Analisa Ketinggian Tower Radar.pdf

ANALISA PENENTUANANALISA PENENTUANKETINGGIAN TOWER RADAR KETINGGIAN TOWER RADAR Josef B. DwiyonoR & D DirectorQuandra Labs Indonesia

Dalam menentukan ketinggian tower untuk radar antenna sitting perlu dipertimbangkan hal-hal seperti berikut :

• Ketinggian dan Jarak static-obstacle terhadap tower,• Efek goncangan tower akibat tekanan angin dan gempa,• Memperkecil kemungkinan radiasi ke permukaan tanah

yang berdekatan dengan tower,• Biaya pembangunan tower, biaya instalasi, biaya

pemeliharaan,• Faktor keselamatan teknisi ( hal utama yang paling

sering diabaikan ).

Tulisan ini adalah private technical notes, yang sepenuhnya merupakan opini pribadi, yang sama sekali bukan merupakan kebijakan perusahaan di mana penulis bekerja. Catatan teknis ini juga tidak merupakan koreksi atau kritikan pada kebijakan siapapun dalam penentuan rancangan tower radar yang ada.

Dalam catatan ini kemungkinan ada beberapa kesalahan atau ketidak tepatan model, asumsi, data dan analisa. Untuk hal tersebut opini ini terbuka untuk dikritik, dikoreksi dan diperbaiki.

Penulis tidak bertanggung-jawab atas semua dampak yang diakibatkan oleh pihak yang menggunakan model, asumsi, data dan analisa dalam catatan pribadi ini.

Catatan TeknisCATEK-0801

Tower Height Analysis

How Low Can You Go !

Dari sisi jangkauan dan ruang pandang radar, secara teoritik semakin tinggi tower akan semakin bagus. Dapat pula diartikan, semakin tinggi tower semakin rendah ketinggian target yang masih bisa dibaca oleh radar. Yang perlu dikaji adalah penambahan ketinggian hingga sejauh apa yang dapat menghasilkan perbedaan ketinggian target ( dalam hal ini awan ) yang cukup berarti dan memadai upaya penambahan ketinggian tower tersebut.

1. Obstacle

Pada prinsipnya radar tidak mungkin membaca target yang terhalang obstacle. Radar hanya bisa memprediksi ( atau tepatnya menginterpolasi ) saja target di balik obstacle. Idealnya tower ditempatkan di titik yang datar yang sangat jauh atau bahkan bebas dari obstacle seperti gedung bertingkat, perbukitan atau pegunungan. Dalam prakteknya tidak selalu mudah memperoleh titik ideal tersebut.

Jarak antara tower dengan obstacle dan ketinggian obstacle sangat mempengaruhi ruang pandang radar. Hal ini diilustrasikan pada sketsa geometri sederhana dengan menggunakan model permukaan bumi yang dibuat datar setelah dimodifikasi dengan koefisien refraksi gelombang mikro di atmosfir bumi ( Rearth modified = Ke Rearth real , dengan Ke = 4/3 ).

α : sudut elevasi minimum untuk melewati obstacleHA : ketinggian tower terhadap permukaan lautHO : ketinggian obstacle dari permukaan lautHT : ketinggian target dari permukaan laut pada jarak RT dari towerRO : jarak obstacle terhadap towerRT : jarak target terhadap tower

tan α = ( HO - HA ) / RO = ( HT - HA ) / RT

Sehingga,HT = HA + (HO - HA ) ( RT / RO )

Dapat disimpulkan bahwa pada suatu jarak target RT untuk mendapatkan HT yang rendah maka dapat dicapai dengan HA, (HO - HA ) yang rendah dan-atau RO yang besar.

Penentuan HA harus memperhatikan HO dan RO. Bila HA <<< HO maka perubahan HA tidak akan signifikan memperbaiki HT. Demikian pula apabila RO yang besar maka peningkatan HA tidak signifikan untuk memperendah HT. Beberapa ilustrasi berikut dapat memperjelas uraian di atas.

2



Ilustrasi 1 : Tower pada ground-elevation 100 meter. Terdapat obstacle berupa bukit dengan ketinggian 500 meter yang berjarak 10 km dari tower. Observasi pada target yang berjarak 50 km dari tower. Berapa ketinggian target terendah untuk tower 15 meter dan tower 20 meter.

