sistem radar x-band untuk marine - Penelitian

Pusat Penelitian Informatika - LIPI
SISTEM RADAR X-BAND UNTUK MARINE
Deni Permana, Syamsu Ismail, Purwanto Adi, Agus Deni, Mulyadi
Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi (PPET) – LIPI
Jl. Cisitu No. 21/154D Bandung 40135
ABSTRACT
Radar X-Band for Marine System to representing a pulse radar system which consist of
one transmitter unit and one receiver unit, is same as integrated radar system in general.
Pulse the capturer Signals by receiving antenna ( horn) which in the form of signal bound (
echo) still very weak, so that must be done a reinforcement phase. This matter is done by at
part of radio frequency lasing ( RF) before entering at mixing phase ( mixer). In part of
this mixer is conducted by mixing between incoming signal from radio frequency lasing (
RF) with signal coming from local pulse generating ( oscillator local). Exterior from this
mixer will enter to part of frequency lasing between ( IF Amplifier), and also will be done
by selectivity by a part of Band Pass Filter (BPF) and continued to part of which detector
will be conducted by detection to wanted pulses, and eliminate pulses which is not chosen.
Hereinafter pulses which have in form of the video signal, will enter to part of Processing
of Signal Digital (DSP) and is finally presented by at monitor.
ABSTRAK
Sistem radar X-Band untuk Marine, merupakan suatu sistem radar pulsa yang terdiri dari
satu unit pemancar dan satu unit penerima, sama seperti sistem radar yang terintegrasi
secara umum. Sinyal-sinyal pulsa yang ditangkap oleh antena penerima (horn) yang
berupa sinyal pantul (echo) masih sangat lemah, sehingga harus dilakukan suatu tahap
penguatan. Hal ini dilakukan pada bagian penguat frekuensi radio (RF) sebelum masuk
pada tahap pencampuran (mixer). Di bagian mixer ini dilakukan pencampuran antara
sinyal yang datang dari penguat frekuensi radio (RF) dengan sinyal yang berasal dari
pembangkit pulsa lokal (local oscillator). Luaran dari mixer ini akan masuk kepada suatu
bagian penguat frekuensi antara (IF Amplifier), serta akan dilakukan pemilahanpemilahan oleh suatu bagian pelolos pita tengah (Band Pass Filter) dan diteruskan kepada
suatu bagian detektor yang mana akan dilakukan pendeteksian terhadap pulsa-pulsa yang
diinginkan, dan menghilangkan pulsa-pulsa yang tidak terpilih. Selanjutnya pulsa-pulsa
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik
1
Bandung, 29 – 30 Juli 2003
yang sudah berbentuk sinyal video tersebut, akan masuk kepada bagian pengolahan sinyal
(Digital Signal Processing) dan akhirnya ditampilkan pada layar monitor (peraga).
PENDAHULUAN
Sistem radar X-Band merupakan suatu sistem radar pulsa, sama seperti sistem radar yang
terintegrasi secara umum. Pada sisi pemancar akan dibangkitkan suatu sinyal-sinyal pulsa
oleh suatu sub-sistem pembangkit pulsa (power oscillator) dengan menggunakan
magnetron. Magnetron ini bekerja pada frekuensi X-Band yang biasanya dipergunakan
pada sistem radar marine, sinyal pulsa yang sudah dibangkitkan tersebut akan mengalami
suatu tahap pemodulasian di dalam rangkaian modulasi yaitu sub-sistem modulator type
Lini yang berintikan komponen Hydrogen Thyratron Type FX 2530, sementara pada sisi
penerima, sinyal-sinyal pulsa yang diterima oleh horn antena, masih sangat lemah
sehingga harus dilakukan suatu tahap penguatan terlebih dahulu di bagian penguat
frekuensi radio (RF) sebelum masuk pada tahap pencampuran (mixer). Di bagian mixer ini
dilakukan pencampuran antara sinyal yang datang dari penguat frekuensi radio (RF)
dengan sinyal yang berasal dari pembangkit pulsa lokal (local oscillator). Luaran dari
mixer ini akan masuk kepada suatu bagian penguat frekuensi antara (IF Amplifier), serta
akan dilakukan pemilahan-pemilahan oleh suatu bagian pelolos pita tengah (Band Pass
Filter) dan diteruskan kepada suatu bagian detektor yang mana akan dilakukan
pendeteksian terhadap pulsa-pulsa yang diinginkan, dan menghilangkan pulsa-pulsa yang
tidak terpilih. Selanjutnya pulsa-pulsa yang sudah berbentuk sinyal video tersebut, akan
masuk kepada bagian pengolahan sinyal (Digital Signal Processing) dan akhirnya
ditampilkan pada layar monitor (peraga). Selain modulator, pada sisi pemancar juga
terdapat sub-sistem Trigger Unit yang berfungsi untuk mengatur sinyal-sinyal pulsa yang
akan dipancarkan, sehingga dengan trigger unit ini dapat diatur kapan Hydrogen Thyratron
aktif atau pasif tergantung dari sinyal pemicu. Kemudian sinyal pulsa yang telah
dimodulasi ini mengalami satu tahap penguatan sinyal dan akhirnya dipancarkan melalui
antena pemancar (Horn Antenna).
