HALAMAN JUDUL. PERANCANGAN ANTENA METAMATERIAL BERBASIS NFRP PADA FREKUENSI GPS L1 ( GHz) UNTUK SISTEM TRANSFER DAYA NIRKABEL

(1)

HALAMAN JUDUL

TUGAS AKHIR –TE 091399

PERANCANGAN ANTENA METAMATERIAL BERBASIS NFRP PADA FREKUENSI GPS L1 (1.5754 GHz) UNTUK SISTEM TRANSFER DAYA NIRKABEL

Trinarmada Anugraha NRP 2210100028

Pembimbing

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

Prasetiyono Hari Mukti, S.T.,M.T.,M.Sc.

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

(2)

HALAMAN JUDUL

FINAL PROJECT –TE 091399

DESIGN OF METAMATERIAL ANTENNA BASED ON NFRP AT GPS L1 (1.5754 GHz) FREQUENCY FOR WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM

Trinarmada Anugraha NRP 2210 100028

Supervisors

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

Prasetiyono Hari Mukti, S.T,M.T,M.Sc.

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING Faculty of Industrial Technology

Sepuluh November Technology Institute Surabaya 2014

(3)

(4)

Perancangan Antena Metamaterial Berbasis NFRP Pada Frekuensi GPS L1 (1.5754 GHz) Untuk Sistem

Transfer Daya Nirkabel

Nama : Trinarmada Anugraha Pembimbing I : Eko Setijadi, S.T.,M.T.,Ph.D.

Pembimbing II : Prasetiyono Hari Mukti, S.T.,M.T.,M.Sc.

ABSTRAK

Transfer daya nirkabel merupakan suatu teknologi untuk mengatasi masalah pengisian energi perangkat elektronik yang jauh dari sumber listrik dengan memanfaatkan frekuensi bebas yang selalu berada di alam.

Pada penelitian ini dilakukan perancangan antena metamaterial berbasis NFRP yang bekerja pada frekuensi 1.5754 GHz, yang mampu menerapkan sistem transfer daya nirkabel. Perangkat terdiri dari rectifying antena (rectenna), yang berupa antena metamaterial.

Perancangan antena menggunakan software CST Studio Suite 2011.

Pada pengukuran antena metamaterial dengan substrat FR4 didapatkan hasil parameter return loss sebesar -27.52 dBm dan VSWR antena sebesar 1.2017. Sedangkan pengukuran antena metamaterial dengan substrat Roger 4360 didapat hasil return loss sebesar -15.92 dan VSWR sebesar 1.597. Pada pengujian perangkat power havesting mampu mengambil tegangan hingga 4.5 volt pada jarak 10 cm dari pemancar.

Kata Kunci: Antena Metamaterial, GPS L1, Power Harvesting, CST Studio Suite

vii

(5)

Design Of Metamaterial Antenna Based On NFRP at GPS L1 (1.5754 GHz) Frequency For Wireless Power

Transfer

Nama : Trinarmada Anugraha Advisor I : Eko Setijadi, S.T.,M.T.,Ph.D.

Advisor II : Prasetiyono Hari Mukti, S.T.,MT.,M.Sc.

ABSTRACT

Wireless power transfer is a technology it can overcome the problem of power shortages for electronic devices that are far away from power source by utilizing free frequencies that are always present in nature.

In this research, the design of metamaterial antennas based on NFRP works at a frequency of 1.5754 GHz, which is capable of implementing a wireless power transfer system. The device consists of a rectifying antenna (rectenna), which form a metamaterial antenna. The design of the antenna using CST Studio Suite 2011 software.

On the measurement of metamaterial antenna with FR4 substrate parameters showed return loss is -27.52 dBm and VSWR is 1.2017. And the measurement of metamaterial antenna with Roger 4360 substrate obtained results for return loss is -15.92 and VSWR is 1,597. On testing device of power harvesting is capable of taking voltage up to 4.5 volts at a distance of 10 cm from the transmitter.

Kata Kunci: Metamaterial Antenna, GPS L1, Power Harvesting, CST Studio Suite

(6)

KATA PENGANTAR

Alhamdullilah, puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT karena atas rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan penulisan buku Tugas Akhir dengan judul :

“Perancangan Antena Metamaterial Berbasis NFRP pada Frekuensi GPS L1 (1.5754 GHz) Untuk Sistem Transfer Daya

Nirkabel”

Tugas akhir yang mempunyai beban 4 SKS (Satuan Kredit Semester) ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi untuk menyelesaikan program studi Strata-1 pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Melalui kegiatan ini mahasiswa dapat melakukan kegiatan laporan yang bersifat penelitian ilmiah dan menghubungkannya dengan teori yang telah diperoleh dalam perkuliahan.

Besar harapan penulis bahwa buku Tugas Akhir ini dapat memberikan informasi dan manfaat bagi pembaca pada umumnya dan mahasiswa Jurusan Teknik Elektro bidang Studi Telekomunikasi Multimedia pada khususnya.

Dalam kesempatan ini penulis menyampaikan penghargaan dan rasa terima kasih kepada pihak yang telah mendukung serta membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, khususnya kepada:

1. Allah SWT

2. Kedua orang tua penulis, Bapak Josi Ali Arifandi dan Ibu Yasmin Elvia tercinta dan segenap keluarga besar penulis Arvian Pandu Wirawan dan Nindya Injaswari yang selalu memberikan semangat, dukungan, kasih sayang, dan doa kepada penulis.

3. Bapak Eko Setijadi S.T., M.T., Ph.D. dan Bapak Prasetiyono Hari Mukti S.T., M.T., M.Sc. selaku Dosen Pembimbing atas segala bantuan, perhatian, arahan dan kesabarannya dalam memberikan bimbingan serta masukan – masukan selama mengerjakan Tugas Akhir ini.

4. Bapak Dr. Tri Arief Sardjono, ST., MT. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri ITS Surabaya.

xi

(7)

5. Bapak dan Ibu dosen Teknik Elektro ITS yang telah banyak memberikan ilmu dan pengetahuan yang bermanfaat bagi penulis.

6. Feonita yang memberikan semangat dan sabar mendengarkan keluhan saya. Terlebih untuk motivasi, dukungan dan semangat yang diberikan selama pengerjaan tugas akhir.

7. Adi P.W, Boby Harnawan beserta rekan-rekan e50 khususnya rekan-rekan bidang studi telekomunikasi multimedia yang bersama-sama berjuang mengerjakan tugas akhir

8. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang selalu memberi saya dukungan sehingga pengerjaan tugas akhir dapat berjalan dengan baik.

Semoga Allah SWT senantiasa membalas segala perbuatan baik mereka yang telah membantu dalam menyelesaikan penyusunan laporan tugas akhir ini hingga dapat terselesaikan dengan baik.

Surabaya, Juli 2014

Penulis

xii

(8)

DAFTAR ISI

Halaman Judul ... i

Pernyataan Keaslian ... iii

Halaman Pengesahan ... v

Abstrak ... vii

Abstract ... ix

Kata Pengantar ... xi

Daftar Isi ... xiii

Daftar Gambar ... xvii

Daftar Tabel ... xvii

Bab 1 Pendahuluan ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 2

1.4 Tujuan Penelitian ... 2

1.5 Metodologi Penelitiam ... 2

1.6 Sistematika Laporan ... 3

1.7 Relevansi ... 4

Bab 2 Tinjauan Pustaka ... 5

2.1 Pengenalan Antena ... 5

2.2 Parameter Dasar Antena ... 5

2.2.1 Pola Radiasi... 5

2.2.2 Direktivitas ... 6

2.2.3 Gain ... 7

2.2.4 Impedansi dan VSWR ... 9

2.2.5 Bandwidth ... 10

2.2.6 Polarisasi ... 11

2.3 Antena Metamaterial... 12

2.4 Antena Mikrostrip ... 13

2.5 Wireless Power Transfer ... 13

2.6 Rectifying Antenna ... 14

2.7 GPS ... 14

Bab 3 Perancangan Dan Implementasi ... 17

3.1 Studi Teori Penunjang ... 18

3.2 Perencanaan dan Implementasi ... 18 xiii

(9)

