PENGEMBANGAN SISTEM TRANSDUCER UWB ARRAY

UNTUK PENDETEKSI DAN PEMONITORING FETAL

UWB TRANSDUCER ARRAY SYSTEM DEVELOPMENT FOR

DETECTING AND MONITORING FETAL

ARDIANSYAH

P2700214022

Dosen Pembimbing :

Elyas Palantei, M.Eng. Ph.D.

Dr.Eng. Intan Sari Areni, S.T, M.T.

PROGRAM PASCASARJANA

UNIVERSITAS HASANUDDIN

MAKASSAR

2017

i

PENGEMBANGAN SISTEM TRANSDUCER UWB ARRAY

UNTUK PENDETEKSI DAN PEMONITORING FETAL

Tesis Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar Magister

Program Studi Teknik Elektro

Disusun dan diajukan oleh

ARDIANSYAH

Kepada

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

PROGRAM PASCASARJANA

UNIVERSITAS HASANUDDIN

MAKASSAR

2017

ii

iii

PERNYATAAN KEASLIAN TESIS

Yang bertanda tangan di bawah ini.

Nama : Ardiansyah

Nomor Mahasiswa : P2700214022

Program studi : Teknik Elektro

Menyatakan dengan sebenarnya bahwa tesis yang saya tulis ini benar-

benar merupakan hasil karya saya sendiri, bukan merupakan

pengambilalihan tulisan atau pemikiran orang lain. Apabila di kemudian hari

terbukti atau dapat dibuktikan bahwa sebagian atau keseluruhan tesis ini

hasil karya orang lain, saya bersedia menerima sanksi atas perbuatan

tersebut.

Makassar, 16 Agustus 2017

Yang menyatakan,

Ardiansyah

iv

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis persembahkan kepada Allah SWT atas

limpahan berkat dan rahmat-Nya atas semua karuniaNya tanpa jeda

sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini dengan judul

”Pengembangan Sistem Transducer Uwb Array Untuk Pendeteksi

Dan Pemonitoring Fetal” sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan

studi pada Program Pascasarjana Universitas Hasanuddin.

Dalam tesis ini, penulis banyak mengalami tantangan dan

hambatan, namun berkat dukungan dan kerja sama yang baik dengan

berbagai pihak, penulis mampu melaluinya. Penulis mengucapkan

terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Rasulullah SAW., para Sahabat dan para pewarisnya.

2. Bapak Dr. Elyas Palantei, ST, M.Eng dan Ibu Dr.Eng. Intan Sari

Areni, S.T, M.T. selaku penggagas judul sekaligus pembimbing

yang selalu meluangkan waktu untuk memberikan saran,

masukan dan sabar mengarahkan penulis selama pengerjaan

laporan Tesis ini.

3. Bapak, ibu, nenek, kakak, dan para ponakan penulis yang

selalu percaya dan menjadi orang yang selalu mendampingi,

menyayangi, mendoakan dan terus mendorong untuk

melanjutkan menulis.

v

4. Kepala Program Studi, Staf pengajar, Staf TU, Staf

Laboratorium Pascasarjana Jurusan Elektro Fakultas Teknik

Unhas atas bimbingan, arahan, dan bantuan selama penulis

menyelesaikan kuliah.

5. Saudara-saudariku Farid Armin, Sukriyah Buwarda, Julianti

Habibuddin, Asmi Pratiwi, Asma Amaliah, Ashadi Amir,

Wahyuddin S, Muh. Fahmi, Midarto DW, Sofyan T, Rida A,

juga rekan-rekan mahasiswa lainnya.

6. Dan semua pihak yang tidak sempat penulis sebutkan satu

per satu atas bantuannya selama penulisan Tesis ini.

Penulis menyadari bahwa masih banyak hal yang menjadi kekurangan

pada tesis ini. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan koreksi

dan saran yang bersifat membangun demi usaha dan perbaikan serta

pengembangan lebih lanjut untuk penyelesaian penelitian ini.

Makassar, 16 Agustus 2017

Penulis

vi

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan mengembangkan teknik microwave imaging untuk aplikasi monitoring dan deteksi fetal dimana menggunakan transducer antenna mikrostrip yang bekerja pada frekuensi Ultra Wide Band (UWB).

Penelitian ini menggunakan antenna sebagai sensor material hingga menghasilkan image hasil scanning objek. Tahapan yang dilakukan yakni perancangan dan validasi spesifikasi antena dan phantom ibu hamil beserta fetal menggunakan software Ansoft HFSS v13. Dilanjutkan dengan manufaktur prototype kegiatan riset dan pengembangan produk peralatan pendukung evaluasi komputasi numerik terkait antena UWB.

Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa dihasilkan antenna yang diimplementasikan dalam bentuk prototipe yang bekerja pada 3.6 GHz - 4.8 GHz dengan bandwidth 1200 MHz. Pengujian menggunakan model phantom dan fetal yang sifatnya homogen. Parameter yang diukur adalah koefisien refleksi S11 yang menunjukkan adanya objek yang memantulkan gelombang elektromagnetik yang dipancarkan. Citra image yang dihasilkan dari tabulasi plot S11 menunjukkan fetal yang dimonitor. Respon karakteristik elektrik ditampilkan pada dalam dan diluar kondisi rentang frekuensi kerja antenna.

Kata kunci : antenna, ultrawideband, fetal, phantom, microwave imaging

vii

ABSTRACT

This research aims to develop imaging microwave technique for monitoring application and fetal detection where to use microstrip antenna transducer working on Ultra Wide Band (UWB) frequency.

The applied method was usage of antenna as material sensor until produced image of object scanning production. For its stages, namely design and validation specification antenna and phantom of pregnant mother with fetal used Ansoft HFSS v13 software. Then proceed with the manufacturing of prototype and product development research activity supporting equipment of UWB antenna related to numerical computing.

This research has produced antenna which is implemented in the form of a prototype that works on 3.6 GHz-4.8 GHz with a bandwidth of 1200 MHz. the testing uses phantom model and fetal which is homogeneous. Parameters measured are reflection coefficient S11 is indicating the existence of objects which reflect electromagnetic waves emitted. The image generated form S11 plot tabulations shows the monitored fetal. Electrical characteristic response is displayed on the inside and outside of the conditions of the frequency range of antenna’s work.

Keywords: antenna, ultrawideband, fetal ,phantom, microwave imaging.

viii

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR.................................................................................... i

ABSTRAK .................................................................................................. vi

DAFTAR ISI ............................................................................................. viii

DAFTAR GAMBAR .................................................................................... x

DAFTAR TABEL ....................................................................................... xii

