Rancang Bangun Antena Mikrostrip Dualband Untuk RF-Energy Harvesting

(1)

2 BAB II

DASAR TEORI

2.1 RF – Energy Harvesting

Energy harvesting adalah proses menagkap energi yang tersedia dari sumber yang berbeda seperti RF, energi surya dan piezoelektrik. Rf – energy harvesting adalah proses menangkap sinyal RF yang dimana sinyal dalam bentuk energi gelombang elektromagnetik bebas di udara dan mengubah sinyal ini menjadi daya DC yang tepat. Sistem ini merupakan kombinasi dari penerima

antena terintegrasi, dan rectifier sirkuit efisien untuk mengubah energi RF

menjadi sinyal DC[1]. Adapun prinsip kerja dari Rf-energi Harvesting

sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2.1[1].

ANTENA MATCHING

Antena merupakan bagian dari sistem pengiriman dan penerimaan yang dirancang untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik[2]. Antena mikrostrip merupakan salah satu contohnya.

Antena mikrostrip pada awalnya diperkenalkan di Amerika oleh Deschamps dan di Perancis oleh Gutton dan Baissinot pada tahun 1950an. Setelah kedatangan teknologi printed-circuit beberapa penelitian mulai berhasil mengembangkan antena praktis untuk pertamakalinya[3].

Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel diatas

(2)

Gambar 2.2. Jenis antena ini memiliki keunggulan terutama pada rancangan antena yang tipis, ringan, tidak mahal, ketahanan yang tinggi, mampu disesuaikan dengan bidang planar dan non planar, serta dapat berintegrasi dengan peralatan telekomunikasi lain yang berukuran sempit, seperti

Microwave Integrated Circuit (MICs). Namun pada prinsipnya antena

mikrostrip memiliki bandwitdh yang sempit, dan bergantung pada ukuran, ketebalan substrat, jenis substrat,dan tipe feed point nya. Namun keterbatasan ini telah mampu diatasi dengan desain antena mikrostrip yang beragam, seperti pembuatan path berbentuk U atau V[2].

Gambar 2.2 Bagian – bagian Antena Mikrostrip

2.2.1 Karakteristik Antena Mikrostrip

(3)

Gambar 2.3 Dimensi Antena Mikrostrip

Banyak substrat yang bisa digunakan untuk desain antena mikrostrip, konstanta dielektrik yang biasa dipakai adalah diantara rentang 2.2 <_r< 12. Dan substrat yang paling baik dipergunakan untuk antena ini adalah yang memiliki konstanta dielektrik paling rendah dari rentang tersebut, karena dengan konstanta dielektrik tersebut akan menghasilkan efisiensi yang lebih baik,

bandwidth yang lebih besar, radiasi yang lebih bebas[2].

Ada berbagai macam bentuk dasar dari antena mikrostrip sebagaimana pada Gambar 2.4. Square, rectangular, dan lingkaran merupakan desain yang umum digunakan dalam perancangan antena mikrostrip, karena sangat mudah untuk dianalisa dan dipabrikasi, karakteristik radiasi yang menarik, dan yang paling penting kecilnya radiasi cross-polarization. Selain itu, terdapat pula antenna dipole, karena memiliki bandwidth yang lebar dan kecil ukurannya sehingga sering dipakai untuk antenna arrays. Setiap desain memiliki karakteristik masing-masing[2].

(4)

Dan sesuai dengan kebutuhan akan teknologi, desain antena mikrostrip ini mengalami perubahan pula menjadi lebih kompleks seperti terlihat pada Gambar 2.5. Ini dilakukan agar dapat memenuhi kriteria pada aplikasi-aplikasi tertentu.

Pembentukan patch seperti H-shape, U-shape dan bentuk lainnya dilakukan untuk mendapatkan kriteria antena seperti pembentukan frekuensi resonansi yang lebih banyak, peningkatan gain, dan lain sebagainya[3].

Gambar 2.5 Beberapa Modifikasi Antena Mikrostrip

2.2.2 Parameter – parameter Antena

Kinerja dan daya guna suatu antena dapat dilihat dari nilai parameter-parameter antena tersebut . Beberapa dari parameter-parameter tersebut saling berhubungan satu sama lain. Parameter-parameter antena yang biasanya digunakan untuk menganalisis suatu antena adalah impedansi masukan, Voltage Wave Standing Ratio (VSWR), return loss, bandwidth, dan penguatan[5].