3.3 Desain Awal Simulasi ... 19

3.4 Simulasi Antena Metamaterial ... 21

3.4.1 Simulasi Awal Menggunakan Substrat Roger 4360 ... 21

3.4.2 Simulasi dan Optimasi Menggunakan FR4 ... 26

3.4.3 Simulasi dan Optimasi Menggunakan Roger 4360 ... 30

3.3.4 Perhitungan Total Trafik Pelanggan ... 32

3.5 Hasil Fabrikasi Antena ... 34

3.5.1 Hasil Fabrikasi Antena dengan Substrat FR4 ... 34

3.5.2 Hasil Fabrikasi Antena dengan Substrat Roger 4360 ... 37

3.6 Saluran Transmisi ... 38

3.7 Power Havester ... 38

3.8 Instrumentasi Pengukuran ... 40

3.8.1 Network Analyzer ... 40

3.8.2 Spectrum Analyzer ... 41

Bab 4 Pengukuran dan Analisis Data ... 43

4.1 Analisis Pengaruh Parameter Antena Metamaterial Pada Substrat FR4 ... 44

4.1.1 Pengaruh Parameter R2 Antena ... 44

4.1.2 Pengaruh Parameter L4 Antena ... 45

4.1.3 Pengaruh Parameter W3 Antena ... 46

4.2 Analisis Pengaruh Parameter Antena Metamaterial Pada Substrat Roger 4360 ... 47

4.2.1 Pengaruh Parameter R2 Antena ... 47

4.2.2 Pengaruh Parameter L4 Antena ... 49

4.2.3 Pengaruh Parameter W3 Antena ... 50

4.3 Analisis Data Hasil Simulasi Antena Metamaterial pada Substrat FR4 ... 51

4.3.1 Analisis Return Loss ... .51

4.3.2 Analisis VSWR ... 53

4.3.3 Analisis Pola Radiasi ... 54

4.3.4 Analisis Gain ... 55

4.3.5 Analisis Impedansi Input ... 56

4.4 Analisis Data Hasil Simulasi Antena Metamaterial pada Substrat Roger 4360 ... 57

4.4.1 Analisis Return Loss ... 57

4.4.2 Analisis VSWR ... 59

4.4.3 Analisis Pola Radiasi ... 59

4.4.4 Analisis Gain ... 61

(10)

4.4.5 Analisis Impedansi Input ... 62

4.5 Analisis Data Hasil Pengukuran Antena ... 63

4.5.1 Analisis Data Hasil Pengukuran Antena dengan Substrat FR4 ... 63

4.5.1.1 Analisis Hasil Perngukuran Return Loss ... 65

4.5.1.2 Analisis Hasil Pengukuran VSWR ... 66

4.5.1.3 Analisis Hasil Pengukuran Impedansi ... 67

4.5.1.4 Analisis Hasil Pengukuran Pola Radiasi ... 68

4.5.2 Analisis Data Hasil Pengukuran Antena dengan Substrat Roger 4360 ... 69

4.5.2.1 Analisis Hasil Perngukuran Return Loss ... 70

4.5.2.2 Analisis Hasil Pengukuran VSWR ... 71

4.5.2.3 Analisis Hasil Pengukuran Impedansi ... 72

4.5.2.4 Analisis Hasil Pengukuran Pola Radiasi ... 73

4.6 Analisis Data Hasil pengukuran Tegangan Power Havester Pada Antena Metamaterial... 74

4..6.1 Analisis Perbandingan Hasil Pengukuran Tegangan Power Havester Pada Antena Metamaterial ... .74

Bab 5 Penutup ... 75

5.1 Kesimpulan ... 75

5.2 Saran ... 75

Daftar Pustaka ... 77

Lampiran A ... 79

Lampiran B... 81

Lampiran C ... 83

Riwayat Hidup ... 85

xv

(11)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Pengukuran Daya Output... ... 9

Gambar 2.2 Polarisasi Ellips Secara Umum ... 11

Gambar 2.3 Geometri Electric Dipole-ENG Shell ... 12

Gambar 2.4 Centered-fed electric dipole dan coax-fed monopole .. 13

Gambar 3.1 Metodologi Penelitian ... 17

Gambar 3.2 Diagram Perencanaan Implementasi... 18

Gambar 3.3 GPS L1 Protractor Antenna, dengan dimensi awal ... 19

Gambar 3.4 Distribusi Arus Elemen NFRP dan Hasil Grafik Return Loss ... ...20

Gambar 3.5 Tampak Depan dan Tampak Belakang Desain Antena ... 21

Gambar 3.6 Tampak Depan Antena dan Tampak Belakang Antena... ...23

Gambar 3.7 Grafik S11 Return Loss ... 24

Gambar 3.8 Grafik VSWR ... ... 24

Gambar 3.9 Plot 3D Directivity dan Plot 3D Gain ... 25

Gambar 3.10 Tampak Depan Antena Hasil Modifikasi, Tampak Belakang Antena Hasil Modifikasi ...27

Gambar 3.11 Grafik S11 Return Loss Hasil Optimasi ... 28

Gambar 3.12 Grafik S11 VSWR Hasil Optimasi ... 28

Gambar 3.13 Plot 3D Directivity dan Plot 3D Gain Antena Hasil Optimasi... ... 29

Gambar 3.14 Tampak Depan Antena Hasil Modifikasi, Tampak Belakang Antena Hasil Modifikasi ... 31

Gambar 3.15 Grafik S11 Return Loss ... 32

Gambar 3.16 Grafik S11 VSWR... ... 32

Gambar 3.17 Plot 3D Gain, Plot 3D Directivity, Plot 3D Surface Current ... ... 34

Gambar 3.18 Tampak Depan, Tampak Belakang Antena ... 35

Gambar 3.19 Tampak Depan, Tampak Belakang Antena Hasil Fabrikasi ... ... 36

Gambar 3.20 Tampak Depan, Tampak Belakang Antena Hasil Fabrikasi ... ... 38

Gambar 3.21 Rangkaian Power Havester dengan Software Ltspice IV...39

Gambar 3.22 Power Havester dengan Konektor SMA Female...39

(12)

Gambar 3.23 Network Analyzer ... ... 40

Gambar 3.24 Spectrum Analyzer FSP30 – Rohde & Schwarz ... 41

Gambar 4.1 Pengaruh Parameter R2 pada Antena ... 44

Gambar 4.2 Pengaruh Parameter L4 pada Antena ... 45

Gambar 4.3 Pengaruh Parameter W3 pada Antena ... 46

Gambar 4.4 Pengaruh Parameter R2 pada Antena ... 48

Gambar 4.5 Pengaruh Parameter L4 pada Antena ... 49

Gambar 4.6 Pengaruh Parameter W3 pada Antena ... 50

Gambar 4.7 Hasil Grafik Return Loss FR4 ... ...52

Gambar 4.8 Hasil Grafik VSWR FR4 ... 53

Gambar 4.9 Plot Pola Radiasi pada Bidang Polar ... 54

Gambar 4.10 Plot 3D Bagian Samping Antena ... 55

Gambar 4.11 Plot 3D Bagian Bawah Antena ... 55

Gambar 4.12 Plot 3D Bagian Atas Antena ... 56

Gambar 4.13 Hasil Grafik Impedansi Input ... 56

Gambar 4.14 Hasil Grafik Impedansi Input pada Frekuensi 1.5754 GHz ... ... 57

Gambar 4.15 Hasil Grafik Return Loss Roger 436 ...58

Gambar 4.16 Hasil Grafik VSWR Roger 4360 ... 59

Gambar 4.17 Plot Pola Radiasi pada Bidang Polar ... 60

Gambar 4.18 Plot 3D Bagian Samping Antena ... 61

Gambar 4.19 Plot 3D Bagian Atas Antena ... 61

Gambar 4.20 Plot 3D Bagian Bawah Antena ... 62

Gambar 4.21 Hasil Grafik Impedansi Input ... 62

Gambar 4.22 Hasil Grafik Impedansi Input pada Frekuensi 1.5754 GHz ... ... 63

Gambar 4.23 Hasil Fabrikasi Antena Metamaterial, Tampak Belakang, Tampak Depan ... 64

Gambar 4.24 Hasil Pengukuran Antena Metamaterial GPS L1 ... 65

Gambar 4.25 Perbandingan Return Loss Hasil Pengukuran dan Simulasi ... ... 66

Gambar 4.26 Perbandingan Hasil Grafik VSWR ... 67

Gambar 4.27 Hasil Pengukuran Grafik Impedansi ... 67

Gambar 4.28 Pola Radiasi Bidang Horizontal ... 68

Gambar 4.29 Pola Radiasi Bidang Vertikal ... 68

Gambar 4.30 Hasil Fabrikasi Antena Metamaterial, Tampak Belakang, Tampak Depan ... 69

Gambar 4.31 Hasil Pengukuran Antena Metamaterial GPS L1 ... 70

xviii

(13)

Gambar 4.32 Perbandingan Return Loss Hasil Pengukuran dan

Simulasi ... ... 71

Gambar 4.33 Perbandingan Hasil Grafik VSWR ... 72

Gambar 4.34 Hasil Grafik Impedansi ... 72

Gambar 4.35 Pola Radiasi Bidang Horizontal ... 73

Gambar 4.36 Pola Radiasi Bidang Vertikal ... 73

Gambar 4.37 Perbandingan Tegangan yang diterima Antena Metamaterial ... ... 74

(14)

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Dimensi Awal Simulasi pada Rodger 5880... 22

