OPTIMASI DESAIN SISTEM ANTENA MENGGUNAKAN ALGORITMA GENETIK UNTUK EM HARVESTING PADA APLIKASI BATERAI CHARGING HANDSET SELULAR

(1)

TESIS – TE2098

OPTIMASI DESAIN SISTEM ANTENA MENGGUNAKAN ALGORITMA GENETIK UNTUK EM HARVESTING PADA APLIKASI BATERAI CHARGING HANDSET SELULAR

Widya Cahyadi 2211203704 DOSEN PEMBIMBING Eko Setijadi, ST., MT., PhD. PROGRAM MAGISTER BIDANG KEAHLIAN TELEKOMUNIKASI MULTIMEDIA JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2013 1

(2)

Outline

• Pendahuluan ‐ Latar Belakang ‐ Perumusan Masalah ‐ Tujuan Penelitian ‐ Batasan Masalah ‐ Relevansi • Tinjauan Pustaka ‐ Teori Penunjang ‐ Studi Hasil Penelitian Sebelumnya ‐ Pembagian alokasi frekuensi operator GSM ‐ Sudut tilting antena pemancar GSM • Metodologi Penelitian ‐ Rancangan Penelitian ‐ Proses perancangan (Simulasi CST, Optimasi GA , Skema RF to DC converter ‐ Implementasi Perangkat

(3)

Latar Belakang

3 EMH Electromagnetic Harvesting Radio Frequency Kategori WPT Wireless Power Transmission RECTENNA Rectifier Antenna Rectifier Design Antenna Optimum Teknologi

Jenis Transmisi Automatic Wireless

(4)

Perumusan Masalah

Berdasarkan beberapa penelitian sebelumnya tentang rectenna untuk Electro Magnetic Harvesting (EMH), yang memanfaatkan gelombang EM dengan frekuensi kisaran 900 MHz dan lebih dari sama dengan 2,4 GHz. Dalam penelitian ini akan dilakukan optimasi desain rectenna untuk EMH yang memanfaatkan gelombang EM dengan frekuensi kisaran 850‐950 MHz dengan harapan daya keluaran mampu diterapkan untuk baterai charging handset jenis Li‐ion rechargeable Capacity: 800 mAh; Voltage: 3.7 Volt.

(5)

Tujuan Penelitian

5

Adapun tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :

- Menentukan parameter-parameter dasar dari desain antena microstrip yang

bekerja pada lingkup frekuensi 850 MHz hingga 950 MHz. - Melakukan optimasi pada desain antena microstrip.

- Memperoleh data parameter antena microstrip yang terdiri dari bandwidth

(Bw), Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), efisiensi, Gain (Ga) antena, serta parameter daya input/output rectenna.

- Diharapkan mampu melakukan charging battery jenis Li-ion rechargeable

(6)

Batasan Masalah

6

Batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut :

- Gelombang elektromagnetik yang dimanfaatkan rectenna untuk melakukan

proses pemanenan (harvesting) adalah pada kisaran frekuensi 850 MHz-950 MHz.

- Antena yang digunakan jenis mikrostrip polarisasi linier dengan bahan

dielektrik PCB dengan substrat FR4 (Flame Retardancies 4 epoxy).

- Komponen pada rectenna hanya terdiri dari slot antena, rangkain

pengkonversi IC P2110, capacitor, dan resistive load.

- Optimasi desain antena menggunakan algoritma genetik sederhana.

(7)

Relevansi

7

Penelitian ini diharapkan mampu memperoleh desain antena yang optimal sehingga rectenna dapat melakukan proses pemanenan gelombang elektromagnetik dengan daya keluaran yang diharapkan mampu untuk aplikasi baterai charging handset celullar jenis Li-ion rechargeable Capacity: 850 mAh ; Voltage: 3.7 Volt.

(8)

Sistematika Penulisan

Penulisan tesis ini dijabarkan dalam lima bab sebagai berikut:

1. Pendahuluan

Berisi latar belakang, rumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, relevansi dan sistematika penulisan.

2. Tinjauan Pustaka

3. Metode penelitian

Bagian ini membahas rancangan penelitian yang dilakukan, proses perancangan, implementasi rancang bangun perangkat.

4. Hasil dan Pembahasan

(9)

Teori Penunjang

• Antena mikrostrip

9 Gambar 2.2 antena microstrip circular patch [7] Persamaan desain antena mikrostrip circular patch:

Dengan a eff adalah radius efektif

2 1 7726 , 1 2 ln 2 1           _   h a a h a a r eff    2 1 7726 , 1 2 ln 2 1             _         h F F h F a r   r  fr Dengan a adalah radius, konstanta dielektrik, h ketebalan substrat, adalah frekuensi resonansi.

