## Antena Patch Array untuk Portable Coastal Radar
pada Frekuensi S-Band

## Array Patch Antenna in S-Band Operational Frequency for Portable Coastal Radar
Folin Oktafiani * dan Yussi Perdana Saputera
Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia. Komplek LIPI Gd 20, Jl Sangkuriang 21/54D, Bandung 40135, Indonesia

## Abstrak
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mendesain  antena Portabel  Coastal Radar yang  bekerja  pada  frekuensi S - band dengan frekuensi tengah 3 GHz. Jenis antena yang digunakan adalah antena patch mikrostrip. Satu modul antena terdiri dari 4 patch yang di- array secara  horisontal  dan  dicatu  dengan  menggunakan  konektor  SMA.  Bahan  yang  digunakan  untuk  mendesain  antena adalah  FR4  dengan  ketebalan  substrat  3,2  mm  serta  memiliki  nilai  r =  4,3. Bandwidth yang  diperoleh  dari  hasil  simulasi  satu modul  antena  sebesar  80,1  MHz  untuk  nilai  VSWR  ≤  1,5  di  mana  sudah  memenuhi  spesifikasi  antena  yang  diinginkan.  Hasil simulasi beamwidth horisontal  dan gain satu  modul  antena  secara  berturut-turut  yaitu  37°  dan  8,049  dB.  Untuk  mendapatkan beamwidth horisontal  <1°  maka  satu  modul  antena  di- array secara  horisontal  sebanyak  30 buah  sehingga  panjang  keseluruhan antena  menjadi  3600  mm. Beamwidth horisontal  antena array hasil  simulasi  diperoleh  sebesar  0,9°  sedangkan gain antena meningkat menjadi 21,11 dB.
Kata kunci: antena, mikrostrip, array , radar.

## Abstrack
The aim of this research is to design portable coastal radar antenna that works on S-band frequency with a center frequency 3  GHz.  The  type  of  antenna  used  in  this  research  is  microstrip  patch  antenna.  One  antenna  module  consists  of  four  patches which  are  horizontally  arranged  and  fed  with  SMA  connector.  The  used  material  for  antenna  design  is  FR4  with  a  substrate thickness of 3.2 mm and has  r value of 4.3. Bandwidth obtained from the simulation results of one antenna module for VSWR ≤ 1.5 is 80.1 MHz where it meets the desired specifications of the antenna. Simulation result of horizontal beamwidth and gain of one  antenna  module  is  37°  and  8.049  dB,  respectively.  To  obtain  horizontal  beamwidth  <1°  then  30  antenna  modules  are arranged in a horizontal direction so that the overall length of the antenna  is 3600 mm. From simulation results the horizontal beamwidth of array antenna is obtained by 0.9° while the antenna gain is increased to 21.11 dB.
Keywords: antenna, microstrip, array, radar.

