PERANCANGAN BPF CAUER-CHEBYSHEV PITA SEMPIT UNTUK APLIKASI SAR BERBASIS FMCW Zainal Abidin 1, Achmad Munir 2 Laboratorium Telekomunikasi Radio dan Gelombang Mikro Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung 1 z.abidin.mail@gmail.com, 2 munir@ieee.org Abstract It is known that synthetic aperture radar (SAR) was commonly used to obtain a high image resolution of radar detection. Therefore, supporting devices for SAR are almost required. This research is proposed to design bandpass filter (BPF) Cauer-Chebyshev for SAR application. Signal types and techniques of signal generation are important things in the design of the filter. Here, frequency modulated continuous wave (FMCW) method with narrowband response is used as a modulation technique for SAR. Whilst, wideband response was rarely used due to a great attenuation affected by atmosphere. In the design, it shows that the filter is made from lumped elements with Cauer-Chebyshev type of order 5 with the passband area of 25-35MHz. The result demonsrates that the filter has the minimum S 11value of -0.274dB at the passband area of of 25-35MHz and the maximum S 21 value with ripple of -12.141dB at the passband area of of 25-35MHz. It indicates that the value of S 21 at the passband area of of 25-35MHz is almost constant. In adiition, it shows that the filter has a transition area quite narrow but with high complexity on its circuitry. Keyword : BPF, Cauer-Chebyshev, FMCW, synthetic aperture radar, lumped element. 1. Pendahuluan Bandpass filter (BPF) merupakan salah satu komponen penting dalam dunia aplikasi gelombang mikro, radar, dan perangkat RF lainnya. Salah satu fungsi utama dari filter adalah melakukan peredaman sinyal pada daerah stopband dan mentransmisikan sinyal secara sempurna pada daerah passband sehingga keluaran dari filter merupakan sinyal dengan frekuensi pada daerah yang diinginkan (Steven). Berdasarkan fungsi transfernya, secara umum terdapat beberapa jenis filter analog yang umum digunakan, diantaranya adalah filter Butterworth yang memberikan respon cenderung konstan pada daerah passband, dan filter Chebyshev yang memberikan ripple pada daerah passband (Collin, E. Robert). Fungsi transfer tersebut kemudian dikembangkan ke berbagai macam bentuk dan metode, salah satunya adalah Cauer-Chebyshev. Beberapa sumber menyebutkan filter Cauer- Chebyshev ini sebagai filter elliptic. Jika dibandingkan dengan filter Chebyshev, filter ini memiliki tingkat respon yang lebih curam pada daerah transisinya namun lebih kompleks dalam implementasi rangkaiannya (Zverev, A.I.). Sifat lain dari filter Cauer-Chebyshev ini adalah memiliki ripple baik di daerah stopband maupun daerah passband. Hal tersebut berbeda dengan filter Chebyshev yang hanya meiliki ripple di salah satunya saja (Nugroho dan Widi). Salah satu parameter yang dapat dijadikan acuan untuk menunjukkan suatu performansi filter adalah parameter-s (scattering parameter). Secara umum, parameter-s didefinisikan oleh gelombang datang dan gelombang pantul. Prinsipnya menggunakan analisis rangkaian 2 port dengan beberapa istilah diantaranya S 11 dan S 22 (koefisien refleksi), S 12 (isolation), dan S 21 (insertion