BAB I .......................................................................................................... 1

PENDAHULUAN ........................................................................................ 1

A. Latar Belakang ................................................................................... 1

B. Rumusan Masalah .............................................................................. 3

C. Tujuan Penelitian ................................................................................ 4

D. Batasan Masalah ................................................................................ 4

E. Metode Penelitian ............................................................................... 5

F. Sistematika Penulisan Laporan .......................................................... 6

BAB II ......................................................................................................... 8

TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................ 8

A. Ultra Wide Band (UWB) ...................................................................... 8

B. Antena .............................................................................................. 10

2.2.1. Antena Mikrostrip ........................................................................ 10

2.2.2. Pencatuan pada antena microstrip ............................................. 14

2.2.3. Parameter-Parameter Antena ..................................................... 18

C. Teknik Imaging ................................................................................. 27

D. Fetal Monitoring ................................................................................ 35

E. Pemodelan Tubuh Manusia .............................................................. 36

F. Metode Pencitraan ............................................................................ 36

BAB III ...................................................................................................... 37

METODOLOGI PENELITIAN ................................................................... 37

A. Jenis Penelitian ................................................................................ 37

B. Waktu dan Lokasi Penelitian ............................................................ 37

C. Instrumen Penelitian ......................................................................... 37

D. Teknik Pengumpulan Data ............................................................... 38

E. Rancangan Penelitian ...................................................................... 39

F. Perancangan Antena ........................................................................ 41

ix

G. Perancangan Phantom..................................................................... 44

H. Pengukuran Sistem Pemonitor Fetal ................................................ 46

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................ 53

A. Analisa Hasil Simulasi dan Prototipe Antena .................................... 54

1. Simulasi Antena ................................................................................ 54

2. Pengujian Kinerja Antena.................................................................. 57

B. Simulasi Antena dan Abdomen Phantom ......................................... 62

C. Pengujian Antena dan Phantom ....................................................... 67

D. Hasil Pengukuran Antena dan Abdomen Phantom .......................... 69

E. Microwave Imaging Analysis ............................................................ 70

BAB V ...................................................................................................... 81

PENUTUP ................................................................................................ 81

A. Kesimpulan ....................................................................................... 81

B. Saran ................................................................................................ 83

Daftar Pustaka ......................................................................................... 84

x

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Struktur dasar antena Mikrostrip. ........................................ 11 Gambar 2.2. Beberapa model patch untuk antena Microstrip. ................. 11 Gambar 2.3. Struktur Microstrip Line. ...................................................... 15 Gambar 2.4. Struktur Microstrip Line tampak samping. ........................... 16 Gambar 2.5. Struktur coaxial probe feeding. ........................................... 16 Gambar 2.6. Struktur proximity coupling feed. ......................................... 17 Gambar 2.7. Struktur aperture coupling feed. .......................................... 18 Gambar 2.8. Parameter S dalam jaringan empat kutub ........................... 20 Gambar 2.9. Polar plot dari pola radiasi. .................................................. 23 Gambar 2.10. Pola radiasi pada koordinat polar. ..................................... 24 Gambar 2.11. Passive Imaging. ............................................................... 28 Gambar 2.12. Active Imaging................................................................... 28 Gambar 2.13. Geometri dari SAR Imaging. ............................................. 30 Gambar 2.14. ISAR Geometry. ................................................................ 32 Gambar 2.15. Stepped Frequency Radar. ............................................... 33 Gambar 2.16. Bistatic Stepped Frequency Radar. ................................... 34 Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian. ....................................................... 39 Gambar 3.2. Rancangan sistem kerja alat pendeteksi. ............................ 41 Gambar 3.3. Desain antena mikrostrip .................................................... 44 Gambar 3.4. Antena hasil fabrikasi .......................................................... 44 Gambar 3.5. Desain phantom pada software Ansoft HFSS v13 .............. 45 Gambar 3.6. Desain phantom tanpa fetal. ............................................... 46 Gambar 3.7. Desain phantom usia janin 2 bulan. .................................... 47 Gambar 3.8. Desain phantom usia janin 3 bulan. .................................... 47 Gambar 3.9. Desain phantom usia janin 4 bulan. .................................... 48 Gambar 3.10. Proses pengambilan data dengan reflected signal............ 49 Gambar 3.11. Repesentasi titik koordinat antena terhadap abdomen fetal

phantom. ........................................................................... 50 Gambar 3.12. Konfigurasi Sistem untuk Pengukuran Koefisien Refleksi

S11. .................................................................................. 50 Gambar 3.13. Vector Network Analyzer ................................................... 51 Gambar 3.14. (a) ZVH8 Cable and Antenna Analyzer (b) Koefesien

refleksi S11 ........................................................................ 51 Gambar 4.1. Simulasi Ansoft HFSS v13 .................................................. 55 Gambar 4.2. Simulasi CST 2014 ............................................................. 56 Gambar 4.3. (a) Pola radiasi 2 dimensi (b) Pola radiasi 3 dimensi .......... 57 Gambar 4.4. Antena fabrikasi .................................................................. 58 Gambar 4.5. ENA E5071C network analyzer ........................................... 59 Gambar 4.6. Calibration kit type N 85032F .............................................. 59 Gambar 4.7. S11 hasil pengukuran. .......................................................... 60 Gambar 4.8. VSWR hasil pengukuran. .................................................... 60 Gambar 4.9. Perbandingan nilai S11 dan VSWR hasil pengukuran dan

simulasi. ............................................................................ 61 Gambar 4.10. Plot phantom non fetal. ..................................................... 63

xi

Gambar 4.11. Plot fetal usia dua bulan. ................................................... 64 Gambar 4.12. Plot fetal usia tiga bulan. ................................................... 65 Gambar 4.13. Plot fetal usia empat bulan. ............................................... 66 Gambar 4.14. Abdomen phantom ............................................................ 67 Gambar 4.15. Pengukuran parameter koefisien refleksi S11 Antena

terhadap phantom non fetal dan phantom dengan fetal. .. 68 Gambar 4.16. Posisi antena dan phantom pada proses pengukuran ...... 68 Gambar 4.17. Koefesien Refleksi (S11) Hasil Simulasi Antena dan Fetal

Phantom ........................................................................... 69 Gambar 4.18. Without Fetal. .................................................................... 71 Gambar 4.19. With Fetal 2 Bulan 40mm. ................................................. 72 Gambar 4.20. With Fetal 3 Bulan 60mm. ................................................. 73 Gambar 4.21. With Fetal 4 Bulan 120mm. ............................................... 74 Gambar 4.22. Without Fetal. .................................................................... 75 Gambar 4.23. With Fetal 40x25mm. ........................................................ 75 Gambar 4.24. With Fetal 65x65mm. ........................................................ 76 Gambar 4.25. With Fetal 130x70mm. ...................................................... 77 Gambar 4.26. Plot image pada frekuensi 800 KHz. ................................. 78 Gambar 4.27. Plot image pada frekuensi 7.77 GHz................................. 78 Gambar 4.28. Plot image pada frekuensi 8.5 GHz................................... 79

xii

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1. Dimensi antena mikrostrip. ...................................................... 43

Tabel 3.2. Karakteristik abdomen phantom. ............................................ 45

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Dewasa ini angka kematian ibu di negara maju dan berkembang

memperlihatkan perbedaan yang lebih mencolok bila dibandingkan dengan

indikator kesehatan masyarakat lainnya, termasuk angka kematian bayi

yang sering kali dianggap sebagai parameter tingkat kesejahteraan.

Perhatian terhadap peristiwa kehamilan dan persalinan dilakukan sejak dini

karena menyangkut kualitas sumber daya manusia. Berdasarkan data dari

WHO pada tahun 2000 untuk wilayah Asia, tingkat kematian ibu hamil

masih cukup tinggi, India berkisar 58%, China 21%, Bangladesh 7%,

Indonesia 4% dan negara lainnya 8% (Asmi Pratiwi, et al.2014). Seorang

wanita di negara berkembang rata-rata mempunyai resiko untuk meninggal

karena penyebab yang berhubungan dengan kehamilan antara 1:15

sampai 1:50, dibandingkan dengan wanita di negara maju yang berkisar

antara 1:4.000 sampai 1:10.000. Angka Kematian Ibu (AKI) di Indonesia

masih cukup tinggi sesuai hasil SKRT 1992 yaitu 421 per 100.000 kelahiran

hidup. Di Indonesia sendiri, mulai dari tahun 2002-2013, kematian ibu hamil

meningkat 24-26 per 1000 kehamilan dalam jangka waktu tertentu (7 bulan)

(Wirakusumah Firman, 2014).

