## DESAIN DAN SIMULASI METAMATERIAL ABSORBER UNTUK APLIKASI RADAR CROSS SECTION REDUCTION
Heri Agus Susanto
Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh November (ITS) Surabaya Jl. Raya ITS, Keputih, Sukolilo, Kota Surabaya, Jawa Timur 60111, INDONESIA
E-mail : heriagus273@gmail.com

## ABSTRAK
Adanya  suatu  permasalahan  kendaraan  militer  pada  kapal  maritim  yang  mengalami pendeteksian dan penyerangan dari pesawat tempur karena kapal tersebut terdeteksi oleh adanya radar  dari  pesawat  tempur . Hal  ini  disebabkan  oleh  adanya  suatu  refleksi  gelombang elektromagnetik  yang  mengenai  konduktor  kapal  ketika  melakukan  tracking  radar  oleh  pesawat. Untuk  mengatasi  masalah  tersebut  dapat  dilakukan  dengan  cara  mengelabuhi  pendeteksian  oleh radar pesawat tempur agar tidak dapat melakukan penyerangan ke kapal yaitu menggunakan Radar Absorbing  Material  (RAM)  berupa  metamaterial  absorber  yang  diimplementasikan  dengan  cara melapisi bagian dari body kapal tersebut dengan metamaterial absorber
Metamaterial absorber didesain menggunakan perancangan optimum berdasarkan spesifikasi yang telah ditetapkan dan dilakukan simulasi antena dengan  menggunakan software CST Microwave Studio  2012.  Hasil  simulasi  metamaterial  absorber  menunjukkan  bahwa  metamaterial  absorber menghasilkan tiga band (triple band) dari peak S11, dimana band 1 mempunyai  nilai S11-parameter -15.547 dB pada frekuensi  8.336 GHz, sehingga menghasilkan nilai absorption rate sebesar  99.92 %. Pada  band  2  frekuensi  11.008  GHz  mempunyai  nilai  S11  sebesar  -13.278  dB,  oleh  karena  itu menghasilkan nilai absorption rate sebesar  99.78 % dan band 3 dalam frekuensi GHz menghasilkan nilai S11-parameter -8.58 dB pada frekuensi 11.664 GHz, sehingga menghasilkan nilai absorption rate sebesar 98.07 %. Dari hasil simulasi tersebut dapat dikatakan pada tiga band (triple band) dari peak frekuensi mempunyai performansi absorpsi yang baik karena nilai absorption rate lebih besar dari 80 %.
Kata-kata kunci: Metamaterial Absorber; Radar Absorbing Materials (RAM); triple band

## 1. PENDAHULUAN
Adanya  suatu  permasalahan  kendaraan militer  pada  kapal  maritim  yang  mengalami pendeteksian  dan  penyerangan  dari  pesawat tempur karena kapal  tersebut  terdeteksi  oleh adanya  radar  dari  pesawat  tempur . Hal  ini disebabkan  oleh  adanya  suatu  refleksi gelombang  elektromagnetik  yang  mengenai konduktor  kapal  ketika  melakukan  tracking radar  oleh  pesawat [1].  Untuk  mengatasi masalah tersebut dapat dilakukan dengan cara mengelabuhi pendeteksian oleh radar pesawat  tempur  agar  tidak  dapat  melakukan penyerangan ke kapal yaitu menggunakan
Radar  Absorbing  Material  (RAM)  berupa metamaterial absorber yang di
implementasikan  dengan  cara  melapisi bagian  dari  body  kapal  tersebut  dengan metamaterial absorber [2].