(10)

Teori Penunjang

• Parameter Antena Mikrostrip

‐ Bandwidth (BW)

‐ Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)

% 100    c l h f f f BW 2 l h c f f f   L L V V VSWR       1 1 min max

(11)

Teori Penunjang

• Parameter Antena Mikrostrip

‐ Faktor Kualitas ( )

‐ Efisiensi

‐ Penguatan (Gain)

Penguatan pada antena mikrostrip dapat dihitung dengan

mengintegrasikan pola radiasi atau medan jauh pada

permukaan tertutup dari antena tersebut.

11 T Q d c r T Q Q Q Q 1 1 1 1 _ _ _

dengan Q_r adalah rugi‐rugi radiasi, Qcadalah rugi‐rugi konduktor,

dan Qd adalah rugi‐rugi dielektrik. r T in r Q Q PP   

(12)

Teori Penunjang

• Power harvester P2110

_{Powerharvester receiver jenis P2110} RF

- Frekuensi 902-928 MHz, 915 MHz center

- Impedansi antena 50 Ohm

P2110

C

+ ‐ DC

(13)

Teori Penunjang

• Power harvester P2110

13 on out outI t V C 15 Nilai kapasitor yang dibutuhkan bisa di‐estimasi menggunakan persamaan sebagai berikut: :

Dengan, V_out adalah tegangan output dari P2110, I_out adalah rata-rata arus dari P2110, t_on adalah On-time tegangan output.

Tegangan output DC dari P2110 preset 3.3V, sehingga untuk menyesuaikan dengan kebutuhan tegangan dibutuhkan penyesuaian nilai r resistor yang dapat diatur dengan meningkatkan atau menurunkan resistansi sesuai dengan persamaan berikut: out out V V k r    32 . 3 ) 195 . 1 ( 249 32 . 3 297   out V k r

(14)

Teori Penunjang

• Genetic Algorithm (GA)

• Fungsi tujuan optimalisasi non linear dengan banyak kendala yang

juga non linear;

• Solusi “real‐time”;

• Mempunyai multi‐objective dan multi‐criteria;

• Mendefinisikan Individu untuk menentukan maksimal fungsi;

• Bermacam bentuk kromosom (biner, float, string, kombinatorial);

• Nilai fitness merupakan suatu ukuran baik tidaknya suatu solusi yang

dinyatakan sebagai satu individu;

Dengan A adalah konstanta yang ditentukan, x adalah individu

(kromosom), e bilangan kecil untuk menghindari pembagi nol

• Seleksi Roulette Wheel.

14

(15)

Teori Penunjang

• Genetic Algorithm (GA)

• Cross over untuk kromosom float dilakukan dengan

pertukaran gen atau pertukaran aritmatika antar induk;

• Probabilitas cross over yang baik berada pada kisaran 0.5

sampai dengan 0.95;

• Pada kromosom float ada dua macam mutasi yang banyak

dilakukan yaitu random mutation dan shift mutation;

• Probabilitas mutasi yang baik berada pada kisaran 0

sampai dengan 0.3. Probabilitas mutasi yang terlalu kecil

menyebabkan terjebak dalam optimum lokal, dan

probabilitas mutasi yang terlalu besar menyebabkan

konvergensi sulit didapatkan.

(16)

Teori Penunjang

• Kapasitas Daya

I V P  t Q I  R I V   R V Q t

Dengan P adalah daya dalam satuan watt, V adalah tegangan dalam satuan volt, I adalah kuat arus dalam satuan ampere, lalu Q adalah muatan listrik dalam satuan coulomb (setara dengan ampere second) dan t merupakan waktu dalam satuan second.

(17)

Teori Penunjang

Pembagian alokasi frekuensi operator GSM 900

Alokasi frekuensi GSM yang dipakai di Indonesia

17 ALOKASI FREKUENSI (MHz)

GSM 900 AWAL AKHIR AWAL AKHIR AWAL AKHIR

Downlink 935 945 945 952.5 952.5 960

Uplink 890 900 900 907.5 907.5 915

Koreksi

Downlink 935.2 944.8 945.2 952.4 952.6 959.8

Koreksi Uplink 890.2 899.8 900.2 907.4 907.6 914.8

Operator INDOSAT TELKOMSEL XL Sumber : Kominfo, 2009

(18)

Teori Penunjang

• Sudut Kemiringan Antena Pemancar (tilting)

5280 / ) (Hb Hr Tan d  

Dengan d adalah jarak pemancar ke penerima (meter), Hb adalah jarak ketinggian antena ke tanah (meter), Hr adalah

(19)

