Desain Antena Patch Panel Polarisasi Sirkular untuk Harvesting Elektromagnetik pada Frekuensi 2.4 Ghz

Desain Antena Patch Panel Polarisasi Sirkular untuk Harvesting

Elektromagnetik pada Frekuensi 2.4 Ghz

Crissandyanto – 2207100113

Bidang Studi Telekomunikasi Multimedia

Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Surabaya – 60111

Abstrak- Wireless Sensor Network membutuhkan keanekaragaman sumber daya agar mampu mencatu dirinya sendiri. Penilitian ini merancang suatu sistem Radiofrequency Energy Harvesting (RfEH) yang dapat digunakan untuk mencatu daya pada sensor dengan menggunakan gelombang elektromagnetik bebas sebagai sumber energi. Teknologi Radiofrequency Energy Harvesting merupakan sumber energi ramah lingkungan yang mampu menjadi sumber daya alternatif bagi sensor.

Pada penelitian dilakukan rancang bangun perangkat yang mampu menerapkan sistem RfEH pada frekuensi 2.43 GHz. Perangkat terdiri dari antena mikrostrip dan perangkat RfEH. Perancangan antena dibantu dengan menggunakan software HFSS. Dari hasil perancangan kemudian dilakukan pembuatan prototipe antena mikrostrip tersebut. Pengukuran antena kemudian dilakukan untuk mendapatkan parameter antena. Dalam pengujian perangkat, antena mikrostrip dihubungkan dengan perangkat RfEH yang telah dibuat guna mengambil daya pada gelombang elektromagnetik bebas.

Dari pengukuran antena mikrostrip didapatkan hasil parameter VSWR antena sebesar 1.5 pada frekuensi 2.4 GHz dan gain terbaik antena 8.68 dBi pada frekuensi 2.437 GHz. Sedangkan dari hasil pengujian perangkat RfEH mampu mengambil tegangan rata-rata 2.3 Volt.

Kata kunci : Gelombang elektromagnetik bebas,

Radiofrequency Energy Harvesting (RfEH),

Antena Mikrostrip. I. PENDAHULUAN

Dalam dunia wireless sensor network (WSN), biasanya menerapkan teknologi transfer daya kabel untuk mencatudaya pada sensor. Transfer daya tanpa kabel diperlukan karena daerah cakupan WSN yang tidak dapat dijangkau dengan pentransmisian melalui kabel. Sensor yang digunakan pada WSN membutuhkan suatu sumber daya yang dapat memberikan daya secara simultan. Oleh sebab itu, sumber daya yang digunakan haruslah dapat memberikan seluruh kebutuhan daya secara mandiri dari lingkungan sekitar penempatan sensor. Sumber daya ini dapat digunakan dalam waktu yang sangat lama dan tanpa harus mengganti dengan sumber daya yang baru. Antena patch panel sirkular polarized adalah salah satu perangkat yang dapat mengubah GEM di udara untuk diubah ke dalam daya listrik. Perangkat ini akan sangat berguna untuk sumber daya WSN yang

diletakkan di daerah-daerah yang memiliki GEM yang berlimpah pada daerah cakupan di sekitar sensor.

Pembangunan antena pemancar televisi ataupun mobile yang begitu pesat, menyebabkan besarnya GEM yang dipancarakan di udara. GEM yang dipancarkan ini berasal dari UHF, VHF Radio FM, dan gelombang 2.4 GHz yang dipancarkan oleh access point. Bila sinyal GEM ini dapat diolah dan dijadikan sumber daya pada suatu perangkat maka GEM ini dapat dijadikan sebagai sumber daya yang tidak terbatas.

Mikrostrip antenna adalah salah satu solusi untuk diterapkan ke dalam teknologi RfEH ini, karena memiliki ukuran yang relatif lebih kecil dari jenis antenna yang lainnya. Mikrostrip antenna memiliki berbagai bentuk patch, yaitu lingkaran, persegi, dan segitiga.

II. TEORI PENUNJANG

2.1 Parameter Dasar Antena Mikrostrip

2.1.1Substrat

Substrat yang digunakan pada antena mikrostrip berbahan dasar FR4. FR4 memiliki konstanta dielektrik sebesar 4.6 dan ketebalan 1.6 mm. Dengan menggunakan substrat ini maka akan dihasilkan hasil parameter antena yang lebih baik. Semakin tebal ketebalan PCB maka akan semakin bagus parameter yang dihasilkan, dan semakin kecil konsanta dielektrik antena maka semakin bagus pula parameter yang dihasilkan. Penggunaan FR4 ini juga dipengaruhi dari segi harga yang lebih murah dan memiliki merupakan bahan dasar antena yang paling baik di lingkungan hidup penulis.

