## Antena Vivaldi Konvensional untuk Penerapan pada Radar Cuaca (9.4 GHz)
Randhika Rianza 1* , Uzma Septima 2* , Andi Ahmad Dahlan 3 , Firdaus 4 , Nasrul 5 , Yulindon 6 , Yustini 7 1234567 Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Padang * Corresponding Author: randhikarianza99@gmail.com , uzmaseptima@gmail.com
Abstrak— Untuk memprediksi kondisi cuaca sebagai langkah antisipasi terhadap bencana alam, dibutuhkan radar cuaca. Dalam teknologi radar cuaca, antena berperan penting dalam menopang kinerja radar cuaca tersebut. Antena vivaldi  merupakan  pilihan  yang  tepat  karena  memiliki  lebar  pita  tak  hingga  sehingga  mampu  beroperasi  pada frekuensi  kerja yang diinginkan, termasuk frekuensi  kerja radar cuaca (9.4 GHz).  Penelitian ini  membahas tentang modifikasi tapered slot, circular stub, radial stub, panjang dan lebar substrat antena vivaldi referensi [1] menggunakan perangkat  lunak  CST  Studio.  Setelah  dilakukan  modifikasi  dan  pengukuran,  didapatkan  nilai  return  loss  sebesar  - 23.25336989  dB,  bandwidth  sebesar  500  MHz,  VSWR  1.188463357,  gain  sebesar  3.99  dBi,  dan  pola  radiasi unidirectional. Semua nilai parameter antena yang dihasilkan adalah dalam kondisi baik dan memenuhi syarat antena radar cuaca untuk frekuensi kerja 9.4 GHz.
Kata kunci: Antena vivaldi, radar cuaca, CST Studio.
Abstract— To predict weather conditions as an anticipation act towards natural disasters, a weather radar is needed. In weather radar technology, antennas play an important role in supporting the performance of the weather radar. Vivaldi antenna is the right choice because it has an unlimited bandwidth so it is able to operate at the desired work frequency, including  the  working  frequency  of  weather  radar  (9.4  GHz).  This  research  discusses  the  modification of  tapered  slots, circular  stub,  radial  stub,  length  and  width  of  the  reference  vivaldi  antenna  [1]  using  CST  Studio  software.  After modifications and measurements,  a  return  loss  value  of  -23.25336989 dB,  bandwidth of  500  MHz,  VSWR  1.188463357, gain of 3.99 dBi, and unidirectional radiation patterns. All the resulting antenna parameter values are in good condition and qualify the weather radar antenna for a working frequency of 9.4 GHz.
Keywords: Vivaldi antenna, weather radar, CST Studio.
© 2022 Elektron Jurnal Ilmiah

## I. PENDAHULUAN
Bencana  alam  perlu  diantisipasi  untuk  mencegah berbagai  kerugian.  Sebagian  besar  penyebab  bencana berasal  dari  cuaca  dan  faktor  iklim,  seperti  kemarau panjang, banjir, tanah longsor, angin puyuh, serta hujan deras. Salah  satu langkah pencegahan  yang dilakukan adalah dengan memanfaatkan informasi yang diperoleh dari  radar  cuaca,  seperti  hasil  deteksi  konsentrasi  air, awan  atau  parameter  lainnya  yang  berkaitan  dengan kondisi  cuaca.  Salah  satu  komponen  penting  dalam pendeteksian  cuaca  adalah  radar,  yang  tentunya memiliki antena sebagai salah satu komponen penting.
Terdapat  berbagai  jenis  antena  yang  digunakan pada  teknologi  radar,  salah  satunya  antena  vivaldi. Antena vivaldi merupakan antena yang cukup populer digunakan untuk pengaplikasian teknologi radar, salah satunya radar cuaca [2]. Adapun beberapa karakteristik yang  dimiliki  oleh  antena  vivaldi  antara  lain  mampu bekerja  pada  pita  frekuensi  lebar  ( Ultra  Wide-Band ), memiliki  nilai gain yang  tinggi  [3],  [4]  dan  memiliki pola radiasi directional [1], [5]. Bahkan secara teoritis, antena vivaldi memiliki lebar pita tak terhingga [6]. Hal inilah yang menyebabkan antena vivaldi menjadi salah satu  kandidat  kuat  untuk  penerapan  teknologi  radar cuaca.
