RANCANG BANGUN AMBIENT ELECTROMAGNETIC HARVESTING PADA FREKUENSI TV BROADCASTING UNTUK TRANSFER DAYA NIRKABEL

R

ANCANG

B

ANGUN

A

MBIENT

E

LECTROMAGNETIC

H

ARVESTING

PADA

F

REKUENSI

TV

B

ROADCASTING

UNTUK

T

RANSFER

D

AYA

N

IRKABEL

Fajar Nurrahman

2207100074

Dosen pembimbing:

Eko Setijadi, S.T., M.T., Ph.D.

Dr. Ir. Wirawan, DEA

L

ATAR

B

ELAKANG

Banyak

Sumber EM

bebas

Pencatuan

perangkat

berdaya kecil

WSN

2

P

ERMASALAHAN



Bagaimanakah rancangan antena penerima yang

sesuai untuk frekuensi yang digunakan stasiun

TV



Bagaimanakah rancangan power harvester yang

diigunakan dalam

ambient electromagnetic

system.



Bagaimanakah unjuk kerja antena penerima.



Bagaimanakah unjuk kerja sistem

ambient

electromagnetic harvesting

B

ATASAN

M

ASALAH



Antena penerima yang dibuat adalah

Log

Periodic Dipole Array



Frekuensi kerja antena penerima adalah 470

MHz- 760 MHz.



Pada pengukuran di laboratorium, pembangkit

sinyal menggunakan sinyal generator sebagai

pengganti transmitter TV

B

ATASAN

M

ASALAH

(

CONT

’

D

)



Pengukuran parameter unjuk kerja dari antena

penerima

yang dibuat meliputi VSWR, pola

radiasi, dan

gain



Pengukuran parameter-parameter unjuk kerja

dari

ambient electromagnetic harvester

yang

dibuat meliputi tegangan keluaran dan arus

keluaran

T

UJUAN



Mendesain dan membuat prototipe

antena penerima yang sesuai dengan

frekuensi kerja stasiun TV UHF



Mendesain dan membuat prototipe

rangkaian power harvester.



Memanfaatkan energi gelombang

elektromagnetik pada untuk pencatuan

daya perangkat berdaya listrik kecil

(misal WSN)

S

ISTEM

A

MBIENT

E

LECTROMAGNETIC

H

ARVESTING

UHF

_{NO Nama Frekeunsi}

1 Extremely Low Frequency (ELF) 3-30 Hz

2 Super Low Frequency (SLF) 30-300 Hz

3 Ultra Low Frequency (ULF) 300-3000 Hz

4 Very Low Frequency (VLF) 3-30 KHz

5 Low Frequency (LF) 30-300 Khz

6 Medium Frequency (MF) 300-3000 KHz

7 High Frequency (HF) 3-30 MHz

8 Very High Frequency (VHF) 30-300 MHz

9 Ultra High Frequency (UHF) 300-3000 Mhz

10 Super High Frequency (SHF) 3-30 GHz

11 Extremely High Frequency (EHF) 30-300 GHz

8

(Sumber : Kraus, John D, “Antennas for All Aplications”, McGraw-Hill, New York, 2003)

K

ANAL

F

REKUENSI

STASIUN

TV

DI

J

AWA

T

IMUR

(S

URABAYA

)

No Nama Kanal Frekuensi _(MHz) Alamat Latitude Longitude _(KW)TRP

1 Trans TV 22 478-486 _{Sambi Sari -7.274463° 112.675877° 30}

2 ANTV 24 494-502 _{Prada Indah -7.284773° 112.677881° 10}

3 TVRI 26 510-518 _{Jl MayJen Sungkono -7.289757° 112.714113° 10}

4 Indosiar 28 526-534 _{Bibis Balongsari -7.262275° 112.674345° 40}

5 RCTI 30 542-550 _{Jl Darmo Permai Selatan -7.278751° 112.678854°}

6 MNC TV 32 558-566 _{Prada Indah -7.284773° 112.677881° 80}

7 SCTV 34 574-582 _{Jl. Raya Darmo Permai III -7.277129° 112.696105° 60}

8 Global TV 50 702-710 _{Jl Ahmad Yani -7.320106° 112.731441° 30}

9 TV One 52 718-726 _{Sambi Sari -7.272931° 112.677095°}

10 Metro TV 54 734-742 _{JlDarmo Permai Selatan -7.278168° 112.676362°}

11 Trans 7 56 750-758 _{Jalan Sambi Kerep -7.279663° 112.652191° 30}

9

(sumber : Keputusan Menteri Perhubungan NO: KM. 76 Tahun 2003 , google earth, asiawaves.net/indonesia-tv.htm)

