LAPORAN TEKNIS TEMATIK TAHUN 2013

                                      i

LAPORAN TEKNIS  TEMATIK TAHUN 2013           

Tim Penyusun:  Rr. Widhya Yusi Samirahayu, SE., MT  Dr. Purwoko Adhi  Yadi Radiansah, ST  Zaenul Arifin, SAP  Lisdiani                           

PUSAT PENELITIAN ELEKTRONIKA DAN TELEKOMUNIKASI  LEMBAGA ILMU PENGETAHUAN INDONESIA  ii

KATA PENGANTAR      Program  Tematik  tahun  2013  di  Pusat  Penelitian  Elektronika  dan  Telekomunikasi  (PPET)  terdiri  dari  9  kegiatan,  yang  terbagi  dalam  tiga  bidang  yaitu  Elektronika,  Telekomunikasi, dan Bahan dan Komponen Mikroelektronika.  Laporan  Teknis  ini  disusun  oleh  masing‐masing  tim  peneliti  kegiatan  yang  bersangkutan,  dan  hanya  menampilkan  hasil‐hasil  yang  dicapai  selama  tahun  2013.  Oleh  karena  itu,  laporan  ini  tidak  bersifat  akumulatif  walaupun  beberapa  kegiatan  telah  memasuki tahap akhir. Akan tetapi, laporan ini tetap diharapkan bisa memberikan manfaat  bagi berbagai pihak yang berkepentingan, termasuk masyarakat pada umumnya.  Kami  menyadari  bahwa  laporan  ini  masih  banyak  kekurangannya,  baik  secara  substansi  maupun  format  penulisannya.  Oleh  karena  itu,  kritik  dan  saran  senantiasa  kami  harapkan guna perbaikan kualitas laporan teknis PPET dimasa yang akan datang.    Bandung, Januari 2014  Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi  Kepala,        Dr. Hiskia  NIP.  19650615 199103 1 006 

                            iii

DAFTAR ISI      TIM PENYUSUN    KATA PENGANTAR    DAFTAR ISI      1.   Pengembangan  Modul  Sub‐Sistem  Radar  Fmcw  –  Peneliti  Utama  :  Arief  Suryadi Satyawan., M.T.    2.   Rancang Bangun Modul Surya Berbasis   Dye‐Sensitized Solar Cell – Peneliti Utama : Lia Muliani Pranoto, ST.,MT    3.   Pembuatan Sel Surya Berbasis Polimer – Peneliti Utama : Dra. Erlyta Septa  Rosa, MT    4.   Rancang Bangun Antena Radar Pengawas Pantai Menggunakan Teknologi  Film Tebal – Peneliti Utama : Dr.Ir. Yuyu Wahyu, MT    5.   Pemanfaatan dan Pemasangan Radar Pengawas Pantai – Peneliti Utama :  Ir.Mashury, M.Eng    6.   Pembuatan  Magnet  Barium  Ferit  Bonded  Hybrid  Untuk  Aplikasi  Circulator – Peneliti Utama : Tony Kristiantoro, S.ST    7.   Rancang  Bangun  Band  Pass  Filter  (BPF)  Gelombang  Mikro  –  Peneliti  Utama : Dadin Mahmudin, S.T  8.   Rancang  Bangun  Transduser  Array  untuk  Meningkatkan  Daya  Pancar 

ii iii iv

1

28

53

80

104

132

148 162

Sistem Sonar – Peneliti Utama : Deni Permana Kurniadi, ST  9.   Pengembangan Through‐Wall Radar untuk Life Detector – Peneliti Utama  : Dr. Purwoko Adhi   

187

         

iv

                   

Pengembangan Modul Sub‐Sistem Radar  Fmcw   

Arief Suryadi Satyawan., M.T.                                                              1

LEMBAR PENGESAHAN    1.  Judul Kegiatan Penelitian  

2.  3.      4.  5.  6.       

: 

Kegiatan Prioritas  Peneliti Utama  Nama    Jenis Kelamin    Sifat Penelitian  Lama Penelitian  Biaya Total 2013 

:  :  :  :  :  :  : 

Pengembangan Modul Sub‐Sistem Radar  FMCW    Teknologi Informasi dan Komunikasi     Arief Suryadi Satyawan.  Laki‐laki  Baru/Lanjutan       Tahun ke ‐ 1  …2…. (Dua) Tahun  Rp. 166.989.000    