Tabel 3.2 Data Bahan yang Digunakan ... 22

Tabel 3.3 Dimensi Awal Antena Hasil Optimasi ... 26

Tabel 3.5 Dimensi Antena Hasil Optimasi ... 30

Tabel 3.7 Dimensi Antena dengan Substrat FR4 ... 34

Tabel 3.8 Dimensi Antena dengan Susbtrat Rodger 4360... 37

Tabel 4.1 Skema Pengukuran Antena Metamaterial ... 43

xxi

(15)

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sistem komunikasi nirkabel saat ini sudah semakin terintegrasi dan modern, dan sudah banyak memberikan berbagai macam aplikasi, seperti halnya pada sistem sensor komunikasi nirkabel, wireless power transfer, global positioning system pada perangkat aktif, perangkat seperti telepon genggam dan lain sebagainya. Wireless power transfer merupakan sebuah penyaluran energi dengan menggunakan media udara atau tanpa kabel. Yaitu dengan menstransmisikan energi listrik dari sumber listrik ke beban listrik tanpa media yang berupa kabel atau sejenisnya. Dan GPS atau Global Positioning System merupakan sistem navigasi dan penentuan posisi dengan satelit yang dimiliki oleh negara Amerika Serikat. GPS menggunakan frekuensi 1.5754 GHz dan terdapat di setiap permukaan bumi, serta dicakup oleh minimal 3 satelit.

Perangkat nirkabel seperti antena untuk mencapai aplikasi tersebut, maka harus memenuhi parameter seperti ukuran, efisiensi radiasi antena, direktivitas, impedance match, dan bandwidth. Bagaimana mendesain antena yang mampu memenuhi kriteria dan paramater tersebut yang mampu bekerja pada frekuensi GPS L1 (1575,42 MHz), dan dapat di manfaatkan pada sistem wireless power transfer.

Rectenna merupakan komponen penting dalam sistem WPT.

Dengan desain yang kecil dan memliki efisiensi yang tinggi untuk sistem WPT. Efisiensi untuk daya input dan desain ukuran yang kecil merupakan dua parameter penting sebuah rectenna. Sebuah antena yang memiliki bentuk yang lebih besar di banding rectifying circuit, akan menjadi komponen yang tidak efisien dalam sistem rectenna. Impedance matching antara desain dan rectifying circuit akan selalu mempengaruhi efisiensi tersebut. Dengan menggunakan antena metamaterial berbasis near-field resonant parasitic (NFRP), yang sudah di teliti sebelumnya bahwa tiap unit sel metamaterial dapat berperan sebagai elemen NFRP, dengan elemen NFRP, desain antena akan memiliki kemampuan matching dengan input impedansi tertentu tanpa tambahan matching network dan akan mendapatkan efisiensi yang tinggi. Maka dapat diambil kesimpulan bahwa desain dalam sistem rectenna adalah hal yang penting untuk diperhatikan karena dapat mempengaruhi efisiensi.

(16)

1.2 Perumusan Masalah

Bagaimana mendesain antena metamaterial berbasis NFRP pada frekuensi kerja GPS L1 (1575,42 MHz). Untuk memanfaatkan nya pada penggunaan wireless power transfer.

1.3 Batasaan Masalah

Adapun batasan masalah seperti berikut

1. Menggunakan frekuensi kerja GPS L1 (1575,42MHz)

2. Simulasi desain antena menggunakan software CST Studio Suite.

3. Menguji antena menggunakan perangkat power harvester.

4. Substrat yang digunakan dalam perancangan adalah FR4.

1.4 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan penelitan sebagai berikut

1. Membuat antena metamaterial yang mampu menangkap sinyal pada frekuensi kerja GPS L1.

2. Melakukan optimasi pada desain antena metamaterial.

3. Pengujian antena menggunakan perangkat power havester untuk menyimpan dan mengumpulkan energy RF.

1.5 Metodologi Penelitian

Adapaun metodologi penelitian untuk memudahkan dalam penilitian ini.

1. Studi Literatur

Mempelajari paramater – parameter dasar antena, konsep WPT, GPS L1, dan perangkat power havester berdasarkan literatur yang telah tersedia.

2. Simulasi antena metamaterial dengan CST.

Pada tahapan ini akan dilakukan simulasi antena dengan menggunakan program CST. Dari program tersebut akan dicari ukuran dan spesifikasi antena, beserta parameter-parameter antena yang digunakan.

3. Analisis hasil simulasi.

Pengecekan hasil simulasi bertujuan untuk mengetahui hasil simulasi sesuai yang di inginkan atau tidak, apabila sesuai di

2

(17)

lanjutkan dengan fabrikasi. Apabila tidak sesuai maka melakukan simulasi kembali.

4. Fabrikasi antena metamaterial

Pada tahap ini dilakukan pembuatan antena sesuai dengan bentuk dan dimensi hasil simulasi.

5. Pengujian antena menggunakan network analyzer

Pada tahap ini akan diuji nilai VSWR dengan menggunakan network analyzer. Dalam tahap ini juga akan dilakukan analisa dan pengukuran kinerja antena. Pengukuran tersebut meliputi impedansi antena, dan pola radiasi antena.

6. Pengujian power havester

Pada tahap ini power havester akan di uji menggunakan antena yang sudah di fabrikasi dan sudah melewati pengujian menggunakan network analyzer.

7. Analisis data pengujian

Pada tahap ini akan membandingkan hasil parameter-parameter pengukuran tersebut dengan hasil simulasi. Kemudian dari hasil kegiatan sebelumnya, yang meliputi perancangan, simulasi, dan pengukuran, ditarik kesimpulan mengenai penelitian tersebut.

8. Penyusunan Laporan

Penyusunan laporan akan dilakukan secara sistematis, sesuai tata cara penulisan tugas akhir, dengan urutan pendahuluan, dasar teori, perancangan, analisis data, pengukuran dan penutup.

1.6 Sistematika Laporan

• BAB I : Pendahuluan

Pada bab akan dijelaskan langkah – langkah dalam penulisan tugas akhir, rumusan dan batasan masalah yang dibahas, dan tujuan penelitian.

(18)

• BAB II : Dasar Teori

Penjabaran serta penjelasan secara singkat teori – teori dasar paramater antena, NFRP, rectenna, GPS, serta konsep WPT.

• BAB III : Perancangan dan Implementasi

Pada bab ini akan di bahas metodologi penelitian, hasil desain antena serta langkah – langkah dalam mendesain antena secara rinci.

• BAB IV : Pengukuran dan Analisis Data

Merupakan kelanjutan dari bab tiga, yang mana hasil dari simulasi yang berupa grafik dari paramater antena akan di analisis untuk tujuan penelitian.

• BAB V : Penutup

Pada bab ini berisi tentang kesimpulan untuk penelitian ini, dan saran untuk penelitian selanjutnya.

1.7 Relevansi

1. Untuk selanjutnya dijadikan bahan penelitian dengan menggunakan konsep WPT.

2. Sebagai aplikasi untuk transmisi energi listrik tanpa kabel listrik guna menjangkau daerah yang tidak dapat dijangkau oleh kabel listrik.

4

(19)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pengenalan Antena

Antena adalah perangkat yang berfungsi untuk memindahkan energi gelombang elektromagnetik dari media kabel[1]. Karena merupakan perangkat perantara antara media kabel dan udara, maka antena harus mempunyai sifat yang sesuai dengan media pencatu nya.

Untuk antena gelombang mikro (microwave), penggunaan antena luasan (apperture antenna) seperti horn, antena parabola, akan lebih efektif dibanding dengan antena kawat pada umumnya. Karena antena yang demikian mempunyai sifat pengarahan yang baik untuk memancarkan gelombang elektromagnetik.

2.2. Parameter Dasar Antena 2.3.1. Pola Radiasi

Pola radiasi (radiation pattern) suatu antena adalah pernyataan grafis yang menggambarkan sifat radiasi suatu antena pada medan jauh sebagai fungsi arah. Pola radiasi dapat disebut sebagai pola medan (field pattern) apabila yang digambarkan adalah kuat medan dan disebut pola daya (power pattern) apabila yang digambarkan poynting vektor.

𝐹

_𝐸

(𝜃) = cos �

^𝛽𝐿₂

sin(𝜃)�

(2.1)

𝐹

𝐻

(𝜃) = 𝑐𝑜𝑠

^{𝑠𝑖𝑛�}𝛽𝑊^𝛽𝑊² ^{sin (𝜃)�}

2 sin (𝜃)

(2.2) Dimana :

β = Fase konstan free space W = Lebar antena mikrostrip L = Panjang antena mikrostrip

Nilai fase konstan free space (β) didapat dari

𝛽 =

^2𝜋_𝜆 ^(2.3)

(20)

2.3.2. Direktivitas

Directive gain merupakan perbandingan dari intensitas radiasi pada suatu arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata, yang dinyatakan sebagai berikut.