Studi Hasil Penelitian Sebelumnya

19 • Antena Microstrip [10] • Frekuensi kerja : 900 MHz • Polarisasi : sirkular • Rectangular Patch • Desain Antena • Antena Microstrip [8] • Frekuensi kerja : 925 MHz • Polarisasi : sirkular • Wide slot • Ukuran dimensi elemen antenna

(20)

(21)

Proses Perancangan

21

• Simulasi Antena Menggunakan CST

Karakteristik Nilai Satuan Center Frequncy 915 MHz Input Resistance 50 Ohm Substrate (height) 1.6 mm Relative permittivity 4.3

(22)

Proses Perancangan

Populasi awal Evaluasi fitness Kondisi Stop/run Stop Operasi genetik Populasi baru selection crossover mutation • Optimasi GA Roulette

(23)

Proses Perancangan

23

(24)

Proses Perancangan

• Simulasi Menggunakan CST Antena Teori VS Antena Optimasi GA Komponen Ukuran (cm) Teori Radius Patch (a) 4.5170 Panjang (p) 12.2340 Lebar (l) 12.2340 Tebal Substrat (h subs) 0.16 Tebal Tembaga (h patch) 0.0035 Komponen Ukuran (cm) GA Radius Patch 4.4782 Panjang (p) 12.1564 Lebar (l) 12.1564 Tebal Substrat (h subs) 0.1600 Tebal Tembaga (h patch) 0.0035

(25)

Komponen & Pengukuran Rectenna

(26)

Komponen & Pengukuran Rectenna

26 Vector Network Analyzer : Port Tunggal (S11) • Return Loss; • VSWR; • Koefisien Refleksi; • Bandwidth. Spectrum Analyzer : ‐ Level Daya terima Antena

(27)

Komponen & Pengukuran Rectenna

27

a. Pengukuran terlalu dekat tower BTS (10m) dipengaruhi sudut tilting coverage area b. Pengukuran di ruang laboratorium antena propagasi (ruang B306) ITS

(28)

Hasil dan Pembahasan

Analisis Pengukuran Antena

• Analisis nilai Return Loss

-30 -25 -20 -15 -10 -5 Re tu rn L o s s (d B )

return loss <‐10 dB pada rentang

frekuensi 846‐931,8 MHz,

minimum berada pada frekuensi 890 MHz sebesar ‐32,58 dB.

Pada frekuensi kerja 915 MHz nilai return loss ‐14,49 dB sehingga masih memenuhi syarat dibawah ‐10 dB.

(29)

Hasil dan Pembahasan

29 ‐35 ‐30 ‐25 ‐20 ‐15 ‐10 ‐5 0 84 0.5 ₈₄6 85 1.5 ₈₅7 86 2.5 ₈₆8 87 3.5 ₈₇9 88 4.5 ₈₉0 89 5.5 ₉₀1 90 6.5 ₉₁2 91 7.5 ₉₂3 92 8.5 ₉₃4 93 9.5 Return Loss (dB) Frekuensi (MHz) Pengukuran SIMULASI Perbandingan return loss pengukuran dan simulasi yang memenuhi syarat ‐10 dB, terdapat pergeseran frekuensi pusat sejauh 25 MHz, dari frekuensi pusat 915 MHz, namun hasil pengukuran masih memenuhi syarat pada frekuensi kerja GSM 900 sesuai dengan alokasi frekuensi Operator GSM.

(30)

Hasil dan Pembahasan

30 • Analisis nilai VSWR 840 850 860 870 880 890 900 910 920 930 940 1 1.5 2 2.5 g Frekuensi (MHz) VS W R

Grafik hasil pengukuran VSWR yang memenuhi syarat dibawah 2, yaitu pada rentang frekuensi 846‐931,8 MHz, minimum berada pada frekuensi 890 MHz sebesar 1,048.

Pada frekuensi kerja 915 MHz nilai VSWR 1,4 sehingga masih memenuhi syarat dibawah dua. Nilai VSWR memenuhi kriteria sehingga antena dapat digunakan pada frekuensi GSM 900 sesuai

dengan tabel 2.3 alokasi

(31)

Hasil dan Pembahasan

31 • Perbandingan VSWR hasil pengukuran dan simulasi 0 0.5 1 1.5 2 2.5 909.8 910.9 912 913.1 914.2 915.3 916.4 917.5 918.6 VSWR Frekuensi (MHz) PENGUKURAN SIMULASI

Dari hasil simulasi maupun pengukuran nilai VSWR memenuhi syarat dibawah 2 pada frekuensi yang diharapkan

(32)

Hasil dan Pembahasan

32 • Analisis Bandwidth % 100    c l h f f f BW Persen bandwidth antena dapat diketahui dari nilai frekuensi yang berada pada ‐10 dB yaitu frekuensi tertinggi pada 931.8 MHz, frekuensi terendah pada 846 MHz, dan frekuensi pusat pada 890 MHz, diperoleh bandwidth

(33)

Hasil dan Pembahasan

33

• Analisis Gain

Gain antena dari simulasi menunjukkan nilai 3.29 dB, sedangkan pada pengukuran antena, nilai gain belum dapat diperoleh dikarenakan keterbatasan saat pengukuran.