Penjabaran 1 :Dengan tower 15 m, atau HA = 115 m maka : H T = 115 + ( 500 - 115 ) (50000/10000) = 2040 meter.Dengan tower 20 m, atau HA = 120 m maka : H T = 120 + ( 500 - 120 ) (50000/10000) = 2020 meter.

Dengan menaikkan tower dari 15 m menjadi 20 m ada penurunan H T sejauh 20 meter. Pada jarak sejauh 50 km dengan beam-width radar yang 1o maka diameter target yang terbaca akan sekitar 3496 meter. (*)

Pertanyaannya pada ketinggian sekitar 2000 meter (dengan diameter target yang terbaca oleh radar sebesar 3496 meter ) apakah perbedaan sebesar 20 m cukup signifikan dalam pembacaan reflektifitas target ? Agaknya perubahan sekecil itu tidak cukup berarti.

Ilustrasi 2 : Tower pada ground-elevation 200 meter. Terdapat obstacle berupa gunung dengan ketinggian 3000 meter yang berjarak 50 km dari tower. Observasi pada target yang berjarak 150 km dari tower. Berapa ketinggian target terendah untuk tower 15 meter dan tower 25 meter.


Dengan menaikkan tower dari 15 m menjadi 25 m ada penurunan HT sejauh 20 meter. Pada jarak sejauh 150 km dengan beam-width radar yang 1o maka diameter target yang terbaca akan sekitar 10489 meter.

Dengan pertanyaan yang sama agaknya perubahan sekecil itu tidak cukup signifikan untuk menaikkan ketinggian tower dari 15 m menjadi 25 m.

Ilustrasi 3 : Tower pada ground-elevation 200 m. Terdapat obstacle berupa gedung dengan ketinggian 250 meter yang berjarak 1 km dari tower pada ground-elevasi yang sama. Observasi pada target yang berjarak 50 km dari tower. Berapa ketinggian target terendah untuk tower 15 meter dan tower 30 meter.


Pada kasus ini, dengan menaikkan tower dari 15 meter menjadi 30 meter tidak akan memperbaiki ruang pandang radar. Pada kasus ini yang dapat dilihat radar hanya target di atas 11 km. Kita akan banyak kehilangan data presipitasi yang signifikan. Solusi untuk kasus yang demikian adalah mencari lokasi yang jauh dari obstacle semacam itu, atau secara ekstrim memasang antena radar di puncak gedung tersebut. Pada kondisi semacam ini akhirnya yang menjadi pertimbangan utama adalah cost.

(*) Catatan : Apabila beamwidth cukup kecil maka target diameter pada range RT akan sebesar :

DT = RT tan(θ)

dengan θ = beamwidth yang besarnya sebesar 1o.

Dari sisi pertimbangan obstacle, kesimpulan yang dapat diambil dari ilustrasi di atas adalah penentuan ketinggian tower harus memperhatikan kondisi geografis yang bakal dihadapi oleh radar. Dengan demikian tidak semua tempat harus menggunakan ketinggian tower yang baku.

3



Apabila tidak terdapat obstacle yang sangat spesifik seperti pada ilustrasi 3, sebenarnya ketinggian sekitar 10 ~ 15 meter sudah cukup memadai. Ketinggian ini dengan pertimbangan antara lain menghindari obstacle yang cukup dekat dengan tower seperti misalnya pepohonan dan rumah-rumah bertingkat.

2. Vibrasi Mekanik.

Idealnya sebuah tower tidak boleh mengalami vibrasi horisontal maupun vertikal. Vibrasi semacam ini akan mempengaruhi kepresisian radar dari sisi sudut elevasi dan azimut pengarahan antena radar. Semakin besar probabilitas vibrasi maka akan semakin tidak presisi. Selain itu, vibrasi yang tinggi ( frekuensi maupun amplitudonya) makan akan semakin tinggi probabilitas tower untuk rusak atau deformasi. Secara detail hal ini harus dikonsultasikan dengan perancang dan pembangun tower.

2a. Terpaan Angin.

Seperti kita ketahui kecepatan angin akan semakin besar dengan bertambahnya ketinggian. Semakin besar bidang yang tegak-lurus pada arah angin akan semakin besar wind-resistance yang dimiliki. Gaya yang dialami bidang datar terhadap angin akan sebanding dengan luas permukaan bidang dan sudut datang antara arah angin dan normal bidang tersebut.

