RANCANG BANGUN RADIATOR UNTUK TRANSMISI ENERGI LISTRIK TANPA KABEL
Atik Charisma
1, Een Taryana
1, M. Reza Hidayat
1, Azwar Mudzakkir
2, Achmad Munir
21
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Jenderal Achmad Yani Jl. Terusan Jendral Sudirman, Cimahi, Jawa Barat 40285
2
Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesha No. 10, Kota Bandung, Jawa Barat 40132
E-mail: atikcharisma@gmail.com
ABSTRAKS
Energi listrik merupakan salah satu kebutuhan penting dalam kehidupan manusia pada saat ini. Hampir semua aktifitas manusia menggunakan energi listrik. Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi di bidang energi listrik sudah semakin maju dan penuh inovasi. Penggunaan kabel sebagai media transmisi energi listrik ke perangkat elektronik dapat digantikan dengan sebuah metode yakni wireless power transfer. Metode ini mentransmisikan energi listrik melalui udara menuju beban tanpa menggunakan kabel. Fokus penelitian ini adalah merancang dan mengimplementasikan antena atau radiator dari mikrostrip sebagai media transmisi energi listrik tanpa kabel yang bekerja pada frekuensi 13-14 MHz dengan ukuran yang kecil. Perancangan antena menggunakan metode planar inverted F struktur yang mana dengan metode ini dapat menghasilkan design antena dengan ukuran yang lebih kecil. Radiator yang dirancang berhasil diimplementasikan dengan ukuran 240 mm x 240 mm pada frekuensi tengah 13,7 MHz dengan S
11-12,054 dB dan VSWR sebesar 1,665.
Kata Kunci: Radiator, planar inverted F struktur, WTP
1. PENDAHULUAN
Energi listrik merupakan salah satu kebutuhan penting dalam kehidupan manusia pada saat ini. Hampir semua aktifitas manusia menggunakan energi listrik. Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi di bidang energi listrik sudah semakin maju dan penuh inovasi. Inovasi tersebut memberikan banyak kemudahan dan manfaat bagi manusia. Kehidupan manusia yang serba mobile saat ini tidak bisa terlepas dari pentingnya penggunaan perangkat elektronik yang mendukung aktifitas mobilitas mereka seperti smartphone dan laptop.
Perangkat elektronik tentunya membutuhkan energi listrik. Rata-rata pengiriman energi listrik ke perangkat elektronik seperti smartphone dan laptop masih menggunakan kabel listrik.
Wireless power transfer (WPT) merupakan salah satu energi listrik yang ditransmisikan melalui media udara sehingga energi listrik dapat ditransmisikan dari suatu sumber listrik menuju beban tanpa melalui kabel (Valone 2003). Hal tersebut dapat menyebabkan pengurangan penggunaan kabel sebagai media penyaluran daya karena digantikan oleh wireless power transfer. Beberapa perusahaan smartphone telah menggunakan sistem pengiriman energi listrik tanpa menggunakan kabel. Sistem WPT ini diaplikasikan pada komponen elektronik smartphone yang membutuhkan tegangan yang rendah yakni sekitar 5 V dan 1,5 A.
Penelitian tentang wireless power transfer sangat penting dilakukan karena transfer energi listrik menggunakan wireless memiliki kelebihan dibandingkan transfer energi menggunakan kabel salah satunya akan meningkatkan kenyamanan pemakaian peralatan elektronik. Salah satu elemen penting dalam perancangan system transmisi listrik tanpa kabel adalah antena atau radiator sebagai media transmisi. Pada sistem ini juga dibutuhkan VCO dibagian penerima dan bagian pengirim sinyal. VCO berperan sebagai penggetar (pembuat) sinyal untuk transmit maupun receive. VCO Bertugas membagi gelombang yang dihasilkan oleh X-TAL yang bernilai 26 MHz dan dibagi kenilai setengahnya yaitu 13 MHz oleh karena itu pada penelitian ini akan dibahas tentang perancangan radiator menggunakan mikrostrip dengan frekuensi tengah 13,5 MHz.
1.1 Tinjauan Pustaka
Wireless power transfer atau dikenal dengan istilah lainnya pengiriman energi listrik tanpa kabel adalah suatu sistem yang mentransmisikan energi listrik dari suatu sumber menuju beban listrik tanpa melalui kabel (Valone 2003). Transmisi energi listrik tanpa kabel ini berguna jika manusia membutuhkan energi namun di lingkungan sekitar tempat mereka berada tidak ada kabel. Alat pengirim daya listrik tanpa kabel memiliki banyak kegunaan dalam kehidupan sehari-hari, diantaranya :
1. Memberikan sumber listrik tanpa kabel secara langsung, yaitu ketika peralatan elektronik tanpa baterai membutuhkan daya listrik, akan tetapi tidak ada kabel disekitarnya, maka alat pengirim daya listrik tanpa kabel akan berfungsi selama masih berada dalam area jangkauan.