Pelaksanaan kegiatan yang dilakukan pada tahun anggaran 2001 ini, meliputi penelitian
kepada sistem pemancar dengan sub-sistem Modulator Type Lini, dengan Unit Pembangkit
Pulsa, Unit PFN, Unit Charging Reactor, Unit DC to DC Converter, Sub-sistem Switching
2
Pemaparan Hasil Litbang 2003
Pusat Penelitian Informatika - LIPI
DC to DC Converter, Sub-sistem Low Level Intermediate Frequency (IF) Pulse, serta Hi
Power Amplifier dengan Unit Driver dan Unit Final Amplifier, Wave Guide Directional
Coupler, Wave Guide Coax Adapter, sehingga bila keseluruhan dari sub-sistem ini
diintegrasikan, maka akan dihasilkan suatu sistem pemancar radar terintegrasi yang bekerja
pada frekuensi X-Band.
Pada Sub-sistem Modulator, dipergunakan sistem Modulator Type Lini, dengan
memfungsikan Hydrogen Thyratron Type FX 2530 sebagai switch, sehingga lebar pulsa
yang dihasilkan oleh pembangkit pulsa (pulse oscillator) tidak berpengaruh terhadap lebar
pulsa yang dihasilkan, karena amplitude merupakan faktor penting pada proses pemicu,
dengan besaran waktu sama dengan nol (t = 0). Dalam sub-unit DC to DC Converter, tidak
diperlukan tegangan yang terlalu besar, karena untuk menggerakkan Hydrogen Thyratron
diperlukan tegangan yang lebih kecil dari tegangan katode (HV < VK). Karena sifat dari
Hydrogen Thyratron ini seperti Thyristor dengan salah satu elektrodanya merupakan
kendali (gerbang) terpisah, untuk memungkinkan pemberian level tegangan yang akan
memulai Thyristor tersebut konduksi. Karena sifat khasnya tersebut, maka diperlukannya
suatu sistem yang dapat mematikan tabung Hydrogen Thyratron tersebut secara otomatis,
maka dirancang suatu sub-unit Charging Reactor, yang akan membangkitkan suatu
tegangan balik dari Magnetron dengan polarisasi yang terbalik, hal ini terjadi karena antara
lilitan primer dan lilitan sekunder pada transformator terdapat keadaan yang mismatch
pada Impedansi Karakteristiknya (Zo), sehingga akan mematikan sistem yang terkunci.
Dibawah ini diperlihatkan suatu rangkaian dari trigger unit.
Gambar 1. Rangkaian Trigger Unit
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik
3
Bandung, 29 – 30 Juli 2003
ROTATION
DETECTOR
ROTARY
JOINT
LOW
NOISE
RF OUT
HORN
ANT.
W/G
TRANS.
RF - TX
MIXER
LNA
BPF
IF
AMP.
AGC
AMP.
LOCAL
OSC.
Gambar 2. Sistem Penerima radar yang Terintegrasi
Sistem radar X-Band yang bekerja pada frekuensi 8.5 GHz sampai 12.5 GHz merupakan
suatu sistem radar pulsa yang salah satu contoh pemakaian umum pada radar marine.