2.1.2Lebar (W) dan panjang (L)[1]

Bidang tepi sepanjang lebar dapat dimodelkan sebagai slot radiasi dan secara elektris path antena mikrostrip terlihat lebih besar dari dimensi fisiknya. Nilai εreff lebih kecil

daripada εr, karena penjalaran medan di sekitar tepi patch tidak terbatas dalam substrat dielektrik, tetapi juga menyebar.

(2.1)

Dengan :

= konstanta dielektrik relatif efektif = konstanta dielektrik substrat

Gambar 1. Panjang efektif rectangular microstrip (Balanis, 2005:818)

Untuk radiasi efisien, lebar W diberikan persamaan[2] :

(2.2)

Panjang lebar slot peradiasi ( ) diberikan nilai sebagai berikut:

(2.3)

Panjang aktual mikrostrip antena (L) sekarang menjadi:

(2.4)

dengan :

c = kecepatan cahaya di udara bebas (m/s) Leff = panjang saluran mikrostrip efektif (mm)

= frekuensi resonan

= permeabilitas ruang hampa (4π x 10-7 _H/m)

= permitivitas ruang hampa = 8.854.10-12 F/m = lebar slot peradiasi

2.1.3VSWR[3]

Bila impedansi saluran transmisi tidak sesuai dengan transceiver maka akan timbul daya yang dipantulkan (reflected power) pada saluran yang berinterferensi dengan daya yang diteruskan (forward power). Interferensi ini menghasilkan gelombang berdiri (standing wave) yang besarnya bergantung pada besarnya daya refleksi.VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum max dengan minimum min.

Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V0+) dan

tegangan yang direfleksikan (V0-). Perbandingan antara

Universitas Sumatera Utarategangan yang direfleksikan dengan tegangan yang dikirimkan tersebut sebagai koefisien refleksi tegangan ( ) :

(2.5)

Dimana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0

adalah impedansi saluran lossless. Koefisien refleksi memiliki nilai kompleks, yang mempresentasikan besarnya

magnitudo dan fasa dari refleksi. Sedangkan rumus untuk mencari nilai VSWR adalah :

(2.6)

2.2 Radiofrequency Energy Harvester (RfRH)

RfEH digunakan untuk mengubah gelombang elektromagnetik menjadi arus DC. Beberapa parameter seperti efisiensi daya, tegangan atau jarak menjadi perhitungan agar didapatkan hasil yang tepat.

Rangkaian ini hamper sama dengan rangkaian penyearah, tetapi memiliki penguatan tegangan yang jauh lebih besar daripada rangkaian penyearah. Rangkaian RfEH

ini pada dasarnya dapat meningkatkan tegangan dua kali dari tegangan masukan. Rangkaian dasar dari RfEH dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar 2. Skematik penguat tegangan [4]

Pada saat sinyal bernilai positif, maka sinyal akan disearahkan oleh D2 dan C2. Pada saar sinyal bernilai negatif akan disearahkan oleh D1 dan C1, sehingga akan terbentuk penyearahan gelombang penuh. Saat sinyal positif tegangan akan diisikan ke dalam kapasitor (C1) dan pada saat sinyal positif tegangan akan diisikan ke dalam kapasitor (C2). Maka, tegangan yang dihasilkan akan menjadi dua kali lebih besar dari sinyal masukan. Oleh karena itu, rangkaian ini juga disebut sebagai penguat dua kali (voltage doubler).

Hal yang menarik dari rangkaian penguat ini yaitu, komponen dapat disusun secara seri. Dengan disusun secara seri maka tegangan akan bisa dilipatgandakan dari tegangan masukan.

Gambar 3. Hasil gelombang penguat tegangan[5]

Cara kerja dari sirkuit ini cukup mudah. Sinyal masukan yang berupa sinyal AC memiliki dua polaritas,

diode pada rangkaian menyala dan arus mengalir. Pada saat kondisi ini tegangan pada kapasitor terisi. Pada saat sinyal bernilai negatif, dioda mati dan arus tidak mengalir. Kondisi ini mengakibatkan kapasitor tidak terisi oleh tegangan, sehingga pada kapasitor hanya tersimpan tegangan yang bernilai positif hingga akhirnya memiliki tegangan DC.

III. PEMODELAN DAN SIMULASI

3.1. Metodologi Penelitian

Tahap metodologi penelitian ini pada tahap pertama dilakukan simulasi serta perancangan antena 2.4 GHz dan pada tahap kedua dilakukan perancangan RfEH sebagai komponen harvesting daya.

