1172: Sugihartono & Joko Suryana TI-25 DESAIN DAN REALISASI ANTENA MOBILE BROADBAND VSAT PITA KU-BAND/KA-BAND DENGAN KEMAMPUAN AUTO BEAM STEERING Sugihartono dan Joko Suryana Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesa 10 Bandung 40132, Telepon (022) 2501661 e-mail: sugihartono@ltrgm.ee.itb.ac.id Disajikan 29-30 Nop 2012 ABSTRAK Pada penelitian ini, akan dirancang dan diimplementasikan antena mobile VSAT berbasis mikrostrip phased array pada pita Ku / Ka band yang memiliki kemampuan auto beamsteering untuk memenuhi kebutuhan komunikasi satelit bergerak broadband. Sistem antena mikrostrip phased array pita Ku/Ka band yang dirancang memiliki ketebalan 6 cm dengan kemampuan scanning dua dimensi. Susunan antena phased array yang dirancang terdiri dari deretan 8 subarray mikrostrip 4 x 16 pada pita Ku / Ka-band baik pada sisi uplink maupun sisi downliknya. Subarray 4 x 16 terdiri 64 patch elemen antena dengan saluran pencatu 50 ohm dan memiliki polarisasi sirkuler LHCP dengan bandwidth total >500 MHz dan gain >30 dbi untuk Ku-band dan >40 db untuk Ka-band. Untuk mendukung kemampuan auto beamsteering, suatu algoritma penentuan arah satelit akan diimplementasikan dengan teknik Direction of Arrival dibandingkan dengan teknik Kalman Filtering untuk menjejak posisi satelit secara kontinu walaupun kendaraan dalam keadaan bergerak dan bermanuver. Kata Kunci: Microstrip array, komunikasi satelit, mobile broadband VSAT, polarisasi sirkuler, auto beamsteer, pita Ku-band / Ka-band I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang Saat ini, kebutuhan akan penyediaan komunikasi broadband pada kendaraan bergerak semakin besar. Kemajuan sistem komunikasi seluler yang pesat beberapa tahun terakhir masih belum bisa memberikan layanan broadband yang merata, sehingga hanya di kota-kota utama saja bisa terlayani. Kebutuhan layanan broadband pada kendaraan bergerak seperti kapal laut, pesawat udara, kereta api dan kendaraan militer yang biasanya melalui daerah-daerah tanpa sinyal seluler broadband dirasakan semakin meningkat. Dalam hal ini, teknologi satelit broadband dianggap sebagai solusi satu-satunya layanan broadband bergerak yang memiliki kelebihan coverage yang area yang sangat luas baik di perkotaan, daerah rural serta terpencil, pegunungan, hutan dan komunikasi di laut. Sistem komunikasi satelit bergerak L-band Inmarsat secara komersial memang sudah memenuhi kebutuhan layanan kendaraan bergerak berbasis satelit, namun mahalnya airtime serta keterbatasan laju data membuat para peneliti mengembangkan komunikasi satelit bergerak pita Ku/Ka-band. Pita Ku/Ka-band ini dianggap solusi yang ideal untuk komunikasi broadband karena bandwidth yang tersedia sangat lebar serta, menurun- GAMBAR 1: Penerapan sistem komunikasi satelit mobile VSAT nya cost perangkat akibat lambda sinyal RF nya lebih pendek, sehingga perangkat RF menjadi lebih kecil. B. Tujuan Penelitian Pada penelitian ini, akan dirancang dan diimplementasikan antena mikrostrip phased array pada pita Ku/Ka band yang memiliki kemampuan auto beamsteering untuk memenuhi kebutuhan komunikasi satelit bergerak broadband. Sistem antena mikrostrip phased array pita Ku/Ka band yang dirancang memiliki ketebalan 6 cm dengan kemampuan scanning dua dimensi. Susunan antena phased array yang diran-