Radar Marine ini biasa digunakan pada kapal-kapal laut berukuran menengah ke atas (
>800 dwt ), baik komersial maupun pribadi. Radar ini dipergunakan untuk mengetahui
situasi dan posisi di disekitar kapal, baik itu terhadap kapal laut lain ataupun daratan, juga
sebagai alat bantu navigasi. Selain itu juga digunakan oleh pihak pemerintah seperti
Direktorat Jenderal Bea dan Cukai, yang dipakai sebagai Radar Pengawas Pantai.
PERENCANAAN SISTEM
Penelitian yang dilakukan meliputi kegiatan pengintegrasian dari sub-sistem – sub-sistem
yang telah dibuat dengan melakukan juga modifikasi pada beberapa bagian dengan
mempertimbangkan faktor-faktor seperti pembebanan, impedansi karakteristik, coupling
langsung dan tidak langsung, matching impedance dan lain-lain yang diketahui setelah di
lapangan. Bagian-baian dari sistem yang dilakukan modifikasi adalah bagian Supply Unit,
Modulator Type Lini, Trigger Unit, Charging Reactor, serta design sub-sistem lain yang
merupakan bagian-bagian dari suatu sistem pemancar radar yang terintegrasi, Selain itu
juga komponen-komponen seperti Wave Guide Directional Coupler, Wave Guide Coax
Adapter, serta komponen-komponen lainnya yang diperlukan pada saat pengukuran
4
Pemaparan Hasil Litbang 2003
Pusat Penelitian Informatika - LIPI
sangatlah berpengaruh sekali dalam hal keberhasilan pembuatan sistem radar terintegrasi
yang bekerja pada frekuensi X-Band.
Dengan spesifikasi teknis yang terdapat pada Magnetron dan Hydrogen Thyratron, maka
dapat ditentukan besarnya Daya Puncak yang terjadi :
- Tegangan Filament (VFIL) Magnetron
= 6,15 Volt
- Tegangan Filament (VFIL) Thyratron
= 5,20 Volt
- Arus Filament (IFIL) Magnetron
= 240 mA
- Arus Filament (IFIL) Thyratron
= 2200 mA
- Frekunsi untuk X – Band adalah 9,5 GHz = 8,0 – 12,5 GHz
Pada tegangan VHV sebesar 380 Volt terdapat Atenuasi sebesar –17,95 dB
Peak Power ⇒ 52 dBm – 17,95 dB ⇒ 34,05 dBm ⇒ 2,541 Watt
Dengan Duty Cycle adalah 3.6653 x 10e-4
Peak Power ⇒ 2,541 Watt : 3.6653 x 10e-4 ⇒ 6932,58 Watt ⇒ 6,93258 Kwatt
Di bawah ini diperlihatkan hasil perhitungan yang dilakukan terhadap sub-sistem Charging
Reactor yang merupakan bagian dari sub-sistem Modulatot type Lini dengan besarnya
Induktansi adalah 452 mH.