Gambar 4. Flowchart rencana kerja

3.2. Simulasi mikrostrip antena pada Frekuensi 2.4 GHz

Antena dengan parameter yang telah ada ini diujikan menggunakan simulator HFSS 11. Mikrostrip antena menggunakan berbagai macam teknik feeding, tetapi terdapat perbedaan dalam hasil simulasi antara teknik feeding

menggunakan coaxial probe dan feed line. Hasil dari feed line ini memiliki hasil keluaran yang lebih bagus daripada

coaxial probe, oleh karena itu, penulis menggunakan teknik

feed line. Contoh hasil geometri antena mikrostrip 2.4 GHz dari program HFSS 11

Tabel 1. Contoh hasil geometri antena mikrostrip 2.4 GHz

dari program HFSS 11

Contoh bentuk dan ukuran geometri antena untuk simulasi disajikan pada gambar di bawah ini dengan parameter-parameter yang telah dihitung pada hasil geometri antena.

Gambar 5. Contoh bentuk geometri line feed microstrip

antenna

Dimensi dari mikrostrip antena inilah yang akan digunakan dalam mendesain geometri dasar antena pada penelitian ini. Parameter-parameter di atas telah mengalami beberapa kali pengujian agar didapatkan antena yang dapat bekerja tepat di frekuensi 2.4 GHz. Berikut ini hasil rancang bangun antena yang dibuat

Gambar 6. Rancang bangun antena mikrostrip

Antena memiliki bahan substrat dari PCB FR4 dengan ketebalan 0.16 cm dan koefisien dielektrik 4.4.

3.3. Perancangan Radiofreuency Energy Harvesting

Bagian ini merupakan pemanen daya pada gelombang elektromagnetik yang bebas di udara, kemudian untuk diubah

Patch dimension along x 5.65 cm

Patch dimension along y 4.74 cm

Substrate thickness 0.16 cm

Substrate dimension along x 9.4 cm

Substrate dimension along y 19.74 cm

Edge feed width 0.189 cm

Edge feed length 2.676 cm

Feed width 0.485 cm Feed length 4.351 cm Simulasi antena 2.4 GHz Rancang perangkat Raiofrequency Energy Harvesting Rancang awal alat

dari hasil simulasi

Optimasi kinerja alat dan pengukuran

Analisis data

Kesimpulan

Berhenti Mulai

Penentuan awal desain alat dan mencari simulasi yang tepat

ke dalam tegangan searah. PH ini merupakan rangkaian penyearah penuh yang terdiri dari diode dan kapasitor.

Gambar 7. Gambar perangkat RfEH

Dan di bawah ini merupakan gambar skematik dari RfEH:

Gambar 8. Skematik dari perangkat RfEH.

Percobaan diujikan pertama kali pada antena penerima VHF yang memeperoleh daya dari perangkat pemancar sederhana yang berupa Handy Talky (HT). Hasil yang didapatkan berupa tegangan yang berkisar 20-40 volt dan arus sebesar 500 mA. Pengujian dilakukan pada jarak di bawah 1 m. Berikut ini merupakan skema dari percobaan PH.

Gambar 9. Skema Pengukuran RfEH

IV. ANALISA DATA dan PEMBAHASAN

Parameter-parameter yang akan dianalisis dari hasil simulasi HFSS 11 yaitu berupa VSWR, S11 parameter, Impedansi, Pola Radiasi, Bandwith.

4.1. Hasil Pengukuran VSWR Antena Mikrostrip

Hasil VSWR dari bentuk geometri dari program HFSS 11 dapat ditunjukkan pada grafik :

Gambar 10. Grafik VSWR pada frekuensi 2.3 GHz sampai

Dari grafik VSWR tersebut dapat diketahui bahwa antena mampu memberikan nilai VSWR yang baik pada frekuensi 2.4 GHz dengan bandwith yang sempit. VSWR bernilai maksimum pada frekuensi 2.4497 GHz dengan nilai 1.3056. Pada hasil ini akan memungkinkan antena 2.4 GHz mampu bekerja dengan baik pada frekuensi kerjanya.

Hasil pengukuran menggunakan perangkat Network Analyzer didapatkan hasil grafik VSWR sebagai berikut:

Gambar 11. Grafik VSWR antena mikrostrip dan antena

standar

Hasil nilai VSWR dari antena mikrostrip memiliki nilai yang bagus untuk frekuensi 2.4 GHz. Hal itu dapat dilihat dengan melihat posisi tiga marker yang menunjukkan nilai VSWR :

frekuensi 2.430 GHz = 1.503 frekuensi 2.393 GHz = 1.191 frekuensi 2.357 GHz = 1.028

Hasil tersebut memiliki nilai yang bagus dalam nilai VSWR. Dengan nilai VSWR tersebut, antena mikrostrip akan dapat menangkap frekuensi access point yang bekerja pada frekuensi 2.4 GHz dengan baik.