2. Mengisi ulang secara otomatis tanpa kabel, yaitu ketika suatu alat elektronik yang menggunakan baterai yang dapat diisi ulang membutuhkan isi ulang baterai, maka alat ini juga dapat digunakan.
Konsep perancangang pengiriman energi listrik terbagi atas dua yakni bagian transmitter dan receiver
(Settapong2017). Sinyal microwave ditransmisikan menggunakan sebuah antena di bagian pengirim melalui
udara. Kemudian penerima mengkonversikan sinyal microwave tersebut ke tegangan AC menggunakan antena di bagian penerima seperti pada gambar 1.
Gambar 1. Gambaran umum transmisi sinyal microwave (Settapong, 2017)
1.1.1 Antena Mikrostrip
Antena dapat dikatakan juga sebagai transduser gelombang terbimbing (pada saluran transmisi fisik) ke gelombang tak terbimbing (pada saluran transmisi non-fisik) atau sebaliknya (Balanis, 2005). Antena merupakan perangkat sistem komunikasi radio yang berfungsi untuk mentransmisikan gelombang elektromagnetik dari media kabel ke udara atau sebaliknya dari udara ke media kabel. Tipe antena menurut pancaran radiasinya dibagi menjadi dua tipe, yaitu (Balanis, 2005) :
a. Directional antenna adalah tipe antenna yang memancarkan dan menerima sinyal dari satu atau dua arah saja, keuntungan tipe ini penguatnya lebih besar.
b. Omnidirectional antenna adalah tipe antenna yang memancarkan dan menerima sinyak dari segala arah.
Antena mikrostrip adalah antena yang memiliki bentuk seperti lempengan tipis. Antena mikrostrip dibuat pada substrat yang terdiri dari tiga lapisan, yaitu conducting patch, dielectric substrate dan groundplane.
Lapisan-lapisan pada substrat seperti gambar 2 adalah sebagai berikut:
a. Conducting Patch
Conducting patch atau patch terletak paling atas dari lapisan substrat antena mikrostrip. Patch terbuat dari bahan konduktor. Pada lapisan ini akan dibentuk menjadi suatu bentuk antena tertentu, seperti lingkaran, rektangular, segitiga, ataupun berbentuk angular ring.
b. Dielectric substrate
Dielectric substrate adalah lapisan tengah substrat yang berfungsi sebagai media penyalur gelombang elektromagnetik dari catuan menuju daerah dibawah patch. Bagian ini menggunakan bahan dielektrik dengan permitivitas relatif tertentu sesuai dengan kebutuhan perancangan.
c. Groundplane
Groundplane adalah lapisan paling bawah dari substrat biasanya terbuat dari bahan konduktor yang berfungsi sebagai reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan
Gambar 2. Struktur bidang antena mikrostrip (Balanis, 2005)
1.1.2 Parameter-parameter antena
Antena memiliki beberapa parameter antara lain : A. Return Loss
Return loss adalah perbandingan antara daya yang terpantulkan dengan daya masukan. Koefisien refleksi
(pantulan) merupakan perbandingan antara tegangan yang dipantulkan terhadap tegangan maju. Antena yang
baik akan mempunyai nilai return loss dibawah -10 dB, yaitu 90% sinyal dapat diserap, dan 10%-nya
terpantulkan kembali.
11
log 1 20
log 1 20
log 10 (dB) Loss Return
S P P
r i
(1)
Dimana :
Γ = koefisien pantul
Pr = tegangan gelombang pantul P
i= tegangan gelombang maju
Jika penyerapan sempurna, maka nilai Γ=0 dan RL = 0 yang berarti bahwa tidak ada daya yang dipantulkan, sedangkan apabila nilai Γ=1 dan RL = ~ maka semua daya akan dipantulkan.