## I. P ENDAHULUAN
Negara  Kesatuan  Republik  Indonesia  (NKRI) adalah  salah  satu  negara  terbesar  di  dunia.  Untuk kawasan  ASEAN,  wilayah  NKRI  adalah  yang  paling luas. Pengamanan dan pengawasan  wilayah NKRI yang terdiri  dari  kurang  lebih  17.504  pulau  dengan  2/3 wilayah  terdiri  dari  lautan  memerlukan  aparat  dan peralatan  yang  berjumlah  besar.  Kemampuan  TNI  dan Polri  untuk  mengawasi  wilayah  RI  sangat  terbatas sehingga  wilayah  perairan  Indonesia  rawan  akan pencurian  ikan,  pelanggaran  wilayah  oleh  kapal-kapal asing,  pembajakan  kapal  laut  dan  penyelundupan. Wilayah  udara  Indonesia  (terutama  di  Indonesia  timur) juga  rawan  akan  penyusupan  oleh  pesawat  udara  asing [1].
Khusus  untuk  wilayah  perairan,  salah  satu  cara untuk  meningkatkan  kemampuan  aparat  pemerintah
dalam  mengawasi  dan  mengamankan  wilayah  NKRI adalah  dengan  menggunakan  radar coastal .  Radar  ini digunakan untuk mengawasi pergerakan kapal-kapal laut sehingga  dapat  dicegah  tindakan-tindakan  yang  dapat merugikan  NKRI  dan  juga  tabrakan  kapal  apabila hendak merapat ke pelabuhan.
Kebutuhan  radar  di  Indonesia  mulai  dari  800 hingga  900  buah,  tetapi  jumlah  yang  terpasang  saat  ini masih  di  bawah  angka  30  dan  semuanya  buatan  asing. Di  antaranya  adalah  delapan  radar  buatan  AS  yang dipasang di sepanjang Selat Malaka [2].
Karena  fungsi  radar  sangat  penting  untuk transportasi laut dan udara, perlu dilakukan pengembangan  kemampuan  dalam  negeri  Indonesia sendiri  untuk  penyediaan  radar  secara  mandiri.  Dengan keterbatasan  jumlah  radar  dan  banyaknya  wilayah perairan  yang  harus  dilakukan  pengawasan  maka diperlukan sistem radar coastal yang bersifat portable . Portable  coastal  radar mempunyai  keunggulan dalam bentuk kemudahan untuk melakukan pengamatan/monitoring  wilayah  perairan/pantai  dengan berpindah-pindah lokasi sesuai dengan data pengamatan yang  ingin  diperoleh.  Apabila  ditempatkan  pada  posisi yang  tinggi  terhadap  permukaan  air  laut,  maka
folin@ppet.lipi.go.id
PPET - LIPI doi : 10.14203/jet.v13.18-22
jangkauan wilayah pengamatan akan luas/jauh sedangkan  apabila  posisinya  hanya  beberapa  meter  dari permukaan  air  laut  maka  wilayah  pengamatan  hanya sedikit  areanya.
Portable coastal radar yang akan dibuat menggunakan  teknologi  FM-CW  ( frequency  modulated continuous wave ). Gambar 1 memperlihatkan rancangan portable  coastal  radar yang  dapat  bersifat stand  alone (berdiri  sendiri/tidak  tergantung  pada  kendaraan),  di mana ada satu kontainer yang berisikan perangkat sistem radar  termasuk  semua  perangkat  elektronika,  radio frequency ,  komputer  + display , power  supply ,  dan perangkat  untuk  menaik-turunkan  radar.  Di  belakang kontainer  ini  terdapat  satu  sistem generator (genset) untuk  memberikan power  supply listrik.  Kontainer  dan genset  ini  akan  ditarik  menggunakan  kendaraan  seperti truk.
Ø GENSET  UNIT Tx Antena Rx Antena Control Mechanic Indicator Display RAK MODUL UPS LCD LCD Switch/Hub IF Modul DSP Modul DDS Modul AIS Modul Outriggers Outriggers Outriggers Antenna AIS / GPS 2 0 0 C m Gambar1. Rancangan Portable Coastal Radar.
Salah  satu  bagian  dari  sistem  radar  adalah  antena seperti  terlihat  pada  Gambar  1.  Jenis  antena  yang  bisa digunakan untuk sistem coastal radar antara lain antena reflektor  dan  antena  mikrostrip.  Antena  reflektor mempunyai gain yang  besar  [3]  dan beamwidth yang sempit, tapi untuk frekuensi rendah mempunyai dimensi yang  cukup  lebar  sehingga  tidak  cocok  digunakan  pada sistem  radar portable .  Penggunaan  antena  mikrostrip dalam sistem radar telah dibahas pada  [4], substrat yang digunakan  adalah  RT  5880  di  mana  ketersediaan  bahan harus  diimpor  dari  luar  negeri  dan  harganya  relatif mahal.
Pada penelitian ini akan dibahas tentang desain dan simulasi  antena Portabel  Coastal Radar dengan menggunakan  substrat  yang  tersedia  di  dalam  negeri sehingga mudah dalam fabrikasi. Radar ini menggunakan frekuensi S-band dengan frekuensi kerja 3 GHz.  Jenis  antena  yang  digunakan  yaitu  mikrostrip dengan  menambahkan array secara  horisontal  untuk mempersempit beamwidth dan meningkatkan gain .

