BAB II
KAJIAN PUSTAKA
Dalam bab kajian pustaka, penulis mengadopsi proses managemen proyek dengan beberapa fase secara berurutan dan disederhanakan dalam blok diagram sebagaimana dapat dilihat pada gambar 2.1 di bawah ini.
Fase 1 Fase 2 Fase 3
Identifikasi masalah & Penilaian Peluang
Pengembangan Alternatif Solusi & Penyeleksian Alternatif Finalisasi Alternatif Solusi sebelum Perancangan Sistem ►Melakukan kajian jurnal untuk mengidentifikasi semua informasi awal permasalahan,
metode/pendekatan yang digunakan dan hasil yang diperoleh sebagai dasar untuk dijadikan peluang untuk perbaikan.
►Membuat daftar alternatif solusi dan melakukan
penyeleksian dari beberapa opsi tersebut dengan mempertimbangkan beberapa aspek. ►Memfinalisasi alternatif solusi disesuaikan dengan spesifikasi tangki dan peralatan Sistem Tank Gauging yang akan dipasang.
►Pembahasan teori yang berkaitan finalisasi alternatif penggunaan Radar Level Gauge dengan Antena Parabolik Gambar 2.1. Blok diagram Proses Managemen Proyek
FASE 3 FASE 2
1.1. Perbandingan Jurnal
Dalam tugas akhir ini dilakukan beberapa kajian jurnal sebagai referensi untuk tema yang berkaitan dengan tugas akhir berupa ikhtisar masalah, metode/pendekatan yang digunakan dan hasil yang diperoleh sebagaimana dapat dilihat pada tabel 2.1 di bawah ini.
Tabel 2.1.Kajian Pustaka berkaitan dengan Tema Tugas Akhir
Jurnal Masalah Metode/Pendekatan Hasil
Saad Daoud Al Shamma, 2014. “Real time level, temperature, Quantity and density measurement for petroleum storage tanks”, International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT), Vol.3 Issue-9: 55-58. ►Bagaimana mendesain sistem realtime untuk mengukur level, suhu dan densiti pada cairan petroleum di Tanki Timbun.
►Memaparkan teori dan rumus perhitungan standar untuk pengukuran level berdasarkan perbedaan tekanan pada masing-masing sensor tekanan, rumus pengukuran densiti dan rumus pengukuran suhu untuk diaplikasikan pada PLC. ►Desain Menggunakan beberapa Standar Hardware dan Software antara lain : - Analog Digital Converter - RS485 communication modul - PLC (Programmable Logic Control) - Pressure Transmitter sensor (2.5 Bar ►Sistem berhasil diimplementasikan dimana didesain menggunakan sensor pressrure transmitter pada 2 titik atas dan bawah pada tanki, sistem PLC untuk logic control dan komputing, Software Aplikasi user interface pada PC untuk
monitoring, dan memiliki aplikasi database untuk data storage.
output) - PC GUI
- Software User Interface untuk menampilkan suhu, densiti dan Level termasuk kalkulasinya - SQL Database sebagai aplikasimenyimpan data tangki berupa tanggal, waktu, perbedaan tinggi, suhu dan densiti.
Salah I. Yahya, 2013. “A Multi-Level Storage Tank Gauging And Monitoring System Using A Nanosecond Pulse”, International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT) – Vol.5 Number-1:17-24. ►Bagaimana mendesain pada tanki timbun minyak beserta monitoring sistemnya secara akurat namun menggunakan teknologi yang murah (coaxial sensor). ►Memaparkan beberapa metode dan standar pengukuran level pada tanki timbun
Memaparkan teknik algoritma dan prosedur untuk sistem coaxial sensor dan nanosecond pulse yang diusulkan ►Melakukan
eksperimen percobaan dan pengukuran beberapa cairan untuk sistem coaxial sensor dan nanosecond pulse. Melakukan
pembandingan pada teknologi gauging system yang sudah banyak dan standar digunakan dengan sensor coaxial dan nanosecond pulse yang diusulkan
►Teknik Aplikasi algoritma, sensor coaxial, dan nano second pulse yang merambat pada coaxial sensor untuk sistem multi level storage tank gauging berhasil diimplementasikan dan dapat dikembangkan sebagai teknologi alternatif disamping teknologi gauging system yang sudah ada.