𝐷

₀

=

^𝑈^𝑚𝑎𝑥_𝑈

0

(2.4)

Dimana:

Umax = Intesitas radiasi

U0 = Intensitas radiasi rata-rata

Intensitas radiasi rata-rata sama dengan jumlah daya yang diradiasikan oleh antena dibagi dengan 4𝜋. Jika arah tidak ditentukan, arah intensitas radiasi maksimum merupakan arah yang dimaksud.

Direktivitas ini dapat dirumuskan sebagai berikt.

𝐷

₀

=

_𝑈^𝑈

0

=

^4𝜋𝑈_𝑈

0 (2.5)

Dimana:

D = Direktivitas

D0 = Direktivitas maksimum U = Intensitas radiasi

Umax = Intensitas radiasi maksimum

U0 = Intensitas radiasi pada sumber isotropic Prad = Daya total radiasi

2.3.3. Gain

Ketika antena digunakan pada suatu sistem, biasanya lebih tertarik pada bagaimana efisien suatu antena untuk memindahkan daya yang terdapat pada terminal input menjadi daya radiasi. Untuk menyatakan ini, power gain (atau gain saja) didefinisikan sebagai 4𝜋 kali rasio dari intensitas pada suatu arah dengan daya yang diterima antena, dinyatakan dengan :

𝐺(𝜃, ∅) = 4𝜋

^{𝑈(𝜃.∅)}_𝑃

𝑚

(2.6)

(21)

Definisi ini tidak termasuk losses yang disebabkan oleh ketidaksesuaian impedansi (impedance missmatch ) atau polarisasi.

Harga maksimum dari gain adalah harga maksimum dari intensitas radiasi atau harga maksimum dari persamaan (2.6), sehingga dapat dinyatakan kembali :

𝐺 = 4𝜋

^𝑈_𝑃^𝑚

𝑚

(2.7)

Jadi gain dapat dinyatakan sebagai suatu fungsi dari 𝜃 dan ∅, dan juga dapat dnyatakan sebagai suatu harga pada suatu arah tertentu.

Jika tidak ada arah yang ditentukan dan harga power gain tidak dinyatakan sebagai suatu fungsi dari 𝜃 dan ∅, diasumsikan sebagai gain maksimum.

Direktivitas dapat ditulusi sebagai:

𝐷 = 4𝜋

^𝑈_𝑃^𝑚

𝑚

(2.8)

jika dibandingakn dengan persamaan (2.7) maka akan terlihat bahwa perbedaan gain maksimum dengan direktivitas hanya terletak pada jumlah daya yang digunakan. Direktivitas dapat menyatakan gain suatu antena jika seluruh daya input menjadi daya radiasi. Dan hal ini tidak mungkin terjadi karena adanya losses pada daya input. Bagian daya input (Pin) yang tidak muncul sebagai daya radiasi diserap oleh antena dan struktur yang dekat dengannya. Hal tersebut menimbulkan suatu definisi baru, yaitu yang disebut dengan efisiensi radiasi, dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut :

𝑒 =

_𝑃^𝑃^𝑟

𝑚 (2.9)

dengan catatan bahwa harga e diantara nol dan satu ( 0 < e < 1) atau ( 0

< e < 100%).

Sehingga gain maksimum suatu antena sama dengan direktivitas dikalikan dengan efisiensi dari antena, yang dapat dinyatakan sebagai berikut :

𝐺 = 𝑒𝐷 (2.10)

(22)

Persamaan di atas adalah persamaan yang secara teoritis bisa digunakan untuk menghitung gain suatu antena. Namun dalam prakteknya jarang gain antena dihitung berdasarkan direktivitas (directivity) dan efisiensi yang dimilikinya, karena untuk mendapatkan directivity antena memang diperlukan perhitungan yang tidak mudah.

Sehingga pada umumnya orang lebih suka menyatakan gain maksimum suatu antena dengan cara membandingkannya dengan antena lain yang dianggap sebagai antena standard (dengan metode pengukuran). Salah satu metode pengukuran power gain maksimum terlihat seperti pada gambar 2.1. Sebuah antena sebagai sumber radiasi, dicatu dengan daya tetap oleh transmitter sebesar Pin. Mula-mula antena standard dengan power gain maksimum yang sudah diketahui (Gs) digunakan sebagai antena penerima seperti terlihat pada gambar 2.1a.

Kedua antena ini kemudian saling diarahkan sedemikian sehingga diperoleh daya output Ps yang maksimum pada antena penerima. Selanjutnya dalam posisi yang sama antena standard diganti dengan antena yang hendak dicari power gain-nya, sebagaimana terlihat pada gambar 2.1b. Dalam posisi ini antena penerima harus mempunyai polarisasi yang samadengan antena standard dan selanjutnya diarahkan sedemikian rupa agar diperoleh daya output Pt yang maksimum.

Apabila pada antena standar sudah diketahui gain maksimumnya, maka dari pengukuran di atas gain maksimum antena yang dicari dapat dihitung dengan :

𝐺

_𝑡

=

^𝑃_𝑃¹

𝑠

𝐺

_𝑆

(2.11)

Dapat juga dinyatakan dalam decibel :

𝐺

_𝑡

(𝑑𝐵) = 𝑃

𝑡

(𝑑𝐵) − 𝑃

𝑠

(𝑑𝐵) + 𝐺

𝑠

(𝑑𝐵)

(2.12)

(23)

Gambar 2.1: (a) Pengukuran daya output yang diterima oleh antena standard (Ps) (b) Pengukuran daya output yang diterima oleh antena yang di tes (Pt)

2.3.4. Impedansi dan VSWR

Impedansi input suatu antena adalah impedansi pada terminalnya.

Impedansi input akan dipengaruhi oleh antena-antena lain atau obyek- obyek yang dekat dengannya. Impedansi antena terdiri dari bagain riil dan imajiner, yang dapat dinyatakan dengan :

𝑍

_𝑖𝑛

= 𝑅

_𝑖𝑛

+ 𝑗𝑋

_𝑖𝑛

(2.13)

Resistansi input (Rin) menyatakan tahanan disipasi. Daya dapat terdisipasi melalui dua cara, yaitu karena panas pada srtuktur antena yang berkaitan dengan perangkat keras dan daya yang meninggalkan antena dan tidak kembali (teradiasi). Reaktansi input (Xin) menyatakan daya yang tersimpan pada medan dekat dari antena. Untuk memaksimumkan perpindahan daya dari antena ke penerima, maka impedansi antena haruslah conjugate match (besarnya resistansi dan reaktansi sama tetap berlawanan tanda). Jika hal ini tidak terpenuhi maka akan terjadi pemantulan energi yang dipancarkan atau diterima, sesuai dengan persamaan sebagai berikut :

𝑟 =

^𝑉_𝑉⁰⁻

0+

=

^𝑍_𝑍^𝐿^−𝑍⁰

𝐿+𝑍₀

(2.14)

Pin Ps

G

s

Pin Pt

Gt

(a)

(b)

(24)

Dimana:

ZL = Impedansi beban (load) Z0 = Imedansi saluran

Koefisien refleksi tegangan (Γ) memiliki nilai kompleks, yang mempresentasikan besarnya magnitudo dan fase dari refleksi.

Sedangkan voltage standing wave ratio (VSWR), dinyatakan sebagai berikut.

𝑉𝑆𝑊𝑅 =

^1+|Γ|_1−|Γ|

(2.15)

2.3.5. Bandwidth

Pemakaian sebuah antena dalam sistem pemacar atau penerima selalu dibatasi oleh daerah frekuensi kerjanya. Pada range frekuensi kerja tersebut antena dituntut harus dapat bekerja dengan efektif agar dapat menerima atau memancarkan gelombang pada band frekuensi tertentu. Pengertian harus dapat bekerja dengan efektif adalah bahwa distribusi arus dan impedansi dari antena pada range frekuensi tersebut benar-benar belum banyak mengalami perubahan yang berarti. Sehingga pola radiasi yang sudah direncanakan serta VSWR yang dihasilkannya masih belum keluar dari batas yang diijinkan. Daerah frekuensi kerja dimana antena masih dapat bekerja dengan baik dinamakan bandwidth antenna. Besar bandwidth tergantung dengan faktor kualitas (Q) dan VSWR (S) yang diinginkan dan dapat dituliskan sebagai berikut.

𝐵𝑊 =

_𝑄^𝑆−1

0√𝑆

(2.16)

Bisa didapat juga dari rentang frekuensi sebagai berikut.