loss). Indeks angka pada istilah tersebut menunjukkan penomoran port yang diamati dimana penomoran pertama merupakan port keluaran dan penomoran kedua merupakan port masukan. Sehingga S 11 menunjukkan perbandingan antara gelombang pantul pada port 1 dengan gelombang datang pada port 1, begitu juga dengan S 22, S 12, dan S 21. Suatu filter disebut mempunyai respon yang baik jika mempunyai nilai S 11 dan S 22 yang maksimum pada daerah passband, serta nilai S 12 dan S 21 yang minimum pada daerah stopband (Misra, K. D). Sebagai komponen penting dalam radar, filter dalam hal ini BPF mempunyai peranan yang besar dalam proses pencitraan (imaging). Pada dasarnya, terdapat 2 jenis sensor yang sering digunakan dalam teknik pencitraan yaitu sensor optik dan sensor radar. Sensor radar yang lebih dikenal dengan synthetic aperture radar (SAR), memiliki kelebihan dapat D-29
mendeteksi ketinggian gedung, bentuk atap, material bangunan dan lain sebagainya. Beberapa kelebihan tersebut menjadi sorotan pada SAR sebagai teknik pencitraan yang lebih handal dibandingkan dengan sensor optik (Tao dkk). cakupan yang lebar (Liu dkk). Gambar 1 menunjukkan blok diagram dari sistem SAR berbasis FMCW. Terlihat dari gambar tersebur bahwa keluaran DDS yang berperan sebagai signal generator adalah blok BPF. Hal ini sesuai dengan prinsip pengolahan sinyal pada FMCW yaitu membangkitkan sinyal kirim yang berubah terhadap waktu yang kemudian diolah dengan membandingkan sinyal kirim dan sinyal terima dengan skema de-chirping (Stringham, dkk). Gambar 1. Blok diagram SAR berbasis FMCW SAR pada umumnya bekerja dengan ukuran antena yang relatif kecil, namun tetap mampu mendapatkan hasil citra yang relatif besar. Konsep dasar dari SAR adalah dengan memanfaatkan frekuensi dari sinyal radar sepanjang jalur spektrum untuk membedakan dua penyebaran pada pancaran antenna (Goodman dkk). Salah satu teknik modulasi pada SAR dan juga radar lainnya adalah frequencymodulated continous-wave (FMCW). Dalam teknik modulasi ini, bentuk gelombang yang umum digunakan adalah bentuk chirp, dimana bentuk gelombang ini mampu mendeteksi objek yang bergerak, yang mana gelombang pantul yang dihasilkan oleh target yang bergerak akan menghasilkan pergeseran frekuensi akibat efek Doppler. Teknik FMCW menggunakan perbandingan frekuensi kirim dan frekuensi terima dari sistem untuk mendapatkan informasi jarak (Edward dan Munir, A.). Berbeda dengan radar pulsa, radar berbasis FMCW menggunakan perbedaan frekuensi kirim dengan frekuensi terima untuk mendapatkan informasi dari objek. Radar FMCW pada dasarnya mengirim dan menerima sinyal termodulasi dengan 100% duty cycle. Dengan teknik tersebut, SAR FMCW memiliki beberapa kelebihan diantaranya dapat memantau frekuensi, pencitraan dengan resolusi tinggi, dan pendeteksian dengan luas Pada umunya, proses pendeteksian pada SAR berbasis FCMW menggunakan pita frekuensi yang sempit. Hal tersebut disebabkan karena pita frekuensi yang lebar menimbulkan noise yang besar dari lingkungan dan atenuasi dari atmosfir (Syrovatka, Bretislav). Dalam penelitian ini, rentang frekuensi baseband dari SAR FMCW yang digunakan, yaitu pada daerah passband 25-35MHz, merupakan hasil