Pertemuan 6 : Persamaan Radar (Lanjutan)

Radar Monostatic dengan antena yang terpisah

Radar monostatik adalah radar yang perangkat pemacar dan penerima pada device yang sama akan tetapi posisi antena terpisah. Antena pemancar dan penerima bisa saja memiliki parameter kinerja yang sama, bisa juga berbeda. Persamaan 16 menunjukkan  persamaan radar untuk monostatik radar, dengan penguatan antena transmit (pemancar) dan antena receive (penerima) berbeda. Jika diasumsikan penguatan antena transmit dan antena receive serupa, maka persamaan menjadi lebih sederhana.

Perkiraan Jarak Deteksi

Salah satu kegunaan persamaan persamaan radar adalah untuk memperkirakan jarak atau jangkauan maximum pendeteksi target secara akurat. Untuk menyelesaikannya bentuk pendekatan untuk persamaan radar diubah dalam bentuk persamaan untuk menentukan jarak. Jarak maximum dapat diperoleh jika S/N adalah minimum, maximum range dapat dirumuskan dalam persamaan 17

Contoh sinyal to noise ratio (S/N)

Gambar 3.8 menunjukan sinyal dan derau (noise) untuk S/N yang berbeda. Dalam setiap kasus terdapat pantulan yang berasal dari target (target echo) yang merupakan komponen S. Pada tengah dari gambar angka yang berada dalam kurung yang merupakan perbandingan S/N dalam satuan tegangan. Untuk S/N yang rendah (sekitar 16 dB), sinyal masih cukup sulit untuk dideteksi dengan menggunakan threshold.

Space  gain

Salah satu faktor dari persamaan radar dapat dipisahkan, yaitu bagian yang mewakili semua variabel sistem yang terkait dengan ruang, dapat diubah ke dalam bentuk decibels, yang disebut space gain atau space loss. Dengan menggunakan persamaan 18 sebagai acuan persamaan radar untuk S/I dapat diperoleh

dalam satuan dB, GR space adalah dB/sm dan space loss adalah dBsm, sm (square meter).

 

2. Persamaan Radar untuk Rugi-rugi (Losses)

Rugi-rugi dalam persaman radar di kelompokkan menjadi 3 kelas berdasarkan energi yang diterima oleh radar dan perkiraan jangkauan maximum yang bisa di deteksi meliputi:

• Rugi-rugi sistem (system losses – Ls), yaitu rugi-rugi yang ada pada sistem internal radar tersebut.
• Rugi-rugi media propagasi (Propagation medium losses – La), adalah rugi-rugi pada saat propagasi dari radar ke target dan kembali dari target ke radar (biasanya terjadi di atmosfir ).
• Rugi-rugi bidang pemantul (Ground plane losses – Lgp), disebabkan karena adanya penggandaan lintasan sinyal dari radar ke target dan target ke radar, biasanya interaksi dari sinyal yang dipancarkan dan pantulan gelombang elektromagnetik dengan dataran atau lautan di permukaan bumi.

A. Rugi-rugi Sistem

Rugi-rugi (losses) yang ada pada suatu sistem berasal dari beberapa sumber. Losses total dari sistem diberikan oleh persamaan

Plumbing loss
Dalam proses sampainya daya elektrik dari transmitter/receiver ke antena (transmitter-duplexer, duplexer-receiver dan duplexer-antena), harus melalui saluran transmisi dan komponen microwave lainnya seperti port, probe, dummy load dan lain-lain. Minimal ada dua aspek yang menyebabkan berkurangnya daya yaitu pada :

• Bagian dummy load (yang bersifat sebagai isolator untuk  menjaga transmitter dari refleksi) dan directional coupler yang digunakan sebagai sebagai penyerap daya (yang biasanya digunakan untuk keperluan lain di receiver) . Digunakan energi untuk saluran transmisi dan energi yang lain digunakan untuk keperluan yang lain.
• Bagian sambungan yang impedansinya tidak sempurna, akan terjadi refrleksi. Sebahagian kecil dari daya yang maju akan dipantulkan ke arah yang sebaliknya, yang menyebabkan daya yang maju sedikit berkurang.

Rugi-rugi yang disebabkan oleh penyerapan dan refleksi dalam sistem saluran transmisi pada radar yang menyatu sebagai plumbing loss.