2

Pemerintah dan masyarakat telah melaksanakan berbagai upaya

untuk pelayanan kesehatan terhadap ibu hamil dan bersalin sehingga

melahirkan bayi yang sehat. Pelayanan kesehatan ibu dan anak (KIA) yang

berkualitas mampu menurunkan angka kematian ibu dan bayi telah sejak

lama diupayakan pemerintah. Pengawasan antepartum maupun

intrapartum menentukan keadaan janin apakah dalam keadaan baik atau

tidak. Salah satunya adalah pemantuan citra janin. Metode pendeteksian

yang umum seperti X-Ray, CT-Scan, MRI, biopsy, dan tomography masih

memiliki beberapa kekurangan, antara lain biaya yang cukup mahal dan

fisik sangat besar yang hanya tersedia di rumah sakit tertentu dan cara

pendeteksiannya menimbulkan ketidaknyamanan bagi pasien. Ditambah

wilayah Indonesia yang terdiri dari banyak kepulauan dan masih banyak

daerah terpencil dan terisolir menjadi kendala tenaga medis dalam

memantau kesejahteraan kesehatan ibu dan janin.

Salah satu metode yang digunakan untuk mengatasi kekurangan

metode-metode sebelumnya yakni dengan menggunakan metode antena

dengan teknologi Ultra Wide-Band (UWB). Studi intensif mengenai

pengembangan sistem pemantauan kesehatan dengan media

ultrawideband (UWB) yang diterapkan secara khusus diagnosa dan

pengobatan untuk perawatan ibu dan janin telah memberikan sumbangsih

positif sejak beberapa tahun terakhir (Joe Paul Tupin Jr.2010). Teknologi

ultrawideband ini menawarkan solusi untuk bandwidth, harga produksi,

konsumsi daya, dan kebutuhan fisik yang relative kecil pada perangkat-

3

perangkat komunikasi yang digunakannya (D’Amico S, et al. 2010)(Amnoiy

Reungwaree.2007). Kelebihan-kelebihan ini sangat berguna untuk

diterapkan pada alat pendeteksi (sensor). Dengan penggunaan frekuensi

tinggi dapat memperoleh pemetaan gambar scanning dengan resolusi yang

lebih baik (Senglee Foo, et al.2004). Metode pendeteksian fetal dengan

menggunakan antenna UWB sendiri telah banyak dikembangkan dan terus

berevolusi sehingga nantinya dapat menghasilkan prototype perangkat

pemonitoring dan pendeteksi fetal yang lebih ringan, berukuran kecil,

murah, dan mobilitas penggunaan yang tinggi, sehingga nantinya

memudahkan ibu hamil memonitor perkembangan bayi dalam

kandungannya dimanapun dan kapanpun.

B. Rumusan Masalah

Permasalahan yang dijadikan sebagai focus studi dalam penelitian

mencakup beberapa hal sebagai berikut :

1. Bagaimana mendesain antena yang bekerja pada standar

ultrawideband.

2. Bagaimana mengetahui kinerja antena UWB sebagai transducer

scan object.

3. Bagaimana mengevaluasi unjuk kerja dari microstrip antenna

sebagai transducer scan object.

4

C. Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari pengerjaan tugas akhir ini adalah :

1. Dapat merancang sistem komunikasi antena terutama pada kinerja

penggunaan sinyal ultrawideband dengan memperhatikan syarat

kelayakan antena.

2. Mensimulasikan kinerja transducer antenna tranceiver UWB yang

memenuhi kinerja yang digunakan sebagai pemancar dan penerima

scanning pada objek yang diamati.

3. Mengevaluasi unjuk kerja dari microstrip antenna sebagai antenna

sensor material. Unjuk kerja ini berupa resolusi dari image hasil

scanning pada objek yang diamati.

D. Manfaat Penelitian

Penelitian ini diharapkan dapat memberi manfaat agar memudahkan

ibu hamil memonitor pertumbuhan janin (fetal growth) dalam kandungan

dimanapun dan kapanpun. Sebagai langkah awal tentunya perangkat ini

diharapkan memiliki sistem yang sederhana dan harga yang relatif murah.

E. Batasan Masalah

Adapun batasan masalah dari tugas akhir ini adalah :

1. Menentukan spesifikasi dimensi antena yang sesuai untuk frekuensi

UWB dan membuat desain antena mikrostrip menggunakan

software Ansoft High Frequency Structural Simulator (HFSS) v.13

dengan memperhatikan beberapa parameter seperti koefisien

5

refleksi (S11), Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), bandwidth dan

pola radiasi.

2. Mengimplementasikan desain antena ke dalam bentuk prototipe dan

menilai unjuk kerja antena melalui beberapa parameter seperti

koefisien refleksi (S11), Voltage Standing Wave Ratio (VSWR),

bandwidth dan pola radiasi.

3. Melakukan simulasi dari desain antena dan phantom untuk

mendapatkan data yang dibutuhkan.

4. Pengaruh efek doppler dari antena dan phantom diabaikan karena

proses pengambilan data diambil pada saat benda dan antena dalam

kondisi diam dan pada jarak yang selalu sama.

5. Pada pengukuran alat dengan menggunakan Vector Network

Analyzer di laboratorium kategori non anechoic chamber.

F. Metode Penelitian

Metodelogi yang digunakan dalam penyusunan tugas akhir ini adalah

sebagai berikut :

1. Studi literatur diawali dengan mencari bahan-bahan mengenai

sistem ultra wide band secara umum. Dilanjutkan dengan

pendalaman spesifikasi antenna ultra wide band pada Synthetic

Aperture Radar (SAR).

2. Perancangan antenna sebagai transmiter dan receiver pada sistem

SAR yang digunakan. Perancangan dilakukan dengan

menggunakan Software HFSS v.13.

6

3. Simulasi antena sebagai transmiter dan receiver pada SAR dengan

menggunakan Scanning pada objek. Pengukuran reflected signal

pada objek dilakukan dengan menggunakan alat Vector Network

Analyzer (VNA).

4. Melakukan pengumpulan data hasil scanning dan mengolah data

untuk menghasilkan bentuk scan image. Pengolahan data dilakukan

dengan menggunakan Matlab 2016a.

5. Penyusunan laporan hasil penelitian..

6. Sidang Ujian Akhir.

G. Sistematika Penulisan Laporan

Laporan ini disusun dengan sistematika berikut :

Bab I Pendahuluan

Bab ini membahas mengenai latar belakang, perumusan

masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, tahapan penelitian

serta sistematika penyusunan laporan.

Bab II Tinjauan Pustaka

Bab ini berisi beberapa teori yang berguna dalam mendesain

susunan antena microstrip. Berisi tentang gambaran umum

mengenai karakteristik antena microstrip.

Bab III Metodelogi Penelitian

Bab ini akan membahas mengenai desain antena yang akan

direalisasikan beserta simulasinya. Nantinya akan diketahui

7

gambaran kinerja, fisik dan parameter-parameter yang

mempengaruhi untuk pembuatan antena.

Bab IV Hasil dan Pembahasan

Bab ini merupakan isi unjuk kerja dan evaluasi dari

transducer. Perbandingan antara antena simulasi dengan antena

prototipe terhadap parameter-parameter karaketristik antena.

Bab V Kesimpulan dan Saran

Bab ini berisi kesimpulan dari rangkaian hasil penelitian ini,

mulai dari desain, simulasi dan pengukuran. Selain itu, bab ini berisi

saran dan langkah perbaikan untuk penelitian selanjutnya.

8

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

A. Ultra Wide Band (UWB)

Komunikasi UWB merupakan sistem komunikasi nirkabel yang

beroperasi pada 3.1 GHz–10.6 GHz dengan lebar pita minimal 500 MHz

sesuai ketetapan dari U.S. Federal Communications Commission (FCC)

dan ITU-R (International Telecommunication Union - Radio communication

sector) (Tommy K. K. Tsang, et al. 2005)( Amnoiy Reungwaree. 2007).