perhitungan dan pertimbangan dari beberapa aspek. Oleh karena itu, sinyal sumber harus sesuai dengan sinyal yang diinginkan. Sehingga akan diperlukan BPF yang bekerja pada rentang frekuensi 25-35MHz yang akan meredam sinyal di luar frekuensi yang tidak diinginkan dari keluaran DDS yang berperan sebagai signal generator dengan daerah transisi yang sempit (C. Stringham, dkk). Dari penjelasan tersebut, dapat diketahui bahwa penelitian ini memiliki tujuan untuk merancang BPF Cauer-Chebyshev yang memiliki daerah transisi yang cukup sempit untuk diaplikasikan pada sistem SAR berbasis FMCW. 2. Perancangan BPF Cauer-Chebyshev Filter BPF Cauer-Chebyshev dirancang dengan orde 5 menggunakan komponen Surface Mount Devices (SMD) 0805 yang berukuran D-30
2,032mm x 0,127mm. Tabel 1, Tabel 2 dan Tabel 3 menunjukkan nilai-nilai ternormalisasi dari rangkaian LPF orde 5 (Zverev, A. I.). Langkah selanjutnya adalah melakukan transformasi nilai dari LPF ke BPF. Untuk pengambilan nilai yang yang diinginkan, dilakukan simulasi untuk nilai-nilai lainnya, kemudian hasil-hasil simulasi tersebut dibandingkan satu sama lain. Hasil simulasi yang dibandingkan adalah nilai S 11 dan S 21. Dari hasil perbandingan, digunakan nilai yang ditunjukkan oleh blok warna pada tabel-tabel tersebut. Pada rangkaian BPF Cauer-Chebyshev, seperti diperlihatkan pada Gambar 2, rangkaian LPF disusun oleh kapasitor yang diparalel dengan kapasitor lain. Selain itu, terdapat rangkaian yang disusun seri terhadap impedansi keluaran berupa kapasitor dan induktor yang diparalel. Tranformasi BPF didapatkan dengan menggantikan kapasitor bernomor ganjil yang disusun paralel, dengan induktor dan kapasitor baru yang disusun paralel serta mengubah kapasitor dan induktor yang bernomor genap dengan 2 pasang kapasitor dan induktor baru yag disusun seri. Hasil tranformasi dari LPF ke BPF dapat dilihat pada Gambar 3. Terlihat bahwa bentuk rangkaian BPF Cauer-Chebyshev lebih kompleks dibandingkan dengan BPF Chebyshev. Tabel 2. Nilai komponen rangkaian LPF Cauer- Chebyshev orde 5 untuk = 0,08 (L 2, C 1 - C 3 ) K 2 =1,0 C 1 C 2 L 2 C 3 0,8973 0,0000 1,3590 1,7170 0,8970 0,0003 1,3589 1,7257 0,8967 0,0007 1,3584 1,7248 0,8962 0,0012 1,3578 1,7235 0,8957 0,0019 1,3570 1,7218 Tabel 3. Nilai komponen rangkaian LPF orde 5 untuk = 0,08 (C 4 C 5 ) K 2 =1.0 C 4 L 4 C 5 0,0000 1,3590 0,8973 0,0008 1,3581 0,8965 0,0018 1,3566 0,8965 0,0032 1,3546 0,8942 0,0050 1,3520 0,8925 Gambar 2. Rangkaian dasar LPF Cauer-Chebyshev orde 5 Tabel 1. Nilai ternormalisasi rangkaian LPF Cauer- Chebyshev orde 5 untuk = 0,08 K A min 2 4 C 2,0 28,6537 171,96 48,7389 301,274 3,0 19,1073 154,34 32,4927 20,0893 4,0 14,3356 141,84 24,3697 15,0716 Gambar 3 merupakan gambar rangkaian yang telah didenormalisasi sesuai dengan frekuensi kerja dan spesifikasi lainnya yang diinginkan. Rangkaian hasil transformasi untuk nilai yang dinormalisasi memiliki bentuk rangkaian yang berbeda dengan rangkaian realisasi Dengan frekuensi 25-35MHz, impedansi masukan serta keluaran sebesar 50, dan nilai ternormalisasi dari Tabel 1, Tabel 2, dan Tabel 3, maka didapatkan nilai masing-masing komponen untuk Gambar 3 seperti diperlihatkan pada Tabel 4. Terlihat bahwa kapasitor bernomor ganjil pada Gambar 2 digantikan dengan induktor dan kapasitor baru yang disusun paralel. Sedangkan komponen bernomor genap berupa kapasitor dan induktor yang disusun paralel, diubah menjadi 2 pasang kapasitor dan induktor baru yang disusun paralel. 5,0 11,4737 132,14 19,4959 12,0620 D-31
