Abstrak – Gelombang elektromagnetik merupakan salah satu media telekomunikasi yang sangat populer diseluruh dunia, penggunaannya yang luas dikarenakan variasi frekuensi mulai dari yang paling rendah hingga yang paling tinggi, sampai saat ini hampir semua frekuensi telah memiliki kegunaannya masing-masing. Selain untuk memancarkan sinyal informasi gelombang elektromagnetik juga bisa menjadi sumber energi alternatif, untuk mengubah gelombang menjadi tegangan diperlukan sistem electromagnetic harvesting dimana pada tugas akhir ini menangkap gelombang elektromagnetik yang berasal dari antena pemancar TV dan sumber-sumber lain yang mampu ditangkap antena penerima.Sistem electromagnetic harvesting ini terdiri dari power harvester atau perangkat rectifier yang mengubah tegangan AC yang diterima antena menjadi tegangan DC dan sebuah antena berjenis toothed log periodic yang mampu bekerja dari frekuensi 400 MHz hingga 2 GHz dengan gain maksimal 0.9 dB dan saat dilakukan integrasi dengan sistem electromagnetic harvesting dengan menangkap gelombang elektromagnet dari udara bebas dalam ruangan (lab B304) didapat tegangan rata-rata sebesar 1221.2 mV.
Kata kunci : Antena, Electromagnetic Harvesting I. PENDAHULUAN
erkembangan teknologi yang sangat pesat menuntut pemenuhan kebutuhan yang terus menerus. Banyak cara dilakukan, baik itu mandiri maupun dengan alat bantu yang canggih. Di sini peran teknologi khususnya dalam bentuk peralatan elektronik yang juga mampu bekerja secara wireless berperan membantu kerja manusia dalam menjalankan tugas – tugas yang sulit bagi manusia apakah karena sulit terjangkau, berbahaya ataupun karena harus dilakukan secara terus – menerus[1], terlebih isu tentang sumber energi yang ramah lingkungan semakin santer tersiar, melihat kondisi ini maka dibutuhkan alternatif pemecahan terhadap sumber energi apa yang bisa digunakan terus-menerus sebagai komplemen atau bahkan menggantikan sumber energi yang sudah ada. Salah satu sumber yang cukup mudah dan potensial adalah pemanenan gelombang elektromagnetik bebas untuk diubah menjadi energi listrik, mengingat penggunaan gelombang elektromagnetik dewas ini sangat luas dalam berbagai bidang khususnya telekomunikasi selular ataupun broadcasting siaran radio atau siaran televisi, seperti pada pengukuran kuat medan pada frekuensi televisi yang telah dilakukan [2] di lab B301
Tabel 1. Hasil Pengukuran Kuat Medan[2]
No Nama Frekuensi (MHz) Kuat Medan (dBµV/m) Siang Malam 1 Trans TV 478-486 55 53 2 ANTV 494-502 65 58 3 TVRI 510-518 53 53 4 Indosiar 526-534 56 55 5 RCTI 542-550 58 55 6 MNC TV 558-566 59 58 7 SCTV 574-582 58 58 8 Global TV 702-710 52 52 9 TV One 718-726 54 52 10 Metro TV 734-742 53 53 11 Trans 7 750-758 53 51
pada siang dan malam hari dimana datanya dapat dilihat pada tabel 1, dari data diatas dapat dilihat sumber ini walaupun kecil namun terbilang cukup potensial untuk dimanfaatkan, karena selain gratis, juga medan elektromagnetik tersedia terus menerus selama pemancar televisi, seluler, radio masih aktif bekerja, cukup.
II. TEORI PENUNJANG
A.Konsep Wireless Power Transfer
Wireless power transfer (WPT) adalah transmisi energi
listrik dari sumber listrik ke beban listrik interkoneksi tanpa kabel. Wireless power transfer berbeda dengan transmisi informasi secara wireless. Pada transmisi informasi parameter penting yang digunakan adalah signal to noise ratio (SNR) menjadi parameter penting, pada wireless power transfer efisiensi menjadi parameter paling penting.