Sang-Dong Kim, 2011. “Performance Analysis .of
FMCW-UWB Radar for Oil Tank Level Gauge”, International Conference on Computers, Networks, Systems and Industrial Engineering (CNSI), DOI: 10.1109/ CNSI.2011. 114:129-132. ►Mengusulkan FMCW-UWB radar sebagai alternatif untuk tank level Gauge gasoline. ►Melakukan analisis pada Receiver Radar Koheren terhadap frekuensi yang tidak diinginkan.
►Impelementasi sistem TR-FMCW-UWB radar yang terdiri dari FFT block, delay block, multiplier, dan integrator block kemudian
melakukan analisis dan simulasi dari sistem ini.
►Penggunaan TR-FMCW-UWB radar untuk gasoline level gauge radar berhasil disimulasikan dengan kinerja yang lebih baik
dibanding Receiver yang koheren sehingga kedepan usulan sistem ini dapat diaplikasikan untuk beberapa pengukuran level tangki. Ralph Braddock and Colin Chambers, 2011. “Tank Gauging Systems Used For Bulk Storage Of Gasoline”, Institute of Chemical Engineers (IChemE) Symposium Series No. 156, Vol-Hazards XXII: 553-559. ►Bagaimana mendapatkan sistem tank gauging yang lebih akurat, dan beroperasi dengan handal.
►Ikhtisar semua sistem Tank gauging antara lain deep tape, wire guide, servo, radiasi, radar, hidrostatik, dan ultasonik.
►Perbandingan semua sistem tank gauging, keuntungan, kerugian dan aplikasinya. Ikhtisar sistem tank gauging digabungkan dengan parameter Densiti dengan pemasangan Pressure transmitter dan
pemasangan sensor suhu untuk mendapatkan
►Dari hasil ikhtisar dan perbandingan semua tank gauging sistem, arah evolusi dalam sistem storage tank level berfokus pada pengurangan komponen peralatan, penggunaan software, mengurangi komponan mekanikal,
memiliki sistem self diagnostic dan
2.2. Storage Tank (Tangki timbun)
Tangki timbun adalah tempat yang digunakan untuk menyimpan produk cairan mentah minyak bumi sebelum didistribusikan kepada konsumen. Tangki timbun ini biasanya berukuran sangat besar dan digunakan untuk tekanan rendah.
Dikhususkan pada tangki minyak bumi di Lawe-Lawe Termnal yaitu
Floating Roof Tank, adalah tangki jenis silinder yang mempunyai kontruksi roof
tidak menyatu dengan dinding (shell). Roof dapat bergerak naik atau turun tergantung dari level cairan didalamnya. Floating roof akan berada diatas jika isi cairan didalamnya tinggi (high) dan akan berada dibawah ketika level cairan didalamnya rendah (low) sebagaimana dapat dilihat pada gambar 2.2 dibawah ini.
Gambar 2.2. Tangki timbun floating roof beserta komponennya 2.3. Tank Gauging
Tank gauging adalah proses pengukuran cairan produk di tangki timbun. Dua (2) metode yang diakui dalam industri MIGAS yaitu :
1. Volume berbasis Tank Gauging berdasarkan pengukuran level dan suhu. 2. Massa berbasis Tank Gauging berdasarkan tekanan hidrostatik pengukuran
Metode Tank Gauging berbasis volume adalah yang digunakan oleh beberapa perusahaan minyak di Indonesia sesuai dengan prosedur penyerahan minyak bumi dan telah disepakati oleh SKKMIGAS. Tingkat kehandalan yang tinggi dan akurasi adalah penting ketika data ini digunakan untuk inventarisasi data atau keperluan transfer produk cairan tersebut ke konsumen.
Beberapa standar internasional yang digunakan untuk melakukan Tank Gauging sebagaimana kesepakatan antara perusahaan pengolahan minyak bumi, SKKMIGAS dan Konsumen dapat dilihat pada tabel 2.2 di bawah ini.