2.2.2.1 Impedansi Masukan

(5)

tegangan dan arus pada terminal – terminal tanpa beban, memberikan impedansi masukan antena sebagaimana Persamaan 2.1[6] :

ZA = RA + jXA (2.1)

dengan :

ZA= impedansi antena (Ω)

RA= resistansi antena (Ω)

XA= reaktansi antena (Ω)

Oleh karena menggunakan saluran mikrostrip, maka resistansi antena merupakan resistansi rugi – rugi pada saluran mikrostrip. Resistansi rugi – rugi pada antena microstrip sama dengan resistansi rugi – rugi pada antena konvensional, yaitu terdiri dari rugi konduktor dan rugi radiasi, yang dinyatakan dengan Persamaan 2.2 berikut :

RA = Rr + RS (2.2)

dengan :

Rr = resistansiradiasi (Ω)

RS = resistansikonduktor (Ω)

(6)

O

ZO= impedansi karakterisitk (Ω)

 = koefisien pantul

2.2.2.2 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)

Koefisien pantul sangat menentukan besarnya VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) antena, karena dengan VSWR ini juga dapat ditentukan baik buruknya antena, yang dinyatakan oleh Persamaan 2.4 [6] :



VSWR adalah pengukuran dasar dari impedansi matching antara

transmitter dan antena. Semakin tinggi nilai VSWR maka semakin besar pula

mismatch, dan semakin minimum VSWR maka antena semakin matching. Dalam

perancangan antena biasanya memiliki nilai impedansi masukan sebesar 50 Ω atau 75 Ω.

2.2.2.3 Return Loss

Return loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yangdirefleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return loss

(7)

impedansi masukan beban (antena). Koefisien pantulan (reflection coefficient) adalah perbandingan antara tegangan pantulan dengan tegangan maju (forward voltage). Antena yang baik akan mempunyai nilai return loss dibawah -10 dB, yaitu 90% sinyal dapat diserap, dan 10%-nya terpantulkan kembali. Koefisien pantul dan return loss didefinisikan sebagaimana pada Persamaan 2.5 dan

Vr = tegangan gelombang pantul (reflected wave)

Vi = tegangan gelombang maju (incident wave) RL = return loss (dB)

Untuk matching sempurna antara transmitter dan antena, maka nilai  = 0 dan RL=dB yang berarti tidak ada daya yang dipantulkan, sebaliknya jika  = 1 dan RL = 0 dB maka semua daya dipantulkan.

2.2.2.4 Lebar Pita (Bandwidth)

(8)

Gambar 2.6 Bandwidth

Bandwidth antena didefinisikan sebagai ”range frekuensi antena dengan

beberapa karakteristik, sesuai dengan standar yang telah ditentukan”. Untuk

Broadband antena, lebar bidang dinyatakan sebagai perbandingan frekuensi operasi atas (upper) dengan frekuensi bawah (lower). Sedangkan untuk

Narrowband antena, maka lebar bidang antena dinyatakan sebagai persentase dari selisih frekuensi di atas frekuensi tengah dari lebar bidang [6]. Untuk persamaan

bandwidth dalam persen (Bp) atau sebagai bandwidth rasio (Br) dinyatakan sebagaimana Persamaan 2.7 sampai dengan Persamaan 2.9[6]:

(9)

Br= bandwidth rasio

fu = jangkauan frekuensi atas (Hz)

fl = jangkauan frekuensi bawah (Hz)

Ada beberapa jenis bandwidth di antaranya :

1. Impedance bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana patch antena berada pada keadaan matching dengan saluran pencatu. Hal ini terjadi karena impedansi dari elemen antenna bervariasi nilainya tergantung dari nilai frekuensi. Nilai matching ini dapat dilihat dari return loss

dan VSWR. Nilai return loss dan VSWR yang masih dianggap baik adalah kurang dari -9,54dB.

2. Pattern bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana bandwidth,

sidelobe, atau gain, yang bervariasi menurut frekuensi memenuhi nilai tertentu. Nilai tersebut harus ditentukan pada awal perancangan antena agar nilai bandwidth dapat dicari.

3. Polarization atau axial ratio bandwidth adalah rentang frekuensi di mana polarisasi (linier atau melingkar) masih terjadi. Nilai axial ratio

untuk polarisasi melingkar adalah kurang dari 3 dB.

2.2.2.5 Gain

(10)

perbandingan daya yang dipancarkan oleh antena tertentu dibandingkan dengan

radiator isotropis yang bentuk pola radiasinya menyerupai bola. Secara fisik suatu radiator isotropis tidak ada, tapi sering kali digunakan sebagai referensi untuk menyatakan sifat – sifat kearahan antena.