Wireless power transfer dibagi menjadi dua macam yaitu near field dan far field. Near field berarti transmisi energi listrik
dilakukan dalam jarak yang relatif dekat yaitu sekitar beberapa meter saja. Sedangkan far field berarti transmisi energi dilakukan dalam jarak jauh dalam jarak beberapa kilometer. Contoh far field adalah electromagnetic harvesting atau radio
frequency harvesting adalah pengambilan medan elektromagnetikuntuk dimanfaatkan sebagai sumber energi l listrik. Sistem electromagnetic harvesting terdiri atas antena,
rectifier, dan rangkaian penguat tegangan. Antena diperlukan
untuk menangkap medan elektromagnetik sedangkan rectifier digunakan untuk menyearahkan arus listrik yang ditangkap oleh antena dan rangkaian penguat digunakan untuk memperbesar tegangan yang dihasilkan dari medan elektromagnetik yang ditangkap. Sistem rectifier dan penguat
Rancang Bangun Antena pada Frekuensi TV
Broadcasting untuk Optimalisasi Transfer Daya Tanpa
Kabel
Agra Gautama
(1), Eko Setijadi
(1), Wirawan
(1)(1)Bidang Studi Telekomunikasi Multimedia
Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Surabaya – 60111
(1) tegangan dapat dibuat menjadi satu rangkaian yang disebut dengan power harvester[3].
B.Teori Antena
B.1 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)
VSWR merupakan suatu keadaan dimana impedansi saluran transmisi mempunyai sifat ketidaksesuaian dengan
transciever yang kemudian akan menimbulkan daya refleksi
pada saluran yang terinterferensi, dari interferensi inilah timbul gelombang berdiri yang besarnya bergantung pada besarnya daya pantul. Dengan VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri maksimum |V|max dengan gelombang berdiri minimum |V|min.
Nilai VSWR juga dipengaruhi oleh koefisien gelombang pantul (Г), yang besarnya dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut.
Г = 𝑉𝑜+ 𝑉𝑜−
=
𝑍𝑙−𝑍𝑜 𝑍𝑙+𝑍𝑜= 𝑉𝑆𝑊𝑅 −1 𝑉𝑆𝑊𝑅 +1 B.2 BandwidthBandwidth dari sebuah antena didefinisikan sebagai range
frekuensi dimana antena masih mampu menunjukkan performansi sesuai yang telah ditentukan. Setiap antena memiliki bandwidth yang mempengaruhi jenis, ukuran, ataupun parameter fisik lainnya.
Jika sebuah antena bekerja pada frekuensi tengah (fc)tetapi masih dapat bekerja dengan baik pada frekuensi fl (frekuensi di bawah fc) sampai dengan fu (frekuensi di atas fc), maka bandwidth dari antena tersebut adlah fu – fl.
B.3 Toothed Log Periodic Antenna
Antena log periodic toothed ini sebenarnya merupakan salah satu antena log periodic yang lebih dulu dikembangkan, antena dengan bentuk yang tidak biasa ini merupakan pengembangan dari antena jenis bowtie dimana konstruksi dasar antena bowtie seperti dapat dilihat pada gambar 1 yang terdiri atas dua segitiga yang persis sama dan dihubungkan langsung dengan feed, antena bowtie standar memiliki bandwidth yang tidak terlalu lebar, hal inilah yang membuat dilakukannya penelitian dengan merubah geometri dari antena bowtie menjadi bergerigi dan berdimensi menurut satu besaran logaritmik.
Gambar 1 Perbandingan desain dasar antena bowtie dan toothed log periodic
III. RANCANGBANGUNDANIMPLEMENTASI
Gambar 2 Skema electromagnetic harvesting: a) pemancar TV, b) antena penerima, c) power harvester d) alat ukur
A. Metodologi Perancangan
Untuk dapat memanen gelombang electromagnet dari udara bebas, diperlukan perangkat yang dapat menangkap gelombang elektromagnetik serta mengubahnya dalam bentuk yang bisa digunakan oleh perangkat elektronik yang berdaya kecil, untuk menangkap gelombang elektromagnetik digunakan antena, untuk mengubah gelombang elektromagnetik menjadi tegangan digunakan rangkaian penyearah yang disebut power harvester. Sebelum merancang sistem electromagnetic harvesting ini perlu diketahui gambaran sederhana bagaimana sistem tersebut bekerja, seperti terlihat pada gambar 1.