Tabel 2.2. Standar internasional untuk Tank Gauging
Standar Aplikasi
ASTM D-1085;
API-2545. Pengukuran tinggi permukaan minyak dan air pada tangki ASTM D-1086;
API-2543 Pengukuran suhu
ASTM D-270;
API-2546 Pengambilan contoh minyak bumi untuk mendapatkan nilai densiti ASTM D-1298;
API 2544 Analisa Densiti, Spesific Gravity atau API Gravity Table 6 ASTM D-1250;
API-2540. Volume correction ke 60 °F 2.3.1. Manual Tank Gauging (MTG)
Manual Tank Gauging (Pengukuran Cairan Tangki secara Manual) atau disingkat MTG adalah suatu proses atau kegiatan yang melibatkan manusia secara langsung melakukan pengukuran level, suhu dan densitas dari cairan didalam tangki kemudian parameter yang didapat tersebut dihitung menjadi suatu besaran volume yang menggunakan beberapa peralatan sebagaimana dapat dilihat pada
Gambar peralatan MTG Deskripsi
Tabel Volume Tangki yang ditera ulang setiap 6 tahun oleh Direktorat Metrologi dan mendapat izin penggunaan dari Dirjen MIGAS
Hand Deep Tape atau alat ukur baja yang
berfungsi sebagai alat ukur tinggi permukaan cairan dalam tangki yang ditera ulang oleh Direktorat Metrologi dan mendapat izin penggunaan dari Dirjen MIGAS setiap 1 tahun.
Termometer sebagai alat ukur suhu yang ditera ulang oleh Direktorat Metrologi dan mendapat izin penggunaan oleh Dirjen MIGAS setiap 1 tahun.
Kaleng pengambil contoh minyak dalam tangki bertujuan untuk mengukur nilai perubahan suhu dan densiti cairan dan mendapatkan nilai koreksi untuk perubahan tersebut dari standar ukur yang sudah ditentukan.Pengambilan pada kedalaman 75%, 50% dan 25% dengan membuka manhole untuk mengambil sample.
2.3.2. Automatic Tank Gauging (ATG)
Automatic Tank Gauging atau disingkat ATG adalah sistem pengukuran cairan pada tangki timbun dengan peralatan sensor yang memiliki presisi yang tinggi dan bekerja secara otomatis untuk mencapai standar minimum sebagai custody transfer (untuk jual beli dengan pihak ketiga) dengan variabel pengukuran yaitu level minyak, suhu minyak, level air, dan densitas cairan yang digunakan untuk mendapat hasil akhir volume bersih minyak dalam suatu tangki dengan perhitungan sesuai standar internasional tentang tank gauging.
Dalam industri MIGAS terdapat beberapa jenis ATG yang sebagaimana dapat dilihat pada gambar 2.4 di bawah ini beserta keterangan kelebihan dan kekurangannya masing-masing.
Jenis ATG Kelebihan Kekurangan
Wire Guide (+) Cukup akurat sebagai
alat ukur level
(-) Suku cadang yang semakin sulit deepasaran karena pabrikan tidak lagi memfabrikasi komponennya
Servo (+) Akurasi pengukuran
sampai dengan milimeter
(-) Sistem mekanikal berkontribusi untuk ketidakakuratan pengukuran seiring waktu penggunaannya (-) Biaya pemeliharaan yang tinggi
Radiasi (+) Non invasif ke tangki (-) Bahan radioaktif yang memerlukan perizinan (-) Jarang digunakan dalam industri perminyakan
(-) Biaya pembelian dan instalasi yang mahal
Radar (+) Tidak ada bagian
mekanikal yang bergerak yang dapat mengurangi biaya pemeliharaan (+) Berpotensi mencapai mm untuk akurasi pengukurannya
(-) Perancangan awal sistem lebih kompleks untuk memastikan akurasi pengukuran
Hidrostatik (+) Biaya rendah saat pembelian dan Instalasi
(-) Akurasi pengukuran tidak bisa digunakan sebagai meter penjualan
Ultrasonik (+) Tidak ada bagian
mekanikal yang bergerak yang mengurangi biaya pemeliharaan
(-) Belum banyak dikembangkan pada Tangki Timbun Minyak (-) Rentan terhadap “Echo Palsu”
2.3.3 Penyeleksian jenis ATG
Dari beberapa jenis ATG diperlukan penyeleksian dengan beberapa kriteria sesuai kondisi aktual di lapangan agar dapat dipasang pada tangki timbun minyak bumi dengan standar baku mutu dari industri MIGAS, sebagaimana dapat dilihat pada tabel 2.3 di bawah ini. Kriteria tersebut antara lain adalah :
1. Servis dari fludia yang diukur yaitu minyak bumi dengan kandungan air yang dipersyaratkan kurang dari 0.5%.
2. Kondisi operasi yaitu tangki beroperasi 24 jam secara kontinu.
3. Kendala fisik dimana tangki tipe floating roof tersebut tidak memiliki pipa stilling well berupa lubang pipa panjang dari atas sampai dasar tangki sebesar 4 inchi yang merepresentasikan ketinggian level cairan dalam tangki.