(34)

Hasil dan Pembahasan

34

Analisis Pengukuran Rangkaian Rectenna

0 0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025 0.0003 176000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 P (uW) R (ohm) daya (uW) • Analisis nilai resistor terhadap Daya keluaran Peningkatan nilai hambatan berbanding lurus dengan peningkatan

(35)

Hasil dan Pembahasan

35

Analisis Pengukuran Rangkaian Rectenna

• Analisis nilai daya input RF dan daya output DC Daya input RF (sebelum dikonversi) semakin menurun berbanding terbalik dengan frekuensi, sehingga daya output DC juga mengalami penurunan sejalan dengan kenaikan frekuensi. 0 20 40 60 80 100 120 840 865 890 915 940 uW Frekuensi (MHz) daya output daya input

(36)

Hasil dan Pembahasan

36

Analisis Pengukuran Rangkaian Rectenna

• Analisis estimasi pengisian baterai 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 840 865 890 915 940 Hari Frekuensi (MHz) Charging Jika dilakukan proses pengisian baterai dengan kapasitas 800 mAh membutuhkan waktu sekitar 13 hingga 16 hari.

(37)

Kesimpulan

37

Berdasarkan hasil proses dan tahapan pengukuran dalam

penelitian ini, maka terdapat kesimpulan yang dapat diambil,

diantaranya adalah :

• Hasil parameter simulasi desain antena menggunakan CST

yang dioptimasi menggunakan GA memiliki hasil yang lebih

baik dari hasil perhitungan teori biasa.

• Hasil pengukuran antena memiliki parameter yang sudah

sesuai dengan frekuensi yang diharapkan pada frekuensi GSM,

yaitu return loss dibawah ‐10dB dan VSWR kurang dari dua.

• Rangkaian power harvester IC P2110 dapat melakukan

pemanenan energi dalam ruangan meskipun hasilnya kecil.

• Faktor frekuensi, jarak cakupan area, serta daya transmisi

sebagai RF input berpengaruh terhadap hasil pemanenan

dalam hal ini berpengaruh terhadap lama pengisian baterai.

(38)

Daftar Pustaka

38

DAFTAR PUSTAKA

[1] W. C. Brown, “The history of power transmission by radio waves,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 32, no. 9, pp. 1230-1242, Sept. 1984.

[2] A. Georgiadis, G. Andia, and A. Collado, “Rectenna Design and Optimization Using Reciprocity Theory and Harmonic Balance Analysis for Electromagnetic (EM) Energy Harvesting”. IEEE Antennas and

Wireless Propagation, vol. 9, pp. 444-446, Mei. 2010.

[3] Ugur Olgun, Chi-Chih Chen, and John L. Volakis, “Investigation of Rectenna Array Configurations for Enhanced RF Power Harvesting”.

IEEE Antennas And Wireless Propagation Letters, VOL. 10, 2011

[4] B. H. Strassner and K. Chang, “Rectifying Antennas (Rectennas),” Chap in Encyclopedia of RF and Microwave Engineering. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc., 2005, vol. 5, pp. 4418-4428.

[5] en.wikipedia.org/wiki/Tesla.

[6] Haupt RL. “An introduction to genetic algorithms for electromagnetics”,

IEEE Trans Antennas Propagation, Mar. 1995.

[7] Balanis, Constantine, Antena Theory Analysis and Design, John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, USA, 3rd edition, 2005.

[8] Jwo-Shiun Sun, Ren-Hao Chen, Shao-Kai Liu, Cheng-Fu Yang, “Wireless Power Transmission With Circularly Polarized Rectenna”. Microwave

Journal Technical Library, 2011.

[9] Widya Cahyadi, Indra Jaya, “Analisis Skema Clustering yang Efisien Dalam Energy Untuk EM Power Harvesting Pada WSN”. Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan ITATS, Surabaya, Februari 2013.

[10] Siska Novita, Eko Setijadi, “Pemanenan Energi RF 900 MHz menggunakan Rectenna untuk Perangkat Mobile”. Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya, Juli, 2011.

[11] Mana Hilul Irfan, Eko Setijadi, Wirawan, “Pengukuran Medan Elektromagnetik Bebas pada Area Urban dan Rural”. Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.

(39)

Penutup

39