TI-26 cang terdiri dari deretan 8 subarray mikrostrip 4 16 pada pita Ku/Ka-band baik pada sisi uplink maupun sisi downliknya. Subarray 4 16 terdiri 64 patch elemen antena dengan saluran pencatu 50 ohm dan memiliki polarisasi sirkuler LHCP dengan bandwidth total >500 MHz dan gain >30 dbi untuk Ku-band dan >40 db untuk Ka-band. Untuk mendukung kemampuan auto beamsteering, suatu algoritma penentuan arah satelit akan diimplementasikan dengan teknik Direction of Arrival dibandingkan dengan teknik Kalman Filtering untuk menjejak posisi satelit secara kontinu walaupun kendaraan dalam keadaan bergerak dan bermanuver. C. Pendekatan Pemecahan Masalah Demi tercapainya sistem komunikasi satelite bergerak (mobile VSAT) broadband Ku-band/Ka-band ini, para peneliti sedang melakukan pengembangan sistem antena yang cost-effective, low profile, gain tinggi serta memiliki kemampuan pengarahan beam pada satelit secara kontinu sambil melakukan pergerakan dan manuver. GAMBAR 2: Antena Satelit Bergerak dengan Parabola Sebelumnya, antena satelit bergerak menggunakan parabola yang terpasang pada stabilized platform dengan motor ganda. Namun demikian, walaupun memberikan gain yang cukup baik, penggunaan antena parabola pada kendaraan darat, laut dan udara terkendala oleh tantangan tekanan udara terhadap parabola serta beratnya massa parabola menuntut sistem kendali motor yang sangat mahal. Oleh karena itu, solusi antena mikrostrip phased array yang flat-thin memungkinkan kendaraan tetap bergerak secara aerodinamis dengan tetap terjaga kontinuitas hubungan telekomu- 1172: Sugihartono & Joko Suryana GAMBAR 3: Antena Satelit Bergerak dengan Flat Microstrip Array nikasi selama bergerak maupun bermanuver. Namun demikian, pengadaan sistem komunikasi satelit bergerak broadband terkendala dengan belum tersedianya perangkat oleh pabrikan dalam negeri. Masih mahalnya import perangkat pendukung satelit bergerak ini, membuat pemanfaatan komunikasi satelit pada kendaraan militer dan komersial baik darat, laut dan udara belum optimal. Sehingga masalah utama pada penelitian ini adalah untuk mendapatkan solusi engineering yang cost effective untuk sistem komunikasi bergerak satelit broadband pita Ku-band/ Ka-band, dan untuk mendapatkan prototip dengan memperbesar TKDN (tingkat kandung dalam negeri ) perangkat telekomunikasi nasional. Dengan meningkatnya TKDN, diharapkan dapat menumbuhkan industri telekomunikasi di dalam negeri Oleh karena itu, pendekatan yang dipakai dalam penelitian ini adalah perancangan dan implementasi sistem antena flat microstrip array untuk mobile broadband VSAT pita Ku-band/ Ka-band terdiri pada dua komponen utama yaitu sistem antena flat array gain besar yang ringan serta sistem autobeam steering untuk pengarahan terus menerus ke arah satelit yang menjaga kontinuitas link. II. METODOLOGI Pada penelitian ini, akan fokus pada perancangan dan implementasi antena mikrostrip phased array pada pita Ku/Ka band yang memiliki kemampuan auto beamsteering untuk memenuhi kebutuhan komunikasi satelit bergerak broadband. Sistem antena mikrostrip phased array pita Ku/Ka band yang dirancang memiliki ketebalan 6 cm dengan kemampuan scanning dua dimensi. Susunan antena phased array yang dirancang terdiri dari deretan 8 subarray mikrostrip 4 16 pada pita Ku/Ka-band baik pada sisi uplink maupun sisi downliknya. Subarray 4 16 terdiri 64 patch elemen antena dengan saluran pencatu