 

Polarization loss
Di dalam sistem antena radar terkadang polarisasi pada penerima berbeda dengan polarisasi pada transmitter. Hal ini terjadi karena pergeseran sudut arah dari medan magnetik atau medan elektrik dari gelombang radio yang digunakan yang disebabkan oleh banyak faktor. Sehingga polarisasi gelombang transmitter tidak dapat diserap secara sempurna oleh antena penerima, ketidak sempurnaan penerimaan ini disebut polarization loss

 

Antenna pattern loss (scan loss)
Untuk mencari target pada suatu radar, target tidak tergantung pada penguatan tertinggi dari semua echo pulses sebagai contoh pada gambar dibawah ini losses scan dan areal scan untuk target RCS yang tetap. Pada gambar bisa dilihat pola propagasi Fa dalam persamaan radar yang digambarjan antena mempunyai pola medan gelombang elektrik (Ft dan Fr jika antena digunakan secara terpisah)

Untuk target radar lebih dari satu dituliskan

Perhatikan pengaruh pola (pattern) terhadap power yang ditransmisikan antena secara real

 

Pulse Width Loss
Antena radar mempunyai struktur saluran transmisi dimana daya terdistribusi disepanjang saluran antena lebih besar dari antena itu sendiri. Pada pulse width loss terdapat suatu proses filling the antenna. Selama masa pengisian, antena tidak beradiasi secara efisien, inilah yang disebuat  rugi-rufi lebar pulsa (pulse width loss) atau rugi-rugi saat pengisian antenna

Squint loss
Squint loss ditunjukkan oleh beberapa tipe radar tracking, di saat mengikuti pergerakan target dimana beam maksimum antena berada pada axis tracking. Arah penguatan antena ke target lebih rendah dari puncak gain. Rugi-rugi ini pada sistem biasanya berkisar 3 dB dan 9 dB.

Limiting Loss
Jika terjadi pembatasan pada penerima, maka bagian energi sinyal yang berada di atas saturasi akan hilang. Pembatasan ini biasanya tidak dikehendaki, meskipun terjadi beberapa radar dan pengolah sinyal. Gambar di bawha ini merupakan contoh pembatasan dan pengaruhnya.

 Collapsing Loss
Pendeteksian target oleh radar berdasarkan beberapa dimensi yaitu jarak, sudut azimut, sudut elevasi, dan efek dopler. Jika salah satu dari dimensi dihilangkan akan menjadi collapsed pada dimensi lainnya. Sebagai contoh berdasarkan radar pada gambar 3.13 yang terhubung pada Plan Position Indicator  (PPI). Jika elevasi radar berubah, PPI tidak dapat menunjukan resolusi. Azimuth atau range cell echo target pada PPI  tampak sebagai satu sel resolusi elevas, akan tetapi realitanya merupakan campuran sel elevasi beberapa target.

Operator loss
Dalam beberapa sistem, yang tidak menggunakan pendeteksian target secara otomatis, operator sangat berperan dalam pendeteksian lokasi target. Operator dapat mempengaruhi beberapa parameter radar, termasuk penguatan dan proses sinyal. Jika kurang memiliki keahlian, maka bisa terjadi operator itu mengalami kesalahan sehingga terjadi rugi-rugi.

Non-ideal equipment loss
Sesuai dengan umur untuk suatu sistem radar, terdapat penurunan performa komponen-komponen elektrik selama pemakaian. Rugi-rugi ini meliputi rugi daya yang di transmisikan yang mengakibatkan penurunan NF (noise figure) pada receiver

 

B. Rugi-rugi Media Propagasi

Energi gelombang mikro melewati atmosfir bumi dengan berbagai rintangan. Sabagaimana gelombang cahaya, maka akan ada yang hilang. Namun karena panjang gelombang radar lebih panjang daripada cahaya maka rugi-rugi yang dialami lebih kecil. Dua fenomena mengakibatkan terjadinya rugi-rugi propagasi, yaitu absorpsi oleh gas atmosfir dan scattering oleh partikel di atmosfer.

Gas di atmosfir menyerap daya gelombang mikro, terutama pada saat berada pada frekuensi resonansi. Sangat sulit untuk digambarkan secara lengkap dengan satu atau dua gambar, pengaruh dari penyerapan atmosfir. Gambar dibawah ini menunjukkan grafik rugi-rugi yang disebabkan oleh penyerapan gelombang mikro oleh gas-gas di atmosfir, yang disebut Atmosphere Loss (LA).