Struktur tower radar secara sederhana dapat dipandang sebagai batang lentur yang memiliki koefisien Hooke ( koefisien kepegasan ). Apabila ujung batang ditarik atau ditekan dengan suatu gaya F dan kemudian dilepaskan maka dipastikan akan terjadi vibrasi. Periode vibrasi ditentukan oleh koefisien kepegasan tower dan ketinggian tower. Sedangkan besarnya simpangan ( amplitudo ) selain dipengaruhi faktor-2 di atas juga tergantung pada besarnya gaya horisontal yang dialami tower.

Radome pada umumnya memiliki bentuk bola. Bentuk ini memiliki wind-resistance yang rendah. Pada tower dengan dinding rapat dan datar, maka wind-resistance yang dihasilkannya semakin tinggi. Sehingga untuk tower dengan dinding rapat semakin tinggi tower maka akan semakin tinggi wind-resistance yang dimilikinya. Di samping itu ketinggian tower akan memperbesar momen-kopel yang lebih tinggi - yang memungkinkan terjadinya vibrasi dengan amplitudo yang lebih besar.

Secara umum, untuk memperkecil wind-resistance tower adalah dengan :• membuat tower yang tidak menggunakan atau sedikit menggunakan dinding tertutup - jadi

hanya berupa kerangka tower saja dengan dinding penutup seperlunya.• memperendah ketinggian tower yang berarti memperkecil luas permukaan dinding• bila terdapat keperluan tertentu ( misal keperluan ruangan ) sehingga mengharuskan adanya

dinding tower maka bentuk tower yang paling ideal adalah silinder - yang dapat dipastikan memiliki aerodinamis dan wind-resistance yang rendah.

4



2b. Vibrasi tanah akibat gempa.

Mengingat satu ujung ( node ) dari tower terikat pada tanah, tower dapat dipandang sebagai inverted pendulum. Gerakan apapun yang terjadi pada tanah akan menyebabkan vibrasi pada tower. Gempa umumnya bersifat longitudinal. Vibrasi pada tanah akan diteruskan ke tower.

Vibrasi akan semakin kuat apabila :• tower semakin tinggi,• struktur tower tidak cukup solid, sehingga damping-factornya rendah,• massa pada ujung tower ( dalam hal ini pedestal, radom dan ruang yang terletak di atas )

akan menentukan periode dan amplitudo vibrasi.

Solusi untuk mengatasi hal ini antara lain :• memperendah tower• menggunakan struktur tower yang masif dan kuat yang berarti damping yang besar• menggunakan gedung beton bertingkat sebagai tower radar untuk daerah yang probabilitas

gempanya relatif rendah• menggunakan tower struktur baja untuk daerah yang probabilitas gempanya cukup besar.

3. Radiasi / Ionisasi

Gelombang ElektroMagnetik (E/M) yang dipancarkan radar cukup tinggi, yang berkisar antara 50 KW hingga 1 MW. Namun demikian gelombang elektromagnetik tidak termasuk radiasi yang menyebabkan ionisasi ( Non Ionizing Radiation, NIR ). Pada gambar berikut dapat dilihat peta radiasi non-ionisasi dan ionisasi.

Non Ionizing Radiation Ionizing Radiation

DC to UHF Microwave InfraRed

VisibleLight

UltraViolet

X RaysGamma Rays

CosmicRays

Meskipun tidak termasuk radiasi yang menyebabkan ionisasi namun intensitas yang tinggi tetap dapat membahayakan kesehatan manusia. Untuk mengatasi kemungkinan tersebut adalah menjauhkan pancaran radar yang overdosis dari manusia dan binatang.

Langkah pertama yang dilakukan pembuat radar adalah membuat antena yang sesempurna mungkin. Antena radar yang ideal apabila pancarannya hanya menuju satu arah dan sangat tajam ( biasanya dibuat dengan beamwidth angle sekitar 1o atau kurang. Namun mengingat tidak mungkin mencapai

5



kesempurnaan total maka antena nyata selalu memiliki pancaran bocor yang sering dikenal sebagai spill-over. Gambar di atas adalah pola pancaran antena radar (antenna patern) yang berbentuk parabolik, baik pada bidang horisontal maupun vertikal.