1172: Sugihartono & Joko Suryana TI-27 50 ohm dan memiliki polarisasi sirkuler LHCP dengan bandwidth total >500 MHz dan gain >30 dbi untuk Kuband dan >40 db untuk Ka-band. Untuk mendukung kemampuan auto beamsteering, suatu algoritma penentuan arah satelit akan diimplementasikan dengan teknik Direction of Arrival dibandingkan dengan teknik Kalman Filtering untuk menjejak posisi satelit secara kontinu walaupun kendaraan dalam keadaan bergerak dan bermanuver. GAMBAR 4: Ilustrasi Bentuk Fisik Antena GAMBAR 5: Blok diagram sistem antena Pada tahun pertama akan dikembangkan prototip antena mikrostrip phased array Ku-band dengan kemampuan scanning dua dimensi dengan algoritma penjejakan berbasis algoritma DOA (direction of arrival). Pada tahun kedua, dikembangkan prototip antena mikrostrip phased array dualband Ku/Ka-band yang memiliki kemampuan scanning dua dimensi yang lebih halus dengan penjejakan berbasis algoritma Modified DOA. Pada tahun ketiga, prototip antena mikrostrip phased dual band Ku/Ka-band yang memiliki kemampuan scanning dua dimensi yang lebih baik dan dengan penjejakan berbasis Kalman Filtering dan Extended Kalman Filtering. A. Penentuan Spesifikasi Teknis Penentuan spesifikasi teknik sistem mobile VSAT/satelit bergerak mengacu pada data-data teknis EIRP satelit Ku/Ka-band yang ada di atas Indonesia serta kebutuhan komunikasi bergerak satelit di pemerintahan, militer dan enterprise. Penentuan spesifikasi terkait dengan kebutuhan gain minimal, range frekuensi kerja, polarisasi, kecepatan kendaraan, laju data broadband yang diinginkan secara respon pengarahan antena yang dipersyaratkan. B. Pemilihan Sistem Antena Hasil penentuan spesifikasi teknis akan menentukan persyaratan sistem antena yang akan dipakai. Dalam hal ini, penelitian akan difokuskan pada phased array microstrip. Susunan antena phased array yang dirancang terdiri dari deretan 8 subarray mikrostrip 4 16 pada pita Ku/Ka-band baik pada sisi uplink maupun sisi downliknya. Subarray 4 16 terdiri 64 patch elemen antena dengan saluran pencatu 50 ohm dan memiliki polarisasi sirkuler LHCP dengan bandwidth total >500 MHz dan gain >30 dbi untuk Ku-band dan >40 db untuk Ka-band. C. Pemilihan Teknik Autobeam Steering Deteksi sinyal lemah satelit yang berjarak 36.000 km dari bumi dapat dianggap sebagai problem pendeteksian sinyal yang diingkan terhadap derau sekitar. Suatu penerima heterodyne yang dikombinasikan dengan LNA akan dipilih untuk mengatasi derau lingkungan ini. Pada penelitian ini digunakan 4 kanal penerima pencari arah satelit yang masing-masing mewakili kuadrant A, B, C dan D. Dalam hal ini sistem penerima 4 kanal ini dirancang mendukung operasi autobeam steering dengan teknik tracking monopulse secara cepat dan akurat. Berikut ini bagan sistem auto beam steering yang akan dibuat. D. Pemilihan Algoritma Autobeam Steering Untuk melakukan autobeam steering dengan metode monopulse, algoritma yang dipakai menggu-
TI-28 GAMBAR 6: Blok diagram autobeam steering nakan tiga langkah utama yaitu: Akuisisi, Tracking Tentatif dan Confirmed Tracking. Pada tahun pertama akan dikembangkan scanning dua dimensi dengan algoritma autobeam steering berbasis algoritma DOA (direction of arrival). 1172: Sugihartono & Joko Suryana Ku-band yang ada diatas Indonesia. Sedangkan Kaband di tahun kedua. Ujicoba lapangan ini akan menentukan evaluasi riil dari sistem tracking yang diimplementasikan dalam hal : Kegesitan dalam estimasi azimuth dan elevasi, Kecepatan waktu respon dan Akurasi. III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Penentuan Spesifikasi Teknis Penentuan spesifikasi teknik sistem mobile VSAT/satelit bergerak mengacu pada data-data teknis EIRP satelit Ku/Ka-band yang ada di atas Indonesia serta kebutuhan komunikasi bergerak satelit di pemerintahan, militer dan enterprise. Penentuan spesifikasi terkait dengan gain minimal, frekuensi kerja, polarisasi, kecepatan kendaraan, laju data yang diinginkan secara respon pengarahan antena yang dipersyaratkan. TABEL 1: Spesifikasi Teknis GAMBAR 7: Flowchart algoritma beam