Beberapa karakteristik antena pada teknologi radar cuaca adalah bekerja pada frekuensi 9.4 GHz  [2], [7], memiliki bandwidth minimal  400  MHz  [2]  dan memenuhi  standar  parameter  antena  lainnya  seperti 2>VSWR>1, gain yang  tinggi,  dan  lain-lain. Bandwidth yang terlalu lebar pada antena radar cuaca akan menimbulkan interferensi yang dapat mengganggu  sistem  pendeteksi  cuaca  [2],  jadi  antena vivaldi  yang  memiliki  pita  lebar  harus  dimodifikasi sedemikian rupa agar nilai bandwidth yang dihasilkan bisa  lebih  fokus  pada  area  sekitar  frekuensi  kerja  9.4 GHz.
Sudah  ada  beberapa  penelitian  yang  membahas mengenai  antena  radar  cuaca.  Seperti  penelitian  [2], hasil yang didapat adalah antena yang mampu bekerja pada frekuensi 9.4 GHz, lebar pita ( bandwidth ) sebesar 1.31  GHz,  dan  pola  radiasi  berbentuk  unidirectional. Namun dalam penelitian tersebut masih bisa dilakukan perbaikan  seperti  memperdalam  nilai return  loss , melengkapi  informasi  parameter  dasar  antena  lainnya seperti VSWR, gain , dan lain-lain.
Pada penelitian [7], didapatkan hasil berupa antenna yang  mampu  bekerja  pada  frekuensi  9.318  GHz, bandwidth sebesar 254 MHz, dan gain 10.47 dB. Dari penelitian tersebut dapat dilakukan perbaikan pada nilai frekuensi  kerja  yang  belum  tepat  di  9.4  GHz  setelah

## Randhika Rianza dkk : Antena Vivaldi Konvensional untuk Penerapan pada Radar Cuaca (9.4 GHz)
dilakukannya  pengukuran  serta  perbaikan  pada  nilai return loss .
Adapun  bahan  dasar  substrat  yang  digunakan adalah papan PCB FR-4. Hal ini dikarenakan PCB FR- 4 memiliki beberapa keunggulan, di antaranya  mudah didapat, ringan dan harga yang terjangkau.
Penelitian ini akan membahas tentang antena patch vivaldi yang bekerja pada frekuensi 9.4 GHz dan antena ini didisain serta disimulasikan menggunakan perangkat  lunak Computer  Simulation  Technology (CST) Studio .

## II. METODE
A. Antena Vivaldi
Antena  vivaldi  merupakan  salah  satu  jenis antena yang biasa digunakan pada teknologi radar [8]. Antena  jenis  ini  dipilih  karena  memiliki  beberapa keunggulan yang tidak dimiliki oleh antena mikrostrip lainnya, yaitu bandwidth yang sangat lebar [4] dan gain yang tinggi [1], [9], bahkan antena ini dapat beroperasi pada  rentang  frekuensi  yang  tak  terbatas (unlimited) [10] . Hal  tersebut  yang  menjadi  keunikan  tersendiri pada antena vivaldi karena mampu bekerja pada rentang frekuensi yang sangat luas. Antena jenis ini juga sering digunakan  dalam  pengembangan  array  karena mempunyai  keunikan  yaitu dimensi lateral  yang  kecil dan  integrasi  yang  sederhana  [11].  Selain  memiliki bandwidth yang  lebar  dan  gain  yang  tinggi,  antena vivaldi  juga  memiliki  direktivitas  yang  tinggi  serta mampu  memancarkan  pola  radiasi  yang  bentuknya simetris [11]. Disain tradisional vivaldi yang dirancang oleh Gibson dapat diamati pada gambar 1.
Gambar 1. Disain tradisional antena Vivaldi yang diperkenalkan oleh Gibson [6].

## B. Radar Cuaca
Interaksi paling umum yang dimiliki banyak orang terkait dengan radar adalah  radar cuaca. Kebanyakan ahli meteorologi televisi menggunakan keluaran radar cuaca  sebagai  bagian  inti  dari  siaran  mereka. Akibatnya,  sebagian  besar  masyarakat  umum  sudah familiar  dengan  beberapa  konsep  dasar  radar  cuaca [12].