Pancaran yang paling panjang disebut sebagai main-lobe, yang arahnya pada garis normal antena. Pancaran yang menyamping disebut sebagai side-lobe. Pancaran ke belakang disebut backlobe. Antena yang bagus akan memiliki spill-over yang cukup kecil, yang biasanya sekitar -20 dB hingga -40 dB di bawah pancaran utamanya. Karena elevasi minimum radar umumnya sebesar 0 o maka pancaran main-lobe tidak pernah mengarah ke tanah. Hanya side-lobe sajalah yang mungkin mengarah ke permukaan tanah.

Tidak seperti LASER, kekuatan radiasi radar tergantung pada jarak sumber terhadap obyek, yang besarnya berbanding terbalik dengan kuadrat jarak. Jadi semakin jauh jarak sumber terhadap obyek maka akan semakin kecil pula tingkat radiasinya. Intensitas radiasi yang dialami obyek yang berjarak 100 m dibanding dengan intensitas radiasi yang dialami obyek yang berjarak 1 m dari antena akan sebesar 1/10000 kali lebih kecil. Pancaran radiasi radar juga dapat ditahan ( blocked ) dengan menggunakan plat besi dan lantai beton.

Langkah kedua yang harus dilakukan adalah menempatkan antena radar sejauh mungkin dari permukaan tanah dan membuat lapisan pelindung pancaran radar ke arah tanah. Namun demikian harus dicari ketinggian optimum yang memenuhi aspek-aspek lainnya seperti faktor-faktor yang telah dibicarakan di atas dan tentu saja faktor biaya. Untuk itu harus dirancang kontruksi platform yang akan dipasangi radar sedemikian rupa sehingga radiasi tidak sampai ke permukiman penduduk.

Dari gambar diperoleh :

RX = HA / sin φ

dengan,

HA : ketinggian antenaWP : lebar platformRX : jarak antena terhadap obyekφ : sudut side-lobe terhadap main-lobe

Yang harus diupayakan adalah memperbesar RX. Mengingat side-lobe angle tidak dapat diubah-ubah ( tergantung pada pabrik radar ) maka yang dapat dilakukan adalah mempertinggi H A, memperlebar platform atau menambah pagar padat ( concrete fench ) agar side-lobe terhalang. Mempertinggi tower memiliki pelbagai pertimbangan seperti telah dibicarakan di atas. Dengan demikian upaya yang paling cost-effective adalah dengan memperlebar platform WP.

Pelebaran platform dapat dilakukan dengan memperbesar beton platform, menambah pagar padat ( asalkan ketinggiannya lebih rendah dari sisi bawah dish pada saat berada di elevasi terendah ) atau hanya dengan menambah ekstensi berupa plat-metal yang cukup tebal. Selain dapat digunakan untuk membatasi radiasi ke permukaan tanah, pelebaran platform dan penambahan pagar akan meningkatkan keamanan teknisi dalam memelihara kinerja radar.

6



Ilustrasi 4 : Antena DWSR-2501C dengan main-lobe gain sebesar 45 dB dan side-lobe gain -26 dB di bawah main-lobe. Daya pemancar sebesar 250 KW. Misalkan side-lobe beamwidth maksimum sebesar 2o dan side-lobe elevation angle sebesar -10O. Ketinggian tower dari tanah sebesar 22 meter ( atau ketinggian antene sekitar 24 meter ). Berapa dBm intensitas radiasi yang sampai pada permukaan tanah saat elevasi antena ke arah horisontal ? Masihkah intensitas ini aman apabila ketinggian tower diturunkan menjadi 12 meter ?

Penjabaran 4 :

Daya masukan ke antena sebesar PA = 250KWJarak antena ke tanah RX = HA/sin(φ) = 24 / sin(10o) = 23/0.174 = 138 meter.Gain antena arah main lobe = 45 dB

Gain antena arah side lobe, GSIDE = 45 - 26 = 19 dB = 79.4 kali

Jarak antena ke tanah RX = HA/sin(φ) = 24 / sin(10o) = 23/0.174 = 138 meter

Intensitas arah side lobe maksimal, PFIXED = PA GSIDE / ( 4 π RX2 )

PFIXED = ( 250 KW x 79.4 ) / ( 4 π 1342) = 87 W/m2 = 8.7 mW / cm2.