Bandung,   20 Desember 2013    Peneliti Utama       

Ketua PME PPET LIPI, 

Dr. Purwoko Adhi, DEA  NIP. 19670911 198701 1 001 

Arief Suryadi Satyawan., M.T.  NIP. 19730801 199403 1 005           

                              2

ABSTRAK  Kegiatan  ini  bertujuan  untuk  mengembangkan  modul  subsistem  radar  yang  dapat  diterapkan  khususnya  pada  sistem  radar  FMCW.  Secara  umum  kegiatan  ini  dibagi  dalam  dua  tahap  pengerjaan  sesuai  dengan  tahun  anggaran  penelitian  yang  diusulkan.  Pada  usulan  tahun  2013  akan  dilakukan  pengembangan  modul  Direct  Digital  Synthesizer  (DDS)  yang  berfungsi  sebagai  pembangkit  sinyal  FMCW  pada  pemancar radar, sedangkan pada tahun 2014 akan dilakukan pengembangan modul  Analog  to  Digital  Converter  (ADC)  yang  berfungsi  sebagai  data  acquisition  sinyal  radar pada sisi penerima.  Berbeda dengan pengembangan sistem atau subsistem radar sebelumnya, pada dua  tahap  kegiatan  ini  akan  dilakukan  rancang  bangun  modul  secara  menyeluruh  meliputi  disain  rangkaian  elektronika  beserta  perangkat  lunak  pendukungnya,  dan  fabrikasi  hingga  menjadi  modul  yang  siap  pakai.  Dengan  demikian  diharapkan  melalui kegiatan ini akan didapat modul subsistem radar yang dapat menggantikan  peran  modul‐modul  yang  sebelumnya  banyak  didatangkan  dari  luar  negeri.  Selain  itu,  disain  dan  pengembangan  modul  subsistem  radar  ini  selanjutnya  diharapkan  dapat  menekan  biaya  yang  harus  dikeluarkan  dalam  pembangunan  sistem  radar  FMCW.  Untuk mencapai sasaran kegiatan pada tahun pertama yaitu terwujudnya prototype  modul  DDS,  maka  telah  dilakukan  beberapa  tahapan  proses  yang  meliputi  disain  rangkaian DDS dengan menggunakan komponen utama AD9956, realisasi rangkaian  DDS tersebut pada papan PCB multilayer, dan pengukuran kinerja rangkaian DDS di  laboratorium.  Pada  tahap  disain,  rangkaian  DDS  dibuat  untuk  dapat  menghasilkan  sinyal  luaran  hingga  200  MH  dan  level  sinyal  –  10  dBm.  Sedangkan  pada  tahap  realisasi,  rangkaian  DDS  dibentuk  pada  papan  PCB  enam  layer  dengan  bantuan  perangkat  lunak  Altium,  sebelum  dicetak  pada  jenis  PCB  yang  sesuai  (FR4).  Pada  tahap  akhir,  rangkaian  DDS  yang  telah  dilengkapi  komponen  diukur  kinerjanya  di  laboratorium.    Kata  kunci:  Sistem  Radar,  Direct  Digital  Synthesizer,  Analog  to  Digital  Converter,  Data                   Acquisition    1. PENDAHULUAN  1.1  Latar Belakang Masalah  Penelitian dan pengembangan sistem radar telah lama dilakukan di PPET‐LIPI (ketika  masih bernama LEN‐LIPI), yang pada saat itu diawali dengan pengembangan sistem  konvensional  pulse  radar.  Hal  ini  terus  berlanjut  sehingga  pada  sekitar  awal  tahun  2000 kita telah mulai melakukan pengembangan sistem radar baru bebasis teknologi  FMCW,  yang  selanjutnya  ditandai  dengan  pembangunan  sistem  radar  pengawas  pantai di Cilegon (Banten) untuk mengamati pergerakan kapal di sekitar selat sunda.  Sistem radar ini selanjutnya menjadi percontohan dalam rangka membangun stasiun  radar di tempat lain,  disamping   menjadi  sarana   penelitian  khususnya dibidang  sistem radar.  Pada perkembangannya, permasalahan yang dihadapi saat ini hampir sebagian besar  komponen  atau  modul  pada  sistem  radar  masih  berupa  komponen  impor,  yang  selain  mahal  juga  terkadang  perlu  waktu  lama  untuk  mendapatkannya.  Hal  ini  3

merupakan  tantangan  bagi  pengembangan  sistem  radar  nasional,  namun  dapat  menjadi peluang bagi para peneliti untuk dapat menghasilkan komponen atau modul  pendukung sistem radar.    1.2  Perumusan Masalah  Permasalahan  dalam  kegiatan  tahun  pertama  ini  dapat  dirumuskan  dalam  tiga  bagian, yaitu kegiatan perencanaan dan realisasi, pengukuran dan perbaikan alat dan  dokumentasi kegiatan, yang secara umum dapat diuraikan sebagai berikut:    a) Perancangan dan Realisasi  Pada  tahap  perancangan  diawali  dengan  melakukan  disain  modul  rangkaian  Direct  Digital  Synthesizer.  Untuk  itu  perlu  diperhatikan  pemilihan  jenis  komponen  yang  diperlukan  baik  dari  sisi  spesifikasi  teknis  maupun  kemudahan  dalam  memperoleh  komponen tersebut di dalam atau luar negeri. Disamping itu disain rangkaian Direct  Digital  Synthesizer  juga  harus  memperhitungkan  konsumsi  daya  yang  diperlukan,  serta besaran sinyal masukan atau luaran rangkaian yang sesuai.  Setelah  melalui  tahap  disain  rangkaian  maka  masalah  berikutnya  adalah  merealisasikan disain tersebut kedalam bentukperangkat keras (realisasi pada papan  PCB).  Pada  tahapan  ini  perlu  dilakukan  pengerjaan  disain  rangkaian  elektronika  menggunakan  perangkat  lunak  seperti  Protel,  yang  selanjutnya  hasilnya  dapat  dicetak  pada  papan  PCB.  Terakhir  adalah  pemasangan  komponen‐komponen  elektronika  pada  papan  PCB  tersebut  yang  mungkin  akan  membutuhkan  ketelitian  dalam  hal  penyolderan,  mengingat  beberapa  komponen  digital  yang  digunakan  mungkin berukuran cukup kecil.    b) Pengukuran dan Perbaikan  Modul  Direct  Digital  Synthesizer  selanjutnya  diukur  untuk  mengetahui  kinerjanya.  Pada  tahap  ini  diperlukan  beberapa  alat  ukur  pendukung  seperti  osciloscope,  function  generator  atau  spectrum  analyzer.  Perbaikan  mungkin  perlu  dilakukan  untuk memperbaiki kinerja modul tersebut sehingga sesuai dengan spesifikasi teknis  yang diharapkan dalam disain.    c) Dokumentasi Kegiatan Penelitian  Dokumentasi  kegiatan  penelitian  dilakukan  dalam  bentuk  laporan  teknis  akhir  kegiatan,  disamping  pembuatan  satu  buah  makalah  ilmiah  hasil  penelitian  ini  pada  jurnal nasional.    2. TUJUAN DAN SASARAN  2.1  Tujuan  Umum  Tujuan  umum  kegiatan  ini  adalah  untuk  dapat  melakukan  penguasaan  teknologi  rancang bangun modul modul pendukung sistem radar FMCW.  Khusus  Sedangkan  tujuan  khusus  penelitian  ini  adalah  untuk  dapat  melakukan  rancang  bangun modul Direct Digital Synthesizer dan Analog to Digital Converter, yang dapat  diaplikasikan pada sistem radar FMCW.    4

  2.2  Sasaran  Sasaran  yang  ingin  dicapai  dalam  penelitian  ini  adalah  terwujudnya  modul  Direct  Digital Synthesizer pada akhir tahun pertama penelitian dan modul Analog to Digital  Converter pada akhir tahun kedua penelitian.    3. METODE  Metodologi yang juga mencakup tahapan, sasaran dan luaran dari kegiatan ini dapat  dilihat pada table 1.               