Radar cuaca digunakan setiap hari dalam berbagai aplikasi, seperti deteksi badai lokal yang parah, angin berbahaya,  area  curah  hujan,  dan  perkiraan  jumlah curah hujan. Pada dunia penerbangan, radar cuaca juga sangat  bermanfaat,  yakni  mendeteksi  potensi  bahaya cuaca selama penerbangan. Radar cuaca juga berperan
dalam  dunia  militer,  yakni  sebagai  acuan  dalam membuat strategi dalam  menjalankan aktivitas  militer [12].
C. Alat dan Bahan Penelitian Alat dan bahan yang dibutuhkan pada penelitian ini antara lain laptop, perangkat lunak CST Studio, papan PCB double layer FR-4, port SMA 50Ω female , paper antena  vivaldi,  solder,  timah,  dan  data return  loss, VSWR, bandwidth, gain , dan pola radiasi antena.
D. Alur Penelitian
1. Studi literatur.
Mengumpulkan  semua  data  dari  berbagai  sumber referensi seperti buku, jurnal, artikel maupun sumber- sumber  yang  lain  yang  berkaitan  dalam  perancangan antena vivaldi ini.
2. Perancangan disain antena menggunakan pernagkat lunak CST Studio.
Merencanakan dan merancang disain antena sesuai dengan yang direncanakan dan menentukan komponen- komponen  yang  diperlukan  dalam  penyusunan penelitian ini. Struktur disain antena vivaldi yang akan dimodifikasi dapat diamati pada gambar 2.
Gambar 2. Disain Antena Referensi a)Tampilan Ground ; b)Tampilan Patch ; c)Tampak Samping.
Dalam perancangan tapered slot E1, menggunakan persamaan  (2)  [1]  yang  merupakan  turunan  dari persamaan (1) [13]:
y (x) = ±A e px (1)
Dimana mana y adalah setengah dari pemisahan slot dan x adalah  posisi  di  sepanjang  antena,  A  adalah setengah  dari opening  width Wmin,  dan  p  adalah tingkat kelancipan.
(E1) = ± c1.exp( r ex 1.x)     (c1-c2)        (2)
Dimana c1=0.16, r ex 1=0.18, c2=0.34 ±
Randhika Rianza dkk : Antena Vivaldi Konvensional untuk Penerapan pada Radar Cuaca (9.4 GHz)
Pada gambar 1 dapat dilihat tampilan disain antena vivaldi  berdasarkan  referensi  (paper).  Adapun  rincian ukuran variabel pada disain antena di atas yaitu W1=1 mm, W2=0,55 mm, W3=0,35 mm, L1=3,4 mm, R1=2,8 mm, dan R2=2,3 mm.
3. Simulasi dan Analisa. Melakukan  pengujian  dan  analisa  terhadap  disain antena yang telah dirancang.
4. Fabrikasi dan Analisa Melakukan pengukuran dan analisa terhadap disain antena yang telah difabrikasi.
E. Flowchart
Adapun diagram alur penilitian dapat diamati pada gambar 3.
Gambar 3. Flowchart
Metode pengumpulan data  yang digunakan adalah studi  parametrik,  yakni  proses  yang  dilakukan  untuk mendapatkan  parameter  antena  yang  sesuai.  Studi parametik  dilakukan  untuk  mengetahui  pengaruh perubahan radiator ( patch ) dan groundplane terhadap parameter-parameter antena yang ada. Studi parametik dilakukan dengan menggeser radiator dan groundplane baik  dengan  cara  menambah  ataupun  mengurangi dimensi antena.

## III. HASIL DAN DISKUSI
Setelah dilakukan studi parametrik dan pengamatan, maka didapat dimensi antena yang sudah dimodifikasi. Rincian  perubahan  dimensi  antena  hasil  modifikasi dapat diamati pada tabel 1.