Berdasarkan Defence Advanced Research Project Agency (DAPRA)

pengertian ultrawideband memerlukan interprestasi secara umum dan

pengertian matematika sehingga digunakan penjabaran secara matematika

(Sullivan Anders, et al. 2000).

Bandwidth (Bw) secara sederhana dapat diartikan sebagai selisih

dari frekuensi tertinggi (fH) dan frekuensi terendah (fL) dari band frekuensi

yang digunakan, atau dapat ditulis dengan persamaan.

𝐵𝑤 = 𝑓𝐻 − 𝑓𝐿 .................................(2.1)

Bandwidth dari sistem yang digunakan sering dideskripsikan secara

relative menunjukkan nilai frekuensi tengah fc (center frequency) dari

frekuensi UWB, yaitu :

𝑓𝐶 = 1

2 (𝑓𝐻 + 𝑓𝐿) .............................(2.2)

Atau sebagai defenisi alternative dari frekuensi tengah yang meliputi

keseluruhan geometri secara rata-rata.

9

𝑓𝐶 = √𝑓𝐻𝑓𝐿.....................................(2.3)

Persentase bandwith Bw dapat dihitung sebagai rasio dari bandwitdh

keseluruhan yang digunakan dengan frekuensi tengah.

𝑏𝑤 = 𝐵𝑤

𝑓𝐶 .........................................(2.4)

𝑏𝑤 = 2 (𝑓𝐻−𝑓𝐿)

(𝑓𝐻+𝑓𝐿) ................................(2.5)

Sehingga ultrawideband merepresentasikan persamaan sinyal

elektromagnetik dengan bw lebih besar dari 25% terhadap frekuensi

tengah. Sehingga terdapat dua klasifikasi kelas radar berdasarkan

persentase bandwitdh, yaitu : Narrowband, dimana persentase bandwidth

(bw) lebih kecil dari 1%, wideband dengan persentase bandwidth dari 1%

sampai 25%, sedangkan untuk ultrawideband memiliki persentase

bandwidth diatas 25%. Kebanyakan sistem yang digunakan untuk

membawa informasi saat ini masih merupakan sistem narrowband yang

juga disebut dengan sinyal baseband. Sebagai kombinasi digunakan

gabungan dari sinyal narrowband dan ultrawideband, dimana sinyal UWB

digunakan sebagai sinyal carrier, sinyal baseband digunakan sebagai

pembawa informasi.

Antena ultrawideband menghasilkan bandwidth yang sangat besar

dibandingkan dengan antena pada umumnya. Ada dua kriteria untuk

mengidentifikasi suatu antena apakah termasuk ke dalam antena

ultrawideband. Defenisi yang diberikan oleh DAPRA mengatakan bahwa

antena ultrawideband memiliki persentase bandwidth (bw) yang lebih besar

dari 0,25, dan alternatif lainnya, Federal Communications Commision (FCC)

10

dari USA mendefenisikan antena ultrawideband memiliki batas limit

persentase bandwidth sebesar 0,2 sehingga dapat ditulis sebagai berikut:

𝑏𝑤 = 2 (𝑓𝐻−𝑓𝐿)

(𝑓𝐻+𝑓𝐿)≥

0,25 𝐷𝐴𝑅𝑃𝐴0,20 𝐹𝐶𝐶

.......................(2.6)

Sebagai tambahan bahwa FCC mendefenisikan antena ultrawideband

adalah antena yang memiliki bandwidth lebih besar dari 500 MHz.

B. Antena

2.2.1. Antena Mikrostrip

Antena microstrip pertama kali dicetuskan oleh Deschamps pada

tahun 1953, namun baru pada tahun 1974 antena microstrip pertama kali

dibuat (Balanis,C.A, 2005). Antena microstrip memiliki beberapa

keuntungan, yaitu dimensi yang kecil, bobot yang ringan dan menggunakan

printed-circuit technology. Hal-hal tesebut membuatnya dapat didesain

dengan konfigurasi yang berbeda untuk berbagai macam aplikasi. Seiring

dengan meningkatnya kebutuhan akan komunikasi yang bersifat mobile,

kebutuhan akan antena yang kecil dan kompak membuat penggunaan

antena microstrip menjadi semakin luas.

Antena microstrip memiliki bentuk dasar yang terdiri dari elemen

konduktor peradiasi (patch) yang dicetak pada salah satu sisi substract dan

bagian pentanahan (ground plane) pada sisi lainnya. Elemen peradiasi

dapat dieksitasi dengan beberapa teknik pencatuan seperti : saluran

microstrip (strip line), saluran transmisi probe koaksial atau kopling

elektromagnetik (Samaras T. 2000).

11

(a) tampak atas (b) tampak samping

Gambar 2.1. Struktur dasar antena Mikrostrip.

Pada antena microstrip ini patch biasanya dapat digunakan dengan

banyak pola sesuai dengan radiasi yang diinginkan. Ada beberapa bentuk

pola patch yang umum digunakan seperti pola rectangular, circular,

elliptical, elips, maupun bentuk lain.

Gambar 2.2. Beberapa model patch untuk antena Microstrip.

Patch berfungsi sebagai elemen peradiasi yang memancarkan

energi gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik yang

berasal dari titik catu akan melewati saluran transmisi, kemudian

gelombang tersebut disebarkan ke seluruh patch. Saat gelombang tersebut

mencapai tepian patch, sebagian gelombang akan dipantulkan dan

sebagian lagi dipancarkan. Ground plane berfungsi sebagai reflector

gelombang tersebut. Patch dan ground plane merupakan bahan peradiasi

yang baik seperti tembaga. Substract merupakan bahan dielektrik yang

12

diapit oleh patch dan ground plane. Pemilihan substract sangat

mempengaruhi karakteristik antena yang dihasilkan. Oleh karena itu, perlu

dilakukan penyesuaian bahan substract terhadap kebutuhan antena yang

diinginkan.

Unjuk kerja dari sebuah Antena Microstrip ditentukan oleh ukuran

patch dan tebal dielektrik. Ukuran dari dielektrik sangat kecil sebanding

dengan panjang gelombang. Oleh karena itu, patch antena ditujukan untuk

dua hal, yaitu untuk distribusi arus dan tegangan pada patch, serta

kemampuan meradiasikan gelombang elektromagnetik. Apabila panjang

Antena Microstrip sebesar setengah panjang gelombang dari bahan,

diasumsikan medan listrik pada sisi input sepanjang W positif mengarah

dari groundplane ke conductor, maka pada sisi ujung yang lain medan listrik

akan mengarah sebaliknya, yaitu dari conductor ke ground plane. Sehingga

kedua komponen vertikal dari kedua medan listrik akan saling

menghilangkan, sedangkan komponen horisontal akan berubah secara

kontinyu setelah melewati conductor sepanjang L dan ini akan dirasakan

sebagai radiasi di medan jauh. Medan listrik yang menyebar dari kedua sisi

Antena Microstrip ke udara bebas disebut sebagai medan limpahan.

Panjang Antena Microstrip L harus disesuaikan, karena apabila

terlalu pendek maka lebar pita akan sempit sedangkan apabila terlalu

panjang lebar pita akan menjadi lebih lebar tetapi efisiensi radiasi akan

menjadi kecil. Dengan mengatur lebar dari Antena Microstrip W, impedansi

input juga akan berubah. Semakin lebar W, impedansi input

13

berkurang.Dalam prakteknya, ukuran dari ground plane terbatas (finite

ground plane). Ukuran dari ground plane ini dibatasi untuk mengurangi

kompleksitas dalam proses komputasi numeriknya (Balanis C.A, 2005).