Penelitian ini bertujuan mengoptimalkan performa sistem
harvesting electromagnetic dengan melakukan perubahan
signifikan pada sisi antena dan sedikit pengoptimalan pada perangkat power harvester , langkah-langkah kerja pada penelitian ini dapat dilihat pada gambar 2.
B. Perancangan Antena Toothed Log Periodic dengan Pendekatan Teoritis
Antena toothed log periodic ini adalah antena yang digunakan pada aplikasi broadband maupun ultrawideband, dimana antena ultrawideband merupakan antena yang memiliki bandwidth sangat lebar (minimal 500 MHz), pada tugas akhir ini juga akan dibuktikan apakah harvesting dari banyak frekuensi sumber sekaligus diharapkan akan meningkatkan performa dari sistem electromagnetic harvesting .Beberapa pertimbangan inilah yang menjadi
landasan dipilihnya antena toothed log periodic sebagai antena penerima pada sistem electromagnetic harvesting pada tugas akhir ini.
Terdapat beberapa parameter penting dalam merancang antena jenis toothed log periodic dimana pola antena akan dicetak diatas PCB (printed circuit board) jenis FR4(flame
retardant) yang memiliki ketebalan 1.6 mm dan permitivitas
relatif 4.4. Secara keseluruhan, langkah-langkah dalam perencanaan dan pembuatan antena toothed log periodic ini adalah penentukan bahan penyusun antena, penentukan spesifikasi dimensi antena, simulasi dengan bantuan software.
Perancangan antena merujuk pada desain antena yang telah ada[4], modifikasi dimensi akan dilakukan dengan menggunakan teori rujukan dari beberapa literatur [4][5] yang membahas tentang desain antena ini
(a) (b) (c) (d)
(2) (3) ( 4) (6) (5) (7) (7) Gambar 3. Flowchart rencana kerja
, adapun antena toothed log periodic yang akan dirancang pada tugas akhir ini memiliki lower frequency ( fl )adalah 400
MHz dan upper frequency (fu) adalah 800 MHz
Untuk mendapatkan bandwidth yang lebar dipilih faktor pembanding yang tidak terlalu tinggi, jadi frekuensi resonansi yang digunakan adalah sekitar 600 MHz sehingga didapatkan faktor pembanding sekitar 0.65 Besarnya faktor pembanding yang digunakan ditentukan melalui persamaan 2
𝜏 =
𝑓1𝑓2
=
400
615
= 0.6504 ≈ 0.65
sedangkan untuk faktor spasi dapat ditentukan melalui persamaan 3σ= 0.65 = 0.80
Untuk panjang elemen pertama atau yang terpanjang adalah sebesar λ/4 [4] dari frekuensi terkecil yakni 400 MHz
λL=𝑓𝑐= 3x10 8 400x106= 0.75 m 𝐿1= λ 4= 0.75 4 = 0.1875 𝑚 ≈ 18.75 𝑐𝑚
Panjang elemen pertama adalah 0.1875 m atau 18.75 cm, sedangkan untuk elemen berikutnya dapat ditentukan dengan faktor pembanding yaitu hingga tooth ke 5, agar fabrikasi pada PCB tidak terlalu rumit untuk panjang L2 didapatkan dengan
mengalikan faktor pembanding dengan L1 begitu juga untuk
elemen selanjutnya hingga jumlah tooth yang dikehendaki. Setelah diketahui panjang elemen berikutnya adalah menentukan jarak spasi antar elemen (dn) dengan
menggunakan persamaan dibawah 𝑑1 = 0.2 x σ x 𝐿1
= 0.2 x 0.8 x 0.1875 = 0.03 m ≈ 3 cm
Untuk jarak spasi antar elemen ke-2 dan seterusnya dapat ditentukan dengan persamaan 5. Jarak elemen pertama dari pusat tooth juga perlu ditentukan yaitu dengan persamaan 7:
𝑅1= d1 1 − 𝜏 + 𝑠𝑖𝑛 𝛽 d1 1 − 𝜏 = 3 1 − 0.65 + sin 45 3 1 − 0.65 = 8.57 + 6.06 = 14.63 𝑐𝑚
Jarak elemen pertama sudah diketahui, untuk jarak elemen lainnya dapat ditentukan dengan persamaan 6
Jarak sisi bagian luar tooth (rn) ditentukan dengan faktor spasi
seperti pada persamaan 7
𝑟1= σ x 𝑅1
= 0.8 𝑥 14.63 = 11.7 𝑐𝑚
untuk sisi bagian luar lainnya dapat ditentukan dengan persamaan diatas. Setelah parameter penting dari geometri plot gambar antena pada software Ansoft HFSS, untuk selanjutnya dilakukan simulasi performa, untuk selanjutnya dilakukan perubahan pada parameter yang telah didapatkan melalui perhitungan secara teoritis, sehingga didapatkan parameter geometri yang optimal seperti pada tabel 2.