4. Akurasi yang dipersyaratkan yaitu +0.5 % deviasi volume atau +3 mm deviasi jarak ukur level cairan tangki berdasar Surat Edaran DirJen MIGAS No.8631/18.06/DJM.T/2008 tentang Penggunaan Sistem Alat Ukur pada Kegiatan Usaha Migas di Indonesia.
5. Peralatan harus terdaftar dan diakui oleh Dirjen MIGAS.
6. Penerimaan dari Operator terutama kemudahan dalam mengoperasikan. 7. Kemudahan perawatan selama beroperasi.
Tabel 2.3. Proses seleksi jenis ATG dengan penilaian setiap kriteria Jenis ATG Ser vi s C air an yang d iuku r Inst al as i di m an a Tangki te tap har us ber ope ras i tanpa be rh en ti Ins tal as i di m ana Tangki tidak m em ilik i st illi ng wel l A kur as i yan g Di per sya rat kan Per alat an y ang di aku i D irjen MI G A S Pengope ras ika n Per awa tan Wire Guide Semua fase
cairan Aplikatif Aplikatif Tinggi Tidak diakui Mudah Sulit
Servo
Semua fase
cairan Aplikatif Aplikatif Rendah *seiring waktu
Diakui Mudah Sulit
Radiasi Semua fase cairan Tidak Aplikatif Tidak Aplikatif Tinggi Tidak diakui Sulit Sangat Sulit
Radar
Semua fase cairan
Aplikatif Aplikatif Tinggi Diakui Mudah Mudah
Hidrostatik Tidak aplikatif jika ada endapan pasir
Aplikatif Aplikatif Rendah Tidak
diakui Mudah Sulit
Ultrasonik Semua fase cairan Aplikatif Aplikatif Rendah Tidak diakui Mudah Mudah
Berdasarkan tabel perbandingan pada tabel 2.3 di atas, maka alternatif terbaik yang dipilih sebagai pengukur level untuk ATG yang dapat diaplikasikan pada Tangki timbun minyak bumi yang tidak memiliki pipa stilling well adalah Radar. 2.3.4 Finalisasi Alternatif Jenis ATG yang Terseleksi
Untuk Finalisasi Alternatif Jenis ATG yang terseleksi maka Radar untuk pengukur level atau Radar Level Gauge (RLG) akan diintegrasikan dengan sensor suhu untuk mengukur suhu cairan dan sensor tekanan untuk mengukur densiti cairan dalam tangki serta dilengkapi hardware dan software komputer yang
berfungsi untuk mengolah data parameter tangki dan melakukan perhitungan sesuai volume tabel tangki, disebut juga dengan Hybrid Tank Measurement System (HTMS) dengan fitur kombinasi pengukuran berbasis massa dan volume sebagai prinsip pengukuran tangki serta kalkulasi secara kontinu dari komputer sebagaimana gambar arsitektur dan rangkaiannya pada gambar 2.7 di bawah ini.
Gambar 2.5. Arsitektur dan Rangkaian ATG : kombinasi RLG dan HTMS Untuk mengetahui lebih dalam, pada gambar 2.6 di bawah ini dipaparkan tentang komponen ATG dengan deskripsinya masing-masing sebagai berikut :
Foto komponen ATG Deskripsi
1 (satu) unit RLG dengan antena parabolik untuk pengukuran level tangki timbun tanpa kontak langsung dengan cairan tangki.
1 (satu) unit Single Tank Hub sebagai distributor power dari sumber tegangan 220 Volt AC sekaligus sebagai integrator data dimana data ditransmisikan ke control room via komunikasi HART wireless.
1(satu) unit Local Display sebagai monitor yang di pasang pada lapangan dekat tangki timbun untuk mempermudah operator membaca parameter level, tekanan, suhu dan volume tangki saat itu.
1(satu) set Multi-spot Temperature sensor dan Transmitter untuk membaca suhu cairan didalam tangki dan mentrasmisikan sinyal dari sensor suhu tersebut ke Tank Hub unit. 1 (satu) unit Pressure Transmitter mengukur densiti cairan di dalam tangki secara online berdasarkan prinsip hidrostatik.
1 (satu) unit Wireless Thumb Adapter untuk komunikasi Wireless data dari Tank Hub ke komputer di control room sebagai pengganti kabel dengan jarak antara tangki ke Control room.
1 (satu) unit Smart Wireless Gateway termasuk software aplikasi berbasis web yang diinstal pada komputer untuk menterjemahkan sinyal HART wireless dari tank hub ke dalam data variabel level, tekanan, dan suhu di Ruang Kontrol.