Metamaterial absorber tersebut merupakan suatu konstruksi buatan oleh atom yang  tersusun  dari  lapisan  multilayer,  yang mana top layer merupakan resonator metalik terpisah  dari  metalik  bawah  ground  plane oleh dielektrik interlayer [3]. Pada penelitian ini  metamaterial  absorber  menggunakan triple  band  denan  range  frekuensi  yang digunakan antara 8 GHz hingga 12 GHz. Hal ini  berdasarkan  range  frekuensi  band  radar
yang  digunakan  dalam  pengawasan  dan navigasi  kapal  maupun  pesawat  terbang  [6], dimana  tujuannya  untuk  meminimalkan pendeteksian kapal  dari  radar pesawat.  Oleh karena  itu,  metamaterial  absorber  dapat diimplementasikan  pada  body  kapal  sebagai peredam kapal agar tidak terdeteksi lokasinya ketika  pesawat  melakukan  tracking  radar, sehingga kapal  terlindungi  dari penyerangan oleh suatu pesawat.

## 2. DASAR TEORI
Metamaterial merupakan material struktural  buatan  yang terdiri  dari metal  dan dielektrik  yang  diatur  sedemikian  periodik. Dimana, diperlihatkan property yang disesuaikan seperti permitivitas dan permeabilitas. Metamaterial telah ditemukan banyak aplikasinya seperti invisibility cloak, sub-wavelength  imaging,  perfect  lens,  dan perfect absorber [8].
Kebanyakan  metamaterial  perfect absorber unit cell juga dipanggil sebagai tiga struktur  layer,  yang  mana  terdiri  dari  dua layer  metal,  satu  layer  ground  plane  dan bermacam-macam bentuk dari Elektrik Ring Resonator (ERR) yang terpisah dari dielektrik layer. ERR pada bagian atas dielektrik layer berpasangan dengan kuat untuk medan listrik yang seragam  dari  gelombang datang, tetapi lemah  pada  medan  magnet,  yang  mana penyediaan frekuensi tergantung pada respon elektrik ε(ω). Medan magnet dari gelombang datang  akan  menembus  ruang  diantara  ERR dan  bagian  belakang  metal  ground  plane, utamanya  frekuensi  yang  tergantung  pada respon  magnetik  µ(ω).  Salah  satu  dapat menyesuaikan  efektif  dari  ε(ω)  dan  µ(ω) melalui  penyesuaian  dimensi  dari  ERR, bagian belakang ground plane dan ruang gap diantara keduanya. Dengan demikian, realisasi  dari  matching  impedansi  terjadi sempurna  diantara  absorber  dan  free  space serta meminimalkan refleksi yang berdekatan dengan  nol.  Secara  simultan,  divariasikan bagian  imajiner  dari  permitivitas  material untuk  mencapai  loss  yang  besar  dan meminimalkan  transmisi  yang  dekat  dengan nol.  Hasil  absorbsi ) (  A dapat  dihitung dengan persamaan 1 [2] :
) ( ) ( 1 ) (    T R A    (1) ) (  A 2 2 21 11 1 S S    ) (  A 2 11 1 S   Dimana : ) (  R = koefisien  refleksi ) (  T = koefisien transmisi 11 S = magnitudo dari S11
21 S =  magnitudo  dari  S21  (nilainya  0
karena tidak ada daya yang tembus)
3. HASIL DAN DISKUSI
3.1 Perancangan Metamaterial Absorber
Desain  dari  metamaterial  absorber  ini disimulasikan pada software CST Microwave Studio 2012. Pada metamaterial absorber ini didesain dengan ukuran 8.1 mm x 8.1 mm x 0.8  mm,  dimana  digunakan  pada  frekuensi kerja  X-band.  Terdapat  beberapa  kriteria untuk  memenuhi  spesifikasi  dari  desain metamaterial  absorber  yaitu S11  ≤  -3.5  dB and  absorption  rate  ≥  80  %.  Bahan  yang digunakan  dalam  metamaterial  absorber menggunakan FR-4 dielektrik substrat (epoxy).  Pada    FR4  dielektrik  substrat mempunyai  epsilon  ε r =  4.6  dan  tangen  loss tan  δ  =  0.025. Metamaterial  Absorber menggunakan  prinsip  periodic  boundary condition, dimana diatur the x-y plane. Untuk spesifikasi  dari  perancangan  metamaterial absorber  seperti  ditunjukkan  pada  Tabel  1 berikut.
