## Antena Bikonikal Tabung untuk Aplikasi Radar

## Electronic Support Measures Dengan Pola Radiasi Omni-directional pada Frekuensi 2-18 GHz
Tube Biconical Antenna for Electronic Support Measures Radar Applications With Radiation Pattern Omni-directional on Frequency 2-18 GHz

## Yussi Perdana Saputera *, Folin Oktafiani, dan Yuyu Wahyu
Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia.
Komp LIPI Gd 20, Jl Sangkuriang 21/54D, Bandung 40135, Indonesia

## Abstrak
Pada tulisan ini, dibahas hasil penelitian mengenai perancangan antena bikonikal tabung yang memiliki pola radiasi omni- directional yang  akan  digunakan  pada  radar Elektronic  Support  Measures (ESM).  Antena  bikonikal  memiliki  karakteristik bandwidth yang  sangat  lebar  ( ultra  wide  band )  cocok  digunakan pada  aplikasi  ESM dengan  frekuensi  2–18  GHz.  Bentuk pola radiasi omni-directional yang  dirancang  bertujuan  agar  pada  saat  ESM  melakukan  deteksi  frekuensi  radar  ( S-,  C-,  X - , dan Ku - band )  dari  pancaran  radar  yang  berada  di  sekitarnya  dapat  melakukan  deteksi  ke  segala  arah.  Karena  kegunaan  ESM  sebagai detektor    radar  dengan  sifat  sebagai  penerima  ( receiver )  dibutuhkan  VSWR  di  bawah  2,5  dengan  nilai return  loss di  bawah  - 7,436.  Antena  bikonikal  yang  dirancang  menggunakan  dua  plat  tembaga  yang  dibentuk  kerucut  dengan  penambahan  tabung dengan  pemasangan  yang  saling  berhadapan,  yang  dipasang  pada inner connector dan ground .  Antena  bikonikal  dipasang mengunakan  balun  ¼  ,  agar matching impedansi  antara  antena  dengan  konektor  50  Ω.  Plat  tembaga  yang  digunakan  dengan tebal 0,8 mm.
Kata kunci: bikonikal, tabung, antena, omni-directional , ultra wide band.

## Abstrack
The  result  of  research  on  design  of  the  biconical  tube  antenna  which has omnidirectional  radiation pattern  to be  used  in radar  ESM  (Electronic  Support  Measures)  is  discussed  in  this  paper.  Biconical  antenna  has  a  very  wide  bandwidth characteristics  (ultra  wide  band)  suitable  for  use  in  ESM  applications  with  frequency  of  2-18  GHz.  The  designed  omni directional radiation pattern shape has purpose so that when the ESM detects (S-, C-, X-, and Ku-band) radar frequency of radar beam which exists in its vicinity, it can perform detection in all directions. Because the usefulness of ESM as a radar detector with nature as a receiver, it takes VSWR below 2.5 with return loss values below -7.436. Biconical antenna is designed using two copper plates with cone-shaped and the addition tubes which are installed facing each other, and mounted on inner connector and  ground.  Biconical  antenna  is  installed  using  matching  ¼  ,  so  that  impedance  matching  between  the  antenna  and  the connector is 50 Ω. Copper plate is used with the thickness of 0.8 mm.
Keywords: biconical, tube, antenna. omni-directional, ultra wide band.