4.2. Pengukuran Gain

Gain antena didapatkan dari perbandingan dari gain antena standar. Access point hanya mampu memberikan 14 channel frekuensi yang berbeda, sehingga pengukuran gain hanya mampu dilakukan pada 14 channel frekuensi. Dari tabel tersebut dapat didapatkan grafik gain antara kedua antena

.

Gambar 12. Grafik perbandingan gain antena standar dan

antena ukur 0 5 10 15 2412 2422 2432 2442 2452 2462 2472 G a in ( dB i) frekuensi gain ant. standar gain ant.ukur

CPU

PH

ADC

Antena standar yang digunakan adalah antena Yagi 2.4 GHz dan memiliki nilai gain 12 dBi. Gain antena ukur didapatkan dari selisih dari level daya yang diterima antara antena standar dengan antena ukur dan dikurangkan dengan gain antena standar. Gain antena diuji pada 14 channel pada access point. Hal ini dilakukan karena access point hanya memiliki 14 channel pada datasheetnya. Seharusnya pada pengukuran ini digunakan signal generator atau SSG yang mampu memancarkan sinyal pada frekuensi yang diinginkan

4.3. Pengukuran level daya Menggunakan Spectrum

Analyzer

Pengukuran level daya yang diterima pada Spectrum Analyzer ini dilakukan dengan cara menangkap daya yang dipancarkan oleh perangkat access point. Hasil level daya yang diterima dapat dillihat pada grafik di bawah ini.

Gambar 13. Level daya pada access point pada channel 5

dan adanya file sharing

Level daya yang diterima merupakan daya rata-rata dari daya yang diterima Spectrum Analyzer. Level daya maksimum bernilai -63 dBm pada frekuensi 2.43 GHz. Kondisi ini dilakukan dalam keadaan file sharing, sehingga perangkat access point dalam keadaan mengirimkan data secara simultan.

4.4. Hasil tegangan dari RfEH

RfEH ini terdiri dari komponen kapasitor dan diode sebagai penyearah. Kapasitor merupakan penguat pasif dari yang dapat menyimpang tegangan, tetapi dalam penyimpanan tegangan dibutuhkan waktu untuk proses pengisian. Waktu pengisian tersebut dicari dengan cara menghitung dari selisih waktu yang dibutuhkan dari tegangan minimum menuju tegangan maksimum. Daya yang dapat dipanen pada perangkat access point pada salah satu tempat dapat dilihat pada gambar 14.

Dari gambar 14 tegangan yang diterima pada RfEH

ini dapat diketahui bahwa tegangan maksimal yang dihasilkan bernilai 2.482 volt dengan arus 0.01 mA.

Gambar 14. Grafik tegangan pada lab B 406.

Tegangan yang dihasilkan berasal dari kapasitor yang mengalami proses charge and discharge. Di saat kapasitor mengalami proses charge, tegangan yang dihasilkan pada RfEH mengalami penurunan. Dan pada saat kapasitor mengalami proses discharge, tegangan yang terukur pada RfEH mampu mencapai nilai maksimal.

4.5. Implementasi PH pada Proses Charging Baterai

Pada penerapan dari RfEH ini digunakan pada proses pengisian baterai. Baterai yang digunakan disini yaitu baterai AA berbahan dasar nickel-cadmium battery (biasa disebut dengan NiCd atau NiCad). Baterai ini biasa digunakan pada penggunaan kehidupan sehari-hari yang juga bisa digunakan pada motor DC yang memiliki daya yang kecil. Berikut ini merupakan spesifikasi dari baterai AA.

Gambar 15. Baterai AA NiMH 1200 mAh

Keuntungan menggunakan baterai jenis ini adalah

memiliki berat yang lebih ringan bila dibandingkan

dengan NiCd, selain itu baterai jenis ini lebih ramah

lingkungan karena dapat didaur ulang.

RfEH mampu menghasilkan tegangan rata-rata 2.55 Volt dengan arus 0.01 mA/s. Agar baterai mampu diisi hingga penuh memerlukan waktu 1200 mAh / 36 mAh yaitu selama 33.33 jam.