## II. T EORI D ASAR
Dalam  sistem  komunikasi  tanpa  kabel  salah  satu komponen  yang  memegang  peranan  penting  adalah antena.  Antena  merupakan  sebuah  perangkat  yang digunakan  untuk  memancarkan  dan  atau  menerima gelombang  elektromagnetik.  Dapat  dikatakan  juga bahwa  antena  adalah transformator antara  gelombang terbimbing  dengan  gelombang  bebas  [5].  Gelombang elektromagnetik yang dibangkitkan pada sistem pemancar  akan  dilewatkan  dalam  suatu  saluran transmisi,  gelombang  elektromagnetik  yang  masih
berada  dalam  saluran  transmisi  bisa  disebut  sebagai gelombang  terbimbing,  setelah  melewati  saluran transmisi  maka  gelombang  elektromagnetik  akan dipancarkan  ke  udara  bebas,  sehingga  gelombang elektromagnetik menjadi gelombang bebas.  Pada sistem penerima  gelombang  bebas  akan  ditangkap antena  yang kemudian  akan  berubah  menjadi  gelombang  terbimbing setelah  dilewatkan  dalam  saluran  transmisi,  kemudian gelombang  elektromagnetik  tersebut  akan  diteruskan  ke bagian penerima.
Sedangkan menurut definisi yang terdapat pada The IEEE  Standard  Definitions  of  Terms  for  Antenas ,  yaitu definisi  antena  adalah  suatu  alat  yang  digunakan  untuk meradiasikan  atau  menerima  gelombang  radio  [6].  Dari sini terlihat bahwa suatu struktur dikatakan antena adalah ketika struktur tersebut dapat berfungsi sebagai penerima maupun, meradiasikan gelombang radio.
Antena  mikrostrip  adalah  antena  yang  saat  ini popular  karena  memiliki  keunggulan-keunggulan  yang memenuhi permintaan akan antena yang kecil dan ringan sehingga  kompatibel  dan  mudah  diintegrasikan  untuk aplikasi yang sifatnya mobile communication [7].
Secara  fisik  antena  mikrostrip  ini  terlihat  sangat sederhana  karena  hanya  berupa  lempengan  PCB  pada umumnya.  Pada  dasarnya  antena  mikrostrip  terdiri  dari tiga  bagian  yaitu patch, substrat, dan ground  plane ,  ini dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Antena Mikrostrip .

## F. Patch Antena Persegi
Salah  satu  yang  paling  mudah  dan  paling  banyak digunakan  dalam  perancangan patch antena  mikrostrip adalah antena patch rektangular.
Gambar 3. Distribusi Medan Listrik pada Antena Mikrostrip [8].
Pada  antena  mikrostrip,  panjang patch peradiasi L biasanya  dibuat  mendekati  λ/2  (λ  di  sini  adalah wavelength pada  substrat) agar rongga antara patch dan ground beresonansi [8] seperti Gambar 3.
Perancangan antena biasanya menggunakan persamaan  di  bawah  ini  untuk  menentukan  lebar patch ( W ) optimum [4]:
√
(1)
 r merupakan  konstanta  dielektrik/ relative  permit- tivity dari substrat dan c adalah kecepatan cahaya dalam ruang  bebas  sebesar  3.10 8 m/s.  Dengan  memperhitung- kan pengaruh medan limpahan pada sisi yang meradiasi, panjang fisik ( L ) antena dapat ditentukan dengan cara:
√ (2)
dimana  eff adalah konstanta dielektrik efektif, yakni:
√ (3)
Δ L adalah  besarnya  medan  limpahan  gelombang elektromagnet dari patch , yakni:
( ) ( ) (4)
[ ( ) ( ) ] (5)
di mana: h = tebal substrat (mm),
W = lebar patch (mm).
G. Antena Array
Antena array atau  sering  disebut  sebagai phased array adalah  susunan  dari  2  antena  atau  lebih.  Sinyal dari  antena  tersebut  digabung  atau  diproses  untuk meningkatkan  performansi  yang  diperoleh  dari    satu antena. Tujuan  membuat  antena array antara  lain  untuk meningkatkan gain antena,  meningkatkan directivity antena,  mengarahkan  daya  pancar  menuju  sektor  sudut yang  diinginkan,  menentukan  arah  kedatangan  sinyal, dan  memaksimalkan  SNR  ( Signal  to  Interference  Plus Noise Ratio ) [9].
Jumlah  elemen,  pengaturan  geometris,  amplitudo relatif  dan  fase  relative  dari  antena  yang  akan  di- array bergantung  pada  pola  sudut  yang  harus  dicapai.  Jika antena array telah  dirancang  untuk  fokus  ke  arah tertentu,  maka  akan  mudah  untuk  mengarahkan  ke beberapa  arah  lain  dengan  mengubah  fase  relative  dari elemen array ,  proses  ini  disebut steering atau scanning [10].
Gambar 4 menunjukkan beberapa contoh array satu dan  dua  dimensi  yang  terdiri  dari  antena  linear  yang identik.
Jika  sebuah  elemen  antena  linier  dipasang  searah sumbu z maka akan menghasilkan pola omni directional pada sudut azimut φ. Dengan mereplikasi elemen antena sepanjang  sumbu  x  atau  sumbu  y  maka  tidak  akan diperoleh  sudut  azimut  φ  yang  simetri.  Ketika  elemen antena  direplikasi  sepanjang  sumbu  z,  maka omni directionality yang  sehubungan  dengan  sudut  azimut  φ dapat  dipertahankan.  Jika  kita  bisa  menentukan  jumlah elemen  array  (a n )  dengan  tepat,  maka  kita  dapat memperoleh nilai gain dan beamwidth yang diinginkan.
Gambar 4. Konfigurasi Array [10].