1 (satu) set PC hardware dan Tank Master Software untuk melakukan pengolahan data level, tekanan dan suhu menjadi volume dalam bentuk tampilan HMI (Human machine Interface)
Gambar 2.6. komponen ATG terseleksi dan deskripsi fungsi masing-masing 2.4. Radar
untuk mengetahui karakter objek. Sistem radar ada dua macam yaitu radar pulsa (pulsed radar) dan radar kontinu (Continous Wave Radar).
Tabel 2.4. Band frekuensi untuk aplikasi RADAR Band frekuensi Frekuensi untuk Aplikasi tertutup acc. ETSI EN 302 372 Frekuensi untuk Aplikasi terbuka Acc. ETSI TR 102 601 C band 4,5 – 7,0 GHz 6 – 8,5 GHz X band 8,5 – 10,6 GHz --- K band 24,05 – 27,0 GHz 24,05 – 26,5 GHz V band 57 – 64 GHz 57 – 64 GHz W band 75 – 85 GHz 75 – 85 GHz 2.4.1. Radar FMCW
Radar yang diaplikasikan apada tugas akhir ini adalah produk pabrikan yang bekerja dengan frekuensi X-band 10 GHz. Dipilih frekuensi tersebut adalah bermaksud untuk mendapatkan optimalisasi keseimbangan antara beamwidth dan sensitivitas antena dengan mode Frequency Modulation Continous Wave (FMCW) sebagaimana diilustrasikan pada gambar 2.6.
Gambar 2.7. Ilustrasi cara kerja Radar Level Gauge
Penjelasan dari ilustrasi gambar 2.7 di atas adalah sebagai berikut : FMCW adalah suatu metode radar yang menggunakan modulasi frekuensi secara liner dan kontinu, dimana pengukuran dengan menghitung delta frekuensi dari frekuensi yang dikirimkan dan frekuensi yang diterima saat itu. Pengukuran ini dilakukan dengan memvariasikan frekuensi yang ditransmisikan. Frekuensi ini memiliki sifat semakin besar dalam setiap waktu sampai saat tertentu dia akan kembali mulai dari awal lagi. Jika digambarkan spektrum seperti gelombang gigi gergaji. Waktu tempuh frekuensi pertama tersebut akan memiliki waktu yang sebanding dengan jarak antara transmitter dan sisi pemantul. Semakin besar jaraknya maka semakin lama pula frekuensi pertama tersebut ditangkap. Pada saat yang bersamaan, radar tersebut juga mengirimkan sinyal yang semakin naik seiring bertambahnya waktu. Ketika frekuensi pertama ditangkap oleh radar, frekuensi tersebut dibandingkan dengan frekuensi yang dikirim saat ini. Delta frekuensi ini akan ditransformasikan dengan FFT menjadi frekuensi spektrum. Dari situlah bisa ditentukan jarak pengukuran. Dengan perhitungan tertentu, delta f ini memiliki hubungan sebanding dengan jarak yang diukur.
Jika laju perubahan frekuensi (chirp rate) disimbolkan sebagai
μ
maka dapat didefinisikan sebagai berikut :(2.1) dimana :
B (Bandwith) = Deviasi frekuensi gelombang terendah dan tertinggi (Hz) T (Time sweep) = periode sinyal chirp (detik)
Ketika gelombang yang dipancarkan radar tersebut diradiasikan kedalam sebuah medium dan menumbuk target, target akan memantulkan sebagian gelombang tersebut kembali ke radar. Gelombang pantul yang dihasilkan merupakan duplikasi gelombang pancar yang mengalami pelemahan dan penundaan waktu sebesar
τ.
(2.2) dimana :
τ
= penundaan waktu (detik)R = jarak antara radar dengan target (m)
c = cepat rambat cahaya (2,997925 x 108 m/detik)
Perbedaan frekuensi antara gelombang pancar dan gelombang pantul disebut sebagai gelombang beat (pelayangan) yang nilainya sebanding dengan jarak target pemantul dengan radar sehingga didapatkan nilai jangkauan R yaitu :
dimana :
R = jarak antara radar dengan target (m)
c = cepat rambat cahaya (2,997925 x 108 m/detik)
B = Bandwith yaitu deviasi frekuensi gelombang terendah dan tertinggi (Hz) T = periode sinyal chirp (detik)
fb = frekeunsi beat (Hz) 2.5. Antena Parabolik
Antena adalah elemen penting yang ada pada setiap sistem tanpa kabel (nirkabel/wireless) yang berfungsi sebagai pemancar dan penerima gelombang radio elektromagnetik dan juga sebagai transduser (pengubah) elektromagnetis, yaitu yang digunakan untuk mengubah gelombang tertuntun di dalam saluran transmisi kabel menjadi gelombang yang merambat di ruang bebas, serta sebagai alat penerima mengubah gelombang elektromagnetis ruang bebas menjadi gelombang tertuntun.