steering E. Pengukuran Kinerja Pada tahap pengukuran kinerja ini, beberapa pengukuran akan dilakukan terkait dengan kinerja sistem antena serta kinerja algoritma tracking yang telah diimplementasikan. Pengukuran meliputi kinerja subsistem antena dan pengukuran subsistem transceiver serta kinerja subsistem DSP terkait dengan pengarahan beam secara otomatis ke satelit. F. Pengujian di Lapangan Pada tahap ini di tahun pertama, ujicoba lapangan yang akan dilakukan terutama untuk tracking satelit B. Perancangan Antena Hasil penentuan spesifikasi teknis akan menentukan persyaratan sistem antena yang akan dipakai. Dalam hal ini, penelitian akan difokuskan pada phased array microstrip. Susunan antena phased array yang dirancang terdiri dari Subarray 4 4 pada pita Kubanddan Subarray 4 16 pada pita Ku-band. Subarraysubarray tersebut tersusun dari patch elemen antena dengan saluran pencatu 50 ohm dan memiliki polarisasi sirkuler LHCP dengan bandwidth total >500 MHz dan gain >30 dbi untuk Ku-band dan >40 db untuk Kaband. Pada gambar hasil simulasi S11 Subarray 4 4 Kuband terlihat bahwa bandwidth antena sudah mencapai kurang-lebih 500 MHz yang ada di spesifikasi desain. Antena subarray sanggup bekerja di pita 11.7 GHz sampai dengan 12.2 GHz. Sedangkan hasil perancangan Subarray 4 16 Ku-band :
1172: Sugihartono & Joko Suryana TI-29 GAMBAR 11: Simulasi S11 Subarray 4 16 Ku-band GAMBAR 8: Hasil Perancangan Subarray 4 4 Ku-band mencapai 500 MHz sesuai dengan yang ada di spesifikasi desain. Antena subarray sanggup bekerja di pita 12.4 GHz sampai dengan 12.9 GHz atau memiliki bandwidth 500 MHz. C. Tahap Implementasi Antena SubArray Ku-band Setelah tahap desain dan simulasi antena, berikutnya dilakukan pabrikasi antena menggunakan material mikrostrip dengan substrat RO4003C dengan metode photo etching. Hasil implementasi menunjukkan tingkat ketelitian proses pabrikasi adalah 0.2 mm. Kemudian dilakukan pemasangan konektor SMA 50 ohm untuk sambungan probing. GAMBAR 9: Simulasi S11 Subarray 4 4 Ku-band GAMBAR 10: Hasil Perancangan Subarray 4 16 Ku-band Pada gambar hasil simulasi parameter Subarray 4 16 Ku-band terlihat bahwa bandwidth antena belum GAMBAR 12: Foto Implementasi Antena Subarray 4 4 Ku-band
TI-30 1172: Sugihartono & Joko Suryana GAMBAR 13: Foto Implementasi Antena dua subarray 4 16 Kuband D. Tahap Pengukuran Antena SubArray Ku-band Setelah tahap pabrikasi antena, dilakukan pengukuran laboratorium untuk parameter VSWR dan Pola Radiasi. Pengukuan VSWR diperlukan utnuk mengetahui apakah antena sudah memiliki impedansi masukan sebesar 50 ohm agar tercapai transfer daya maksimum. Selain itu, pengukuran VSWR juga berkait dengan seberapa besar bandwidth kerja antena. GAMBAR 15: Hasil Pengukuran VSWR Antena Subarray 4 16 Ku-band GAMBAR 16: Foto Pengukuran Pola Radiasi Subarray 4 4 Kuband GAMBAR 14: Hasil Pengukuran VSWR Antena Subarray 4 4 Ku-band Sedangkan pengukuran pola radiasi terkait dengan representasi perbandingan daya keluar atau masuk dari antena pada berbagai arah. Pengukuran pola radiasi penting untuk mengetahui pola pancaran baik arah terima maupun arah transmit dan juga untuk menentukan gain antena. Sedangkan pola radiasi antena subarray 4 16 kuband telah dievaluasi dan diplot dengan perangkat lunak RF. E. Perancangan Platform Auto beam Steering ke Satelit Setelah tahap pabrikasi antena dan pengukuran laboratorium untuk parameter VSWR, tahap berikutnya adalah melakukan perancangan platform tracking satelit. Pada kegiatan ini, telah dilakukan perancangan mekanik sistem penggerak azimuth dengan motor listrik dan sistem gearnya.