Dengan mengatur lebar dari Antena Microstrip (W) impedansi input

juga akan berubah. Persamaan matematis yang digunakan untuk

menentukan dimensi antena tersebut adalah sebagai berikut :

𝑎 =F

{1+2ℎ

𝜋𝜀𝑟𝐹 [𝑙𝑛 (

𝜋𝐹

2ℎ) +1.7726]}

12

......................................... (1)

dimana, a = luas dimensi patch

F = frekuensi resonansi (Hz)

εr = permitivitas relatif

h = tinggi substrat (mm)

Antena microstrip mempunyai kelebihan dan kekurangan dibanding

antena microwave konvensional. Berikut beberapa kelebihan dan

kekurangan antena microstrip, yaitu :

Kelebihan

Antena microstrip memiliki bentuk fisik yang kecil dan ringan,

sehingga sangat memungkinkan untuk dibuat secara embedded ke

dalam peralatan-peralatan microwave.

Dapat diproduksi secara massal karena menggunakan printed

circuit, sehingga lebih mudah dalam perancangan dan pemodelan.

Dapat beroperasi lebih dari satu frekuensi.

14

Kekurangan

Antena microstrip biasanya memiliki gain yang lebih kecil dibanding

dengan antena microwave lainnya. Kemungkinan untuk mendapat

gain besar dapat dilakukan dengan menggunakan antena microstrip

susunan.

Biasanya antena microstrip hanya dapat menerima daya masukan

yang terbatas.

Dalam mendesain antana microstrip terdapat beberapa parameter

yang satu sama lain saling mempengaruhi yang akan berdampak pada

kinerja antena. Sebagai contoh, patch antena yang memiliki substract yang

cukup tebal, akan memiliki efesiensi yang baik dan bandwidth yang cukup

lebar, namun akan memperbesar bobot dan dimensi antena yang

berdampak pada proses pembuatan dan biaya. Dengan kata lain ada trade

off antara parameter, menaikkan nilai salah satu parameter akan

mengorbankan parameter yang lainnya.

2.2.2. Pencatuan pada antena microstrip

Salah satu parameter yang penting dalam mendesain antena

microstrip adalah pada pencatuan antena sehingga dapat diberi feed pada

kabel yang digunakan sebagai pencatu. Teknik-teknik pencatuan yang

digunakan pada microstrip biasanya dibagi dalam dua bagian yaitu

pencatuan secara langsung dan tidak langsung. Pencatuan secara

langsung yaitu pencatuan dimana kabel pencatu sebagai supply daya RF

15

dicatukan dengan metode kontak langsung terhadap patch microstrip baik

melalui probe coaxial maupun dengan metode microstrip line. Sedangkan

pada pencatuan tidak langsung sendiri adalah pencatuan antena microstrip

dimana daya yang dicatukan pada antena tidak melalui kontak langsung

melainkan transfer daya melalui kopling elektromagnetik atau aperture

coupling atau disebut coplanar waveguide.

Teknik pencatuan merupakan hal yang sangat penting dalam

mendesain antena microstrip agar diperoleh nilai ipedasi intrinstik dari

antena yang match dengan impedansi pencatu. Hal ini diperlukan untuk

memperoleh transfer daya yang maksimal daya pencatu terhadap antena

yang dapat dilihat dari besarnya VSWR dari antena (Samaras T.2000).

Teknik-teknik pencatuan tersebut adalah :

1. Pencatuan saluran microstrip

Pada teknik ini patch dicatu dengan saluran transmisi yang dapat di

etching pada permukaan substract yang sama, jadi strukturnya tetap

planar. Teknik pencatuan ini mudah dibuat serta lebih sederhana

penyesuaian impedansi. Namun, terdapat rugi-rugi dielektrik yang

timul akibat adanya saluran transmisi pada substract.

Gambar 2.3. Struktur Microstrip Line.

16

Gambar 2.4. Struktur Microstrip Line tampak samping.

2. Pencatuan Probe Coaxial

Teknik ini paling banyak digunakan ada antena microstip karena

pencatuan ini mempunyai kelebihan yaitu daoat ditempatkan di

lokasi manapun pada patcj untuk mendapatkan nilai impedansi yang

sesuai dengan impedansi input. Konduktur bagian dalam konektor

coaxial dilewatkan melalui substract dan disolder pada patch,

sedangkan konduktor bagian luar dihubungkan pada ground plane.

Namun ada kekurangannya, utnuk menempatkannya diperlukan

membuat lobang pada substract. Sehingga pencatuan seperti ini

membuat dimensi antena tidak planar dan membuat konfigurasi

antena tidak simetris.

Gambar 2.5. Struktur coaxial probe feeding.

17

3. Pencatuan Kopling Medan Dekat

Pada teknik ini saluran transmisi terletak diantara patch dan ground

plane yang dipisahkan oleh dua medium dielektrik. Patch yang

berada di bagian paling atas dicatu dengan kopling medan dekat dari

saluran pencatu tersebut. Kelebihan teknik ini adalah tidak adanya

radiasi yang timbul dari feeding network. Teknik ini juga dapat

meningkatkan bandwidth seiring dengan meningkatnya tebal

substract dielektrik antena microstrip secara keseluruhan. Namun

teknik pencatuan ini sulit untuk dibuat karena perlu penyesuaian

antara dua lapisan dielektrik.

Gambar 2.6. Struktur proximity coupling feed.

4. Pencatuan Kopling aperture

Pada teknik ini patch dan saluran pencatuan dipisahkan oleh ground

plane. Kopling antara patch dan saluran pencatu dibuat melalui slot

atau aperture pada ground plane. Kopling aperture biasanya di

tengah, dibawah patch agar polarisasi silang lebih rendah karena

bentuknya simetris. Seperti pada teknik kopling medan dekat, dua

dielektrik dapat dipilih untuk meningkatkan performansi. Teknik ini

18

paling sulit direalisasikan di antara teknik yang lain karena

banyaknya lapisan (layer).

Gambar 2.7. Struktur aperture coupling feed.

2.2.3. Parameter-Parameter Antena

Untuk menggambarkan unjuk kerja suatu antena, sangat penting

untuk memahami parameter-parameter antena. Beberapa parameter saling

berhubungan dan tidak semua perlu ditentukan untuk gambaran

keseluruhan dari kinerja antena. Jenis parameter-parameter antena

menurut IEEE Standard Definition of Terms for Antennas, yaitu koefisien

refleksi (S11), Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), lebar pita (bandwidth),

pola radiasi, penguatan (gain) dan impedansi input (Balanis C.A, 2005).

a. Parameter S / Koefisien Refleksi (S11)

Suatu rangkaian dapat berisikan berbagai komponen elektronika

seperti resistor, kapasitor, induktor dan transistor. Untuk mendefinisikan

parameter S, perlu ditekankan bahwa keseluruhan jaringan berlaku linier

dengan input sinyal kecil. Hal ini berlaku untuk komponen-komponen dalam

19

sistem telekomunikasi seperti attenuator, filter, coupler dan equalizer

dengan syarat beroperasi dalam kondisi linier.