Tabel 2 Parameter hasil simulasi
Parameter antena Satuan
Lebar port Feeding 2.54 cm Panjang Substrat 32.55 cm Lebar Substrat 32.55 cm Ketebalan Substrat 0.16 cm R1 14.63 cm L1 18.75 cm d1 3 cm r1 11.7 cm τ 0.65 σ 0.8 Analisa data kesimpulan END Tidak Ya START
Studi penentuan spesifikasi rancang bangun perangkat antena dan power
harvester
Simulasi rancangan antena
Implementasi desain Antena
Optimasasi antena pada simulasi
Pengukuran parameter unjuk kerja antena Pengukuran parameter
unjuk kerja sistem electromagnetic
(a)
(b)
Gambar 4(a) Antena hasil simulasi pada software HFSS 4(b) Antena hasil fabrikasi
C. Perancangan Power Harvester berdasarkan Literatur
Perancangan rangkaian power harvester masih menggunakan skema yang sama seperti pada penelitian sebelumnya, perubahan hanya dilakukan pada jenis kapasitor yang digunakan, dengan harapan tegangan hasil keluaran menjadi lebih stabil.
IV. ANALISISDATADANPEMBAHASAN
A. Pengukuran Besaran Antena
Pengukuran besaran antena toothed log periodic seperti
gain, diagram radiasi, dan nilai VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) dengan menggunakan cellmaster dan spectrum analyzer, pengukuran VSWR yang bertujuan untuk menentukan bandwidth dari antena, standar VSWR sendiri berbeda tergantung aplikasi antena, jika nilai VSWR semakin besar maka makin banyak daya yang terpantul dan tidak mengalir menuju power harvester, untuk aplikasi seperti ini nilai VSWR antara 1 sampai 2 masih dapat ditoleransi, bahkan
Gambar 5 Skema rangkaian power harvester pada software eagle.
Gambar 6 Tampilan VSWR antena toothed log periodic pada cellmaster. untuk beberapa aplikasi batas atas adalah 3, karena daya yang hilang tidak lebih dari 25%, sementara hasil pengukuran VSWR antena toothed log periodic seperti terlihat pada gambar 5, nilai VSWR bervariasi dari frekuensi 400 MHz hingga 2000 MHz hampir semua range frekuensi memiliki nilai VSWR dibawah 2 (kecuali pada range sekitar 800 MHz) antena ini memiliki bandwidth yang sangat lebar yakni dari 400 MHz hingga 2000 MHz jika bandwidth dilihat dari nilai VSWR yang lebih kecil dari 2, maka bandwidth terbelah menjadi dua bagian seperti terlihat dari range 400 MHz-700 MHz dan 1100 MHz-2000 MHz:
Gambar 7 Bandwidth bagian pertama.