## I. P ENDAHULUAN
Electronic  Support  Measures (ESM)  secara  umum adalah sebuah peralatan  elektronik yang berfungsi untuk menerima  sinyal  gelombang  elektromagnetik,  kemudian sinyal tersebut diproses dan dianalisa sehingga diperoleh lokasi  (posisi),  kuat  sinyal  ( signal  strength )  dan parameter  lainnya.  Peralatan  ESM  seperti  ditunjukkan dalam  Gambar  1,  terdiri  dari  bagian  penerima,  bagian prossesing dan mechanical support [1], [2].
Dalam  tulisan  ini,  dilakukan  perancangan  dan simulasi  mengenai  antena omni-directional yang  akan digunakan  pada  aplikasi  ESM.  Antena  yang  dirancang
berbentuk  bikonikal  dengan  tambahan  tabung  sebagai penambah gain . Antena bikonikal memiliki sifat dengan bandwidth yang  lebar  ( ultra-wide-band )  yang  sangat cocok  digunakan  pada  aplikasi  ESM,  yang  dapat mencakup  frekuensi S - band (2-4  GHz), C-band (4-8 GHz), X - band (9-12  GHz)  dan Ku - band (12-18  GHz) [3].
Gambar 1. Desain Posisi Antena Bikonikal Tabung pada Electronic Support Measures oleh PPET – LIPI[1], [2].
yussips@gmail.com
Penelitian  ini  dikembangkan  dari  penelitian  yang sudah  dilakukan oleh  industry  telekomunikasi  di  negara lain. Tetapi produk yang ada dipasaran memiliki bentuk serta  karekteristik  yang  kurang,  sehingga  tidak  dapat digunakan  pada  aplikasi  ESM.  Mulai  dari  bentuk  yang berbeda,  VSWR  yang  masih  tinggi, bandwidth yang sempit  serta  harga  yang  mahal  [4],  [5].  Oleh  karena  itu kami  merancang  antena  bikonikal  yang  memiliki karekteristik  yang  dapat  digunakan  pada  ESM  serta harga yang relatif murah.
Tulisan ini terdiri dari 5 bagian pembahasan; bagian 1  berisi  pendahuluan,  bagian  2  berisi  dasar  teori  yang menjadi  landasan  penelitian,  bagian  3  berisi  rancangan, simulasi  dan  hasil  simulasi,  bagian4  berisi  analisa  dan bagian  5  berisi  kesimpulan  dari  penelitian  yang  telah dilakukan.

## II. D ASAR T EORI

## A. Antena ESM
Antena  ESM  terdiri  dari  2  buah  antena  yaitu omni dan directional ,  antena omni berfungsi  untuk  menerima sinyal  dari  keliling  area  360˚,  kemudian  oleh  bagian penerima sinyal tersebut diproses (demodulasi) sehingga diperoleh  parameter  seperti  jenis  modulasi,  frekuensi dsb.  Antena directional terdiri  dari  6  buah  antena dipasang membentuk lingkaran sehingga diperoleh sudut 360˚,  masing  masing  antena  mempunyai  sudut  60˚, dengan  demikian  fungsi  antena  ini  hanya  untuk menentukan  arah  atau  lokasi  dari  sinyal  yang  diterima [1], [3].

## B. Antena Bikonikal
Antena  bikonikal  merupakan  antena  yang  memiliki bentuk  yang  terdiri  dari  2  buah  kerucut  yang  saling berhadapan  antar  masing-masing  kerucut,  dengan keunggulan  dapat  menghasilkan bandwidth yang  lebar. Antena  ini  memiliki  pola  radiasi  seperti  koordinat  bola, atau mengarah ke segala arah ( omni-directional ).
Konfigurasi  antena  bikonikal  mengunakan  catuan kabel  koaksial  seperti  dapat  dilihat  pada  Gambar  2. Panjang cone pada  antena  bikonikal  adalah l .  Radius kerucut  ( r )  pada  antena  bikonikal  dicari  menggunakan rumus:
r = l sin (  /2) (1)
Radius  bagian cone bawah  memiliki  diameter sebesar  jari-jari  dari  kabel  koaksial,  sudut  antara  dua kerucut  adalah ψ .  Kerucut  atas  dan  bawah  disusun simetris.  Kerucut  disusun  dengan  posisi  kerucut  saling berhadapan, dengan dipisahkan gap . Untuk  (  /2)  mempunyai  nilai  30˚  [1],  sedangkan untuk  nilai  r  didapat dari   r  = l /2, di  mana l merupakan panjang total.
Gambar 3. Konfigurasi Antena Bikonikal [7].
Gambar  3  adalah  merupakan  antena  bikonikal berbentuk  sebuah  bola  yang  menutupi  antena.  [ a mewakili panjang kerucut, ψ 1 dan ψ 2 mewakili setengah sudut kerucut antena bikonikal].
Struktur antena dapat dilihat pada Gambar 3. Hal ini secara  aksial  simetris  dan  memiliki  sudut cone lebar dengan  sudut  setengah cone melebihi  40˚.  Setengah sudut cone ψ 1 dan ψ 2 , dengan syarat memenuhi : 0 <ψ 1 <π/ 2 (2)
dan,
0 <ψ 2 ≤π−ψ 1 (3) Bentuk cone simetris dengan cone lainnya. Impedansi input antena  dengan  panjang cone dan sudut cone  pada  antena  bikonikal  menggunakan formula sebagai berikut [8]:
(4)
di mana,
= 60 ln Cos ( ) (5) = ∑ [             ] ∑ [             ] (6)
di mana:
(7)
Keterangan :
=  Panjang gelombang di ruang bebas,
=  Karakteristik impedansi antena,
=  Legend repolinomial sebanyak n,
=  Fungsi tambahan kompleks variable real kl ,
=  Fungsi Hankel bola dari pangkat 2,
=  Rasio antara penyebaran TEM tercermin dan yang datang, di area propagasi antena.