Pada frekuensi rendah, parameter yang umum dipakai adalah

parameter Y atau Z dengan menggunakan nilai-nilai arus dan tegangan

yang diukur pada beban terbuka (open circuit) atau hubungan singkat (short

circuit). Pada frekuensi tinggi, parameter tersebut (Y, H, dan Z) sangat sulit

diukur karena penggunaan beban terbuka/hubung singkat dapat

menyebabkan komponen aktif yang digunakan menjadi tidak stabil

(berosilasi). Selain itu, sulit memperoleh beban terbuka/hubung singkat

dengan bidang frekuensi yang lebar pada frekuensi tinggi. Untuk itu, pada

frekuensi tinggi parameter yang diukur adalah parameter S (scattering)

yang menggunakan konsep magnituda dan fasa dari gelombang berjalan

(gelombang maju dan gelombang pantul). Parameter S adalah suatu

konsep yang penting dalam desain gelombang mikro karena mudah diukur

dan bekerja dengan baik pada frekuensi tinggi. Keuntungan pemakaian

parameter S berangkat dari kenyataan bahwa gelombang berjalan tidak

seperti tegangan dan arus, tidak mengalami variasi magnituda di sepanjang

saluran transmisi lossless. Ini berarti bahwa parameter S bisa diukur pada

suatu jarak tertentu dengan asumsi saluran transmisi mempunyai rugi-rugi

yang kecil (Balanis C.A.2005). Parameter S dalam jaringan 2 port (4 kutub)

dapat dilihat pada Gambar 2.1.

20

Gambar 2.8. Parameter S dalam jaringan empat kutub

di mana a1 adalah arus total dari sumber arus AC

a2 adalah arus yang telah melewati beban

b1 adalah arus yang kembali ke sumber arus AC

b2 adalah arus yang menuju ke beban

Koefisien pantul tegangan pada port input Γin ekivalen dengan S11.

VSWR pada suatu port berkaitan dengan magnituda dari koefisien pantul,

dengan hubungan :

Γin = 1 + |S11|

1 − |S11| ……………………………….………… (2.7)

Koefisien refleksi S11 bisa diplot dalam smith chart, dikonversi ke

impedansi dan dengan mudah bisa dimanipulasi untuk menentukan

rangkaian penyesuai impedansi untuk optimasi dalam desain rangkaian

Nilai VSWR memiliki korelasi dengan nilai koefisien refleksi (S11).

Untuk melihat hubungan tersebut dapat diperhatikan persamaan berikut :

𝑆11 = 20 log [|1−VSWR|

|1+VSWR|] ……………………………….…… (2.8)

b. Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)

Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) merupakan kemampuan

suatu antena untuk bekerja pada frekuensi yang diinginkan. Ketika suatu

saluran transmisi diakhiri dengan impedansi yang tidak sesuai dengan

21

karakteristik saluran transmisi, maka tidak semua daya diserap di ujung.

Sebagian daya direfleksikan kembali ke saluran transmisi. Sinyal yang

masuk bercampur dengan sinyal yang dipantulkan yang menyebabkan

suatu gelombang tegak tegangan mempola di saluran transmisi.

Perbandingan tegangan maksimum terhadap tegangan minimum disebut

Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) (Balanis C.A, 2005).

Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 (S=1) yang

berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna.

Namun kondisi ini pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Oleh karena itu

nilai standar VSWR yang diijinkan untuk fabrikasi antena adalah

VSWR ≤ 2. Praktiknya suatu VSWR 1 : 1 adalah yang terbaik. Pada VSWR

2.0, kira-kira 10% dari daya dipantulkan kembali ke sumber. Tingginya

VSWR tidak hanya berarti daya terbuang, tetapi juga daya yang dipantulkan

akan menyebabkan kabel panas. Untuk dapat beroperasi efisien, pada

antena perpindahan maksimum daya harus berlangsung antara pemancar

dan antena. Daya maksimum yang ditransferkan dicapai ketika impedansi

input antena Zin cocok dengan impedansi antenna pemancar, sebagaimana

rumusnya :

𝑍𝑖𝑛 = 𝑍𝑠 …………………………………….………… (2.9)

Jika kondisi ini tidak terjadi, maka akan menyebabkan suatu

gelombang berdiri atau VSWR. VSWR pada dasarnya adalah ukuran tidak

sepadannya impedansi antara pemancar dan antena. VSWR yang besar

22

berarti besar pula ketidaksepadanannya. Secara matematis VSWR

dinyatakan sebagai :

𝑉𝑆𝑊𝑅 =1+|Γ|

1− |Γ| ……………………………….………… (2.10)

Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan

tegangan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi

tegangan (Γ) (Balanis C.A.2005) :

Γ =𝑉𝑟

𝑉𝑡 =

𝑍𝑖𝑛 − 𝑍𝑠

𝑍𝑖𝑛+ 𝑍𝑠 ……………………………….……… (2.11)

dimana : Г = koefisien refleksi

Vr = amplituda gelombang yang dipantulkan

Vt = amplituda gelombang masuk

Zin = impedansi antena input

Zs = impedansi antena pemancar

Koefisien refleksi tegangan (Γ) memiliki nilai kompleks, yang

merepresentasikan besarnya magnituda dan fasa dari refleksi. Untuk

beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari Γ adalah nol,

maka (Balanis C.A.2005):

Γ = −1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung

singkat,

Γ = 0 : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan match

sempurna,

Γ = +1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam

rangkaian terbuka.

23

Semakin besar nilai VSWR menunjukkan daya yang dipantulkan juga

semakin besar dan semakin tidak match.

c. Pola Radiasi

Pola radiasi atau pola antena didefinisikan sebagai fungsi matematika atau

representasi grafis dari sifat radiasi antena sebagai fungsi dari koordinat

ruang. Sering kali, pola radiasi ditentukan pada daerah far field dan

direpresentasikan sebagai fungsi dari koordinat arah.

Gambar 2.9. Polar plot dari pola radiasi.

Berbagai bagian dari radiasi disebut sebagai lobe, yang dibagi

menjadi major atau main lobe, minor lobe, side lobe dan back lobe. Lobe

adalah bagian dari pola radiasi yang dibatasi oleh daerah dari intensitas

radiasi yang relatif lemah. Gambar 2.2 menunjukkan pola 3D polar yang

24

simetris dengan sejumlah lobe. Beberapa intensitas radiasinya lebih besar

dari yang lain, tapi semua disebut sebagai lobe.

Major lobe (disebut juga main beam) didefinisikan sebagai lobe yang

mengandung arah dari radiasi maksimum. Minor lobe adalah lobe apa saja

selain major lobe. Side lobe adalah lobe pada beberapa arah selain lobe

yang diinginkan. Back lobe adalah lobe yang sumbunya terletak kira – kira

180° dari beam antena. Parameter antena ini biasanya berhubungan

dengan minor lobe yang menempati bagian dari arah yang berlawanan dari

major lobe. Minor lobe biasanya menggambarkan radiasi pada arah yang

tidak diinginkan dan seharusnya bentuknya kecil. Side lobe biasanya minor

lobe yang terbesar.

Gambar 2.10. Pola radiasi pada koordinat polar.

Half Power Beam Width (HPBW) adalah lebar sudut yang

memisahkan dua titik setengah daya pada pancaran utama dari pola

25

radiasi. HPBW dapat dihitung dengan mencari titik -3 dB dari nilai

maksimum pola radiasi tersebut.

d. Penguatan (Gain)

Penguatan antena didefinisikan sebagai perbandingan intensitas

pada arah tertentu terhadap intensitas radiasi yang akan dihasilkan jika

daya yang diterima oleh antena yang diradiasikan secara isotropik (Balanis

C.A.2005). Untuk menghitung besarnya penguatan (gain) suatu antena (Gt)

yang dibandingkan dengan antena standar (Gs), dapat dinyatakan secara

numerik yaitu berupa perbandingan daya antena yang diukur (Pt) dengan

daya antena isotropik (Ps) seperti Persamaan 2.6 :

𝐺𝑡 = 𝑃𝑡

𝑃𝑠 𝑥 𝐺𝑠…………………………………….………… (2.12)

dan dapat pula dinyatakan dengan dB sebagai berikut :

Gt (dB) = Pt (dBm) – Ps (dBm) + Gs (dB)………………… (2.13)

e. Lebar Pita (Bandwidth)