B. Koefisien Refleksi
Koefisien refleksi merupakan parameter yang sangat dibutuhkan dalam perancangan antena khususnya dalam penggunaan saluran transmisi. Secara harfiah koefisien refleksi didefinisikan sebagai ratio antara amplituda gelombang pantul dan amplituda gelombang langsung medan listrik. Berdasarkan hubungannya dengan impedansi karakteristik saluran transmisi dan impedansi input antena, koefisien refleksi dapat dituliskan dalam persamaan berikut (Balanis, 2005) :
0 0
11
Z Z
Z S Z
in in
(2)
Dimana :
Z
in= impedansi input yang menjadi sumber Z
0= impedansi karakteristik
Γ = koefisien refleksi
C. VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)
VSWR didefenisikan sebagai perbandingan rasio antara tegangan rms maksimum dan minimum yang terjadi pada saluran yang tidak match. Nilai VSWR ini dapat dihitung manual dengan menggunakan persamaan (Balanis, 2005).
1
VSWR 1 (3)
Besarnya nilai VSWR dipengaruhi oleh perbedaan impedansi saluran transmisi dengan beban yang disebabkan oleh pemasangan konektor yang kurang baik dan tidak matching impedansi input antena dengan saluran feeder. Agar saluran match maka pemasangan konektor harus baik, sehingga diharapakan tidak ada daya yang dipantulkan (Pr = 0) dan memiliki VSWR ≤ 2.
D. Bandwidth
Bandwidth suatu antena didefinisikan pada gambar 3 sebagai rentang frekuensi dimana kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik seperti impedansi masukan, polarisasi, beamwidth, gain, efisiensi, VSWR, koefisien refleksi yang memenuhi spesifikasi standar. Bandwidth antena dapat diketahui melalui persamaan berikut (Balanis, 2005):
% 100
(%) x
f f BW f
c l
u
(4)
Dimana :
f
u= frekuensi atas (Hz) f
l= frekuensi bawah (Hz) f
c= frekuensi tengah (Hz)
Pada range frekuensi tersebut, antena diusahakan dapat bekerja dengan efektif agar dapat menerima dan memancarkan gelombang elektromagnetik pada band frekuensi tertentu.
E. Planar Inverter F Struktur
Planar inverted F struktur dibangun berdasarkan konsep dari monopol antena dengan menggunakan sebuah
antena mikrostrip (Waterhouse 2007). Planar inverted F struktur adalah sebuah metode dimana pada mikrostrip
ditambahkan short pin pada patch. Metode ini memiliki empat bagian utama yaitu patch, groundplane, probe dan short pin. Short pin biasanya ditempatkkan pada patch yang terhubung dengan groundplane seperti pada gambar 3. Metode ini bisa mengefisiensikan dimensi dari radiator.
Gambar 3. Ilustrasi planar inverted F struktur
1.2 Metodologi Penelitian
Tahap awal penelitian ini digambarkan pada gambar 4 adalah merancang antena atau radiator untuk mentransmisikan sinyal dari udara ke perangkat berdasarkan studi literatur dan penelitian-penelitian sebelumnya.
Perancangan antena mikrostrip diawali dengan menentukan frekuensi kerja antena mikrostrip, jenis bahan substrat, ketebalan substrat, nilai konstanta dielektrik lapisan bahan. Setelah parameter tersebut ditentukan, langkah selanjutnya adalah menghitung lebar dan panjang dari patch antena, groundplane dan pencatuan. Ketika semua parameter-parameter antena telah diperoleh maka dilakukanlah simulasi perancangan antena mikrostrip menggunakan CAD berdasarkan parameter tersebut. Jika hasil simulasi sesuai dengan spesifikasi maka akan dibuat realisasi antena mikrostrip akan tetapi jika hasil simulasi tidak sesuai dengan spesifikasi maka perhitungan parameter-parameter antena diulang kembali serta disimulasikan lagi. Antena yang telah dipabrikasi itu kemudian dilakukan pengukuran parameter-parameternya, apakah sesuai dengan spesifikasi perancangan atau tidak. Apabila dalam pengukuran tidak memperoleh hasil yang sesuai dengan spesifikasi maka diperlukan optimasi antena seperti merapatkan substrat, mengurangi timah solder bahkan bisa dilakukan simulasi ulang, dan sebagainya.
START
Frekuensi Bahan : FR4
h, Ԑr ,t
Menentukan Spesifikasi Antena
Menentukan Dimensi Patch : Lebar : Wp Panjang : Lp
Menentukan Dimensi : Space between turn : P
Diameter : Di
Menentukan Dimensi Pencatuan : Lebar : Wf
Panjang : Lf
Simulasi Menggunakan CAD
Hasil Simulasi Sesuai dengan Spesifikasi, return
loss, VSWR, frekuensi
Realisasi Prototipe Antena
Pengukuran
Hasil Pengukuran Sesuai dengan Spesifikasi
Ya Tidak
Ya
Tidak
END