-- Self Inductance
= 1,94 Henry
- Modified Gap
= 0.05 mm
µe
⇒ µi : (1 + 0.55/132,6 x 2000)
µe
⇒ 1140,155
Dengan Self Inductance (LH) sebesar 1,94 H maka jumlah lilitan yang diperlukan dapat
dihitung dengan menggunakan perhitungan seperti di bawah ini :
⇒ 5590 √ (1,94 x 5,304) : (0,5576 x 1140,155)
N
N
⇒ 711,166 T ≈
711 T
Perhitungan yang dilakukan terhadap Transformator Impedansi adalah :
1. Untuk realisasi dari rangkaian pada Transformator Impedansi (T2) digunakan Pot Core
H5A-NAG dengan perbandingan antara lilitan primer dan sekunder adalah :
Ns : Np ⇔ 2 : 1 ⇔ 40 : 20, dengan data sebagai berikut,
Np = 840 µH
Dp = 0.033
LPL = 1,2 µH
Ns = 3,22 mH
Ds = 0.017
LSL = 0,01 mH
2. Sementara untuk Transformator Impedansi (T1) digunakan Pot Core YEL. BP 20T
dengan perbandingan antara lilitan primer dan sekunder adalah :
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik
5
Bandung, 29 – 30 Juli 2003
Ns : Np ⇔ 1 : 1, dengan data sebagai berikut,
Lp = 14,8 µH
Dp = 1,288
LPL = 1,8 µH
3. Untuk Transformator Impedansi (T1) digunakan Pot Core GRE. BP 21T dengan
perbandingan antara lilitan primer dan sekunder adalah :
Ns : Np ⇔ 1 : 1, dengan data sebagai berikut,
Lp = 543 µH
Dp = 0,386
LPL = 0,4 µH
HASIL PENGUKURAN DAN PEMBAHASAN
Dengan menggunakan peralatan ukur seperti Dual Display LCR Meter type Escort ELC –
131D untuk mengukur besarnya induktansi, kapasitansi serta resistansi. Dipakai juga
peralatan ukur True RMS Multimeter type Fluke 8060A, untuk mengukur besarnya
tegangan serta arus yang ada pada rangkaian, Oscilloscope Tektronix type TDS 3032,
Programmable DC PSU 35V – 10A sebagai tegangan sumber konstan, serta HP Network
Analyzer, maka dilakukan beberapa pengukuran seperti di bawah ini :
Tabel 1. Hasil pengukuran pada sub-sistem Modulator Type Lini
VHF
(Volt)
100
200
250
300
350
380
390
IHF
(mA)
3,95
13,34
22,75
27,11
27,37
27,40
27,40
Ik
(µA)
5,3
48
207
407
469
481
Att
(dB)
- 31,76
- 23,10
- 19,60
- 17,95
- 17,62
T = 50%
(µs)
1,6
1,0
2,0
2,0
1,2
1,2
1,2
ekc
(Volt)
2,0
8,0
12,0
13,0
13,5
13,5
14,0
Tabel 2. Hasil pengukuran pada Charging Reactor.
HV
(Volt)
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
6
IHF
(mA)
0,473
0,959
1,467
1,969
2,413
2,910
3,372
3,774
4,243
4,680
Vo Peak
(Volt)
40
88
132
175
210
250
290
330
375
430
t50 %
(µs)
1
0,96
0,98
0,98
0,98
1
0.90
0,86
0,70
0,70
tr
(ns)
< 100
< 100
< 100
200
200
200
180
∆V
(Volt)
125
150
150
110
70
105
110
Pemaparan Hasil Litbang 2003
Pusat Penelitian Informatika - LIPI
Luaran yang dihasilkan oleh suatu trigger unit adalah seperti gambar di bawah ini :
Gambar 3. Luaran dari Sistem Trigger Unit
Pada pengukuran Horn Antena dilakukan dengan menggunakan peralatan ukur dari HP
Network Analyzer, dengan frekuensi kerja 8,050.000.000 GHz sampai dengan
12,050.000.000 GHz. Dipilih dan dihasilkan 5 titik yang dinyatakan dengan marker 1
sampai 5, dan terukur besarnya Standing Wave Ratio (SWR) adalah seperti data berikut ini
:
Tabel 3. Hasil pengukuran SWR pada Horn Antena
FREQUENCY
NOMOR MARKER
SWR
8,330.000.000 GHz
MARKER 5
1,4451
8,773.600.000 GHz
MARKER 2
1,0208
9,752.200.000 GHz
MARKER 3
1,0343
10,749.200.000 GHz
MARKER 4
1,0179
11,670.000.000 GHz
MARKER 1
1,0208
Pada pengukuran Horn Antena untuk mengetahui besarnya redaman yang dihasilkan,
dilakukan dengan menggunakan peralatan ukur yang sama yaitu HP Network Analyzer,