5

Tabel 1.  NO.  TAHAPAN  1  Perencanaan  dan realisasi 

SASARAN 

LUARAN 

Disain dan realisasi modul DDS    

• • •

•

METODOLOGI 

• Disain skematik  rangkaian DDS  Spesifikasi teknis  yang diharapkan  Data komponen yang  • akan digunakan  beserta rangkaain  yang diperlukan  sistem  • Modul  perangkat  keras DDS  •

2  Pengukuran  dan  perbaikan  3  Dokumentasi  kegiatan 

Prototype DDS sesuai spesifikasi  teknis yang diinginkan  • •

Laporan teknis kegiatan  Publikasi 

Prototype DDS  • •

Laporan akhir  Makalah ilmiah pada  jurnal nasional. 

• •

Survey  dan  studi  lapangan:  dari  metoda  ini  diharapkan  terkumpul  data‐data  yang  berkaitan  dengan  komponen‐komponen  yang  dibutuhkan,  serta  aspek‐aspek  teknis  pembuatan Direct Digital Synthesizer (DDS).   Perancangan  spesifikasi:  akan  dirancang  spesifikasi yang diseusuaikan dengan data‐data  hasil survey  Perancangan  prototipe:  akan  dirancang  Direct  Digital  Synthesizer  (DDS)  berdasarkan  spesifikasi  yang  telah  ditentukan  serta  disain  rangkaian dalam papan PCB.  Realisasi  peralatan  pada  papan  PCB  dan  pemasangan komponen. 

Pengukuran besaran kelistrikan  Perbaikan disain jika diperlukan   

 

6

4. RENCANA CAPAIAN, HASIL, DAN PEMBAHASAN  4.1 Rencana Capaian  Tabel 2.  No  Kegiatan/  B U L A N  Penanggung Jawab  1  2  3  4  5  1.   Study literatur (PU, P)            Melipiti :   1. Studi terkait disain  rangkaian DDS.  2. Studi terkait  pembuatan PCB  multilayer  3. Studi terkait  komponen  pendukung  DDS  4. Studi terkait  pengukuran DDS  2.   Survey  komponen  dan            pengadaan bahan dan alat /  (P dan Adm proyek)  Melipiti :  1. Survey komponen  penunjang DDS di  dalam dan luar  negeri.  2. Survey pembuatan  PCB multilayer di  dalam dan luar  negeri.  3.   Perencanaan  dan            Pembuatan alat / (PU, P, PP) Meliputi :  1. Disain skematik  rangkaian DDS  2. Disain rangkaian  pada papan PCB  (multilayer)  3. Pabrikasi rangkaian  DDS pada papan PCB 4. Pemasangan  komponen pada  papan PCB  5. Disain dan realisasi  perangkat lunak DDS  4.   Pengujian  / (PU, PP)            Meliputi :  1. Pengukuran kinerja 

6   

7   

8   

9   

10  11  12      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

No  Kegiatan/  B U L A N  Penanggung Jawab  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12 DDS  2. Perbaikan  kekurangan  5.   Dokumentasi  dan                          pembuatan  laporan  dan  realisasi karya ilmiah      4.2 Hasil dan Pembahasan    Dasar Teori  Pada  sistem  radar  FMCW  seperti  yang  diperlihatkan  pada  gambar  1.,  Direct  Digital  Synthesizer (DDS) digunakan untuk membangkitkan sinyal sinus termodulasi FM.   

Gambar 1. Blok Diagram Radar FMCW dengan DDS [3] 

 

  Pada dasarnya, DDS merupakan metode untuk menghasilkan sinyal analog, biasanya  sinyal  sinus,  caranya  dengan  membangkitkan  sinyal  yang  berubah  –  ubah  terhadap  waktu dalam bentuk digital, dan kemudian dirubah ke dalam bentuk analog dengan  bantuan Digital to Analog Converter (DAC) [10]. Konstruksi yang sederhana dari DDS  menyebabkan  pengaturan  frekuensi  keluaran  DDS  ditentukan  oleh  sebuah  nilai  tuning word. Konstruksi digital memberi banyak keuntungan dalam penerapan DDS,  diantaranya [1]:   1. Arsitektur  digital  dapat  mengurangi  kebutuhan  sistem  analog  yang  sensitif  terhadap temperatur.   2. Interface DDS yang tersedia akan memudahkan sistem untuk dapat dikendalikan  dengan  lebih  praktis  dan  lebih  dioptimalkan,  karena  semua  berada  di  bawah  kendali processor.  Konstruksi  sederhana  DDS  adalah  terdiri  dari  beberapa  blok  komponen  yaitu  :  Frekuensi  clock  sebagai  referensi,  Address  Counter,  PROM  dan  DAC,  seperti  yang  diperlihatkan pada gambar 2. 

8

Gambar 2. Diagram Blok Direct Digital Synthesizer [3] 

 

  Secara  umum  diagram  tersebut  dapat  dijelaskan  sebagai  berikut  :  Address  Counter  melewatkan  dan  mengakses  lokasi  memori  pada  PROM.  Selain  itu  Address Counter  juga memuat kesetaraan word amplitudo sinyal sinus yang akan dikonversi ke dalam  bentuk analog. Sine lookup adalah perangkat penyimpan informasi amplitudo digital  yang  menghubungkan    satu  gelombang  penuh  dari  gelombang  sinus  dan  berfungsi  sebagai  sine  lookup  table.  Sedangkan  register  adalah  tempat  untuk  penyusunan  amplitudo  digital.  Terakhir,  DAC  berfungsi  untuk  merubah  sinyal  digital  yang  telah  diolah sebelumnya menjadi sinyal analog.  Dengan  menerapkan  fungsi  phase  accumulator  pada  rangkaian  sinyal  digital,  arsitektur  DDS  dapat  dirubah  agar  lebih  fleksibel.  Blok  diagram  arsitektur  tersebut  terlihat pada gambar 3. 