𝐵𝑊(𝐻𝑧) = 𝑓

_𝑈

− 𝑓

_𝐿 (2.17) Dimana:

BW (Hz) = Bandwitdth (Hz) fU = Frekuensi Tertinggi (Hz) fL = Frekuensi Terendah (Hz)

(25)

2.3.6. Polarisasi

Polarisasi antena didefinisikan sebagai arah vektor medan listrik yang diradiasikan oleh antena pada arah propagasi. Jika jalur dari vektor medan listrik maju dan kembali pada suatu garis lurus dikatakan berpolarisasi linier. sebagai contoh medan listrik dari dipole ideal.

Jika vektor medan listik konstan dalam panjang tetapi berputar disekitar jalur lingkaran, dikatakan berpolarisasi lingkaran. Frekuensi putaran radian adalah ω dan terjadi satu dari dua arah perputaran. Jika vektornya berputar berlawanan arah jarum jam dinamakan polarisasi tangan kanan (right hand polarize) dan yang searah jarum jam dinamakan polarisasi tangan kiri (left hand polarize). Suatu gelombang yang berpolarisasi ellip untuk tangan kanan dan tangan kiri.

Gambar 2.2: Polarisasi ellips secara umum [1]

Secara umum polarisasi berupa polarisasi ellips, seperti pada gambar 2.2 dengan suatu sistem sumbu referensi. Gelombang yang menghasilkan polarisasi ellip adalah gelombang berjalan sepanjang sumbu z yang perputarannya dapat ke kiri dan ke kanan, dan vektor medan listrik sesaatnya e mempunyai arah komponen ex dan ey sepanjang sumbu x dan sumbu y. Harga puncak dari komponen- komponen tersebut adalah E1 dan E2.

Sebuah antena dapat memancarkan energi dengan polarisasi yang tidak diinginkan, yang disebut polarisasi silang (cross polarized).

τ

E E

γ ζ y

X

ξ

(26)

Polarisasi silang ini menimbulkan side lobe yang mengurangi gain.

Untuk antena polarisasi linier, polarisasi silang tegak lurus dengan polarisasi yang diinginkan dan untuk antena polarisasi lingkaran, polarisasi silang berlawanan dengan arah perputarannya yang diinginkan. Ini biasa yang disebut dengan deviasi dari polarisasi lingkaran sempurna, yang mengakibatkan polarisasinya berubah menjadi polarisasi ellips.

2.3. Antena Metamaterial

Metamaterial merupakan material buatan dengan banyak kelebihan dibanding dengan material yang lain. Kelebihan tersebut dapat direkayasa untuk disesuaikan dengan berbagai macam aplikasi.

Kemunculan dari metamaterial dan kelebihan nya yang tidak biasa ini dapat dibuktikan dengan mendesain electrically small antenna (ESA).

Antena ESA dikonstruksikan sebagai kombinasi dari electrically small driven dan metamaterial dengan elemen NFRP. Umumnya elemen NFRP terdiri dari satu unit epsilon negative (ENG) atau mu-negative (MNG) saja[2]. Pada penilitian sebelumnya, sudah diteliti bahwa electrically small antenna ENG dapat di desain untuk mendapatkan resonansi alami dan meningkatkan secara signifikan power radiasi pada far field. Pada gambar 2.3 merupakan geometri awal dalam mendesain electric dipole-ENG shell. Karena ukuran yang kecil, diameter dalam lingkaran dan ENG shell akan berfungsi sebagai electrically small electric dipole radiator. Dengan demikian electric dipole dan diameter dalam akan berperan sebagai elemen kapasitif[9].

Gambar 2.3 Geometri Electric Dipole-ENG Shell

(27)

Dari gambar 2.3 geometri tersebut dapat di digunakan untuk memodifikasi model antena yang akan di desain, beberapa model seperti pada gambar 2.4 yaitu centered-fed electric dipole-ENG shell pada gambar 2.4 (a) dan coax-fed monopole-ENG pada gambar 2.4 (b). Dari bentuk lingkaran atau setengah lingkaran tersebut bertujuan guna mendapatkan sifat metamaterial. Tiap unit sel metamaterial tersebut terdapat elemen NFRP yang akan bertindak sebagai radiator dan near- field impedance transformator, dimana desain antena akan memiliki kemampuan menyesuaikan dengan input impedansi tertentu tanpa tambahan matching network.

Gambar 2.4: (a) The centered-fed electric dipole-ENG shell system; (b) the coax-fed monopole-ENG system.[2]

Model coax-fed monopole-ENG tersebut diterapkan pada desain antena electrically small protactor yang sudah dimodifikasi dengan tujuan mendapatkan sifat metamaterial dengan elemen NFRP yang memiliki efisiensi yang tinggi.

2.4. Antena Mikrostrip

Antena mikrostrip merupakan jenis antena yang berupa konduktor yang dicetak pada sebuah media dielektrik yang disebut substrate. Antena mikrostrip merupakan antena yang low profile, dapat diterapkan pada permukaan planar maupun non planar. Adapu kelebihan dan kekurangan pada antena mikrostrip yaitu.

(a) (b)

(28)

a) Kelebihan - Dimensi kecil - Bobot ringan

- Mudah dalam penginstalan - Biaya pembuatan yang ekonomis - Dapat dibuat dual atau triple frekuensi - Mempunyai penampang yang kecil dan tipis b) Kekurangan

- Bandwidth yang sempit - Gain yang kecil

- Butuh ketelian yang tinggi dalam proses fabrikasi

- Rugi-rugi pada konduktor dan substrat mengakibatkan tingkat efisiensi berkurang

Dalam mengatasi kekurangan ini biasanya digunakan beberapa teknik seperti menggunakan model rongga magnetik yang diaplikasikan pada rectangular patch dan circular patch mikrostrip antena. Selain itu juga terdapat beberapa teknik lainya yang digunakan untuk memperbesar bandwidth dari antena mikrostrip ini.

2.5. Wireless Power Transfer

Wireless power transfer (WPT) merupakan sebuah penyaluran energi dengan media udara atau tanpa kabel. Yaitu dengan menstransmisikan energi listrik dari sumber listrik ke beban listrik tanpa media yang berupa kabel atau sejenisnya. Wireless power transfer biasa dikenal dengan WPT. Jadi dengan sistem WPT ini transmisi energi listrik menggunakan media udara bisa untuk menyalurkan energi dimana letak sumber energi listrik dan beban listrik berjauhan dan digunakan apabila tidak dimungkinkan adanya suatu koneksi kabel, sehingga energi dapat tersalurkan ke beban. Tetapi dalam penelitian, WPT masih menggunakan energi yang cukup kecil. Dan aplikasinya juga pada alat- alat yang membutuhkan energi yang cukup kecil.

Dalam dunia wireless sensor network (WSN), biasanya menerapkan teknologi transfer daya kabel untuk mencatu daya 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

(29)

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.

2.6. Rectifying Antenna

Rectenna merupakan suatu elemen penting dalam sistem transmisi daya nirkabel. Antena ini berperan menerima dan mengkonversi energi gelombang mikro menjadi listrik arus searah. Rectenna biasa digunakan untuk sistem daya nirkabel, kapal tanpa awak (UAV), dan lain sebagainya. Desain rectenna yaitu kecil dan memiliki efisiensi yang tinggi, dan dapat dijadikan aplikasi untuk power harvesting. Parameter penting pada rectenna yaitu efisiensi dan desain yang kecil dan praktis.

Untuk power harvesting dengan daya yang rendah, dioda Schottky seringkali digunakan karena memiliki drop tegangan terendah dan kecepatan switching yang tinggi, oleh karena itu memliki kerugian daya terendah akibat konduksi dan switching.

Dengan menggunakan antena metamaterial berbasis near-field resonant parasitic (NFRP), yang sudah di teliti sebelumnya bahwa tiap unit sel metamaterial dapat berperan sebagai elemen NFRP. Dengan elemen NFRP, desain antena akan memiliki kemampuan matching dengan input impedansi tertentu tanpa tambahan matching network.

Terlebih, akan mendapatkan efisiensi yang tinggi[2].

2.7. GPS

GPS (Global Positioning System) adalah sistem navigasi yang berbasiskan satelit yang saling berhubungan yang berada di orbitnya.

Satelit-satelit itu milik Departemen Pertahanan (Departemen of Defense) Amerika Serikat yang pertama kali diperkenalkan mulai tahun 1978 dan pada tahun 1994 sudah memakai 24 satelit. Satelit-satelit ini mengorbit pada ketinggian sekitar 12.000 mil dari permukaan bumi. Posisi ini sangat ideal karena satelit dapat menjangkau area coverage yang lebih luas. Satelit-satelit ini akan selalu berada posisi yang bisa menjangkau semua area di atas permukaan bumi sehingga dapat meminimalkan terjadinya blank spot (area yang tidak terjangkau oleh satelit). Setiap satelit mampu mengelilingi bumi hanya dalam waktu 12 jam. Sangat

(30)

cepat, sehingga mereka selalu bisa menjangkau dimana pun posisi kita di atas permukaan bumi. GPS reciever sendiri berisi beberapa integrated circuit (IC) sehingga murah dan teknologinya mudah untuk di gunakan oleh semua orang. GPS dapat digunakan untuk berbagai kepentingan, misalnya mobil, kapal, pesawat terbang, pertanian dan di integrasikan dengan komputer maupun laptop

.

