkan menghasilkan spesifikasi yang sesuai dengan spesifikasi radar yang dibutuhkan untuk digunakan pada radar udara. HPBW azimuth sebesar 12,4 º dan HPBW elevasi sebesar 89,7 º.

Antena hasil simulasi kemudian dipabrikasi dengan menggunakan bahan FR 4 yang mempunyai nilai εr 4.4 dengan

ketebalan substrat 3,2 mm. Hasil fabrikasi modul antena dapat dilihat pada gambar di atas.

Gambar 26. Hasil realisasi antena 1 modul 8 elemen susun tampak depan.

Gambar 27. Hasil realisasi antena 1 modul 8 elemen susun tampak belakang.

Gambar 28. Hasil realisasi antena 1 modul 8 elemen susun tampak samping.

Dalam proses pengukuran antena susun versi 2 ini dilakukan di Laboratorium Pusat Pengembangan Elektronika dan Telekomunikasi – LIPI bandung yang menggunakan alat ukur Advantest R3770 Network Analyzer untuk pengukuran indoor (dalam) dan alat ukur Anritsu MS2721A Spectrum analyzer untuk pengukuran outdoor. Dengan hasil yang mendekati hasil simulasi, yang dapat dilihat pada grafik di bawah ini.

Gambar 30. Hasil pengukuran S11 antena 1 modul 8 elemen.

Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa nilai VSWR ≤ 1,5

diperoleh pada rentang frekuensi 2,967750 – 3,029 GHz sehingga bandwidth antena sebesar 61,25 MHz. Ini menunjukkan bahwa antena yang dirancang telah memenuhi spesifikasi yang ditentukan yaitu mempunyai bandwidth sebesar 60 MHz.

Gambar 30. Hasil pengukuran impedansi antena 1 modul 8 elemen. Tabel 2. Hasil Pengukuran dengan alat ukur R3770 Network Analyzer

No Parameter Hasil Pengukuran 1 Frekuensi minimum 2,967750 GHz ( VSWR 1,5) 2 Frekuensi maksimum 3,029 GHz (VSWR 1,501) 3 Frekuensi minimum 3 GHz (VSWR1,303) 4 Bandwidth 61,25 MHz 5 Impedansi 52 ohm

Hasil pengukuran yang dilakukan menghasilkan spesifikasi yang sangat sesuai dengan spesifikasi radar udara yang di inginkan, sehingga antena versi 2 lebih cocok digunakan untuk realisasi dari

radar udara yang akan di buat. Dengan besar gain 1 modul antena sebesar 11,58 dBi.

Gambar 31. Grafik polaradiasi azimuth

Gambar 31. Grafik polaradiasi elevasi

Dalam Pengukuran azimut, sudut yang di dapat ± 12º, pada simulasi di dapat 12.4º, dengan spesifikasi yang di tentukan di bawah 20º untuk setiap modulnya. Dan untuk Pengukuran elevasi, sudut yang di dapat ± 58º, pada simulasi di dapat 87.7º, dengan spesifikasi yang di tentukan di bawah 90º untuk setiap modulnya.

IV.

KESIMPULAN

Dari perancangan dan Antena susun Microstrip Untuk Radar udara yang digunakan pada frekuensi S-Band yang sudah dilakukan, di peroleh bahwa, dari perhitungan, dan Simulasi, menghasilkan keluaran yang serupa, tetapi ada sedikit perubahan ukuran dimensi, yang bertujuan untuk mendapatkan hasil yang paling optimum. sehingga antenna yang di simulasikan dapat dinyatakan berhasil, dengan parameter sebagai berikut VSWR pada frekuensi 3 Ghz 1.024, bandwidth 60 MHz, impedansi 50 ohm, Gain 12,76 dBi dan sudut elevasi sebesar 12º. Dengan demikian,

dilakukanlah susun array untuk menurunkan beamwidth vertikal antenna dan memperkuatkan gain level antenna sesuai dengan spesifikasi. Sehingga di dapat gain sebesar 27,80 dBi dan sudut elevasi sebesar 1º. Sehingga antena yang dirancang cocok digunakan sebagai antena untuk aplikasi radar udara.

DAFTAR PUSTAKA

[1] M.I. Skolnik, ’Radar Handbook’, McGraw-Hill, 1990; [2] M.I. Skolnik, ’Introduction to Radar Systems’, McGraw-Hill,

2002;

[3] Leo P. Ligthart, ’Short Course on Radar Technologies’, International Research Centre for Telecommunications -transmission and Radar, TU Delft, September 2005.

[4] Mashury, Yuyu Wahyu, A. Adya Pramudita, and Pamungkas Daud, “Coupled Patch Array Antenna For Surveillance Radar”, International Conference TSSA 2007, Bandung, 2007.

[5] Mashury Wahab, Pamungkas Daud, Yuyu Wahyu, dan Rustini S. Kayatmo, “Rancang Bangun Radar Pengawasan Pantai INDRA II Di Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi (PPET) LIPI”, Seminar Radar Nasional 2008, Jakarta.

[6] Yuyu Wahyu, Folin Oktafiani, Yussi Perdana Saputera dan Mashury Wahab, ‘Perancangan Antena Array plannar untuk aplikasi s-Band’, SMAP 2012, Universitas Indonesia depok, 2012.