Gambar 3. Frequency – tunable DDS System [3] 

 

  Apabila bagian DDS tersebut dilihat lebih detail, masing – masing  mempunyai cara  kerja  dan  sinyal  output  yang  berbeda.  Sinyal  output  yang  berbeda  tersebut  dapat  dilihat pada diagram seperti pada gambar 4. 

Gambar 4. Gambaran Sinyal Pada Tiap‐Tiap Proses DDS [3] 

 

  Sinyal  yang  dihasilkan  dari  masing  –masing  bagian  dalam  bentuk  digital  kemudian  dirubah menjadi sinyal analog dengan menggunakan DAC. Angka – angka tersebut di  simpan dalam sebuah memori yang disebut memori lookup table.   9

  Phase Accumulator  Phase  accumulator  berfungsi  untuk  menjumlahkan  informasi  fasa  dari  tahap  sebelumnya.  Karena  yang  akan  disintesis  adalah  frekuensi,  maka  nilai  frekuensi  adalah  tetap.  Frekuensi  adalah  turunan  pertama  dari  fasa  ( ).  Turunan  pertama  tersebut  bernilai  konstan  jika  grafik  fungsi  fasa  berbentuk  garis  lurus  atau  pertambahan  nilai  fasanya  tetap.  Karena  itu  accumulator  ini  juga  disebut  accumulator fasa.  Ditinjau  dari  segi  data  yang  diolah  maka  terdapat  dua  struktur  accumulator,  yaitu  struktur accumulator  yang memanipulasi data biner dan struktur accumulator yang  beroperasi  dengan  basis  desimal.  Data  yang  diakumulasi  oleh  accumulator  adalah  data dengan format BCD (Binary Coded Decimal).  Accumulator  pada  dasarnya  adalah  gabungan  antara  perangkat  yang  disebut  adder  dan  perangkat  register.  Dari  kedua  bagian  perangkat  ini,  adder  adalah  bagian  yang  sering  dioptimasi  (  dilakukan  peningkatan  kerja  ),  karena  semakin  lebar  jumlah  bit  dalam accumulator, waktu tunda yang diakibatkan bagian adder tidak bisa diabaikan  lagi. Optimasi ( peningkatan kerja ) blok accumulator tersebut menggunakan metode  pipelining  untuk  rangkaian  logika  kecepatan  tinggi,  tetapi  penerapan  metode  pipelining ini berpengaruh terhadap update rate dari DDS.  

  Gambar 5. Blok Diagram Struktur Phase Accumulator [3]    Nilai  fasa  yang  tersimpan  pada  register  frekuensi  input  ditambahkan  ke  nilai  accumulator fasa , satu kali setiap perioda clock sistem. Hasil penjumlahan tersebut  kemudian dimasukkan ke lookup tabel (LUT). LUT akan merubah informasi fasa tadi  menjadi informasi amplituda.   Untuk accumulator seperti yang terlihat pada gambar 5., frekuensi output (Fout) dan  frekuensi  clock  (Fref)  memiliki  hubungan  dengan  nilai  penambahan  fasa  ( )  yang  dirumuskan dengan persamaan :      (1)  Pada  persamaan  (1),  N  adalah  jumlah  bit  dalam  accumulator  fasa.  Dengan  menggunakan rumus diatas maka akan dapat dihasilkan kenaikan frekuensi dengan  satuan Hertz yang tepat.  

10

  Gambar 6. Hubungan Fasa Dengan Amplituda 

Gambar 7. Lingkaran Fasa 

 

  Proses  akumulasi  fasa  dilakukan  dengan  lingkaran  fasa.  Gambar  6.,  menunjukkan  akumulasi  fasa  dari  sinyal  sinus  dengan  frekuensi  1/8  frekuensi  clock.  Lingkaran  menunjukkan  akumulasi  fasa  sebesar  π/4  setiap  siklus  clock.  Titik‐titik  pada  garis  lingkaran  menunjukkan  nilai  fasa  pada  suatu  waktu  dan  bentuk    gelombang  sinus  menunjukkan  representasi  amplituda  yang  bersesuaian.  Perubahan  fasa  ke  amplituda  terjadi  dalam  lookup  table.  Terlihat  bahwa  penambahan  fasa  selama  periode clock adalah π/4 radian atau 1/8 dari  .   Osilasi  sinus  merupakan  vektor  yang  berputar  di  sekeliling  lingkaran  fasa  seperti  ditunjukkan  pada  gambar  7.  Setiap  titik  pada  lingkaran  fasa  ini  berkorespondensi  dengan satu titik tertentu pada gelombang keluaran dan titik ini dihasilkan sebagai  vektor  bergerak  di  sekeliling  lingkaran  fasa.  Satu  putaran  pada  lingkaran  fasa  merupakan  satu  siklus  sinusoidal.  Jumlah  titik  diskrit  lingkaran  fasa  sesuai  dengan  resolusi  accumulator  fasa.  Nilai  kendali  frekuensi  masuk  (k)  menunjukkan  ukuran  lompatan atau jump size.  Dalam domain waktu, sinyal yang dihasilkan dapat dituliskan sebagai persamaan :   ....  (2)  11

DDS  melakukan  proses  sampling  pada  saat  sampling.  