4.6. Spesifikasi Node Sensor yang Akan Dicatu

Node yang digunakan pada simulasi iniadalah Mica2. Mica2 adalah modul Mote generasi ketiga byang diproduksi

Crossbow Technology. Sensor ini merupakan salah satu perangkat dari Wireless Sensor Network yang memiliki fungsi sensing pada temperatur, cahaya, accelerommeter, magnetometer. Perangkat ini menggunakan sumber daya dari batterai AA sebanyak 2 buah.

-75 -70 -65 -60 2400 .6 2407 .8 2415 2422 .2 2429 .4 2436 .6 2443 .8 2451 2458 .2 2465 .4 2472 .6 2479 .8 2487 2494 .2 Level d ay a ( d B m ) Frekuensi (GHz) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0.05 0.45 0.85 1.25 1.65 2.05 2.45 2.85 3.25 3.65 4.05 4.45 4.85 5.25 5.65 6.05 6.45 6.85 Teg angan (m V ) Waktu (s)

Gambar 16. Bentuk Fisik Mica2

Node yang digunakan pada simulasi iniadalah Mica2. Mica2 adalah modul Mote generasi ketiga byang diproduksi Crossbow Technology. Sensor ini digunakan sebagai s

ensing temperature, light, accelerommeter,

magnetometer.

V. PENUTUP 5.1 Kesimpulan

Setelah melakukan analisis terhadap hasil simulasi, kesimpulan yang dapat diambil antara lain:

1. Gelombang elektromagnetik merupakan sumber energi yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya yang tidak terbatas.

2. Antena mikrostrip dapat digunakan sebagai antena 2.4 GHz untuk menangkap gelombang elektromagnetik dari access point.

3. Perangkat RfEH merupakan perangkat yang mampu memanen gelombang elektromagnetik di udara untuk diubah ke dalam sumber tegangan DC. 4. Antena mikrostrip memiliki VSWR 1.5 di frekuensi

2.43 GHz.

5. Hasil tegangan yang dihasilkan dari perangkat RfEH

mampu menghasilkan tegangan rata-rata 2.55 Volt pada lab B 301 dan arus sebesar 0.01 mA.

6. Hasil tegangan semakin tinggi jika peralatan berada lebih dekat dengan pemancar.

7. Hasil tegangan dari perangkat ini mampu mengisi ulang baterai 1200 mAh dalam waktu kurang lebih 33.33 jam.

5.2

Saran

Dari hasil pengamatan dan analisis yang telah dilakukan, terdapat beberapa saran untuk pengembangan tugas akhir berikutnya :

1. Memperkecil dimensi antena mikrostip sehingga lebih mudah untuk dibawa.

2. Meningkatkan VSWR dari antena mikrostrip sehingga didapatkan kualitas antena yang lebih baik lagi.

3. Meningkatkan lagi performa dari RfEH sehingga tidak hanya didapatkan tegangan yang besar, melainkan arus yang besar pula. Hal ini dapat dicapai dengan memperkecil jalur dari board PCB dan menggunakan kapasitor yang lebih ideal.

4. Menggunakan perangkat Synchorous Signal Generator (SSG) yang mampu bekerja di 2.4 GHz atau menggunakan perangkat access point yang lebih banyak.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Balanis, Constantine A (2005),“Antenna Theory Third

Edition : Analysis and Design”, John Wiley & Sons, INC

[2] James, J.R dan Hall, P.S, “Handbook of Microstrip Antennas”, IEE Elektromagnetic Waves series 28. [3] Stutzman, L.Warren dan Thiele, A. Gary, “Antenna

Theory and Design”,2nd edition,John Wiley and Sons [4] Lopez, P.T. Maria dan Forner, G. Manuel,”Powering

Autonomous Sensor”, Springer Dordrecht Heidelberg [5] Harrist, Daniel W (2004), “Wireless Battery Charging

System Using Radio Frequency Energy Harvesting”, University of Pittsburgh

BIODATA PENULIS

Crissandyanto dilahirkan di

Surabaya, 16 Juni 1989. Merupakan anak kedua dari dua bersaudara. Penulis merupakan anak yang gemar belajar dan menulis. Penulis menempuh pendidikan dasar di SDN Manukan Kulon IV Surabaya dan lulus pada tahun 2001 kemudian melanjutkan ke SLTPN 3 Surabaya. Dan melanjutkan jenjang pendidikan ke SMAN 5 Surabaya 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 SPMB pada tahun 2007. Pada bulan Juni 2011 penulis mengikuti seminar dan ujian Tugas Akhir di Bidang Studi Telekomunikasi Multimedia Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS Surabaya sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Elektro. .