## III. PERANCANGAN DAN SIMULASI
Spesifikasi  yang  diinginkan  dalam  perancangan antena Portabel Coastal Radar adalah sebagai berikut :
- Frekuensi kerja : S Band - Frekuensi tengah : 3 GHz - VSWR : <1,5 - Bandwidth : 60 MHz - Beamwidth horisontal : < 1° - Impedansi terminal : 50 
Bahan  dielektrik  yang  digunakan  sebagai  substrat pada  antena  adalah epoxy FR4.  Karakteristik  dasar epoxy FR4  sebagai  bahan  dielektrik  yang  digunakan untuk realisasi antena ini adalah sebagai berikut :
- Permitivitas relatif r  : 4,3 - Loss tangent : 0,035 - Ketebalan dielektrik : 3,2 mm
- Temperatur kerja : -50 s/d 125 o C Salah  satu  kekurangan  antena  mikrostrip  adalah bandwidth yang sempit. Oleh karena itu pada penelitian ini  kami  menggunakan  ketebalan  dielektrik  3,2  mm dengan  tujuan    memperlebar bandwidth antena  agar sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan.
Geometri  antena array yang  didesain  dapat  dilihat pada Gambar 5.
(a) (b) Gambar 5. (a) Geometri Antena Tampak Depan,  (b) Geometri Antena Tampak Belakang. 120 mm 50mm 23,1 m m 23,1 m m
Pada  Gambar  5  dapat  dilihat  antena  terdiri  dari empat  buah patch yang  di- array secara  horisontal, bentuk  ini  dipilih  karena  sinyal  akan  diterima  oleh masing-masing patch secara  bersamaan  karena  masing- masing patch mempunyai  jarak  yang  sama  dengan  titik pencatuan.  Pada  tampak  belakang  terlihat  antena  dicatu dengan menggunakan konektor SMA dengan groundplane selebar  substrat.  Panjang  1  modul  antena adalah 120 mm.

## A. Hasil Simulasi 1 Modul Antena
Antena  disimulasi  dengan  menggunakan software 3D  yang  bekerja  pada domain frekuensi  untuk  melihat performansi antena yang didesain.
Hasil  simulasi  parameter  s 11 dan  VSWR  antena ditunjukkan pada Gambar 6 dan 7.
Gambar 6. Hasil Simulasi S 11 Antena.
Gambar 7. Hasil Simulasi VSWR Antena.
Dari  Gambar  6  dapat  disimpulkan  antena  yang didesain bekerja pada frekuensi yang diinginkan, hal ini terlihat  dari  nilai return  loss terbaik  sebesar    -25  dB diperoleh  pada  frekuensi  3GHz.  Nilai  VSWR  ≤  1,5 diperoleh pada rentang  frekuensi  2,9608  sampai dengan 3,0409,  sehingga bandwidth antena  hasil  simulasi sebesar 80,1 MHz.
Pola radiasi antena hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar  8. Beamwidth horisontal  antena  hasil  simulasi dapat  dilihat  pada  Gambar  8  (a)  yaitu  sebesar  37°, sedangkan beamwidth vertikal  antena  seperti  terlihat pada Gambar 8 (b) sebesar 92,1°. Beamwidth horisontal antena  masih  belum  sesuai  dengan  spesifikasi  yang diinginkan,  sehingga  perlu  ditambahkan array secara horisontal.
Gain antena  hasil  simulasi  diperoleh  sebesar  8,049 dB seperti ditunjukkan pada Gambar 9.
Gambar 9. Hasil Simulasi Gain Antena
B. Hasil Simulasi Antena Array Horisontal
Untuk  memperkecil beamwidth horisontal  maka modul  antena  yang  telah  disimulasi  di- array ke  arah horisontal.  Geometri  antena  yang  telah  di- array ditunjukkan pada Gambar 10.
(a) (b)
Gambar 8. Hasil Simulasi Pola Radiasi Antena, (a) Beamwidth Horisontal, (b) Beamwidth Vertikal