3. Simulasi dan Diskusi Gambar 3. Hasil transformasi BPF Cauer- Chebyshev orde 5 Tabel 4. Hasil tranformasi LPF-BPF Cauer- Chebyshev orde 5 Kapasitor Induktor C 1 289,57 pf L 1 99,97 nh C 2-25,85 pf L 2-292,76 H C 2+ 97,21 ff L 2+ 1100,84 nh Tujuan utama simulasi adalah melihat respon S 11 dan S 21 dari filter yang telah dirancang pada perhitungan sebelumnya. Beberapa aspek penting dalam simulasi yang perlu diperhatikan adalah pada saat dalam mengubah nilai komponen seperti S 21 supaya minimum pada daerah passband dan S 11 supaya maksimum pada daerah stopband. Gambar 4 menunjukkan hasil simulasi respon BPF Cauer- Chebyshev orde 5 dengan nilai komponen yang diperoleh dari hasil perhitungan. Hasil simulasi tersebut menunjukkan bahwa nilai S 21 pada daerah passband 25-35MHz cenderung memiliki nilai konstan di atas -0,274dB sedangkan nila S 11 pada daerah passband 25-35MHz memiliki ripple dengan nilai maksimum -12,141dB. Hasil simulasi menujukkan baik S 11 maupun S 12 memiliki daerah transisi yang cukup sempit. C 3 557,1 pf L 3 51,96 nh C 4-26,82 pf L 4-113,82 H C 4+ 260,77 pf L 4+ 1106,73 nh C 5 289,41 pf L 5 100,03 nh Tahap selanjutnya adalah penyesuaian komponen yang dibutuhkan dengan komponen yang tersedia. Hal ini disebabkan karena tidak semua nilai komponen dari hasil perhitungan, tersedia untuk direalisasikan. Setelah dilakukan penyesuaian, dengan mempertahankan beberapa kondisi yang diperlukan seperti S 11 dan S 21 pada daerah passsband dan stopband, maka diperoleh nilai komponen untuk direalisasi pada Tabel 5. Tabel 5. Hasil tranformasi LPF-BPF Cauer- Chebyshev orde 5 melalui pendekatan komponen Kapasitor Induktor C 1 283 pf L 1 100 nh C 2-25 pf L 2-300 H C 2+ 97,22 ff L 2+ 1150 nh C 3 560 pf L 3 51,2 nh C 4-27 pf L 4-115 H C 4+ 200 ff L 4+ 1100 nh C 5 290 pf L 5 100 nh D-32 Gambar 4. Hasil simulasi BPF Cauer-Chebyshev orde 5 dengan nilai komponen hasil perhitungan. Gambar 5 merupakan hasil simulasi respon BPF Cauer-Chebyshev orde 5 dengan nilai pendekatan komponen. Seperti telah dijelaskan sebelumnya, hasil perhitungan diubah kembali dengan mempertahankan beberapa aspek seperti S 11 dan S 21 karena terdapat penyesuaian nilai hasil perhitungan dengan komponen yang tersedia. Simulasi dilakukan berulang kali dengan nilai yang berbeda-beda untuk mengetahui perbedaan dan fungsi tiap komponen. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa komponen C 1 dan L 1 berbanding lurus dengan nilai S 21. Semakin besar nilai C 1 atau L 1 maka akan didapatkan nilai S 21 yang semakin besar. Namun nilai S 21 berbanding terbalik dengan nilai C 5 dan L 5. Sedangkan simulasi dengan nilai C 3 dan L 3 yang berbeda, cenderung menghasilkan bentuk nilai S 21 yang konstan, namun lebih berpengaruh pada frekuensi kerja. Nilai C 3 atau L 3 yang diperbesar menyebabkan frekuensi kerja filter mengalami penurunan di luar daerah passband 25-35MHz.