,  dengan  Tref  adalah  interval 

  adalah frekuensi referensi dan n = 0,1,…  Setiap amplituda sample x(nTref) dikalkulasi untuk mendapatkan fasa 

 

 .......(3)  Dengan  Fout=k.Fref.  Fref  adalah  resolusi  frekuensi  yang  juga  merupakan  frekuensi  minimum  yang  dapat  dihasilkan  jika  menggunakan  referensi  Fref.  Fref  sama  dengan  . Sehingga:    .....(4)  Nilai frekuensi keluaran yang diberikan oleh persamaan (4) juga disebut dengan DDS  Tuning  Equation.  Substitusi  persamaan  (4)  ke  persamaan  (2)  dengan    dan  t=nTref akan menghasilkan :             ..... (5)  Deretan sampel tergantung dengan besarnya (n) dan (k). Dalam persamaan diatas (n)   sebagai  indeks  waktu  dan  (k)  sebagai  indeks  frekuensi.  Dengan  nilai  (k)  tetap  dan  nilai  (n)  berubah  akan  memperoleh  alamat  untuk  sampel  pada  frekuensi  tertentu.  Tetapi jika besarnya nilai (k) dirubah dan nilai (n) tetap, akan diperoleh sampel yang  berbeda,  yaitu  sesuai  dengan  frekuensi  yang  berbeda.  Parameter  inilah  yang  menyebabkan terdapat 2 cara perubahan frekuensi untuk sistem DDS [4].   Keluaran accumulator merupakan korelasi antara frekuensi yang diinginkan dengan  clock dalam bentuk phase ramp. Keluaran ini selanjutnya akan menjadi masukan bagi  blok ROM atau lookup table. Keluaran dari phasa accumulator adalah seperti seperti  pada gambar 8. 

  Gambar 8. Keluaran Phase Accumulator    Sine lookup Table  Komponen  kedua  DDS  adalah  memori  yang  menyimpan  pemetaan  transformasi  linier  . Karena sinyal keluaran dengan kualitas tinggi memerlukan lebih  banyak  bit  untuk  mendefinisikan  ,  maka  dibutuhkan  memori  yang  lebih besar.  12

Terdapat  beberapa  teknik  implementasi  untuk  ROM  ini.  Teknik  pertama  adalah  implementasi  penuh  PROM  untuk  4  kuadran  sebesar  360o.  Teknik  ini  memerlukan  memory yang sangat besar. Teknik yang kedua adalah hanya mengimplementasikan  satu  kuadran  sebesar  90o,  sedangkan  untuk  kuadran  lain  dilakukan  operasi  pembalikan  dan  pencerminan  terhadap  kuadran  pertama.  Pembalikan  dilakukan  oleh  sinyal  sign  dan  pencerminan  dilakukan  oleh  sinyal  quad.  Hal  ini  dapat  dilaksanakan  karena  informasi  seluruh  kuadran  sudah  terkandung  pada  kuadran  pertama.   Jika keluaran yang dibutuhkan harus memiliki kecepatan tinggi maka memori hanya  memiliki  waktu  akses  sedikit.  Tetapi  karena  memori  merupakan  rangkaian  paling  lambat  pada  rangkaian  sistem,  maka  diperlukan  pendekatan  (cara)  lain  untuk  memperoleh    efisiensi  dan  efektifitas.  Cara  pertama  adalah  dengan  melakukan  multipleks  sebesar  N  memori,  sehingga  setiap  satu  memori  hanya  beroperasi  pada  1/N kecepatan clock sistem. Cara kedua adalah mengeksploitasi sifat monoton fungsi  sinus, sehingga ukuran memori dapat dikecilkan menjadi 1/50 kali. Pada cara kedua  ini melibatkan DSP (Digital Signal Processing).   Sehubungan dengan pengaturan frekuensi, dengan mengakses semua alamat PROM  yang  dikendalikan  MSB,  quad  dan  sign  dengan  kenaikan  sebesar  satu  maka  akan  diperoleh  frekuensi  dasar.  Frekuensi  yang  merupakan  kelipatan  tidak  bulat  dari  frekuensi dasar akan dihasilkan, apabila tidak semua alamat ROM dicacah. Dalam hal  ini selang alamat yang dicacah tidak bernilai satu.  Suatu  sistem  DDS  yang  kompleks  dilengkapi  dengan  kemungkinan  untuk  modulasi  amplituda, frekuensi, dan fasa secara digital. Masukan blok LUT ini dapat dimodulasi  amplituda.  Sehingga  keluaran  blok  ini  sudah  dianggap  keluaran  sistem  DDS  dalam  format digital. Adapun keluaran dari sine lookup table adalah pada gambar 9. 

  Gambar 9. Keluaran Sine lookup Table  Digital to Analog Converter (DAC)  Bagian  terakhir  yang  menjadi  rangkaian  DDS  adalah  bagian  yang  melakukan  perubahan  dari  sinyal  digital  menjadi  sinyal  analog  untuk  dapat  digunakan  dalam  domain  analog.  Untuk  memperoleh  laju  clock  yang  lebih  tinggi  dapat  dilakukan  dengan  multipleks  pada  bagian  logika  dan  memori,  namun  DAC  akan  membatasi  unjuk kerja sistem.  DDS  dibatasi  pada  frekuensi  yang  cukup  rendah.  Frekuensi  tertinggi  berkaitan  dengan frekuensi clock yang mampu diberikan kepada rangkaian. Pada metode DDS  juga  memiliki  derau  yang  lebih  besar  dari  metode  lain.  Maka  untuk  memperoleh   keaslian  spektrum  yang  lebih  baik  diperlukan  proses  filter  pada  output  dengan  menggunakan LPF ( Low Pass Filter ) yang tepat.    13

Disain Rancangan  a) Komponen Utama DDS  Pada  kegiatan  ini,  pembuatan  disain  rangkaian  DDS  menggunakan  teknologi  yang  terakhir  dikeluarkan  oleh  Analog  Device,  yaitu  produk  komponen  terintegrasi  AD9956  yang  didalamnya  terdapat  rangkaian  DDS  dan  Phase  Lock  Loop  (PLL).  Komponen ini memiliki spesifikasi teknis utama sebagai berikut:  a) 400 MSPS internal DDS clock speed   b) 48‐bit frequency tuning word   c) 14‐bit programmable phase offset   d) Integrated 14‐bit DAC  e) 1.8 V supply for device operation  Diagram blok komponen AD9956 selanjutnya dapat dilihat seperti pada gambar 10.  Mengingat  keperluan  disain  yang  akan  mengoperasikan  DDS  pada  frekuensi  luaran  160 MHz, dari system clock maksimum 400 MHz, maka komponen ini sesuai dengan  keperluan system radar FMCW. Disamping itu, system clock ini dapat diperoleh dari  sinyal masukan RF hingga 2,4 GHz. 