Penguatan daya antena pada arah tertentu didefinisikan sebagai 4π kali

perbandingan intensitas radiasi dalam arah tersebut dengan daya yang diterima oleh antena dari pemancar yang terhubung. Apabila arahnya tidak diketahui, penguatan daya biasanya ditentukan dalam arah radiasi maksimum, dalam persamaan matematik dinyatakan sebagaimana Persamaan 2.10[6]:

in

Um = intensitas radiasi antena (watt)

Pin = daya input total yang diterima oleh antena (watt)

Pada pengukuran digunakan metode pembandingan (Gain-comparison Method) atau gain transfer mode. Prinsip pengukuran ini adalah dengan menggunakan antena referensi yang biasanya antena dipole standar yang sudah diketahui nilai gainnya. Prosedur ini memerlukan 2 kali pengukuran yaitu terhadap antena yang diukur dan terhadap antena referensi. Nilai gain absolut isotropik dinyatakan sebagaimana Persamaan 2.11[6]:

(11)

dengan :

GAUT = Gain antena yang diukur (dBi)

Gref =Gain antena referensi yang sudah diketahui (dBi)

WRX =Daya yang diterima antena yang diukur (dBm)

Wref =Daya yang diterima antena referensi (dBm)

2.2.3 Antena Dual band

Sebuah antena akan mampu menghasilkan frekuensi kerja yang bervariasi. Mulai dari satu frekuensi kerja saja (singleband), dua frekuensi kerja (dualband), sampai antena yang memiliki 3 atau lebih frekuensi kerja (multilband). Frekuensi kerja merupakan sebuah frekuensi dimana sebuah antena mampu memancarkan radiasinya dengan baik dan bereaksi dengan terminal atau sebuah perangkat elektronik. Antena multiband merupakan sebuah antena yang mampu menghasilkan lebih dari dua frekuensi resonansi yang memiliki return loss dibawah -10dB. Seperti terlihat pada Gambar 2.7, nilai f1, f2, dan f3 merupakan frekuensi resonansi yang terjadi, sehingga antena tersebut dapat dikatakan sebagai antena multiband[1].

(12)

Perancangan antena dualband membuat sebuah antena mampu bekerja untuk berbagai aplikasi. Namun perancangannya dibutuhkan teknik tersendiri. Secara umum terdapat 3 cara untuk mendapatkan antenna yang memiliki lebih dari satu frekuensi, yakni:

1. Orthogonal-mode multi-frequency antenna 2. Multi-patch multi-frequency antenna 3. Reactively-loaded multi-frequency antenna

2.2.3.1 Orthogonal-mode Multi-frequency Antenna

Orthogonal-mode multi-frequency antenna merupakan salah satu cara untuk menghasilkan lebih dari satu buah frekuensi resonansi. Teknik yang digunakan ialah dengan cara menempatkan sebuah pencatu (feed) pada salah satu patch hingga pada posisi pencatu tersebut didapatkan lebih dari satu frekuensi resonansi. Hal ini dapat dilakukan dengan menggunakan teknik

probe sebagai pencatunya dan dengan pemberian slot yang arahnya menuju pencatu pada pencatuan line. Sedangkan cara lain adalah dengan menggunakan pencatuan pencatuan EMC (Electromagnetically Coupled). Gambar 2.8 adalah macam- macam teknik Orthogonal-mode multi-frequencyantenna[4].

(13)

2.2.3.2 Multi-patch Multi-frequency Antenna

Pada Multi-patch multi-frequency antenna digunakan lebih dari satu patchuntuk menghasilkan lebih dari satu frekuensi resonansi. Dari Gambar 2.9, cara yang dipergunakan ialah dengan menumpuk setiap patch hingga menghasilkan frekuensi yang berbeda-beda, atau dapat pula dengan cara menyusun patch antena pada satu lapisan substrat[4].

Gambar 2.9 Teknik Multi-patch multi-frequency antenna

2.2.3.3 Reactively-loaded Multi-frequency Antenna

(14)

Gambar 2.10 Teknik Reactively-loaded multi-frequency antenna

2.3 Dimensi Antena

Dimensi antena mempresentasikan bentuk serta ukuran dari antena mikrostrip. Untuk dapat menentukan dimensi antena patch segiempat, terlebih dahulu harus diketahui parameter bahan yang akan digunakan seperti ketebalan dielektrik (h), konstanta dielektrik (εr), frekuensi kerja yang diharapkan (f Hz). Pengaturan panjang dan lebar antena mikrostrip harus sesuai agar bandwidth yang dihasilkan lebar, karena apabila terlalu pendek maka bandwidth yang dihasilkan sempit sedangkan apabila terlalu panjang maka akan dihasilkan bandwidth yang lebar tetapi efisiensi radiasi nya menjadi kecil.

Pendekatan yang digunakan untuk mencari panjang dan lebar antena mikrostrip patch segiempat dapat menggunakan Persamaan 2.12 [6].

� =

�

√

��+ (2.12)

dimana :

(15)

εr : konstanta dielektrik

c : kecepatan cahaya diruang bebas (3×108 m/s2)

fr : frekuensi kerja antena (Hz)

Untuk menentukan lebar patch(L) diperlukan parameter ΔL yang merupakan

pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing effect yaitu efek pada elemen peradiasi antena mikrostrip terlihat lebih besar dari dimensi fisiknya. Pertambahan

panjang dari L (ΔL) tersebut dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.13 [6].