## III. D ESAIN DAN SIMULASI
Dalam  penelitian  ini,  material  yang  digunakan adalah  plat  tembaga  yang  banyak  dijual  di  pasaran, dengan  ketebalan  plat  0,8  mm.  Desain  antena  dapat dilihat  seperti  Gambar  4.  Desain  antena  yang  dilakukan dengan menambahkan tabung pada bagian atas cone , hal ini bertujuan untuk menurunkan nilai VSWR menjadi di bawah 2.
(a) (b) Gambar 4. Desain antena (a) Tampak samping, (b) Tampak atas.
Gambar 5. Simulasi Antena Keseluruhan dengan Pencatuan 1/4  dan
Konektor Tipe N.

## A. S-Parameter
Gambar 6. Hasil Simulasi Return Loss.

## Gambar 7. Hasil Simulasi VSWR.
Dari simulasi yang dilakukan didapat nilai VSWR di bawah  2,  serta  memiliki  VSWR  yang  bagus  pada resonan frekuensi tengah untuk radar, yaitu:
T ABEL I H ASIL S IMULASI S-P ARAMETER PADA R ESONAN F REKUENSI R ADAR Band Frekuensi VSWR Rerturn Loss S 3 GHz 1,8191 -10,735 C 6 GHz 1,4888 -14,136 X 10 GHz 1,1006 -26,396 Ku 15 GHz 1,798 -10,901

## B. Gain dan Pola radiasi
Gambar 8. Hasil Simulasi Gain (dalam dBi).
Dari simulasi didapatkan hasil gain keseluruhan (2- 18 GHz) memiliki range mulai dari 1,3 dBi – 3,3 dBi.
T ABEL II H ASIL S IMULASI G AIN PADA R ESONAN F REKUENSI R ADAR
Band Frekuensi Gain S 3 GHz 2,438 C 6 GHz 1,973 X 10 GHz 2,914 Ku 15 GHz 1,350
Dari Gambar 8 dan 9 dapat dilihat, bahwa gain yang dihasilkan relatif kecil. Hal ini dikarenakan, bentuk pola radiasi  yang  dihasilkan  mengarah  ke  segala arah  ( omni- directional ).  Daya  yang  disebarkan  merata  ke  segala arah  pancar  yang  ditimbulkan  dari  radiasi  antena,  yang sesuai  dengan  spesifikasi  dari  aplikasi  ESM  yang diinginkan.

## Gambar 9. Hasil Simulasi Polarisasi Antena 3D.
Gambar  9  merupakan  bentuk  pola  radiasi  yang dihasilkan  antena  bikonikal  tabung.  Tiap-tiap  frekuensi menghasilkan  bentuk  pola  radiasi  yang  berbeda.  Dalam hal ini mengambil frekuensi kerja radar.

## C. Sudut Theta dan Phi (2D)
Sudut theta dan phi merupakan  interpolasi  yang didapat  dari  radiasi  antena  yang  membentuk  grafik  2 dimensi,  sehingga  dapat  diketahui  besaran  sudut  yang dihasilkan.
S - Band (3 GHz)
Main lobe magnitude = 2,4 dB
C-Band (6 GHz) Main lobe magnitude = 2 dB
X-Band (10 GHz) Main lobe magnitude = 2,9 dB Ku-Band (15 GHz) Main lobe magnitude = 1,3 dB
Gambar 10. Hasil Simulasi Sudut Theta 90˚ (2D)/Sudut Azimut
S-Band (3 GHz) Main lobe magnitude = 1,9 dB
C-Band (6 GHz)
Main lobe magnitude = 1,1 dB
X-Band (10 GHz)
Main lobe magnitude = 2,6 dB
Ku-Band (15 GHz) Main lobe magnitude = 1,1 dB
Gambar 11. Hasil Simulasi Sudut Phi 0˚ (2D)/Sudut Elevasi
Gambar 11 menggambarkan bahwa pola radiasi dari antena  yang  dirancang  menghasilkan  pola  radiasi  yang mengarah  ke  segala  arah  ( omni-directional ),  dengan level magnitude yang  berubah-ubah  di  masing-masing frekuensi (2–18 GHz).