Satelite GPS mengirim sinyal dalam dua frekuensi. L1 dengan 1575.42 Mhz dengan membawa dua status pesan dan pseudo-random code untuk keperluan perhitungan waktu. L2 membawa 1227.60 MHz dengan menggunakaan presesi yang lebih akurat karena untuk keperluan militer. Daya sinyal radio yang dipancarkan hanya berkisar antara 20-50 Watts. Ini tergolong sangat rendah mengingat jarak antara GPS dan satelit sampai 12.000 mil. Sinyal dipancarkan secara line of sight (LOS), dapat melewati awan, kaca tapi tidak dapat benda padat seperti gedung, gunung.

Setiap daerah di atas permukaan bumi ini minimal terjangkau oleh 3-4 satelit. Pada prakteknya, setiap GPS terbaru bisa menerima sampai dengan 12 chanel satelit sekaligus. Kondisi langit yang cerah dan bebas dari halangan membuat GPS dapat dengan mudah menangkap sinyal yang dikirimkan oleh satelit. Semakin banyak satelit yang diterima oleh GPS, maka akurasi yang diberikan juga akan semakin tinggi. Satelit GPS berputar mengelilingi bumi selama 12 jam di dalam orbit yang akurat dia dan mengirimkan sinyal informasi ke bumi. GPS reciever mengambl informasi itu dan dengan menggunakan perhitungan

“triangulation” menghitung lokasi user dengan tepat. GPS reciever membandingkan waktu sinyal di kiirim dengan waktu sinyal tersebut di terima. Dari informasi itu didapat diketahui berapa jarak satelit. Dengan perhitungan jarak jarak

(31)

BAB III

PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI

Gambar 3.1. Metodologi Penelitian

Simulasi Antena GPS L1 1,5754 GHz Studi literaratur

Apakah Hasil Simulasi

Sesuai?

Fabrikasi Antena Hasil Simulasi

Pengukuran Parameter Antena

Pengukuran Power Harvesting Mulai

Selesai Ya

Tidak

(32)

3.1 Studi Teori Penunjang

Sebelum melakukan perancangan antena metamaterial diperlukan studi teori tentang antena. Teori tersebut sangat berkaitan dengan perancangan antena metamaterial. Antena sendiri didefinisikan sebagai media transmisi atau penerima yang didesain untuk meradiasikan atau menerima gelombang elektromagnet. Antena sendiri dapat dibuat berbagai bentuk, ukuran serta bahan sesuai kebutuhan. Lalu hasil yang didapat dalam simulasi dan perancangan antena ini adalah antena metamaterial dengan frekuensi GPS L1 yang nantinya digunakan untuk mencatu beban.

3.2 Perencanaan dan Implementasi

Pada tahap perencanaan ini ditujukan untuk mencari paramater dari antena yang akan dibuat. Lalu merancang antena metamaterial, hasil rancangan ini akan di uji pada power havester untuk memanen gelombang elektromagnetik pada frekuensi GPS di alam yang akan dirubah menjadi tegangan DC sebagai pencatu daya pada beban. Sistem diatas membutuhkan alat-alat seperti antena, power harvester, network analyzer, spectrum analyzer, kabel, dan komputer sebagai alat perancangan dan pengukuran.

Antena Network

Analyzer

Spectrum Analyzer

Power Harvesting ADC Computer

Gambar 3.2. Diagram perencanaan implementasi

18

(33)

Skema tersebut sebenarnya sudah banyak di internet dan dari penelitian-penelitian sebelumnya. Jadi Power havester ini diberikan kapasitor sebagai penyimpanan daya. Disini simulasi perancangan antena yang digunakan adalah software CST Studio Suite 2011.

Simulasi antena didasarkan pada frekuensi GPS L1 1,575 GHz, serta mengikuti karakteristik yang digunakan. Simulasi ini ditujukan untuk hasil antena yang sesuai dengan frekuensi GPS L1 dan mendapatkan hasil yang maksimal serta meminimalisasi kesalahan yang terjadi.

3.3 Desain Awal Simulasi

Desain awal simulasi merujuk pada sumber[2]. Antena yang di desain berupa electrically small protactor, dengan elemen NFRP. Pada gambar 3.3, elemen NFRP protactor ditunjukan pada gambar bewarna merah. Dan yang berwarna kuning merupakan coax-fed monopole. Yang berwarna biru merupakan ground.

Gambar 3.3. GPS L1 protactor antenna, dengan dimensi awal.

Dan tiap unit sel metamaterial disini berperan sebagai elemen NFRP, lalu elemen NFRP dimanfaatkan sebagai radiator dan near-field imapedance transformer, yang dapat memliki kemampuan untuk matching dengan input impedansi tertentu tanpa tambahan matching network. Dan dengan desain yang kecil dan memeliki efisiensi yang tinggi, akan sangat mempengaruhi dalam aplikasi transfer daya nirkabel.

Karena efisiensi untuk daya input dan desain ukuran yang kecil merupakan dua parameter penting untuk sistem transfer daya nirkabel.

(34)

(a)

(b)

Gambar 3.4. (a)Distribusi arus pada elemen NFRP. (b) hasil grafik return loss.

Gambar 3.4 menunjukan distribusi arus pada elemen NFRP, serta hasil simulasi dengan rentang frekuensi 1.4 – 1.8 GHz dan hasil return loss sebesar -32.1 dBm pada frekuensi 1.575 GHz, dibandingkan dengan hasil pengukuran menggunakan vector network analyzer.

Pengukuran menggunakan VNA menghasilkan return loss dibawah -10 dBm artinya antena ini mencapai paramater yang diinginkan yaitu nilai return loss di bawah -10 dBm.

20

(35)

3.4 Simulasi Antena Metamaterial

Simulasi antena metamaterial yang berkerja pada frekuensi GPS L1 ini menggunakan tiga jenis substrat berbeda untuk mengetahui kinerja antena metamaterial yang bekerja pada frekuensi GPS L1. Yang nantinya dua diantara tiga substrat tersebut akan di fabrikasi.

3.4.1 Simulasi Awal Menggunakan Substrat Rodgers 5880

Simulasi awal menggunakan susbtrat Rodgers 5880 dengan ketebalan 0.7874 mm (31 mil), beserta dimensi awal. Yang mana dimensi tersebut disesuaikan pada sumber[2].

(a)

(b)

Gambar 3.5. (a) Tampak depan, (b) tampak belakang desain antena.

(36)

Table 3.1 Dimensi Awal Simulasi Pada Rodger 5880

Kode Deskripsi Dimensi

R1 Radius Luar 15mm

R2 Radius Dalam 13mm

W1 Lebar Kaki protractor 2mm

W2 Lebar Ground 5.38mm

W3 Lebar Feeding 2.5mm

L1 Panjang Kaki 1 protractor 8mm

L2 Panjang Kaki 2 Protractor 19.8mm

L3 Panjang Ground 30mm

L4 Panjang Feeding 10mm

Adapun data dimensi dari bahan yang digunakan yaitu substrat Rodgers 4360 dan copper untuk patch antena. Tabel ini di tampilkan untuk memudahkan dalam proses penelitian.

Tabel 3.2 Data Bahan yang Digunakan

Deskripsi Dimensi

Frekuensi Kerja 1.5754 GHz

Epsilon 2.2

Tebal Copper 0.017 mm

Tebal Substrat FR4 0.7874 mm

Panjang Substrat FR4 30 mm

Lebar Substrat FR4 23.61 mm

22

(37)

Berikut adalah hasil dari simulasi dan gambar antena menggunakan CST Studio Suite 2011, dimana pada hasil ditampilkan S-Parameter, return loss, bandwidth antena.

(a)

(b)

Gambar 3.6. (a) Tampak depan antena, (b) Tampak belakang antena Dapat dilihat dari gambar diatas, desain awal antena disesuaikan dengan sumber[2], dengan dimensi awal yang sudah ditentukan. Yang berwarna kuning merupakan patch antena menggunakan bahan copper.

Dan yang berwarna putih merupakan substrat dengan ketebalan 0.7874 mm. Desain ini menggunakan double layer. Pada gambar (a) merupakan protractor antena beserta ground antena, dan pada gambar (b) merupakan feeding antena.

(38)

Pada gambar 3.7 dapat dilihat hasil simulasi awal antena metamaterial, menghasilkan nilai return loss -0.085368 dB. Nilai return loss tersebut belum mencapai parameter antena dimana nilai return loss harus kurang dari -10 dB.