Difokuskan pada pembahasan tentang antena reflektor parabolik sebagaimana dapat dilihat pada gambar 2.8, antena ini memiliki sifat gain yang sangat tinggi sampai dengan 30-40 dB. Pada antena dengan diameter kecil biasanya beroperasi antara 2 GHz sampai 28 GHz.
Struktur dasar dari antena reflektor parabolik terdiri dari sebuah antena feed sebagai focal point yang menunjuk ke arah reflektor parabola. Focal point ini pada umumnya menggunakan antena horn dengan bentuk circular.
Ukuran diameter antena parabolik setidaknya beberapa kali panjang gelombang, tetapi diameter antena dengan 100 kali panjang gelombang bisa mencapai gain yang sangat tinggi (> 50 dB gain). Jarak antara focal point dan reflektor biasanya adalah beberapa kali panjang gelombang. Berbeda dengan sudut reflektor, dimana jaraknya adalah setengah-panjang gelombang dari reflektor.
Gambar 2.9. Geometri antena reflektor parabolik
Ilustrasi geometri pada gambar 2.9 di atas dapat diterangkan bahwa diameter, panjang focal point, ketinggian vertikal reflektor dan sudut maks antara titik fokus dan tepi parabola θ adalah saling berhubungan satu sama lain dengan persamaan berikut:
(2.4) Dimana :
F = Focal point (m)
D = Diameter parabola (m)
Dari persamaaan dan ilustrasi gambar di atas dapat dirangkum bahwa :
Semua energi yang berasal dari titik pusat feed antenna akan dipantulkan menuju arah yang sama.
Energi yang dipancarkan dari titik fokus ke reflektor dan kemudian balik ke titik fokus kembali adalah konstan.
Untuk perancangan antena ini, semakin besar nilai diameter D maka semakin besar gain antena. Panjang fokus F ini biasanya diberikan sebagai rasio F/D, dengan nilai berkisar antara 0,3 dan 1.0. Gain maksimum antena dapat dinyatakan dalam persamaan di bawah ini:
(2.5)
Namun gain aktual pada dasarnya berhubungan dengan efisiensi (permitivitas, epsilon atau konstanta dielektrik) untuk rancangan antena:
(2.6) Dimana :
G max = Gain maksimum antena
A = Luas permukaan antena (m2)
D = diameter antena parabolik (m)
= panjang gelombang (m) = Efisiensi
Sedangan efisiensi dapat ditulis sebagai produk dari serangkaian ketentuan dengan persamaan sebagai berikut :
= efisiensi Radiasi; adalah efisiensi yang berhubungan dengan kerugian ohmik. Karena antena horn sering digunakan sebagai feed, dan memiliki kerugian yang sangat kecil, dan karena reflektor parabolik menggunakan logam dengan konduktivitas sangat tinggi, maka efisiensi ini dapat bernilai 1 dan dapat diabaikan.
= efisiensi Aperture; adalah efisiensi medan magnet/listrik yang diiluminasikan sepanjang reflektor. Secara umum, antena akan memiliki gain maksimum jika amplitudo dan fase medan listrik/magnet yang diiluminasikan sepanjang reflektor adalah konstan. Namun iluminasi akan cenderung berkurang dari sumbu utama reflektor, yang mengarah pada gain yang lebih rendah. Efisiensi ini dapat ditingkatkan dengan meningkatkan rasio F/D. Namun dengan meningkatkan rasio F/D juga akan mengurangi efisiensi spillover.
= efisiensi Spillover, adalah efisiensi radiasi yang dipancarkan dari antena feed dan kemudian dipantulkan oleh reflektor. Karena ukuran diameter terbatas dari reflektor, beberapa radiasi yang ditembakkan dari antena feed memiliki sudut yang lebih besar sehingga tidak terpantul secara keseluruhan. Efisiensi ini dapat ditingkatkan dengan memindahkan feed lebih dekat ke reflektor, atau dengan meningkatkan ukuran reflektor. = efisiensi lainnya, yaitu besaran yang mendegradasi gain antena dan terdiri dari efek seperti:
Permukaan yang cacat; penyimpangan kecil bentuk reflektor akan mendegradasi kinerja antena, terutama frekuensi tinggi dengan panjang gelombang kecil sehingga tersebar oleh anomali permukaan reflektor.