P

ETA

PERSEBARAN

STASIUN

TV

DI

S

URABAYA

L

OG

P

ERIODIC

D

IPOLE

A

RRAY

(LPDA)

11 (Sumber gambar : ARRL, “Antenna Book : The ultimate reference for amateur radio

M

ETODOLOGI

R

ANCANG

B

ANGUN

A

NTENA

LPDA (1)

1.

Penentuan frekuensi kerja dan operating bandwidth (B)

antena

2.

Pemilihan nilai τ dan σ

3.

Perhitungan nilai cotangen α

4.

Perhitungan bandwidth dari daerah aktif (B

_ar

)

5.

Perhitungan bandwidth struktur/array (B

_s

)

6.

Perhitungan panjang boom (L)

7.

Perhitungan jumlah elemen dipole (N)

8.

Perhitungan panjang tiap elemen (l

_n

)

9.

Perhitungan jarak tiap elemen

10.

Perhitungan impedansi karakteristik rata-rata elemen

11.

Perbandingan

𝑍𝑎

𝑅_𝑖𝑛

12.

Spasi rata-rata relatif

13.

Penentuan nilai

𝑍0

𝑅_𝑖𝑛

14.

Perhitungan impedansi karakteristik saluran feeder (Z

₀

)

(Sumber : ARRL, “Antenna Book : The ultimate reference for amateur radio antennas,

transmission lines and propagation”, Newington, 2007)

R

ANCANG

B

ANGUN

A

NTENA

LPDA (2)

1. Penentuan frekuensi kerja dan operating bandwidth (B) antena

f_l = 470 MHz f_u = 760 MHz B = 𝑓𝑢 𝑓_𝑙 B = 760 470 = 1,617021277

2. Pemilihan nilai τ dan σ

14

Rentang nilai τ standar : 0.8 ≤ τ ≤ 0.98 Dipilih nilai τ = 0.85

σ_opt = 0.243τ – 0.051 = 0.243 (0.85) – 0.051 = 0.15555

R

ANCANG

B

ANGUN

A

NTENA

LPDA (3)

3. Perhitungan nilai cotangen α

Cot α = 4𝜎

1− 𝜏

Cot α = 4(0.1555)

1− 0.85 = 4.148

4. Perhitungan bandwidth dari daerah aktif (B_ar)

B_ar = 1.1 + 7.7 (1 - τ)2 _{cot α}

B_ar = 1.1 + 7.7 (1 – 0.85) 2 _{x (4.148)}

= 1.1 + 7.7 (0.15) 2 _{x 4.148}

= 1.818641

5. Perhitungan bandwidth struktur/array (B_s)

B_s = B x B_ar

B_s = 1.617021277 x 1.818641 = 2.940781191

R

ANCANG

B

ANGUN

A

NTENA

LPDA (4)

6. Perhitungan panjang boom (L)

L = 1 − _𝐵1 𝑠 cot α x 𝜆_𝑚𝑎𝑥 4 L = 1 − 1 2.940781191 x 4.148 x 0.6382978 4 = 0.436833 m λ_max = 300

470 (v adalah kecepatan cahaya di ruang hampa, 3x108 m/s)

= 0.6382978 m

7. Perhitungan jumlah elemen dipole (N)

N = 1 + log 𝐵𝑠 log1_𝜏 = 1 + ln 𝐵_𝑠 ln1_𝜏 = 1 + log 2.940781191 log_0.851 = 7.637 ≈ 8 buah elemen 16

R

ANCANG

B

ANGUN

A

NTENA

LPDA (4)

8. Perhitungan panjang tiap elemen (l_n)

l₁ = 𝜆𝑚𝑎𝑥

2

l₁ = 0.6382978

2 = 0.319148 m

Panjang elemen yang lain :

l_n = τ x l_n-1

9. Perhitungan jarak tiap elemen (d_n)

d_1-2 = (𝑙1− 𝑙2)cot α

2

d_1-2 = 0.319148 − 0.271276 x 4.148

2

d_1-2 = 0.099287 m

Jarak tiap elemen yang lain : d_(n-1)-n = τ d_(n-2)-(n-1)