Gambar 10. Fungsi‐fungsi dalam komponen AD9956 

 

    b) Disain Rangkaian  Disain  rangkaian  DDS  selanjutnya  diperlihatkan  seperti  pada  gambar  11  dan  12,  sedangkan gambar 13., adalah bentuk disain PCB yang dibuat berbantukan Protel. 

14

Gambar 11. Disain Rangkaian DDS 

 

15

Gambar 12. Disain Rangkaian DDS 

 

16

Gambar 13. Disain PCB 

 

  17

Realisasi Rancangan Pada Papan PCB  Selanjutnya  rangkaian  DDS  dibuat  pada  papan  PCB  dalam  konstruksi  multilayer,  seperti  diperlihatkan pada gambar 14.   

 

 

 

  Gambar 14. Realisasi Rangkaian DDS Pada Papan PCB       

18

Realisasi Perangkat Lunak  Perangkat lunak DDS direalisasikan pada PC dengan menggunakan bahasa pemrograman  C.  Pada  dasarnya  disain  perangkat  lunak  ini  bertujuan  untuk  mengatur  DDS  agar  menghasilkan  sinyal  luaran  yang  berfariasi  pada  rentang  frekuensi  tertentu.  Bentuk  tampilannya  dapat  dilihat  seperti  pada  gambar  15  dan  16.  Pada  gambar  15.,  perangkat  lunak  direalisasikan  untuk  aplikasi  Jammer,  sedangkan  pada  gambar  16.,  untuk  aplikasi  pembangkitan sinyal pada system radar FMCW.     

Gambar 15. Aplikasi DDS untuk Jammer. 

 

 

19

  Gambar 16. Aplikasi DDS untuk Pembangkitan Sistem Radar FMCW      Pengukuran Awal Kinerja DDS      DRO   9 GHz   1 GHz   Pembagi 9              

50 MHz

DDS

Pengaturan DDS

20

Gambar 17. Pengukuran Awal Prototype DDS 

 

    Pada  pengukuran  awal  seperti  yang  diperlihatkan  pada  gambar  17.,  ini  masukan  sinyal  diambil  dari  sebuah  DRO  yang  bekerja  mengeluarkan  sinyal  dengan  frekuensi  ±  9  GHz,  kemudian  dengan  bantuan  pembagi  9  maka  dihasilkan  sinyal  dengan  frekuensi  lebih  rendah yaitu  ± 1 GHz, frekuensi inilah yang menjadi masukan bagi masukan master clock  pada  DDS.  Karena  master  clock  pada  komponen  DDS  ini maksimum  dapat  menghasilkan  luaran hingga 400 MHz, maka perlu diatur pembagi internal didalamnya sehingga luaran  master  clock  kurang  dari  harga  maksimumnya,  Pada  percobaan  ini  tingkat  pembagi  maksimum  (8)  digunakan,  yaitu  dengan  merubah  parameter  pembagi  melalui  program  pengendali  (program  pengendali  dapat  merubah  pembagi  internal  DDS  dengan  terlebih  dahulu mengkoneksikan DDS dengan perangkat antar muka yang tepat melalui USB pada  PC)  sehingga  diperoleh  luaran  master  clock  sebesar  135,417  MHz.  Frekuensi  ini  selanjutnya  menjadi  system  clock  atau  frekueensi  masukan  pada  mekanisme  DDS.  Selanjutnya jika dikehendaki luaran DDS adalah ± 50 MHz (dengan cara memasukan nilai  50  MHz  pada  box  profil  0),  maka  prototype  rangkaian  DDS  kurang  lebih  telah  menunjukkan luaran yang sesuai, dan diperlihatkan seperti pada gambar 18. 

21

 

 

Gambar 18. Luaran DDS 

 

 

22

Pengukuran Lanjutan  Pengukuran  lanjutan  DDS  dilakukan  dengan  memberikan  masukan  sinyal  analog  sebagai  sumber  clock  dan  mengatur  konfigurasi  kerja  DDS  sehingga  menghasilkan  sinyal  luaran  dengan  frekuensi  yang  diinginkan.  Adapun  metoda  pengukuranya  dapat  dilihat  seperti  pada  gambar  19.  Sebagai  contoh,  untuk  masukan  sinyal  400  MHz,  dengan  level  daya  ‐4  dBm, dan DDS dikonfigurasi agar menghasilkan sinyal luaran 150 MHz, maka sinyal luaran  tersebut terbaca oleh spectrum analyzer seperti yang ditunjukan pada gambar 20. Dimana  sinyal  tersebut  memiliki  level  daya  ‐8,48  dBm  dan  nilai  frekuensi  150,3  MHz.  Jika  level  daya  sinyal  masukan  dikurangi  hingga  mencapai  ‐23  dBm,  luaran  sinyal  yang  dihasilkan  masih  terlihat  baik.  Akan  tetapi,  jika  terus  diturunkan  maka  terlihat  level  noise  yang  cenderung  meningkat.  Kondisi  ini  tidak  terjadi  jika  frekuensi  sinyal  masukan  lebih  besar  dari 1 GHz, hingga mencapai 2,4 GHz. Dengan konfigurasi DDS yang sama, minimum level  input yang masih menghasilkan sinyal luaran yang baik adalah – 15 dBm. 