## D. Polarisasi Antena
(a) (b)
Gambar 12. Hasil Simulasi Polarisasi Antena, (a) Mengarah ke Atas,
(b) Mengarah ke Bawah.
Gambar  12  menggambarkan  hasil  polarisasi  dari antena bikonikal yang dirancang adalah linier vertikal.

## E. Medan-E dan Medan-H
Medan-E (elektrik) dan medan-H (magnet) merupakan medan yang dihasilkan dari catuan daya yang ada pada antena.
(a) (b)
Gambar 13. Hasil Simulasi Medan E dan Medan H, (a) Bagian Luar, (b) Bagian Dalam.
IV. A NALISA
A. Tinggi Cone
Tinggi cone berpengaruh  pada  hasil  optimasi S- parameter , semakin tinggi cone , nilai S-parameter yang dihasilkan  akan  semakin  tidak  bagus.  Tetapi  nilai optimum  dari  tinggi cone berada  pada  15,5  mm  pada setiap  frekuensinya.  Percobaan  yang  dilakukan  dengan mengubah  tinggi cone mulai  dari  11  mm  ke  23  mm, dengan jarak 1 mm ditunjukkan pada Gambar 14.
Gambar 14. Hasil perbandingan tinggi cone.

## B. Panjang Balun
Panjang balun memiliki ukuran 1/4  , yang bertujuan untuk  menyepadankan  impedansi  antena  dengan impedansi  catuan.  Panjang  balun/saluran  transmisi  pada antena haruslah benar-benar 1/4  , sehingga S-parameter mendapatkan  hasil  pada  posisi  yang  paling  optimum. Dalam penelitian ini panjang balun yang paling optimum berukuran  63  mm,  dengan  VSWR  1,01  pada  frekuensi center  simulasi  (10  GHz).  Hasil  optimasi  panjang balun/saluran transmisi ditunjukkan pada Gambar 15.
Gambar 15. Hasil optimasi panjang balun/saluran transmisi.

## K ESIMPULAN
Dari  penelitian  yang  dilakukan,  antena  bikonikal terbukti  mempunyai  karekteristik bandwidth yang  lebar dan nilai VSWR-nya mampu di bawah 2, pada frekuensi 2-18  GHz.  Selain  itu  pola  radiasi  antena  bikonikal berbantuk omni-directional pada semua resonan frekuensi yang disimulasikan, sehingga dapat memenuhi spesifikasi antena pada ESM.

## D AFTAR P USTAKA
[1] M. Wahab, Y. Wahyu, D. Ruhiyat, dan D. Permana, “Perbaikan, pembuatan RF head dan pembuatan  electronic support measure (ESM)” , PPET LIPI, Bandung, 2012.
[2] M.  Wahab,  D.  Rudiyat,  A.  B.  Santiko,    dan  N.  D.  Susanti, “Research and development on rf head and baseband pocessing of  electronik  support  measure  (ESM)”,  in Proc.  ICRAMET , Surabaya, 2013, pp. 90 – 94.
[3] Y.  P.  Saputera,  Y.  Wahyu,  dan  M.  Wahab,  “Spiral  antena  for electronic  support  measures  (ESM)  application  2-18  GHz”, ICRAMET,  Surabaya,  2013,  in Proc.  ICRAMET ,  Surabaya, 2013, pp. 35 – 39. [4] (2013) Antena biconical. [Online].Available: http://www.ainfoinc.com/en/pro_pdf/new_products/antena/Bi-
Conical%20Antena/tr_SZ-20300.pdf
[5] (2013)  Biconical  antenna  :  ETS  Lindgren.  [Online].  Available: http://www.ets-lindgren.com/manuals/3104C.pdf
[6] R.  Kudpik,  K. Meksamoot,  N.  Siripon, and  S.  Kosulvit, Design of  a  Compact  Biconical  Antenna  for  UWB  Applications ,
ISPACS, 2011.
[7] D.  Ghosh,  T.  K.  Sarkar,  and  E.  L.  Mokole  “design  of  a  wide- angle biconical antena for wideband communications”, Progress In Electromagnetics Research B , vol. 16, pp 229–245, 2009.
[8] C.  H.  Papas  and    R.  W.  P.  King,  "Input  impedance  of  wide angle  conical antenas fed by a coaxial line," Proc. IRE ,  vol. 37, pp 1269-1271, Nov. 1949.