Tabel 1. Parameter Perancangan Absorber Parameter Spesifikasi Jenis band Triple Band Range Frekuensi X-Band (8-12 GHz) S11-parameter ≤ -3.5 dB S21-parameter 0 (linear) Absorption rate ≥ 80 %
Sedangkan, untuk spesifikasi bahan PCB dalam  simulasi  seperti  ditunjukkan  pada Tabel 2 berikut.

## Tabel 2. Spesifikasi PCB
Pada  Tabel  2  menunjukkan  bahwa permitivitas  bahan  sebesar  4.6  dan  tebal copper sebesar 0.035 mm. Hal ini dikarenakan  pada  perancangan  metamaterial absorber ini menyesuaikan pada ketersediaan pada pasar fabrikasi, dimana hanya ada nilai tersebut.  Sedangkan,  untuk  tebal  substrat menyesuaikan  dengan  desain  dan  simulasi unit  sel  yaitu  0.8  mm,  untuk  tebal  substrat yang ada dipasaran hanya terdapat  dua jenis yaitu 0.8 mm dan 1.6 mm.

## Untuk  bentuk  simulasi  Metamaterial
Absorber  tampak  depan  pada  software  CST Studio 2012 seperti ditunjukkan pada Gambar 1.  Terdapat  beberapa  variasi  bentuk  dan dimensi  yang  disesuaikan  pada  teknik  SRR (Split Ring Resonator).
Gambar 1 . Bentuk Simulasi Metamaterial Absober Tampak Depan

## 3.2 Hasil Simulasi Metamaterial Absorber
Dimensi  dari  masing-masing  ukuran adalah    p = 8.1 mm, a=7.5 mm, b=6.9 mm, c=6.3 mm, d=5.7 mm, g=0.3 mm,  r=2.75 mm, dan  s=2.45  mm.  Untuk  bahan  substrat  yang digunakan adalah FR-4 dengan nilai  r = 4.6, loss tangent = 0.025 dan tebal copper sebesar 0.8 mm.
Teknik  simulasi  metamaterial  absorber dengan  CST  Studio  2012  ini  menggunakan prinsip periodic boundary condition , dimana bagian atas dan bawah unit sel dengan bahan perfect electric conductor (Et=0), tetapi pada bagian  samping  kiri  dan  kanan  menyentuh bagian perfect magnetic  conductor (Ht=0), sedangkan  bagian  depan  dan  belakang dengan  posisi open karena  sebagai  arah datang  gelombang  dan  pemasangan  port. Hasil  simulasi  S11  pada  unit  sel  1    dengan CST  Studio  2012  menggunakan Time Domain  Solver (TDS)  dengan  rentang frekuensi  antara  7  GHz  hingga  15  GHz seperti ditunjukkan pada Gambar 2 berikut ini.
Gambar 2. Hasil S11-parameter
Pada  gambar  2  menunjukkan  hasil simulasi S11-parameter, dimana terdapat tiga peak  S11  yang  mempunyai  nilai  maksimum yaitu frekuensi 8.336 GHz, 11.008 GHz dan 11.664 GHz dengan nilai S11 masing-masing -15.547  dB,  -13.278  dB  dan  -8.5808  dB. Sedangkan, Hasil simulasi S21 pada unit sel 1  dengan CST Studio 2012 dengan  rentang frekuensi  antara  7  GHz  hingga  15  GHz seperti ditunjukkan pada Gambar 3 berikut ini.
Parameter Spesifikasi Permitivitas bahan (  r ) 4.6 Tebal substrat 0.8 mm
Tebal konduktor (copper) 0.035 mm
Frekuensi (GHz ) S 2 1 ( d B ) S 1 1 ( d B ) Frekuensi (GHz ) p a b c d r s
7 8 9 10 11 12 13 14 15 -20 0 20 40 60 80 100 Graph of Absorptivity Frequency(GHz) A b s o rp ti o n r a te (% )
Untuk  nilai absorption  rate dilakukan perhitungan dari hasil S11-parameter dengan menggunakan persamaan A=1-R(ω)-T(ω)=1- |S11| 2 -|S21| 2 .  Oleh  karena  nilai  S21  yang dihasilkan dari simulasi seperti pada gambar 3  sebesar  -200  dB  atau  nilai  magnitude bernilai  0.  Maka  persamaannya  menjadi A= 1-|S11| 2 , sehingga plot grafik absorption rate ditunjukkan pada Gambar 4 berikut ini.