D

IMENSI

ANTENA

Elemen Panjang (l) (cm) Jarak antar elemen (dn-n+1)

(cm) 1 31.9148 2 27.1276 d_1-2 9.9287 3 23.0585 d_2-3 8.4394 4 19.5997 d_3-4 7.1735 18 5 16.6598 d_4-5 6.0974 6 14.1608 d_5-6 5.1828 7 12.0367 d_6-7 4.4054 8 10.2312 d_7-8 3.7446

H

ASIL

PROTOTIPE

ANTENA

LPDA 8-

ELEMEN

19

50 cm

R

ANCANG

BANGUN

P

OWER

H

ARVESTING

20

R

ANCANG

BANGUN

P

OWER

H

ARVESTING

(

CONT

’

D

)

R

ANCANG

BANGUN

P

OWER

H

ARVESTING

(

CONT

’

D

)

22

P

ENGUKURAN

PARAMETER

ANTENA



Pengukuran VSWR

 576.11 MHz nilai VSWR yang didapat adalah 1.433.  589.30 MHz nilai VSWR adalah 1.813,

 721.6 MHz nilai VSWR yang didapat adalah 1.574.

P

ENGUKURAN

PARAMETER

ANTENA

(

CONT

’

D

)



Pengukuran Pola Radiasi

24 -70 -68 -66 -64 -62 -60 0⁰ 30⁰ 60⁰ 90⁰ 120⁰ 150⁰ 180⁰ 210⁰ 240⁰ 270⁰ 300⁰ 330⁰ -80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 0⁰ 30⁰ 60⁰ 90⁰ 120⁰ 150⁰ 180⁰ 210⁰ 240⁰ 270⁰ 300⁰ 330⁰

Pola radiasi bidang E

Pola radiasi bidang H

P

ENGUKURAN

PARAMETER

ANTENA

(

CONT

’

D

)

0 2 4 6 8 10 12 470 500 530 560 590 620 650 680 710 740 ga in (d B i)

frekuensi kerja LPDA (MHz)

25 Gain min = 5.68 dBi

Gain maks = 10.05 dBi Rata-rata gain = 7 dBi

P

ENGUKURAN

PARAMETER

A

MBIENT

E

LECTROMAGNETIC

H

ARVESTING



Pengukuran Tegangan Keluaran

a.

Pengukuran Tegangan Keluaran Di Lokasi Stasiun Pemancar

TVRI

b.

Pengukuran Tegangan Keluaran Di Lokasi Stasiun Pemancar

SCTV

c.

Pengukuran Tegangan Keluaran Di Lokasi Lab B.301

d.

Pengukuran Tegangan Keluaran Di Lokasi Lab B.301 Dengan

Pengaruh Signal Generator



Pengukuran Arus Keluaran

P

ENGUKURAN

T

EGANGAN

K

ELUARAN

D

I

L

OKASI

S

TASIUN

P

EMANCAR

TVRI

0 50 100 150 200 250 300 350 400 te g a ng a n (mV) waktu (s) 27

Tegangan maks

= 371 mV

Tegangan min

= 239 mV

Tegangan rata-rata

= 300.1 mV

Tegangan yang dihasilkan mengalami fluktuasi karena proses

pengambilan data dilakukan secara bergerak dan posisi arah

antena tidak tetap terhadap pemancar

P

ENGUKURAN

T

EGANGAN

K

ELUARAN

D

I

L

OKASI

S

TASIUN

P

EMANCAR

SCTV

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 te g a ng a n (mV) waktu (ms) 28 Tegangan maks = 1766 mV Tegangan min = 1173 mV Tegangan rata-rata = 1480.1 mV

• Tegangan output besar karena lokasi pengukuran dekat beberapa stasiun TV

• perlakuan yang relatif stabil terhadap perangkat, sehingga loss karena kabel dan konektor yang bergerak dapat dikurangi