Tabel  1.  Perbandingan  ukuran  disain  antara  antena  referensi  dan antena hasil modifikasi
Disain Dimensi (mm) r ex 1 R1 (mm) R2 (mm) Antena Referensi 36 x 32 x 1 0,18 2,8 2,3 Antena Hasil Modifikasi 44 x 34 x 1 0,1847 2,8 3,2
Disain  hasil  modifikasi  lalu  difabrikasi  ke  papan PCB double layer FR-4. Hasil fabrikasi dapat diamati pada gambar 4.
Gambar 4. Antena hasil modifikasi yang sudah difabrikasi.
Setelah  fabrikasi  antena,  dilakukan  pengukuran return loss, bandwidth, gain, VSWR, dan pola radiasi. Perbandingan  nilai  parameter  antena  referensi,  hasil modifikasi  simulasi  dan  analisa  dapat  diamati  pada gambar berikut. Perbandingan nilai return loss antena dapat  diamati  sebagaimana  divisualisasikan  pada gambar 5.
Gambar 5. Perbandingan return loss dan bandwidth antena vivaldi konvensional referensi, simulasi dan pengukuran hasil modifikasi.
Berdasarkan  gambar  5,  dapat  diamati  bahwa  nilai return loss terbaik pada frekuensi 9.4 GHz adalah pada simulasi antena hasil modifikasi, yaitu sebesar  -61.15 dB.  Sedangkan  untuk  nilai bandwidth yang  paling optimal untuk radar cuaca (mendekati 400 MHz) yaitu pada  pengukuran  antena  hasil  modifikasi,  dimana bandwidth yang dihasilkan sebesar 540 MHz.
Selanjutnya  grafik  nilai  VSWR  antena  referensi, simulasi  hasil  modifikasi  dan  pengukuran  yang  dapat dilihat pada gambar 6.
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 S 1 ,1 ( d B ) Frekuensi (GHz) Referensi
Simulasi Hasil Modifikasi
Pengukuran Hasil Modifikasi

## Randhika Rianza dkk : Antena Vivaldi Konvensional untuk Penerapan pada Radar Cuaca (9.4 GHz)
Gambar 6. Perbandingan nilai VSWR antena vivaldi konvensional referensi, simulasi dan pengukuran hasil modifikasi.
Berdasarkan  gambar  6,  dapat  diamati  bahwa  nilai VSWR  pada  frekuensi  9.4  GHz  bernilai  baik,  yakni 1<VSWR<2.  Adapun  nilai  ideal  VSWR  yaitu  1. Semakin  nilainya  mendekati  1,  maka  semakin  baik kinerja antena.  Adapun nilai VSWR terbaik diperoleh dari simulasi hasil modifikasi yakni sebesar 1.001751593 (mendekati 1). Selanjutnya  perbandingan  nilai gain antena referensi  dan  modifikasi  yang  divisualisasikan  pada gambar 7.
Gambar  7.  Perbandingan  nilai gain antena  vivaldi  konvensional referensi, simulasi dan pengukuran hasil modifikasi.
Untuk gain hasil pengukuran, ada 2 parameter yang diukur,  yaitu  P1  (daya  keluar  antena  vivaldi)  dan  P2 (daya  keluar  antena  referensi).  Adapun  persamaan untuk  menghitung  nilai gain antena  adalah  sebagai berikut :
G (dBi) = [P1 (dB) – P2 (dB)] + 2.1 (dBd) = [-116.66– (-118.55)] + 2.1 = 3.99
Berdasarkan  gambar  7  dan  perhitungan gain hasil pengukuran,  dapat  diamati  bahwa  nilai  gain  terbaik pada  frekuensi  9.4  GHz  dihasilkan  oleh  antena referensi, yaitu 6.7 dBi.
Berikutnya  adalah  pola  radiasi.  Perbandingan  pola radiasi  vertikal  antena  referensi  dan  simulasi  hasil modifikasi dapat diamati pada gambar 8.
Gambar 8. Perbandingan pola radiasi vertikal antena vivaldi konvensional referensi dan simulasi hasil modifikasi.
Selanjutnya  adalah  perbandingan  pola  radiasi horizontal  antena  referensi  dan  simulasi  hasil modifikasi sebagaimana divisualisasikan pada gambar 9.