untuk frekuensi kerja 8,050.000.000 GHz sampai dengan 12,050.000.000 GHz. Dipilih dan
dihasilkan 5 titik yang dinyatakan dengan marker 1 sampai 5, dan terukur besarnya
Redaman adalah seperti data berikut ini :
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik
7
Bandung, 29 – 30 Juli 2003
Tabel 4. Hasil pengukuran Redaman pada Horn Antena
FREQUENCY
NOMOR MARKER
LEVEL
8,330.000.000 GHz
MARKER 5
-14.769 dB
8,773.600.000 GHz
MARKER 2
-35.526 dB
9,752.200.000 GHz
MARKER 3
-35.005 dB
10,749.200.000 GHz
MARKER 4
-40.856 dB
11,670.000.000 GHz
MARKER 1
-38.738 dB
Untuk mengetahui besarnya impedansi karakteristik dari sebuah Horn Antena yang dibuat,
maka dilakukan beberapa kali pengukuran dengan menggunakan peralatan ukur yang sama
yaitu HP Network Analyzer, Karena frekuensi kerja dari X-Band adalah 8,500.000.000
GHz sampai dengan 12,500.000.000 GHz, maka dilakukan pengukuran dengan frekuensi
kerja 8,050.000.000 GHz sampai dengan 12,050.000.000 GHz. Dipilih dan dihasilkan 5
titik yang dinyatakan dengan marker 1 sampai 5 :
Tabel 5. Hasil pengukuran Impedansi Karakteristik pada Horn Antena
FREQUENCY
NOMOR MARKER
Zo
8,330.000.000 GHz
MARKER 5
49.609 Ω ± 18.555 Ω
8,773.600.000 GHz
MARKER 2
50.520 Ω ± 1.3926 Ω
9,752.200.000 GHz
MARKER 3
51.568 Ω ± 0.8691 Ω
10,749.200.000 GHz
MARKER 4
50.158 Ω ± 0.5977 Ω
11,670.000.000 GHz
MARKER 1
49.174 Ω ± 0.8066 Ω
KESIMPULAN
Pada sisi pemancar, terjadinya saturasi tegangan masukkan puncak (Va Peak) pada
Charging Reactor, dapat diatasi dengan menggunakan Hi Quality Capacitor. Selain itu,
rise-time (τ) yang direncanakan sebesar 0,4 µs (0,1 µs sampai 0,5 µs) telah dapat
dibangkitkan dengan cacat pulsa sebesar 10%, Frekunsi osilator sebesar 9,445 GHz
(Frekunsi X - Band berkisar antara 8,0 sampai 12,5 GHz), dengan Daya maksimum yang
dapat dibangkitkan sebesar 10 Kwatt.
Sedangkan pada sisi peneriman, dapat ditarik beberapa kesimpulan dari hasil pengukuran
di lapangan. Pada pengukuran Horn Antena Pyramidal, besarnya Standing Wave Ratio
8
Pemaparan Hasil Litbang 2003
Pusat Penelitian Informatika - LIPI
(SWR) dihasilkan 1 ± 0.3, Redaman serta besarnya Impedansi karakteristik sebesar 50 Ω ±
, sehingga dapat disimpulkan bahwa Horn Antena tersebut baik pada daerah frekuensi
kerja 8,500.000.0000 GHz sampai 12,500.000.000 GHz (daerah kerja untuk X-Band).
Untuk pembuatan sub-sistem Intermmediate Frequency (IF) dihasilkan luaran yang relatif
datar pada frekuensi 50,000.000 MHz sampai 70,000.000 MHz dengan penguatan sekitar
10 sampai 12 dB. Selain itu juga dihasilkannya penguatan yang cukup baik pada bagian
Automatoc Gain Control (AGC) sekitar 10 sampai 14 dB dengan range frekuensi
50,000.000 MHz sampai 70,000.000 MHz.
DAFTAR PUSTAKA
Edgar Hund. (1989), “Microwave Communications Components and Circuits”, McGraw –
Hill Book Company, California, 204 - 279.
Joseph J. Carr. (1989), “Practical Antenna Handbook”, McGraw – Hill Book Company,
First Edition, California, 59 – 82 ; 247 – 301.
Simon Kingsley and Shaun Quegan. (1993), “Understanding Radar System”, McGraw-Hill
Book Company, Singapore, hal 1 – 15, 28 – 33.
Deni Permana, Arief Suryadi, Syamsu Ismail, Nanag Sudrajat. (2000), “Perencanaan dan
Realisasi Saluran Wave Guide untuk Frekuensi 2.97 GHz pada Sistem Penerima Radar LBand”, Proseding Pemaparan Hasil Litbang Ilmu Pengetahuan Teknik 2000, Jakarta 7 – 8
November 2000.
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik
9