Lebar pita dari suatu antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi

dari kinerja suatu antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik

yang sesuai dengan standar yang ditentukan. Pada rentang frekuensi

tersebut, antena diusahakan dapat bekerja dengan efektif agar dapat

menerima dan memancarkan gelombang elektromagnetik pada band

frekuensi tertentu. Distribusi arus dan impedansi dari antena pada range

frekuensi tersebut benar-benar belum mengalami perubahan yang berarti

sehingga masih sesuai dengan pola radiasi yang direncanakan dan VSWR

26

yang diijinkan. Secara umum, lebar pita (bandwidth) dapat ditentukan

berdasarkan Persamaan 2.8 :

𝐵𝑊 = 𝑓𝐻 − 𝑓𝐿 …………………………………….…………(2.14)

dengan: fH = frekuensi tertinggi dalam band (GHz)

fL = frekuensi terendah dalam band (GHz)

Bandwidth dapat pula dinyatakan dalam bentuk persen sebagai

berikut (Balanis C.A.2005):

𝐵𝑤 = 𝑓𝐻− 𝑓𝐿

𝑓𝐻 x 100 % ...................... (2.15)

Bandwidth dinyatakan oleh beberapa nilai karakteristik antena

seperti impedansi input, pola radiasi, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi

pancaran berada dalam level yang dapat diterima di sekitar pusat frekuensi.

f. Impedansi Input

Impedansi input adalah impedansi yang diukur pada gerbang (port)

RF terminal antena parameter ini merupakan perbandingan tegangan dan

arus pada titik tersebut. Impedansi input selain ditentukan oleh letak titik

catu antena, juga dipengaruhi oleh antena lain atau benda-benda yang

berada di sekitar antena serta frekuensi kerjanya. Impedansi input antena

dinyatakan dalam bentuk kompleks yang memiliki bagian real dan bagian

imajiner. Bagian real merupakan resistansi masukan (Rin) yang menyatakan

daya yang diradiasikan oleh antena pada medan jauh. Sedangkan bagian

imajiner merupakan reaktansi masukan (Xin) yang menyatakan daya yang

27

tersimpan pada medan dekat antena. Impedansi input antena dapat

dihitung sebagai berikut :

𝑍𝑖𝑛 = 𝑅𝑖𝑛 + 𝑗 𝑋𝑖𝑛 …………………………………….…… (2.16)

C. Teknik Imaging

Image yang diperoleh pada proses pengolahan data nantinya adalah

merupakan representasi dari bentuk ataupun ukuran-ukuran dari benda

yang diamati. Ada beberapa macam teknik untuk memperoleh image dari

hasil scanning antenna yang biasanya dikategorikan ke dalam dua bagian

besar yaitu : passive dan active imaging. Secara umum passive imaging

menggunakan transmisi dari sinyal yang diterima berinteraksi terhadap

target (Sullivan Anders, et al. 2000)

Pada passive imaging, image dibuat dari emisi natural atau emisi

yang diperoleh langsung dari objek yang diamati. Intensitas dari kumpulan

sinyal yang diterima bergantung dari kemampuan receiver (antenna) yang

digunakan dalam scanning. Sebagai contoh sederhana dari passive

scanning adalah kamera. Image yang diperoleh dari kamera merupakan

kumpulan dari penyinaran cahaya yang dipantulkan oleh objek dan

ditangkap melalui aperture lensa kamera. Sebagai contoh yang lain adalah

pada bagaimana manusia melihat objek. Dari contoh diatas diperoleh

bahwa passive imaging tidak memerlukan adanya transmitter, yang

tergambar pada Gambar 2.11.

28

Gambar 2.11. Passive Imaging.

Sedangkan untuk active imaging sendiri memerlukan adanya

transmiter dan receiver dalam mengolah dan memperoleh image. Image

informasi diperoleh dari perhitungan dari magnitude dan fasa yang berbeda-

beda dari sinyal yang ditransmisikan dan sinyal yang diterima. Radar yang

digunakan sebagai Radio Detecting and Ranging, adalah tipikal dari active

scanning. Elektromagnetik yang ditransmisikan ke arah target yang akan

diamati dan komposisi dan karakteristik dari benda yang diamati akan

menentukan karakteristik dari sinyal pantulan (reflected signal) dari objek

yang diamati. Dalam hal ini maka image sendiri akan dibentuk dari sinyal

yang dipantulkan tersebut yang disebut sebagai scatterers and radar

imaging. Adapun contoh active imaging dapat dilihat pada Gambar 2.12.

Gambar 2.12. Active Imaging.

Ada banyak teknik yang dapat digunakan dalam radar imaging.

Beberapa dari teknik yang umum digunakan yaitu Synthetic Aperture Radar

Transmitter and Receiver Target

Passive Receiver Target

29

(SAR), Inverse SAR (ISAR), dan Holography Imaging (Sullivan Anders, et

al. 2000).

Setiap parameter scatter pada target akan diolah dengan

menggunakan sinyal dengan bandwidth yang lenar, dan cross-range

(reflectivity range) yang discan oleh beam antena pada permukaan dari

objek yang diamati untuk memperoleh hasil synthetic aperture, kemudian

dari sinyal yang kembali ke antena receiver dioleh untuk memperoleh data

image. Penggunaan dari ultrawideband sendiri untuk memperoleh resolusi

radar imaging yang tinggi. Metodelogi yang biasa digunakan yaitu Stepped-

Frequency Continuous Waveform (SFCW), Pulse waveform, dan FMCW

signal. Pada percobaan ini sendiri digunakan dengan menggunakan

metode Stepped-Frequency Continuous Waveform SFCW.

2.3.1 Elektromagnetik Imaging

Gelombang elektromagnetik terdiri dari medan elektromagnetik dan

medan magnet yang dapat diperoleh dari persamaan Maxwell Equation.

Secara umum teknik imaging pada radar menggunakan energi

elektromagnetik untuk menghasilkan image yang kemudian disebut

electromagnetic imaging techniques. Beberapa dari metode yang banyak

digunakan pada teknik imaging pada radar yaitu :

2.3.1.1 Synthetic Aperture Radar (SAR)

Synthetic Aperture Radar (SAR) adalah salah satu metode target-

imaging radar yang sangat populer saat ini. Teknik ini biasanya banyak

digunakan pada aplikasi aeorespace dan military yang dapat digunakan

30

pada pendeteksian benda-benda di dalam tanah. Pada dasarnya

dibutuhkan pada real aperture antenna dengan bentuk yang extraordinarity

long untuk dapat memetakan langsung high resolution imaging jika

mengacu pada bentuk antena yang sesungguhnya. Maka dari itu

dikembangkan teknik SAR yang dilakukan dengan pengukuran RF dengan

mengubah-ubah range dari radar yang bergerak dengan benda yang

diamati diam.

Berdasarkan dari pergerakan radar antena pada satu sisi target yang

diamati seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.13.

Gambar 2.13. Geometri dari SAR Imaging.

Pada teknik SAR radar akan bergerak sepanjang arah yang

diindikasikan dengan delta yang menandakan increment distance. Proses

transmit, receive, dan store operation harus telah dilakukan sebelum radar

bergerak pada posisi berikutnya. Data-data yang telah disimpan ini nantinya

akan diolah dan kemudian digabungkan secara koheren yang menujukkan

sinyal yang diterima pada physical aperture antenna akan sama dangan

synthetic aperture. Hal ini mengindikasikan bahwa penggunaan physical

31

aperture yang besar dapat dihindari dengan menggunakan teknik SAR ini

dengan menggunakan sintesa dari eqivalent aperture yang dilakukan pada

transmitting and receiving yang berurutan pada setiap elemen atau posisi

radar antena (pada setiap titik-titik yang diamati). Image SAR dapat

diperoleh dengan melakukan processing dan sampling dari signal yang

diterima yaitu scattering signal yang diperoleh dari antena receiver.