Polarisasi terbalik; kehilangan gain karena radiasi terpolarisasi terbalik.
Penyumbatan aperture; antenna feed dan struktur fisik nya menyumbat dan menghalangi radiasi yang akan ditransmisikan oleh reflektor.
Feed tidak benar-benar berada tepat ditengah; antena parabolik memiliki sifat yang relatif terhadap satu focal point. Karena sumber tidak berada pada titik tengah, maka akan ada beberapa kerugian yang diakibatkan dari posisi antena feed tersebut.
2.5.1. Diagram Radiasi Antena
Diagram radiasi antena adalah besaran yang menentukan ke arah sudut mana sebuah antena memancarkan energi elektromagnetis yang menggambarkan distribusi energi yang di pancarkan pada ruang bebas. Besaran ini diukur pada medan jauh (far-field) dengan jarak yang konstan ke antena. Sebagaimana dapat dilihat pada gambar 2.10 bahwa Radiasi antena yang dipancarkan memiliki tiga daerah pancaran yaitu :
1. Main lobe (radiasi utama), yaitu energi difokuskan pada suatu arah tertentu yang bersifat direktif. Semakin menjauh dari radiasi utama pancaran antena akan semakin mengecil sampai tidak memiliki pancaran energi sama sekali. 2. Side lobe (radiasi samping), yaitu energi dengan semakin membesarnya sudut,
setelah mencapai nilai minimum (yaitu level nol), bisa kembali membesar dan mencapai suatu (lokal) maksimum.
3. Back lobe (radiasi belakang), yaitu energi pada sudut tepat bertolak belakang pada sudut arah pancaran utama (main lobe) .
Gambar 2.10. Diagram radiasi antena direksional 2.5.2. Beamwidth antena
Beamwidth antena didefinisikan sebagai sebuah lebar sudut pancar antena tersebut, dihitung 3 dB dari puncak main lobe ke bawah. Beamwidth menyatakan sudut pada main lobe pada batas-batas ke kiri dan ke kanan pada titik 3 dB down dari puncak main lobe. Beamwidth yang dihitung sebesar 3 dB dari puncak main lobe ini adalah merupakan setengah dari nilai penguatan total dari antena yang digunakan.
Nilai beamwidth sangat dipengaruhi oleh besarnya frekuensi kerja dan besarnya diameter antena. Kedua nilai ini berbanding terbalik dengan besarnya beamwidth. Semakin besar frekuensi kerja yang digunakan, maka semakin kecil lebar berkasnya (beamwidth) dan sebaliknya. Padahal bila dilihat dari penguatan antena, semakin besar frekuensi maka semakin besar juga penguatan antena tersebut. Maka dapat diambil kesimpulan semakin tinggi frekuensi yang
digunakan akan semakin tajam direktivitasnya atau semakin kecil dan panjang bentuk main lobe pancaran sinyalnya, sehingga harus semakin teliti dalam pengarahan antena (pointing) tersebut.
Sama halnya dengan besar diameter antena yang digunakan. Semakin besar diameter yang digunakan, maka menjadi semakin kecil beamwidth demikian sebaliknya, artinya berkas sinyal yang dipancarkan akan semakin koheren dan harus semakin teliti dalam pengarahan (pointing) antena tersebut. Ilustrasinya dapat dilihat pada gambar 2.11.
Gambar 2.11. Lebar sudut antena reflektor parabolik θ3db
Perhitungan matematis untuk mencari besar lebar berkas sinyal ini yaitu digunakan persamaan berikut:
D
f
c
k
D
k
dB
3 (2.8) θ 3db = beamwidth (°) k ≈ 702.5.3. Half Power Beam Width
Di dalam fisika dan teknik didefinisikan suatu batasan, jika daya mengecil sampai ke 50% dari daya maksimalnya (atau 70,7% dari intensitas listrik/magnetnya), maka kita mendapatkan batas untuk wilayah efektif tersebut. Dan wilayah efektif tersebut mempunyai lebar pancar yang dibatasi oleh kedua sudut batas pada daya 50%. Interval ini disebut juga Half-Power Beam Width (HPBW) yaitu sudut dari deviasi titik-titik pada setengah pola daya dalam main lobe, yang dapat dinyatakan dalam rumus sebagai berikut :
HPBW = | ӨHPBW left - ӨHPBW right | (2.9)
Dengan ӨHPBW left dan ӨHPBW right : titik-titik pada kiri dan kanan dari main lobe dimana pola daya mempunya harga ⁄ , Makin menjauh dari radiasi utama (main lobe) pancaran antena makin mengecil, dan sampai pada garis nol, yang artinya ke arah sudut tersebut tidak ada pancaran energi sama sekali. Sudut interval yang dibatasi oleh level nol ini disebut juga First Null Beam Width (FNBW).