23

Gambar 19. Skema Pengukuran Kinerja Prototype DDS 

                                                           

Spectrum Analyzer PC

Configuration Signal

Output Signal

+ 1,8 Vdc

Power Supply

Gnd

Prototype DDS

RF input

Signal Generator

+ 3,3 Vdc

24

Gambar 20. Bentuk Spektrum Daya Sinyal Luaran DDS 

 

  Level daya luaran untuk sinyal masukan 400 MHz dan level daya – 10 dBm juga tidak  selamanya  sama.  Pada  gambar  21.,  diperlihatkan  level  daya  yang  dihasilkan  untuk  setiap frekuensi luaran yang dibangkitkan.   

  Gambar 21. Level Daya Luaran vs Frekuensi Sinyal luaran (untuk sinyal masukan ‐ 10  dBm dengan frekuensi 400 MHz)     Masih  dengan  sinyal  masukan  yang  sama,  nilai  frekuensi  luaran  yang  dihasilkan  prototype  DDS  memiliki  simpangan  maksimum  0,5  MHz  dan  minimum  0,3  MHz.,  seperti yang diperlihatkan pada gambar 22.    

25

Gambar 22. Simpangan Frekuensi Luaran Terukur    ™ OUTPUT    (rencana sesuai yg tercantum dalam proposal)    No  Output  Rencana  Realisasi  Capaia n (%)  Jurnal Nasional  1  0  80%  1  Prototipe, desain,  konsep sosial yang  belum dimanfaatkan  oleh masyarakat dan    pengakuan LIPI 

1 

1 

100% 

 

Keterangan  Masih dalam  penyelesaian  Pengukuran kinerja  masih terus  dilakukan,  disamping  memperbaiki  kekurangan yang  muncul saat  pengukuran  tersebut. 

    5. KENDALA DAN PERMASALAHAN  Pembuatan disain rangkaian pada papan PCB multilayer dan pengadaan komponen  harus dilakukan di luar negeri hal ini berakibat pada waktu dan biaya.  (Usulan  yang  perlu  dilakukan  adalah  memberikan  keringanan  pajak  bea  masuk  komponen dari luar negeri untuk keperluan penelitian).  Perubahan/pemotongan  anggaran  kegiatan  dapat  terjadi  ditengah‐tengah  berlangsungnya  kegiatan,  sehingga  dapat  mempengaruhi  rencana  yang  telah  dilakukan diawal kegiatan.  Sedangkan peralatan  untuk  pengukuran  (osciloscope  dan  spectrum analyzer)  meski  bisa  didapatkan  di  laboratorium  bidang  sarana  telekomunikasi  PPET‐LIPI,  namun  jumlah alat ukur yang tersedia masih minimum, sehingga terkadang harus menunggu  kesempatan.   

26

6. KESIMPULAN  Kegiatan  disain  dan  realisasi  DDS  telah  dilakukan.  Secara  keseluruhan  meski  beberapa  kendala  muncul  dalam  tahapan  kegiatannya,  namun  masih dapat  diatasi,  sehingga kegiatan dapat berjalan sesuai dengan jadwalnya.      7. DAFTAR PUSTAKA    [1] “A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis”, Analog Devices, 1999.  [2] Baracskai,  Melinda.  Horvart,  Richard.  Dr.  Olah,  Ferenc.  “CW  and  FM‐CW  Radar  Adaptation for Vehicles Technology”, 2000.   [3] Crawford,James.  “Frequency  Synthesizer  Design  Handbook”.  London  :  Artect  House, 2004.  [4] Gentile, Ken. Brandon, David. Haris, “Direct Digital Synthesizer Primer”, 2003.  [5] Khrisnan,  Sudarsan.,“Modeling  and  Simulation  Analysis  of  an  FMCW  Radar  for  Measuring Snow Thickness”. Thesis : University of Madras, 2000.  www.ittc.ku.edu/research/thesis/documents/ sudarsan_krishnan_thesis.pdf  [6]  “FMCW  Radar  Overview”.  Engineer  Research  and  Development  Center  :  US  Army Corps of Enginer, Koh. 2001.  www.nohrsc.nws.gov/~cline/clp/meetings/boulder_nov01/  presentations/koh_fmcw.ppt  [7] Matlab R2007a, help. Filter, copyright 1984‐2007.  [8] Murphy, “All About Direct Digital Synthesizer”. Analog Dialogue.  http://www.analog.com/analogdialogue, Eva. 2004.  Prentiss,  Dylan.  “Characteristics  of  Radar”.  Department  of  Geography  :  University of California, 2005.                                           

27

                   

Rancang Bangun Modul Surya Berbasis  Dye‐Sensitized Solar Cell   

Lia Muliani Pranoto, ST.,MT                                                             

28

LEMBAR PENGESAHAN    1.  Judul Kegiatan Penelitian   2.  3.      4.  5.  6.       

Kegiatan Prioritas  Peneliti Utama  Nama    Jenis Kelamin    Sifat Penelitian  Lama Penelitian  Biaya Total 2013 

Ketua PME PPET LIPI, 

Dr. Purwoko Adhi, DEA  NIP. 19670911 198701 1 001 

:  :  :  :  :  :  :  : 

Rancang Bangun Modul Surya Berbasis Dye‐ Sensitized Solar Cell   Solar Cell     Lia Muliani Pranoto, ST.,MT  Wanita  Laboratorium  3 (Tiga) Tahun  Rp. 194.436.000,‐    

Bandung,   20 Desember 2013    Peneliti Utama       

Lia Muliani Pranoto, ST.,MT  NIP. 19710325 199903 2 005 

                                         