Gambar 3.7. Grafik s11 Return Loss

Gambar 3.8. Grafik VSWR

Pada gambar 3.8 menunjukan hasil simulasi grafik VSWR, dari grafik tersebut dapat dilihat nilai dari VSWR pada frekuensi GPS L1 adalah 203.59. Tidak sesuai dengan parameter VSWR, yang mana nilai dari parameter VSWR harus bernilai kurang dari 2 untuk mencapai antena yang baik.

24

(39)

Pada gambar di bawah ini adalah plot pola radiasi antena hasil simulasi awal, dan gain antena pada frekuensi 1.5754 GHz. Pada plot gain dapat dilihat nilai gain sebesar 2.32 dB.

(a)

(b)

Gambar 3.9. (a) Plot 3D Directivity, (b) Plot 3D Gain.

Pada desain awal simulasi ini hasil yang didapat return loss dan VSWR tidak sesuai parameter, maka diperlukan optimasi pada antena.

Simulasi selanjutnya akan digunakan substrat FR4 dan penambahan dimensi pada subtrat, agar mempermudah proses fabrikasi.

(40)

3.4.2 Simulasi dan Optimasi Menggunakan FR4

Pada simulasi menggunakan substrat FR4, dilakukan penambahan dimensi pada substrat, serta ketebalan substrat ditambah menjadi 1.6 mm serta dilakukan modifikasi. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan parameter antena yang sesuai, dan memudahkan dalam proses fabrikasi. Berikut ini adalah tabel dimensi hasil optimasi antena metamaterial berbahan susbtrat FR4 dengan frekuensi kerja 1.5754 GHz.

Tabel 3.2. Dimensi Antena Hasil Optimasi

R1 Radius Luar 15 mm

R2 Radius Dalam 8.9 mm

W1 Lebar Kaki protractor 2 mm

W2 Lebar Ground 5.38 mm

W3/W4 Lebar Feeding 2.5 mm (@ 1.25

mm)

L1 Panjang Kaki 1 protractor 8 mm

L2 Panjang Kaki 2 Protractor 19.8 mm

L3 Panjang Ground 30 mm

L4 Panjang Feeding 10 mm

Adapun data dimensi dari bahan yang digunakan yaitu substrat FR4 dan copper untuk patch antena. Tabel ini di tampilkan untuk memudahkan dalam proses penelitian.

Tabel 3.3. Data Bahan yang Digunakan

Epsilon 4.3

26

(41)

Dengan dimensi tersebut, berikut adalah gambar simulasi antena yang sudah di optimasi, dengan menggunakan CST Studio Suite 2011.

Tampak depan dan belakang antena. Yang nantinya desain simulasi tersebut akan digunakan acuan untuk fabrikasi antena.

(a)

(b)

Gambar 3.10. (a) Tampak depan antena setelah hasil modifikasi, (b)Tampak belakang antena setelah hasil modifikasi.

(42)

Pada gambar di bawah ini dapat dilihat nilai return loss dari hasil simulasi. Dapat dilihat pada frekuensi 1.5754. Nilai return loss sebesar - 20.774 sudah mencapai parameter yang diinginkan yaitu kurang dari -10 dB.

Gambar 3.11. Grafik S11 Return Loss Hasil Optimasi

Pada gambar di bawah ini dapat dilihat nilai VSWR dari hasil simulasi. Dapat dilihat pada frekuensi 1.5754. Nilai VSWR sebesar 1.2017. Hal tersebut memiliki arti bahwa antena yang disimulasikan sudah mencapai parameter antena yang baik.

Gambar 3.12. Grafik S11 VSWR Hasil Optimasi

28

(43)

Gambar dibawah adalah bentuk dari pola radiasi antena dan plot gain antena hasil optimasi. Pada gambar (a) tersebut menunjukan nilai directivity antena yang bernilai 1.841 dBi dan pada gambar (b) gain dari antena yang bernilai -0.1163 dB.

(a)

(b)

Gambar 3.13. (a) Plot 3D Directivity dan (b) Plot 3D Gain Antena Hasil Optimasi

Dari hasil simulasi di atas dapat di tarik kesimpulan penggunaan bahan FR4 dengan optimasi pada desain antena membawa dampak yang signifikan terutama terhadap parameter VSWR dan return loss.

(44)

3.4.3 Simulasi dan Optimasi Menggunakan Rodgers 4360

Pada simulasi menggunakan substrat Rodgers 4360, dimensi pada substrat serta ketebalan substrat tetap sama dengan dimensi patch yang akan menyesuaikan substrat Rodgers 4360. Hal ini dilakukan untuk dapat membandingkan hasil simulasi parameter antena tersebut dengan hasil simulasi parameter antena sebelumnya. Berikut ini adalah tabel dimensi hasil modifikasi antena metamaterial berbahan susbtrat Rodgers 4360 dengan frekuensi kerja 1.5754 GHz

.

Tabel 3.4. Dimensi Antena Hasil Optimasi

mm)

Adapun data dimensi dari bahan yang digunakan yaitu substrat Rodgers 4360 dan copper untuk patch antena. Tabel ini di tampilkan untuk memudahkan dalam proses penelitian.

Tabel 3.5. Data Bahan yang Digunakan

Epsilon 6.15

30

(45)

Dengan dimensi tersebut, berikut adalah gambar simulasi antena menggunakan substrat Rodgers 4360 dengan epsilon 6.15, menggunakan CST Studio Suite 2011. Tampak depan dan belakang antena.

(a)

(b)

Gambar 3.14. (a) Tampak Depan Antena, (b) Tampak Belakang Antena

(46)

Dengan dimensi yang berubah tersebut, maka nilai dari VSWR dan return loss juga akan berubah meskipun tidak signifikan. Berikut adalah gambar hasil return loss dari antena metamaterial dengan substrat Rodgers 4360. Pada gambar 3.15 dapat dilihat nilai return loss dari hasil simulasi adalah -18.878 dB pada frekuensi 1.5754 GHz.

Gambar 3.15. Grafik S11 Return Loss

Pada gambar 3.16 dapat di lihat nilai VSWR dari hasil simulasi adalah 1.2568 pada frekuensi 1.5754 GHz. Hal tersebut memiliki arti bahwa antena yang disimulasikan sudah mencapai parameter antena yang baik.

Gambar 3.16. Grafik S11 VSWR

32

(47)

Pada gambar 3.17 adalah plot radiasi, gain, dan surface current dari antena yang disimulasikan. Dapat dilihat pada gambar (a) gain antena bernilai 0.4981 dB dan pada gambar (b) directivity bernilai 1.776 dBi. Dapat disimpulkan dalam simulasi menggunakan substrat Rodgers 4360, nilai parameter antena yang di hasilkan masih dalam parameter yang di inginkan.

(a)

(b)

(48)

(c)

Gambar 3.17. (a) Plot 3D Gain, (b) Plot 3D Directivity, dan (c) Plot 3D Surface Current

3.5 Hasil Fabrikasi Antena

Pada bab ini di jelaskan mengenai proses fabrikasi antena. Proses fabrikasi antena bertujuan untuk membuat antena hasil simulasi yang sudah di optimasi, hal ini di lakukan untuk membandingkan hasil simulasi antena dengan hasil pengukuran antena hasil fabrikasi.

3.5.1 Hasil Fabrikasi Antena dengan Subtrat FR4 Tabel 3.6. Dimensi Antena dengan Substrat FR4

mm)

34

(49)

(a)

(b)

Gambar 3.18. (a)Tampak Depan, (b)Tampak Belakang Antena

(50)

Berikut adalah gambar hasil fabrikasi antena metamaterial berbahan copper (berwarna coklat) dan substrat FR4 (berwarna hijau), hasil fabrikasi ini berdasar pada dimensi simulasi yang sudah di tentukan sebelumnya. Gambar di bawah berupa antena hasil fabrikasi yang disandingkan dengan penggaris, untuk dapat melihat ukuran aslinya.

(a)

(b)

Gambar 3.19. (a)Tampak Depan, (b)Tampak Belakang Antena Hasil Fabrikasi

36

(51)

3.5.2 Hasil Fabrikasi Antena dengan Substrat Rodgers 4360 Tabel 3.7. Dimensi Antena dengan Substrat Rodgers 4360

Pada gambar 3.20 adalah hasil dari fabrikasi antena dengan substrat Rodgers 4360, dimensi antena hasil fabrikasi mengikuti data tabel diatas. Agar proses fabrikasi mudah dan mengurangi kesalahan dalam proses fabrikasi.