P

ENGUKURAN

T

EGANGAN

K

ELUARAN

D

I

L

OKASI

L

AB

B.301

0 100 200 300 400 500 600 700 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 te g a ng a n (mV) waktu (s) 29

tegangan maks

= 591 mV

tegangan min

= 136 mV

tegangan rata-rata

= 357.9 mV

•

Kondisi perangkat sangat stabil

P

ENGUKURAN

T

EGANGAN

K

ELUARAN

D

I

L

OKASI

L

AB

B.301

D

ENGAN

P

ENGARUH

S

IGNAL

G

ENERATOR

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 te g a ng a n (mV) waktu (s) 30

Tegangan maks

= 2409 mV

Tegangan min

= 1324 mV

Tegangan rata-rata

= 1882.67 mV

•

Kondisi perangkat stabil

P

ENGUKURAN

A

RUS

KELUARAN



Menggunakan multimeter digital



Arus keluaran di pengukuran lab 301 relatif

stabil di angka 0.008 mA

P

ERHITUNGAN

W

AKTU

U

NTUK

M

ENCATU

B

ATERAI



Contoh alat elektronik adalah sensor Mica2 yang

digunakan pada penelitian

Wireless Sensor

Network

(WSN).



Untuk pencatuannya sensor Mica2

menggunakan baterai NiMH AA 1.2V 1200mAh.

𝐼

_ℎ

=

𝐼

_𝑆

𝑥 3600

𝐼

_ℎ

=

0.008 𝑥3600

𝐼

_(ℎ)

= 28.8 mAh

t = 1200 / 28.8

= 41.67 jam ≈ 41 jam 41 menit

K

ESIMPULAN



Antena

log periodic dipole array

yang dibuat dapat

digunakan sebagai antena UHF dengan VSWR dan

gain

7

dBi.



Pengukuran tegangan rata-rata di stasiun TVRI adalah

300.1 mV, di stasiun SCTV 1480.1 mV, di lab b.301 sebesar

357.9 mV dan di lab b.301 dengan pengaruh

signal

generator

1882.67 mV



Hasil perbandingan pengukuran di lab b.301 dengan dan

tanpa SSG menunjukkan bahwa

ambient electromagnetic

harvesting

menghasilkan tegangan lebih tinggi jika berada

dekat sumber elektromagnetik.



Perhitungan untuk pencatuan sebuah baterai NiMH

AA 1.2 V 1200 mAH membutuhkan waktu 41 jam 41

S

ARAN



Penggunaan antena yang lebih kecil sehingga

memudahkan untuk pemakaian dan lebih

praktis seperti

miniaturized

LPDA atau

microstrip

LPDA



Pembuatan rangkaian

power harvester

yang

menghasilkan penguatan yang lebih besar

.



Proses pengambilan gelombang elektromagnetik

harus dilakukan pada kondisi antena dan

power

harvester

yang stabil.

P

USTAKA

[1] Kraus, John D, “Antennas for All Aplications”, McGraw-Hill, New York, 2003.

[2] Keputusan Menteri Perhubungan No: KM.76 th 2003, “Rencana Induk (Master Plan) Frekuensi Radio Penyelenggaraan Telekomunikasi Khusus untuk Keperluan Televisi Siaran Analog pada Pita Ultra High Frequency (UHF)”.

[3] Balanis, Constantine A, “Antenna Theory Third Edition : Analysis and Design”, John Wiley & Sons, INC, New York, 2005.

[4] Isbell, D.E, “Log periodic Dipole Arrays”, Trans. Antennas Propagat, Vol AP-8, pp. 260-267, May 1960/

[5] ARRL, “Antenna Book : The ultimate reference for amateur radio antennas, transmission lines and propagation”, Newington, 2007.

[6] Carrel, R. L. “Analysis and Design of the Log-Periodic Dipole Antenna”, Ph.D.Dissertation, Elec. Eng. Dept., University of Illinois, 1961

[7] Harrist, Daniel W, “Wireless Battery Charging System Using Radio Frequency Energy Harvesting”, University of Pittsburgh, 2011.

[8] Sample, Alanson dan Smith, Joshua R, “Experimental Result with two wireless power transfer systems”.

[9] Nazar, Muhammad Luqman, dkk, “Size Reduction of Log Periodic Dipole Array Antenna”, 6th international conference on Emerging Technologies (ICET), 2010.