## Gambar 4. Grafik absorption rate
Dari  grafik  absorpsi  pada  gambar  4 diatas, diketahui bahwa untuk batas minimum absorption  rate  sebesar  80  %  pada  band  1 terletak pada frekuensi 8.15 GHz hingga 8.6 GHz  dengan  bandwidth  sebesar  450  MHz, band  2  terletak  pada  frekuensi  10.816  GHz hingga  11.224  GHz  dengan  bandwidth sebesar  408  MHz  dan  band  3  terletak  pada frekuensi  11.464  GHz  hingga  11.832  GHz dengan  bandwidth  sebesar  368  MHz.  Untuk peak  absorption  terletak  pada  tiga  band frekuensi  yaitu  pada  frekuensi  8.336  GHz, 11.008  GHz,  dan  11.664  GHz  dengan absorption  rate  masing-masing  99.92  %, 99.78  %  dan  98.07  %,  sehingga  dari  hasil absorption  rate  telah  memenuhi  spesifikasi yang  ditentukan  karena  nilai  absorption  rate lebih besar dari 80 %.
Untuk  menentukan  nilai  radar  cross section dapat dilakukan simulasi dengan CST Microwave  Studio  2012,  dimana  diinputkan range sudut yang ingin ditentukan nilai RCS nya. Pada simulasi ini diinputkan range sudut
antara -50 o hingga 50 o . Satuan dari RCS pada simulasi CST yaitu linearsm diartikan sebagai linear square meter atau m 2 . Untuk nilai RCS hasil simulasi pada modifikasi unit sel terpilih seperti ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Grafik RCS Hasil Simulasi
Pada  gambar  5  menunjukkan  grafik hasil  simulasi  rcs  terhadap  sudut  (theta), dimana  dilakukan  perbandingan  antara  hasil simulasi RCS dengan metamaterial  absorber dan  RCS  tanpa  menggunakan  metamaterial absorber.  Pada  grafik  ditunjukkan  bahwa besar  nilai  RCS  dengan  metamaterial absorber  lebih  kecil  dibandingkan  dengan nilai  RCS  tanpa  menggunakan  metamaterial absorber.
Pada  gambar  5  menunjukkan  bahwa pada  sudut  0 o nilai  RCS  yang  dihasilkan ketika  menggunakan  metamaterial  absorber (MMA)  yaitu  1.3x10 -5 m 2 ,  Sedangkan  nilai RCS  yang  dihasilkan  tanpa  menggunakan metamaterial  absorber  pada  sudut  0 o yaitu 2.18x10 -5 m 2 .  Dari  nilai  RCS  pada  sudut  0 o menunjukkan bahwa nilai RCS menggunakan metamaterial  absorber  lebih  kecil  nilainya dibandingkan nilai RCS tanpa menggunakan metamaterial  absorber  dengan  persentase penurunan nilai RCS sebesar 59.78 %.
Dari hasil RCS tersebut dapat dikatakan bahwa metamaterial absorber dapat membuat radar cross section (RCS) berkurang nilainya dibandingkan  dengan  tanpa  menggunakan metamaterial absorber.
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 x 10 -5 Graph of RCS theta rc s ( m 2 )

## 4. KESIMPULAN
Metamaterial  absorber  yang  dirancang mampu  bekerja  dengan  baik  pada  range frekuensi  kerja  yang  ditentukan  yaitu  8.5 GHz  hingga  10.5  GHz  dengan peak  triple band.  Untuk  hasil  simulasi  metamaterial absorber  pada  parameter absorption  rate telah  memenuhi  spesifikasi  dengan  nilai minimum  dari  absorption  rate  sebesar  80  % dan  hasil  simulasi  pada  RCS  ketika menggunakan metamaterial absorber mempunyai nilai RCS lebih kecil dibandingkan  dengan  tanpa  menggunakan metamaterial absorber, sehingga
metamaterial  absorber  dapat  mengurangi nilai RCS.