Penggunaan dari SAR telah banyak diterapkan pada teknologi

aircraft dan Ground Penetrating Radar (GPR). Pada perkembangan

selanjutnya terdapat variasi dari teknik SAR yang disebut dengan Inverse

Synthetic Aperture Radar (ISAR) yang menggunakan teknik dimana target

yang diamati bergerak sedangkan antena transmitter dan receiver dalam

keadaan diam. Hal ini dilakukan untuk memperoleh radar cross-range

dengan resolusi yang lebih baik.

2.3.1.2 Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR)

Pada teknik Inverse Synthetic Aperture Radar ini sendiri objek target

yang diamati dalam keadaan bergerak, sehingga pada ISAR teknik

kebanyakan ditujukan pada pendeteksian benda-benda yang bergerak atau

pada penelitian pada laboratorium yang lebih memungkinkan benda

bergerak dibandingkan dengan antena yang bergerak.

Pada Gambar 2.15 berikut menunjukkan target yang berputar

(rotating) yang masih pada beam stationary yang diobservasi dari radar.

Sudut ⱷ adalah sudut rotasi yang dibuat oleh target terhadap sumbu yang

diamati. Sumbu y sendiri mewakili dari Line Of Sight (LOS) dari radar, dan

32

memiliki jarak yang konstan terhadap sumbu putar dalam arti benda tidak

bergrak secara transversal terhadap sumbu putar P. Jarak target yang

diamati radar pada objek yang diwakili dengan jarak r.

Gambar 2.14. ISAR Geometry.

2.3.1.3 Stepped Frequency Radar

Pada bagian ini akan menjelaskan tipe gelombang sinyal yang akan

diradiasikan dari antenna transmitter. Alat yang akan digunakan untuk

memperoleh dan menganalisa baik pada transmitter dan receiver untuk

target data yang dipantulkan kembali (reflectivity) adalah Vector Network

Analyzer (VNA). Vector Network Analyzer akan megeneralisasi sinyal radar

dengan menggunakan metode stepped frequency waveform (SFWF).

Pada pencitraan (imaging) dengan menggunakan ultrawideband

antenna, durasi pulsa yang sangat pendek akan menghasilkan resolusi

image yang baik. Akan tetapi, proses generalisasi pulsa, sinkronisasi dan

proses pengolahan sinyalnya membutuhkan peralatan yang lebih mahal

dan sangat kompleks. Oleh karena itu, dibuat alternetif sinyal ultrawideband

33

dengan metode stepped-frequency. Metode stepped frequency adalah

metode dengan menggunakan lebar bandwidth yang terbatas dengan pola

stepped frequency sebanyak K diskrit frekuensi sehingga bekerja pada

rentang ⱷstart sampai ⱷstop. Dan ditambahkan dengan zero padding pada

nilai rentang batas bawah untuk memenuhi proses FFT dan IFFT, atau

dapat diperlihatka pada Gambar 2.15.

Gambar 2.15. Stepped Frequency Radar.

Dengan

ⱷ𝐾 = ⱷ𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 − 𝑘 △ ⱷ

△ ⱷ = ⱷ𝑠𝑡𝑜𝑝 − ⱷ𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡

𝑘 − 1

Dengan k = 1,2,...,K-1

Pada stepped frequency radar (SFR), sinyal yang kecil yang

digabungkan dari sinyal yang ditransmisikan (SFWF) yang akan digunakan

sebagai referensi untuk menentukan beda fasa antara sinyal referensi dan

F(ⱷ)

ⱷstart ⱷstop t

F(ⱷ)

t ⱷstop ⱷstart

zeros

zeros zeros ⱷstart ⱷstop

-ⱷstart -ⱷstop

t

F(ⱷ)

Filling

Add Complex Conjugate

34

sinyal yang diterima pada antena penerima, cara kerja pada VNA tersebut

dapat diamati pada Gambar 2.16.

Gambar 2.16. Bistatic Stepped Frequency Radar.

Dengan stepped frequency radar tersebut kita dapat memperoleh

Stepped-frequency waveform (SFWF) yang merupakan komposisi secara

series dari stepped frequencies. Nilai awal dari frekuensi pada SFWF

disebut sebagai base frequency (fo) yang merupakan frekuensi terendah

yang ditransmisikan (start frequency). Frekuensi akan berubah secara step

dengan nilai increment yang konstan yang dinotasikan dengan △f.

Setiap sesi dari step-frequency berlangsung selama perioda T sekon,

kemudian setelah transmisi series dari n stepped-frequency tersebut akan

diulang kembali dimana nilai base frequency akan ditransmisikan kembali

dan dilakukan increment sampai kepada frekuensi tertinggi (fu). Bandwidth

dari SFWF ini dapat dihitung dari fu-fo = (n-1)△f. Satu buah n frekuensi series

mengacu kepada satu buah burst frekuensi yang ditransmisikan sepanjang

waktu t tertentu.

35

D. Fetal Monitoring

Salah satu upaya untuk menurunkan resiko kematian ibu dan janin

antara lain dengan melakukan pemantauan kesejahteraan janin dalam

rahim. Fetal monitoring adalah metode pemeriksaan kondisi bayi dalam

kandungan selama masa kehamilan untuk memastikan kondisi bayi dalam

keadaan normal dan sehat. Beberapa indikator dalam fetal monitoring

sendiri adalah temperatur, denyut jantung, massa, tekanan darah, respirasi,

pergerakan, dan pertumbuhan fetal (D’Amico S, et al. 2010)(Asmi Pratiwi,

et al. 2014)( Joe Paul Tupin Jr.2012). Salah satu metode dari fetal

monitoring adalah penggunaan teknologi ultrasonoghrapy (USG). Citra

yang dihasilkan dari USG adalah memanfaatkan hasil pantulan (echo) dari

gelombang ultrasonik apabila ditransmisikan pada tissue atau organ

tertentu. Echo dari gelombang tersebut kemudian dideteksi dengan

transducer yang mengubah gelombang ultrasonic ke sinyal elektronik untuk

diolah dan direkonstruksi menjadi suatu citra. Kelebihan dari USG adalah

proses pemeriksaan yang cepat, biaya murah, availabilitas luas dapat

digunakan pada beberbagai kondisi pasien karena mudah dibawa ke sisi

tempat tidur pasien, dan tidak memberikan efek radiasi.

36

E. Pemodelan Tubuh Manusia

Tubuh manusia dapat dimodelkan pada struktur multi-layer dimana

tiap layer merepresentasikan bagian tertentu dengan karakteristik yang

berbeda untuk permitivitas (ɛr), konduktivitas (σ) dan permeabilitas (µr),

tiruan model tubuh manusia ini biasa disebut phantom (Chris A, et al. 2006).

Desain prototipe phantom yang digunakan terbuat dari bahan NaCl, agar

dan sukrosa berdasarkan pada takaran tertentu dari bahan-bahan tersebut

yang merepresentasikan model tubuh manusia.

F. Metode Pencitraan

Ada tiga prinsip dasar dari proses pencitraan (imaging) yang

diterapkan yakni mentransmisikan energi elektromagnetik pada objek yang

dituju, menerima refleksi dari objek dan memproses refleksi untuk

mendapatkan informasi (Amnoiy Reungwaree. 2007)( Senglee Foo, et

al.2004)( Sullivan Anders, et al.2000). Pada proses imaging, antena

mentransmisikan signal pada fetal kemudian sinyal refleksi (reflected

signal) dimanfaatkan untuk memperoleh data koefisien refleksi yang

selanjutnya data tersebut diolah untuk menghasilkan informasi berupa citra

berdasarkan perbedaan level koefisien refleksi tersebut.