(a)

mm) L1 Panjang Kaki 1 protractor 8 mm L2 Panjang Kaki 2 Protractor 19.8 mm

(52)

(b)

Gambar 3.20. (a)Tampak Depan, (b)Tampak Belakang Antena Hasil Fabrikasi

3.6 Saluran Transmisi

Impedansi yang sesuai sangat dibutuhkan dalam saluran transmisi yang kita gunakan hal ini dikarenakan akan mengakibatkan daya pantul antena menjadi lebih kecil, sehingga antena memiliki SWR yang mendekati satu. Hal ini sering disebut dengan matching impedance . Impedance matching ini dibutuhkan dalam interface pada transmitter dan receiver. Pada fabrikasi antena, menggunakan konektor SMA female.

3.7 Power Havester

Bagian Power Harvester ini merupakan pemanen daya pada gelombang elektromagnetik yang bebas diudara kemudian diubah ke dalam tegangan searah. Power Harvester yang dirancang merupakan rangkaian penyearah penuh yang terdiri dari dioda dan kapasitor. Sistem kerja dari Power Harvester ini dimana besar tegangan bergantung pada jumlah stage penguatannya. Untuk perancangan yang optimal harus dilakukan pemilihan komponen yang sesuai dan dilakukan simulasi sebelum fabrikasi RF Power Harvester dilakukan. Berikut gambar rangkaian Power Harvester dengan menggunakan software Ltspice IV.

38

(53)

Gambar 3.21. Rangkaian Power Havester dengan software Ltspice IV RF Power Harvester terdiri dari dioda dan kapasitor. Untuk pemilihan dioda, digunakan dioda shottky seri HSMS-286x yaitu tipe HSMS-2862 yang memiliki forward voltage yang rendah dan telah dirancang dan dioptimasi untuk digunakan pada rentang frekuensi 915 MHz hingga 5.8 MHz. HSMS-2862 merupakan komponen dengan konfigurasi dua dioda seri. Komponen dioda dan kapasitor menggunakan komponen surface mount device (SMD) agar memudahkan dalam proses fabrikasi. Pada gambar 3.22 adalah hasil fabrikasi dari power havester.

Gambar 3.22. Power Havester dengan Konektor SMA female

(54)

3.8 Instrumentasi Pengukuran 3.8.1 Network Analyzer

Network Analyzer merupakan alat ukur untuk mengetahui kinerja antena dan parameter-parameter antena yang sudah di fabrikasi.

Rentang operasi frekuensi pada network analyzer ini berada pada 2 Mhz sampai 6 GHz.

Gambar 3.23. Network Analyzer

Langkah-langkah menggunakan perangkat NA yaitu:

1. Perangkat NA dinyalakan dan ditunggu hingga siap.

2. Ambil calibration kit dan melakukan kalibrasi pada port NA.

3. Sambung konektor SMA pada antena dengan port NA menggunakan port adapter.

4. Lalu atur frekuensi kerja dengan menekan tombol Freq/Dist 5. Untuk mengetahui nilai return loss tekan measure lalu pilih

format Log Mag.

40

(55)

6. Untuk mengetahui nilai VSWR tekan measure lalu pilih format VSWR.

7. Untuk mengetahui nilai Impedansi tekan measure lalu pilih format smith.

8. Lalu hasil pengukuran dapat disimpan dengan cara menekan tombol save lalu pilih USB untuk disimpan pada device berupa flashdisk. Format file bisa berupa gambar (.png) maupun tabel (.csv)

3.8.2 Spectrum Analyzer

Spectrum Analyzer yang digunakan untuk pengukuran adalah FSP30 - Rohde & Schwarz yang mampu bekerja pada rentang frekuensi 3 kHz hingga 30 GHz.

Gambar 3.24. Spectrum Analyzer FSP30 – Rohde & Schwarz

Spectrum Analyzer dapat digunakan untuk mengukur level daya yang diterima antena.Langkah –langkah dalam mengukur level daya adalah:

1. Menyalakn perangkat Spectrum Analyzer dan tunggu hingga siap.

2. Atur frekuensi minimal dan maksimal yang akan dihitung.

3. Lalu sambung perangkat SA ini pada antena yang akan di ujikan.

4. Setelah disambungkan, SA akan menunjukan level daya yang diterima oleh antena.

(56)

Halaman ini sengaja dikosongkan

42

(57)

BAB IV

PENGUKURAN DAN ANALISIS DATA

Pada bab ini akan dilakukan pembahasan parameter antena metamaterial dengan menggunakan program CST studio. Untuk menentukan antena bekerja pada frekuensi yang di inginkan, maka akan ada beberapa parameter yang akan di ubah-ubah sehingga didapat karakteristik antena yang dapat bekerja pada frekuensi 1.5754 Ghz. Pada setiap tahapan simulasi akan dijelaskan agar dapat mencapai hasil yang masksimal. Beberapa parameter antena yang akan dirubah adalah:

• Radius dalam (R2)

• Panjang feeding (L4)

• Lebar feeding (W3)

Berikut adalah skema untuk rencana pengukuran antena metamaterial.

Tabel 4.1. Skema Pengukuran Antena Metamaterial

Parameter Alat Ukur Tempat

VSWR Network Analyzer LAB AJ404

Return Loss Network Analyzer LAB AJ404 Daya Terima Spectrum Analyzer LAB B306 Tegangan Power

Havester

ADC LAB B301

Nantinya hasil simulasi tadi akan di bandingkan dengan hasil pengukuran antena menggunakan network analyzer dan spektrum analyzer. Tahap selanjutnya adalah hasil pengukuran antena akan di tes pada perangkat power havester untuk mengetahui tegangan yang di hasilkan. Lalu akan dilakukan analisis pada pengukuran power havester tersebut.

(58)

4.1. Analisis Pengaruh Parameter Antena Metamaterial Dengan Substrat FR4

4.1.1. Pengaruh Parameter R2 Antena

Pada parameter R2 antena metamaterial ini, yang akan dilakukan adalah merubah parameter sebanyak 5 kali pada radius dalam (R2) antena yaitu 8.8 mm, 8.9 mm, 9 mm, 9.1 mm, 9.2 mm, dengan selisih tiap dimensi yaitu 0.1mm. Berikut adalah gambar hasil simulasi S11 parameter.

Gambar 4.1. Pengaruh Parameter R2 pada Antena

Pada hasil perubahan parameter yang didapat, dapat kita simpulkan bahwa parameter R2 mempengaruhi hasil S-parameter. Dapat kita amati return loss maupun frekuensi kerja berubah-ubah. Semakin kecil radius dalam antena maka frekuensi kerja semakin bergeser ke kanan artinya frekuensi kerja semakin besar, tetapi nilai return loss nya

44

(59)

semakin bertambah. Sedangkan semakin besar radius dalam antena didapat return loss yang semakin bagus, tetapi frekuensi kerja antena juga semakin bergeser dari yang frekuensi yang diinginkan.

Untuk hasil yang terbaik didapat pada radius dalam antena dengan dimensi 8.9 mm, dapat dilihat pengaruh pada S11 parameter, didapat nilai return loss -20.779 dB pada frekuensi kerja yang diinginkan yaitu 1.5754 Ghz.

4.1.2. Pengaruh Parameter L4 Antena

Pada parameter L4 antena metamaterial ini, yang akan dilakukan adalah merubah parameter sebanyak 5 kali pada panjang feeding (L4) antena yaitu 5 mm, 7.5 mm, 10 mm, 12.5 mm, 15 mm, dengan selisih tiap dimensi yaitu 2.5 mm. Berikut adalah gambar hasil simulasi S11 parameter.

Gambar 4.2. Pengaruh Parameter L4 pada Antena

(60)

Pada hasil perubahan parameter yang didapat, dapat kita simpulkan bahwa parameter L4 sangat signifikan dalam mempengaruhi hasil S-parameter, terutama pada nilai return loss. Dimana pada saat panjang 12.5 mm, return loss semakin bagus hingga -52.873 dB pada frekuensi 1.5392, pada saat diperpanjang 15 mm, return loss justru bernilai -15.074 dB pada frekuensi 1.5472. Sedangkan pada saat panjang 5 mm, didapatkan nilai return loss yang semakin buruk yaitu -0.84227 jauh sekali dari karakteristik antena yang mana nilai return loss harus kurang dari -10 dB.

Untuk hasil yang terbaik didapat pada panjang feeding antena dengan dimensi 10 mm, dapat dilihat pengaruh pada S11 parameter, didapat nilai return loss -20.762 dB pada frekuensi kerja yang diinginkan yaitu 1.5754 Ghz.

4.1.3. Pengaruh Parameter W3 Antena

Pada parameter W3 antena metamaterial ini, yang akan dilakukan adalah merubah parameter sebanyak 5 kali pada lebar feeding (W3) antena yaitu 0.5 mm, 1.25 mm, 2 mm, 2.75 mm, 2.5 mm, dengan selisih tiap dimensi yaitu 0.75 mm. Berikut adalah gambar hasil simulasi S11 parameter.

Gambar 4.3. Pengaruh Parameter W3 pada Antena