5. Daftar Pustaka
[1] William L. Melvin and James A. Scheer, “Principles  of  Modern  Radar  Vol.  III: Radar Applications”, SciTech Publishing, 2014.
[2] S.Ramya  and  I.Srinivasa  Rao,  “  Dual Band Microwave Metamaterial Absorber Using Loop Resonator For Electromagnetic Interference Suppression”,  International  Journal  of Applied  Engineering  Research,  ISSN
0973-4562 Vol. 10 No.30, 2015.
[3] Longjiang Deng, “Broadband absorption in  mid-infrared  metamaterial  absorbers with  multiple  dielectric  layers”,  Optics Communications  338  (2015)  388–392, 2015.
[4] Kenyu Ling, Hyung Ki Kim, Minyeong Yoo  and  Sungjoon  Lim,  “Frequency- Switchable Metamaterial Absorber Injecting Eutectic Gallium-Indium (EGaIn)  Liquid  Metal  Alloy”, Sensors 2015, 15 , 28154-28165;
doi:10.3390/s151128154, 2015.
[5] Tao Liu, Xiangyu Cao, Jun Gao, Qiurong Zheng,  Wenqiang  Li,  and  Huanhuan Yang,  “RCS  Reduction  of  Waveguide
Slot Antenna With Metamaterial Absorber”, IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS  AND  PROPAGATION, VOL. 61, NO. 3, MARCH 2013. [6] William  M.  Daley,  Kathy  Smith  dkk “FEDERAL  RADAR  SPECTRUM REQUIREMENTS,“ U.S. DEPARTMENT OF COMMERCE National Telecommunications and Information Administration, 2000. [7] Arthur  von  Hippel  and    Paul  Dixon, “Theory and Application of RF/Microwave  Absorbers”,  Emerson  & Cuming Microwave Products, Inc [8] Claire  M.  Watts,  Xianliang  Liu,  and Willie J. Padilla, “Metamaterial Electromagnetic Wave Absorber”, Adv.
Mater, 24 2012. [9] Hewlett-Packard
Company, “S- Parameter  Techniques  for  Faster,  More Accurate  Network  Design”1997.  3000
Hanover  Street,  Palo  Alto  California, USA.
[10] Mark A. Richards, James A. Scheer and William A. Holm, “Principles of Modern Radar Vol. I: Basic Principles”, SciTech Publishing, 2014.
[11] F.E.  Terman  and  McGraw-Hill  “Radio Engineers Handbook”, New York, 1945.
[12] Kin-Lu  Wong,  Chien-Chin  Huang,  and Wen-Shan  Chen,  “Printed  Ring  Slot Antenna for Circular Polarization”, IEEE TRANSACTIONS  ON  ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 50, NO. 1, 2002.
[13] H. Yoshiizumi, R. Suga, O. Hashimoto, and  K.  Araki,  “A  Design  of  Circular Patch  Array  Absorber  Based  on  Patch Antenna  Theory”,  Proceedings  of  the 45th  European  Microwave  Conference, 2015.
[14] FAN  Yue-Nong,  CHENG  Yong-Zhi, DENG  Yan-Ming  and    GONG  Rong-
Zhou,  “  Absorbing  Performance  of Ultrathin Wide-Band Planar
Metamaterial  Absorber,  978-1-4673-
1800-6/12/$31.00 ©2012 IEEE, 2012.
[15] Jingbo Sun, Lingyun Liu, Guoyan Dong, and Ji Zhou1, “An extremely broad band metamaterial absorber based on destructive interference”, Vol. 19, No. 22
/ OPTICS EXPRESS 21156, 2012.