Gambar 8 Bandwidth bagian kedua. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 300 400 500 600 700 800 VS WR Frekuensi (MHz) Bandwidth 1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 VS WR Frekuensi (MHz) Bandwidth 2
(8)
(9)
(10)
(11)
Gambar 10 Grafik tegangan keluaran sistem didalam ruangan B304
Pengukuran gain dilakukan dengan metode dua antena, menggunakan antena log periodic standar dengan gain 5 dB, dengan pengambilan data menggunakan sumber signal
generator, selanjutnya digunakan persamaan (8) [6] untuk
mendapatkan nilai gain dari antena, melalui perhitungan gain maksimal dari antena ini adalah 0.95 dB..
𝑃𝑅= 4𝜋𝑅𝜆 2
𝐺𝑇× 𝐺𝑅× 𝑃𝑇
B. Pengukuran Sistem Electromagnetic Harvesting
Tegangan yang dihasilkan dari sistem dengan inputan udara bebas di ruangan B304 seperti dapat dilihat pada gambar 10 berkisar antara 1140 mV hingga 1280 mV dengan waktu cuplik 5 detik, tegangan rata-rata yang dihasilkan sistem adalah 1221,27 mV, tegangan ini ditujukan untuk menyuplai perangkat elektronik kecil seperti sensor atau charging baterai, untuk itu perlu diketahui daya yang dihasilkan dari perangkat
power harvester ini, dengan menggunakan perhitungan
pembagian tegangan dan hambatan pada komponen. Hambatan rangkaian didaptakan dari hambatan luar sebesar 0.22 Ω serta hambatan dalam dari dioda sebesar 8 Ω. Sehingga daya yang mampu dihasilkan perangkat adalah sebesar:
𝑃 =𝑉 2 𝑅 𝑃 =1.22 2 8.22 𝑃 = 0.181 𝑊𝑎𝑡𝑡
Jika daya digunakan untuk mencatu baterai yang memiliki kapasitas 1200 mAH secara teoritis energi yang tersimpan pada baterai adalah
𝑊 = 𝑉. 𝐼. 𝑡
𝑊 = 1.2 𝑉 × 1.2 𝐴 × 1 𝑗𝑎𝑚 𝑊 = 1.44𝑊𝐻
Maka waktu yang diperlukan untuk mencatu baterai tersebut adalah
𝑡 =𝑊𝑃 t = 7.9 jam
C. Perbandingan Hasil Optimalisasi
Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan optimalisasi sistem electromagnetic harvesting yang sebelumnya telah dilakukan khususnya pada antena, dimana sebelumnya telah dirancang sebuah antena log periodic dipole array untuk aplikasi harvesting pada frekuensi TV broadcasting (dalam penelitian 470 MHz- 760 MHz), pada penelitian ini dirancang antena toothed log periodic yang bersifat mencangkup frekuensi 470 MHz-760 MHz dengan bandwidth minimal 500 MHz sehingga memenuhi syarat antena ultrawideband[6], berikut adalah beberapa perbandingan parameter seperti dimensi antena, bandwidth, VSWR, gain, dan tegangan yang dihasilkan dari power harvester, dibandingkan VSWR,
bandwidth dan geometri dari antena sebelumnya, untuk
geometri antena sebelumnya adalah panjang 50 cm dan lebar 32 cm dengan luas 1600 cm2 sedangkan untuk geometri antena
toothed log periodic panjang dan lebar 32.55 cm dengan luas
1056.25 cm2 sehingga geomteri berubah sebesar:
Panjang = 32.5/50 x 100 % = 65% dari panjang semula atau terjadi reduksi sebesar 35 %
Lebar = 32.5/32 x 100% = 101.5 % dari lebar semula atau pembesaran 1.5 %
Luas = 1056.25/1600 x 100% = 66.01 % dari luas semula atau reduksi sebesar 33.99 %
Gambar 11 Antena LPDA pada penelitian sebelumnya.