Gambar 9. Perbandingan pola radiasi horizontal antena vivaldi konvensional referensi dan simulasi dan pengukuran hasil modifikasi.
Perbandingan  pola  radiasi  vertikal  dan  horizontal antena pengukuran hasil modifikasi dapat diamati pada gambar 10.
0 1 2 3 4 5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 VSW R Frekuensi (GHz) Referensi Simulasi Hasil Modifikasi Pengukuran Hasil Modifikasi 0 2 4 6 8 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 Gain ( d B i) Frekuensi (GHz) Referensi Modifikasi
-9 -6 -3 0 3 6 9 Referensi Simulasi Hasil Modifikasi -10 -8 -6 -4 -2 0 2 Referensi Simulasi Hasil Modifikasi -100 -90 -80 -70 -60 Vertikal Horizontal
Randhika Rianza dkk : Antena Vivaldi Konvensional untuk Penerapan pada Radar Cuaca (9.4 GHz)
Berdasarkan  gambar  8,  9,  dan  10  dapat  diamati bahwa  pola  radiasi  yang  dihasilkan  oleh  antena referensi,  simulasi  dan  pengukuran  hasil  modifikasi adalah unidirectional ,  baik  secara  vertikal  maupun horizontal. Artinya pola pancaran radiasi antena fokus ke satu titik dan tidak melebar. Lebar sempitnya main lobe pada pola radiasi juga akan berpengaruh terhadap nilai gain sebuah antena [13].
Detail  perbandingan  nilai  parameter  antena referensi,  antena  hasil  modifikasi  simulasi  dan pengukuran dapat diamati pada tabel 2.
Tabel 2. Perbandingan performansi antena vivaldi konvensional referensi, simulasi dan pengukuran hasil modifikasi pada frekuensi kerja radar cuaca (9.4GHz)
Nama Disain Referensi Hasil Modifikasi (Simulasi) Hasil Modifikasi (Pengukuran) Nama Disain Referensi Hasil Modifikasi (Simulasi) Hasil Modifikasi (Pengukuran) Return Loss (dB) - 26.4055185 7 - 61.15953751 -23.25336989 Frekuensi Upper (GHz) 8 8 9.2 Frekuensi Lower (GHz) 11 10.8 9.7 Bandwidth (GHz) 3 2.8 0.5 Gain (dBi) 6.8 6.2 3.99 VSWR 1.10047100 9 1.001751593 1.188463357 Pola Radiasi Vertikal Unidirectio nal Unidirection al Unidirectional

## IV. KESIMPULAN
Berdasarkan perancangan, pengukuran dan analisis yang telah dilakukan pada penelitian ini, dapat diambil beberapa  kesimpulan  yaitu:  telah  dirancang  antena vivaldi konvensional untuk penerapan pada radar cuaca (frekuensi  kerja  9.4  GHz)  dengan  perangkat  lunak Computer  Simulation  Technology (CST) Studio. Berdasarkan  hasil  simulasi,  nilai return  loss antena dipengaruhi oleh nilai r ex 1 ( tapered slot ), R1 ( circular stub ),  R2  ( radial  stub ),  panjang  substrat,  dan  lebar substrat. Sedangkan nilai gain antena dipengaruhi oleh nilai  r ex 1  ( tapered  slot ).  Terdapat  optimasi  spesifikasi antena dari hasil modifikasi terhadap antena referensi, di antaranya pada nilai bandwidth (pada pengukuran) , dimana bandwidth yang  diharapkan  yaitu  mendekati 400  MHz  dan  tidak  boleh  terlalu  lebar,  sebagaimana syarat pada antena radar cuaca pada frekuensi kerja 9.4
GHz,  serta  nilai return  loss (pada  simulasi) dan gain (pada simulasi) yang lebih baik.

## REFERENSI
[1] D.  Yang,  S.  Liu,  and  D.  Geng,  “A  Miniaturized  Ultra- Wideband Vivaldi Antenna With Low Cross Polarization,”
IEEE Access , vol. 5, pp. 1–6, 2017.