## Gambar 10. Geometri Antena Array.
Jumlah  antena  yang  di- array secara  horisontal adalah  30  buah  modul  antena,  panjang  keseluruhan antena  adalah  3600  mm.  Hasil  simulasi beamwidth antena array dapat dilihat pada Gambar 11.
Gambar 11. Beamwidth Horisontal Antena Array.
Terlihat  pada  Gambar  11  dengan  menyusun  antena secara  horisontal  dapat  menurunkan beamwidth antena. Beamwidth horisontal  antena array hasil  simulasi  telah memenuhi  spesifikasi  yang  ditentukan  yaitu  sebesar 0,9°.
Dengan bertambahnya jumlah antena yang di- array maka gain antena  juga  akan  meningkat.  Antena array dengan  jumlah  30  modul  antena patch menghasilkan gain sebesar 21,11 dB seperti ditunjukkan pada Gambar 12.

## K ESIMPULAN
Antena portable  coastal radar yang  telah  didesain dan disimulasi  dapat  bekerja pada  frekuensi  3 GHz dan menunjukkan  performansi  kerja  yang  sesuai  dengan spesifikasi  yang  diinginkan.  Dengan  menambahkan elemen  antena  yang  di- array secara  horisontal  terbukti dapat mengurangi beamwidth horisontal dan meningkatkan gain antena. Bandwith antena  juga  dapat ditingkatkan dengan menambah ketebalan substrat.
Fabrikasi  dan  pengukuran  antena  akan  dilakukan pada penelitian selanjutnya  untuk  membandingkan hasil simulasi antena yang didesain.

## D AFTAR P USTAKA
[1] (2013)  Radar  sebagai  mata  pengawas  wilayah  NKRI  [Online]. Available: http://www.radar-nasional.org/home/51-radar- sebagai-mata-pengawas-wilayah-nkri
[2] Y. Ekawati. (2013), Teknologi radar, dengan radar amati pantai, [Online]. Available: http://www.informatika.lipi.go.id/ipt/index.php?option=com_co ntent&view=article&id=195%3Ateknologi-radar-dengan-radar- amati-pesisir&catid=1%3Alatest-news&Itemid=59&lang=in
[3] M.  Alaydrus.  (2013),  Antena  reflector.    [Online],  Available: http://kk.mercubuana.ac.id/files/14056-8-305986707439.pdf
[4] P.  Daud,  Y.  N.  Wijayanto,  Sulistyaningsih,  dan  S.  Hardiati, “Antena  mikrostrip  patch  array  untuk  aplikasi  sistem  radar maritime”,  dalam Prosiding  Pemaparan  Hasil  Litbang  Ilmu Pengetahuan teknik IV , Bandung 2008, hal B 17-B 21.
[5] H  Judawisastra, Antena  dan  Propagasi  Gelombang ,  Catatan Kuliah, Penerbit ITB, 2010.
[6] The  IEEE  Standard  Definitions  of  Terms  for  Antennas, IEEE Std. 145, 1983.
[7] S.  Rahmadita,  “Perancangan  dan  Realisasi  Antena  Mikrostrip Patch Persegi Dengan Substrat Alumina pada Frekuensi 3,3 -3,4 GHz  Untuk  Aplikasi  Wimax”,  Tugas  akhir,  Institut  Teknologi Telkom, Bandung, 2010.
[8] C.  A.  Balanis, Antenna  Theory  Analysis  and  Design, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc, 2005
[9] (2013)  Antenna  arrays  (Phased  arrays).  [Online].  Available: http://www.antenna-theory.com/arrays/main.php
[10] (2013) Waveguides. [Online]. Available:
http://www.ece.rutgers.edu/~orfanidi/ewa/ch19.pdf