Gambar 12 VSWR Antena LPDA pada penelitian sebelumnya 1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 T egan gan ( m V) Waktu (s)
Secara overall geometri antena baru telah berkurang rata-rata 30% dari antena LPDA. Sedangkan untuk bandwidth dan VSWR dapat dilihat dari tampilan Network Analyzer terlihat
bandwidth dari antena LPDA adalah dari 470 MHz – 760
MHz atau bandwidth selebar 290 MHz, sedangkan untuk antena toothed log periodic memang dirancang untuk bekerja pada bandwidth sangat lebar, jika kedua bandwidth antena digabungkan, maka total bandwidth antena toothed log
periodic adalah 1700 MHz, sehingga lebar bandwidth
bertambah secara signifikan yaitu sebesar 413,79% dari
bandwidth sebelumnya, hanya saja gain maksimal yang
dimiliki antena sangat kecil jika dibandingkan dengan antena LPDA yaitu 0.9 dB dibanding dengan 7 dBi
V. PENUTUP
A. Kesimpulan
Berdasarkan pada kegiatan analisa data terhadap data pengukuran, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : Antena toothed log periodic memiliki dimensi panjang 35% lebih kecil . lebar 1,5% lebih besar dan luasan berkurang sebanyak 33.99% dibanding dengan antena pada penelitian sebelumnya, range frekuensi yang lebar yang memiliki total
bandwidth 413,79% lebih lebar dari antena pada penelitian
sebelumnya.Sistem electromagnetic harvesting menjadi lebih optimal dalam menghasilkan tegangan hingga 341,23% (pada lokasi yang sama) lebih tinggi dari antena yang digunakan pada penelitian sebelumnya, Semakin lebar bandwidth antena penerima, semakin tinggi tegangan yang bisa dihasilkan oleh
power harvester. B. Saran
Adapun beberapa hal yang dapat dijadikan perrtimbangan maupun saran dalam pelaksanaan tugas akhir ini guna pengembangan penelitian selanjutnya antara lain :
Memperkecil dimensi antena lebih jauh sehingga bisa digunakan sebagai perangkat portabel, dan melakukan perbaikan desain dari power harvester agar kinerja sistem
harvesting menjadi optimal
REFERENSI
[1] Nurrahman, Fajar. “Rancang Bangun Ambient Electromagnetic Harvesting pada Frekuensi TV Broadcasting untuk Transfer Daya Nirkabel”. Institut Teknologi Sepuluh Nopember, 2011.
[2] Irfan, Manahilul. "Pengukuran Medan Elektromagnetik Bebas pada Area Urban dan Rural", Institut Teknologi Sepuluh Nopember, 2011. [3] Harrist, Daniel W, “Wireless Battery Charging System Using Radio
Frequency Energy Harvesting”, University of Pittsburgh, 2011 [4] Balanis, Constantine A, “Modern Antenna Handbook”, John Wiley
& Sons, INC, New York, 2008
[5] Duhamel, R, “Broadband logarithmically periodic antenna structure” IRE National Convention Records, Part I, pp. 119-128, 195
[6] Alaydrus, Mudrik, "Antena: Prinsip dan Aplikasi". Graha Ilmu, Yogyakarta, 2011
Agra Gautama dilahirkan di Surabaya, 5 November
1989. Merupakan anak kedua dari tiga bersaudara pasangan I Nyoman Supartha dan Sri Isminarsih. Penulis memulai pendidikan formalnya di SD Mutiara Singaraja dari tahun 1995-2001. Kemudian penulis melanjutkan pendidikan ke SLTPN 1 Singaraja pada tahun 2001-2004. Kemudian melanjutkan jenjang pendidikan ke SMAN 1 Singaraja pada tahun 2004 dan lulus pada tahun 2007. Setelah menamatkan SMA, penulis melanjutkan studinya ke Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya melalui jalur PMDK pada tahun 2007 dan mengambi l Bidang Studi Telekomunikasi Multimedia. Penulis juga aktif dalam kegiatan laboratorium seperti Asisten Praktikum Dasar Sistem Telekomunmikasi dan Asisten Praktikum Komunikasi Data Dan Pengolahan Sinyal Digital.
![Tabel 1. Hasil Pengukuran Kuat Medan[2]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/4665983.3421952/1.918.128.845.93.1077/tabel-hasil-pengukuran-kuat-medan.webp)