 

Penyebab kedua gangguan sinyal pada atmosfir adalah hamburan sinyal karena hujan. Prinsip kejadian tersebut dapat dilihat pada gambar berikut

Redaman sinyal di atmosfir yaitu hamburan oleh sinyal karena adanya hujan salju, hujan yang sangat deras. Hamburan oleh partikel yang lebih kecil dan panjang gelombang mempunyai frekuensi yang tinggi dibandingkan oleh hamburan partikel tunggal. Gambar di atas menunjukkan bahwa rugi-rugi disebabkan karena hujan deras dengan frekuensi tinggi dan jangkauan radar yang jauh. Jadi redaman pada saat hujan membuat proses deteksi jadi lebih susah.

Hujan yang sangat deras dibelakang targaet (yang berada pada kondisi cuaca cerah) dapat menyebabkan clutter. Redaman bisa dihitung dari jarak beam sampai ke hujan, sehingga prediksi nya bisa lebih akurat. Ketika target dalam keadaan hujan prediksi rugi–rugi yang terjadi semakin besar dan jarak deteksi menjadi sulit ditentukan. Grafik di bawah ini menunjukkan besarnya redaman hujan dalam 2 arah (transmit-receive) yang merupakan fungsi dari frekuensi.

Salju juga menyebabkan atenuasi. Untuk menentukan attenuasi pada salju dapat digunakan persamaan berikut

 

C. Ground plane loss

Gambar 3-17 menunjukkan prinsip dari ground plane gain atau loss. Jika didapat suatu ground plane, ada 2 lintasan sinyal : d-direct (langsung) dan r-reflected (terpantul). Dengan radar, sinyal melalui 4 lintasan. Transmisi d-d, d-r, r-d dan r-r.

Refleksi dari magnitude itu berkisar antara nol sampai dengan 1. Refleksi horizontal sepanjang permukaan berbeda fase 180° untuk polarisasi horizontal dan 0° untuk polarisasi vertical. Karena gelombang yang terpolarisasi secara circular mempunyai gelombang yang terpolarisasi secara vertical dan horizontal seimbang dan hanya satu yang terpakai, maka polarisasi gelombang tersebut menjadi terbalik, sebelah kanan menjadi kiri begitu juga sebaliknya.

Untuk tanah dan air refleksinya 180° untuk sudut kecil yang berimpit (sekitar < 5° ), disini terjadi penurunan polarisasi. Dampak seperti ini yang disebut refleksi yang sebenarnya merupakan refraksi.

 

Sejumlah sinyal dikembalikan ke radar dengan refleksi permukaan dasar berkisar dari 0° (jika lintasan keempat sinyal dengan fase magnitude seperti itu yang dibatalkan) sampai 16 (lintasan keempatnya menambah voltase dengan penguatan daya dan penguatan tegangan yang dikuadratkan). Ini menghasilkan penguatan pada bidang mulai 0-16, dan pada ground plane terjadi loss sebesar 1/16. Pada Bab 7 dijelaskan bahwa rugi-rugi dapat bervariasi cukup lambat untuk gangguan yang nyata dengan kemampuan radar untuk melekat dan melacak target yang terbang rendah.

Hal-hal untuk menghindari ground plane loss antara lain:

1. sebuah antenna yang mempunyai sudut elevasi beam yang cukup tajam untuk mencegah iluminatingpada titik refleksi.
2. adanya refleksi agility untuk menentukan losses yang berubah secara cepat.

Frekwensi agility mengakibatkan amplitude target bervariasi lebih cepat dari pada tanpa frekwensi agility yang ditunjukkan pada Bab 5 bahwa target yang berubah cepat lebih mudah dideteksi daripada taget yang bervariasi lambat.

Masalah lain ketika terjadi pantulan ground plane adalah radar tidak bisa melokalisasikan target dalam sudut elevasi ketika tidak ada pantulan dariground plane, ini bisa menjadi masalah pada sistem penjejakan.

Pantulan ground plane memperbesar kesalahan (error) elevasi dari target yang terbang rendah dan antena dengan beam yang tajam dapat membantu mempermudah pendeteksian. Frekwensi agility menyebabkan penampakan elevasi bervariasi sangat cepat untuk dapat diikuti oleh putaran antena, sehingga dari penjejakan tersebut dapat diketahui posisi target.

Pertemuan sebelumnya                                                Pertemuan selanjutnya