1172: Sugihartono & Joko Suryana TI-31 GAMBAR 17: Foto Pola Radiasi Subarray 4 16 Ku-band GAMBAR 19: Foto sistem mikroprosesor ATMega32 yang akan dipakai pada penelitian ini Untuk menggerakan motor tersebut dibutuhkan driver daya yang pengendaliannya dilakukan dengan PWM ( Pulse Width Modulation ) dengan kendali mikroprosesor. Spesifikasi motor yang dipilih bisa digunakan untuk pengendalian beban seberat antena parabola/reflektor yang akan dipakai sebagai sistem monopulse. GAMBAR 18: Foto Platform Autobeam Steering ke Satelit pada pita Ku-band F. Tahap Perancangan Ku-band Flat Array Antenna High Gain 8 Subarray 4 16 Pada tahun pertama riset ini, dilakukan pengujian penerimaan sinyal TV Satelit dengan frekuensi kerja Ku-band dengan antena yang telah dikembangkan pada penelitian ini. Untuk mendapatkan antena penerima TV Satelit dengan gain yang cukup, telah dikembangkan antena Ku-band Flat Array Antenna High Gain 8 Subarray 4 16. Berikut perbandingan antena komersial parabola Ku-band dengan prototip antena yang sedang dikembangkan. GAMBAR 20 berikut adalah antena parabola TV Satelit Ku-band AORA: Berikut ini adalah hasil perancangan antena Ku-band Flat Array Antenna High Gain 8 Subarray 4 16. G. Tahap Implementasi Ku-band Flat Array Antenna High Gain 8 Subarray 4 16 Pada tahap ini, telah diduplikasi prototip subarray 4 16 untuk kebutuhan Ku-band Flat Array Antenna High Gain 8 Subarray 4 16. Dari perhitungan analisis didapatkan bahwa gain antena Ku-band Flat Array Antenna High Gain 8 Subarray 4 16 telah mencukupi untuk penerimaan TV satelit Ku-band. Keuntungan yang didapatkan dari implementasi Ku-band Flat Array Antenna High Gain 8 Subarray 4 16 adalah selain ukuran antena yang lebih kecil dibanding parabola, rancangan antena dengan mudah diaplikasikan pada kendaraan bergerak karena lebih kecil tekanan udaranya. Pada tahap ini, diimplementasikan juga Butler matrix untuk pengarahan berkas adaptif pada arah elevasi, sedangkan pada arah azimuth menggunakan motor stepper untuk kecepatan adaptasi akibat pergerakan atau manuver kendaraan dimana antena terpasang.
TI-32 1172: Sugihartono & Joko Suryana GAMBAR 22: Antena 8 Subarray 4 16 Ku-band Patch GAMBAR 20: AORA Antena parabola komersial TV Satelit Ku-band GAMBAR 21: Rancangan antena Ku-band untuk Mobile VSAT Ku-band IV. KESIMPULAN Dari paparan hasil riset di atas, dapat disimpulkan bahwa Telah tercapai target kegiatan riset untuk bulan 1 sampai dengan bulan 10 dengan anggaran 100% dari total anggaran. 1. Menentukan spesifikasi platform antena satelit bergerak mikrostrip phased array Ku/Ka-band 2. Merancang sistem antena, rangkaian RF pendukung dan modul pencari arah satelit 3. Mengimplementasikan Antena Microstrip Phased array dan Algoritma Tracking 4. Melakukan pengujian penerimaan sinyal TV Satelit Ku-band Komersial GAMBAR 23: Implementasi Butler Matrix DAFTAR PUSTAKA [1] Sugihartono dkk., Laporan Akhir SINAS 2012, Riset Insentif Nasional 2012, Kemenristek [2] Joko Suryana, Mobile Ku/Ka-band GEO Satellite Propagation Measurements using Automatic Tracking Dish Antenna for Emergency Telemedicine Services, ISAP 2006, November 1-4, 2006