Daftar Pustaka: Collin, E. Robert (2001): Foundations for Microwave Engineering, New Jersey, John Wiley & Sons, Inc., Second Edition. Stringham, C., Long, D. G., Wicks, B., and Ramsey, G.(2010): Digital Receiver Design for an Offset IF LFM-CW SAR, Utah and New York, BYU Microwave Earth Remote Sensing Laboratory and ARTEMIS Inc., pp. 960. Gambar 5. Hasil simulasi BPF Cauer-Chebyshev orde 5 dengan pendekatan komponen Komponen dengan urutan bernomor genap lebih berfungsi sebagai pembentuk nilai S 11 dan S 21, dimana memperbesar induktor pada N - (baik itu 4 atau 2) atau memperkecil kapasitor pada N + cenderung tidak merubah hasil simulasi, bahkan menunjukkan bentuk dan frekuensi kerja yang sama. Namun perubahan akan berpengaruh besar pada nilai S 11 dan S 21 ketika memperkecil induktor pada N - atau memperbesar kapasitor pada N +. Untuk induktor pada N + atau kapasitor pada N - tidak diperoleh sifat linieritas dari nilai komponen terhadap nilai S 11 dan S 21. Dapat diketahui bahwa induktor pada N + atau kapasitor pada N - lebih bersifat penyeimbang. 4. Kesimpulan Perancangan BPF Cauer-Chebyshev orde 5 telah berhasil dilakukan sesuai dengan ketentuan yang diinginkan. Dari hasil yang diperoleh, respon BPF Cauer-Chebyshev yang dirancang dengan nilai komponen hasil perhitungan dan dengan pendekatan menunjukkan kesamaan karakteristik pada daerah passband 25-35MHz. Terlihat bahwa BPF Cauer- Chebyshev memiliki beberapa kelebihan salah satunya adalah daerah transisi filter pada S 11 maupun S 21 yang sempit. Namun BPF Cauer-Chebyshev memiliki rangkaian yang lebih kompleks dibandingkan rangkaian BPF Chebyshev biasa. Oleh karena itu, BPF Cauer-Chebysev sangat banyak membantu dalam beberapa aplikasi seperti SAR berbasis FCMW yang membutuhkan daerah transisi filter yang cukup sempit. Edwar & Munir, A. (2015): Developent of SAR Transmitter for Nanosatellite-based Remote Sensing Application, Proc. of 5 th ICEE, Bali, Indonesia, August 2015, pp. 1. Goodman, A. N., Lin, C. S. Rajakhrisna, D., Stiles, M.J. (2002): Processing of Multiple-Receiver Spaceborne Arrays for Wide-Area SAR, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Kansas, The University of Kansas, Vol. 40, No.4. Liu, Y., Deng, K. Y., Wang, R., and Loffeld, O. (2013): Bistatic FMCW SAR Signal Model and Imaging Approach, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 49, No.3. Misra, K. D. (2001): Radio Frequency and Microwave Communication Circuits, New Jersey, John Wiley & Sons, Inc. Nugroho & Widi, A. K. (2010): Studi Perbandingan Chebyshev Filter, Cauer Filter dan Bessel- Thomson Filter yang Direalisasikan Menggunakan Operasional Amplifier dan Field Progamable Analog Array FPPA, Surabaya, ITS. Steven (1997): The Scientist and Engineer s Guide to Digital Signal Processing, California, California Technical. Syrovatka, Bretislav (1995): Narrowband Tracking Filters in FMCW Radar Sensors, Czech Republic, Department of RadioElectronics. Tao, J., Palubinskas, G., Reinartz, P., and Auer, S.(2011): Interpretation of SAR Images in Urban Areas Using Simulated Optical and Radar Images, IEEE Joint Urban Remote Sensing Event, Munich, Germany, April 11-13. Zverev, A. I. (1967): Handbook of Filter Synthesis, New York, USA, John Wiley & Sons, Inc. D-33