Power Density dalam mode scanning, PSCANNED = 2 x ( BeamWidth / ScanAngle ) x PFIXED

Scan Angle = 360o

Beam Width Side Lobe maks = 20

PSCANNED = 2 x 2o / 360o x 8.7 mW / cm2

= 0.097 mW / cm2

Apabila ketinggian tower diturunkan menjadi 12 meter, atau ketinggian antena menjadi sekitar 14 meter maka :

PSCANNED = ( 24/14 )2 x ( 2 x 2o / 360o x 8.7 ) mW / cm2

= 0.308 mW / cm2

Angka-angka tersebut masih di bawah ambang batas hazard radiation power density pada frekuensi C Band ( sekitar 5 GHz ) untuk Uncontrolled Environment menurut rekomendasi DoD INST 6055.11 yang sekitar 3 hingga 4 mW /cm2 (lihat grafik di bawah). Sedangkan menurut IRPA ( International Radiation Protection Association ) ambang batas untuk daerah frekuensi ini sekitar 1 hingga 2 mW / cm2, dan menurut UC Berkeley Office of Safety Radiation sebesar untuk daerah frekuensi 300 MHz hingga 30 GHz ambang radiasi sebesar F/1500 mW/cm2, dengan F dalam MHz, untuk continue exposure kurang dari 30 menit.

7



4. Kesimpulan Umum

Dalam menentukan ketinggian tower untuk radar perlu mempertimbangkan faktor-faktor geografi dan lingkungan yang dipilih - menyangkut obstacle. Ketinggian tower di suatu tempat dapat berlainan dengan ketinggian tower di tempat lain.

Meskipun idealnya antena harus dipasang setinggi mungkin, namun perlu dicari solusi optimal yang cost-effective dan tetap aman bagi manusia, baik dari sisi radiasi maupun keamanan bagi tenaga operasional radar. Secara umum kenaikan tower beberapa meter saja tidak akan memperbaiki ruang pandang radar secara signifikan.

Beberapa keuntungan pembuatan tower yang tidak terlampau tinggi antara lain :1. Goncangan tower akibat hempasan angin dan gempa akan lebih kecil, yang berarti akan

meningkatkan ketelitian scanning,2. Peningkatan keamanan bagi teknisi radar dalam operasional maupun pemeliharaan,3. Biaya pembangunan, biaya instalasi dan biaya pemeliharaan tower yang lebih murah,

sehingga kelebihan biaya dapat digunakan untuk meningkatkan kualitas dan kekuatan tower,4. Pada tower yang tidak terlampau tinggi memungkinkan instrumentasi radar dapat

ditempatkan di ground-base, yang secara teknis akan lebih mudah diawasi dan cenderung akan lebih terpelihara.

Catatan lain yang perlu dipertimbangkan :1. Ketinggian sekitar 12 hingga 15 meter adalah ketinggian yang optimal dengan

mempertimbangkan ketinggian pohon dan ketinggian rata-rata rumah hunian.2. Apabila di tempat tersebut ada beberapa obstacle yang cukup dekat dan cukup tinggi seperti

misalnya gedung bertingkat yang tinggi, maka hal yang harus dilakukan adalah menempatkan antena pada puncak gedung atau mencari lokasi baru yang cukup jauh dari obstacle semacam itu.

3. Untuk memperkecil wind-resistance atau wind-force adalah menggunakan tower kerangka baja yang terbuka, kecuali untuk ruang perangkat radar.

4. Untuk daerah yang potensi gempa cukup tinggi akan lebih aman apabila menggunakan konstruksi struktur baja dengan stiffness tinggi.

5. Kontruksi tower tertutup yang ideal adalah berbentuk silinder.6. Isue yang menyangkut radiasi pada pemukiman penduduk di sekitar tower radar dapat

dilihat pada ilustrasi radiasi bahwa sejauh ini radiasi masih di bawah ambang bahaya. 7. Minimalisasi radiasi ke permukiman dapat dilakukan dengan pembuatan platform yang lebih

lebar dan dilengkapi dengan pagar-padat ( concrete fence ) asalkan ketinggiannya lebih rendah dari antenna dish pada saat berada pada arah horisontal.

8. Perluasan platform juga akan meningkatkan keamanan bagi teknisi dalam memelihara / menjaga kebersihan dan kualitas radome.

// end of text.

8

Analisa Ketinggian Tower Radar.pdf

Documents

Transcript of Analisa Ketinggian Tower Radar.pdf