[2] Y.  S.  Amrullah,  K.  Paramayudha,  and  Y.  Wahyu, “Enhancement  performance  tapered  slot  vivaldi  antenna for  weather  radar  application,” Proceeding  -  2016  Int. Semin. Intell. Technol. Its Appl. ISITIA 2016 Recent Trends Intell.  Comput.  Technol.  Sustain.  Energy ,  pp.  329–332,
2017, doi: 10.1109/ISITIA.2016.7828681.
[3] M.  Ahadi,  J.  Nourinia,  C.  Ghobadi,  M.  S.  Ellis,  and  B. Mohammadi,  “Compact  Planar  UWB  Elliptical  Vivaldi Antenna,” 2019 IEEE 5th Conf. Knowl. Based Eng. Innov.
KBEI 2019 , pp. 128–131, 2019,
doi:
10.1109/KBEI.2019.8735010.
[4] V.  and  M.  K.  Naydenko,  “Vivaldi  Coplanar-Antipodal Antennas,” 2020 IEEE Ukr. Microw. Week , pp. 121–125, 2020,
doi:
https://doi.org/10.1109/UkrMW49653.2020.9252807.
[5] L.  Ma,  L.  Guan,  T.  Li,  Z.  Fan,  and  R.  Chen,  “Ultra- wideband  All-Metal  Vivaldi  Phased  Array  Antenna  with Metal Baffles,” 2018 Int. Appl. Comput. Electromagn. Soc. Symp. China, ACES-China 2018 , vol. 33, no. c, 2019, doi: 10.23919/ACESS.2018.8669245.
[6] P. J. Gibson, “Vivaldi Aerial.,” Conf. Proc. - Eur. Microw.
Conf. , pp. 101–105, 1979, doi: 10.1109/euma.1979.332681.
[7] F.  Amelia,  Y.  G.  Adhiyoga,  F.  Yuli  Zulkifli,  and  E.  T. Rahardjo,  “Microstrip  antenna  design  with  dual  linear polarizations for X-band weather radar applications,” Proc. -  2018  Int.  Conf.  Radar,  Antenna,  Microwave,  Electron. Telecommun.  ICRAMET  2018 ,  pp.  90–93,  2018,  doi: 10.1109/ICRAMET.2018.8683910.
[8] M. A. Saputra, H. Wijanto, and Y. Wahyu, “Antena Vivaldi Antipodal Sirkular Ultra Wide-Band ( Uwb ) Untuk Radar
Tembus Tembok,” Semin. Nas. Sains dan Teknol. 2018 , pp. 1–10, 2018, [Online]. Available:
jurnal.umj.ac.id/index.php/semnastek.
[9] A.  Kuriakose,  T.  A.  George,  and  S.  Anand,  “Improved High  Gain  Vivaldi  Antenna  Design  for  Through-wall Radar  Applications,” Proc.  2020  Int.  Symp.  Antennas Propagation,  APSYM  2020 ,  pp.  58–61,  2020,  doi:
10.1109/APSYM50265.2020.9350711.
[10] A. Mehdipour, K. Mohammadpour-Aghdam, and R. Faraji- Dana, “Complete dispersion analysis of vivaldi antenna for ultra  wideband  applications,” Prog.  Electromagn.  Res. , vol. 77, pp. 85–96, 2007, doi: 10.2528/PIER07072904.
[11] W.  T.  Edwin,  H.  Wijanto,  Y.  Wahyu,  P.  Elektronika,  L. Ilmu, and P. Indonesi, “Prosiding Seminar Nasional Teknik Elektro  Volume  4  Tahun  2019  ANTENA  SUSUNAN
VIVALDI
PLANAR S-BAND AIRPORT SURVEILLANCE  RADAR  (  ASR  ),” Pros.  Semin.  Nas. Tek. Elektro , vol. 4, pp. 1–6, 2019.
[12] W. L. Melvin and J. E. Scheer, Principle of Modern Radar , 3 : Radar. United States of America: SciTech Publishing, an imprint of the IET, 2014.
Randhika Rianza dkk : Antena Vivaldi Konvensional untuk Penerapan pada Radar Cuaca (9.4 GHz)
[13] C. A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design , 4th ed. United  States  of  America:  John  Wiley  &  Sons,  Inc., Hoboken, New Jersey, 2016.