2.5.4. Gain Antena
Gain antena adalah suatu parameter yang melambangkan suatu nilai penguatan antena terhadap sinyal elektromagnetis baik yang dipancarkan maupun diterimanya. Penguatan antena tersebut adalah nilai penguatan yang dibangkitkan oleh perangkat pendukungnya dan ada pada suatu antena bila dibandingkan dengan antena lain. Hal ini disebabkan karena antena merupakan salah satu
perangkat pasif yang tidak dapat menghasilkan suatu daya atau penguatan sendiri. Persamaan matematisnya adalah sebagai berikut :
2 max D G 10log ; λ = c/f (2.10) Dimana:
Gmax = Gain maksimum antena (dB)
= efisiensi (< 1 ) D = diameter antena ( m ) λ = panjang gelombang ( m )
c = cepat rambat cahaya (2,997925 x 108 m/s)
f = frekuensi yang digunakan ( Hz )
2.5.5. Kerugian Gain Antena (Antenna Gain Roll-off)
Selain memiliki nilai penguatan (gain), antena memiliki parameter yang merupakan nilai dari rugi-rugi pengurangan gain antena tersebut yang disebabkan oleh penyimpangan sudut bore sight antena dari batas-batas yang ditentukan.
Kerugian gain antena ini juga bisa disebabkan oleh besarnya beamwidth antena tersebut. Semakin sempit beamwidth suatu antena berarti semakin tajam main lobe-nya sehingga perubahan arah antena sedikit saja menimbulkan kerugian gain yang cukup besar. Secara matematis, nilai gain roll-off antena dapat dihitung dengan persamaan berikut:
2
G 0,027(b.f.D) (2.11)
G = Antenna gain roll-off (dB) b = Besar sudut simpang (° ) D = Diamater antena (m) f = Frekuensi kerja (GHz) 2.5.6. Return loss
Return loss adalah parameter untuk mengetahui banyak daya yang hilang dari radiasi antena yang dipancarkan yang merupakan perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dipancarkan. Perbandingan antara gelombang refleksi dengan gelombang yang dipancarkan atau disebut dengan koefisien refleksi tegangan (Γ) dapat dicari dengan persamaan:
Γ = Vo+/ Vo- (2.12)
Di mana :
Γ = Koefisien refleksi tegangan
Vo+ = Tegangan yang dipantulkan (Volt) Vo- = Tegangan yang dikirimkan (Volt)
Nilai return loss dapat dicari dengan cara memasukkan koefisien refleksi tegangan ke dalam persamaan bawah ini :
ReturnLoss = 20 log 10 | Γ| (2.13)
Nilai return loss yang baik adalah > -9,54 dB, yang berarti nilai gelombang yang direfleksikan tidak terlalu besar dibandingkan dengan gelombang yang dikirimkan atau dengan kata lain, saluran transmisi sudah dalam keadaan matching. Nilai
parameter ini menjadi salah satu acuan untuk melihat apakah antena sudah dapat bekerja pada frekuensi yang diharapkan atau tidak.
2.6. Hubungan Antara Sudut Beam Radar (Α), Jarak Radar Ke Target (D) Dan Diameter Beamwidth Target (W)
Dengan mengadopsi rumus pytagoras maka dapat didefiniskan hubungan antara sudut beam dari radiasi yang dikirim oleh Radar, Jarak dari Radar ke target, dan diameter beamwidth sudut pancar sampai ke target sebagaimana ilustrasi gambar 2.12 dan persamaan di bawah ini :
W = 2 x D x tan (α/2) (2.14) Dimana :
W (Width) = diameter beamwidth dari target (mm) D (Distance) = Jarak dari sumber Radar ke target (mm) α (sudut beam) = sudut pancar dari Radar ke target (°)
Gambar 2.12. Ilustrasi hubungan antara sudut beam (α), Jarak (D) dan diameter beamwidth (W) RLG menggunakan antena parabolik.