29

Abstrak    Modul  surya  berbasis  Dye‐sensitized  solar  cell  (DSSC)  merupakan  integrasi  dari beberapa sel surya DSSC yang terhubung secara seri untuk menghasilkan output  daya  yang  lebih  besar.  DSSC  adalah  sel  surya  generasi  baru  yang  dibentuk  melalui  proses  mekanisme  photoelectrochemical,  dimana  proses  absorbsi  cahaya  dilakukan  oleh molekul dye dan proses separasi muatan oleh bahan inorganik semikonduktor  berstruktur  nano.  Pembuatan  modul  surya  berbasis  DSSC  ini  merupakan  teknologi  baru  dan  menjanjikan  biaya  produsi  yang  relatif  rendah  dibanding  dengan  pembuatan  modul  surya  dengan  bahan  silikon.  Teknologi  yang  akan  digunakan  dalam pembuatan modul surya DSSC pada kegiatan ini adalah screen printing, yaitu  teknologi untuk mendeposisikan bahan‐bahan berupa pasta ke atas substrat melalui  pola  pada  screen.  Pasta  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  adalah  nanocrystalline  TiO2,  sedangkan  substrat  yang  digunakan  adalah  TCO  glass.  Metode  interkoneksi  antar sel yang akan dibangun adalah berupa rangkaian seri yang terintegrasi secara  internal  mengikuti  pola  interkoneksi  tipe‐Z.  Proses  pembuatan  DSSC  ini  akan  dilakukan  secara  bertahap  di  PPET  LIPI  selama  3  tahun.  Tahun  2013  merupakan  tahun pertama telah dilakukan perancangan disain modul DSSC berukuran 5x10 cm2  dengan interkoneksi seri tipe Z dan telah dilakukan uji coba pembuatan modul surya.  Tahun kedua (2014) direncanakan realisasi pembuatan modul surya berukuran 5x10  cm2 serta optimalisasi disain sel dan parameter proses fabrikasinya. Sedangkan pada  tahun  2015  akan  dilakukan  scale  up  modul  surya  DSSC  berukuran  10x10  cm2  dan  diharapkan dapat mencapai efisiensi 3%. Penelitian tahun 2013 telah menghasilkan  disain modul surya interkoneksi seri tipe Z yang memiliki 3 buah sel tunggal ukuran  1x9,8  cm  (total  area  aktif  3x9,8  cm2)  dengan  efisiensi  konversi  0,77%  ;  daya  maksimum  10,49mW  ;  tegangan  Voc  1,87V  dan  arus  Isc      10,51  mA.  Kegiatan  penelitian  rancang  bangun  modul  surya  dye‐sensitized  solar  cell  masih  harus  dilanjutkan  dan  ditingkatkan  serta  diharapkan  mampu  menunjang  program  pemerintah  dalam  pembangunan  nasional  di  bidang  energi  baru  dan  terbarukan  dengan pengembangan material sel surya berstruktur nano.     Kata kunci : Modul Surya, Dye‐Sensitized Solar Cell, Screen Printing, Interkoneksi seri  tipe Z                             

30

I.   PENDAHULUAN    1.1 Latar Belakang  Meningkatkan kebutuhan energi di dunia, menjadi suatu tantangan bagi para  ilmuwan,  peneliti  dan  industri  untuk  melakukan  penelitian  dan  pengembangan  pengadaan sumber energi alternative baru dan terbarukan. Energi cahaya dan panas  yang  dihasilkan  oleh  matahari  merupakan  sumber  energi  hayati  terbesar  di  dunia,  sehingga  matahari  tidak  kalah  penting  dengan  berbagai  sumber  energi  lain  seperti  angin, air, minyak bumi, dan lain sebagainya. Sel surya merupakan suatu divais yang  secara  langsung  mengubah  energi  cahaya  matahari  menjadi  energi  listrik.  Penggunaan  sel  surya  di  dunia  sebagai  pembangkit  energi  listrik  tenaga  surya  mengalami  lonjakan  kebutuhan  yang  relatif  tinggi.  Hal  ini  ditunjukkan  oleh  meningkatnya  kapasitas  produksi  sel  surya  secara  global,  sebagaimana  ditunjukkan  dalam  gambar  1.  Grafik  tesebut  menunjukkan  peningkatan  signifikan  terhadap  permintaan  pasar  dunia  akan  ketersediaan  modul  surya  (PV  module).  Tingginya  permintaan  tersebut  diyakini  akan  terus  meningkat  di  masa  datang.  Hal  ini  mengindikasikan  pentingnya  penguasaan  teknologi  pembuatan  modul  surya  di  Indonesia   

  Gambar 1. Grafik peningkatan produksi sel surya global1.   

 

       Penelitian  dan  pengembangan  proses  sel  surya  di  dunia  saat  ini  masih  didominasi oleh sel surya berbahan silikon single crystalline maupun polycrystalline.  Namun  sel  surya  silikon  ini  harganya  masih  relatif  mahal,  sehingga  berbagai  usaha  untuk  mencari  teknologi  alternatif  untuk  pengembangan  yang  memiliki  potensi  harga  relatif  murah.  Saat  ini  kecenderungan  pengembangan  teknologi  proses  sel  surya mengarah pada teknologi struktur nano, baik pengembangan rekayasa bahan  ataupun  material.  Pengembangan  rekayasa  bahan  atau  material  skala  nanometer  telah  membangkitkan  sebuah  sel  surya  jenis  baru  yang  dapat  merealisasikan  sel  surya  biaya  rendah  di  masa  yang  akan  datang.  Bahan‐bahan  ini  meliputi  sebagai  1

Sumber: 29th Annual PV production data collection by GMT Research

31

bahan‐bahan  organik  dan  nano  partikel  inorganik,  termasuk  didalamnya  Dye‐ Sensitized Solar Cell (selanjutnya disingkat DSSC)    Perkembangan  divais  sel  surya  jenis  DSSC  bermula  dari  hasil  penelitian  Michael  Gratzel  dan  rekannya  dari  Laboratorium  Photonic  dan  Interface  EPFL  Switzerland  di  awal  tahun  1990‐an.  Konsep  ini  cukup  mendapat  perhatian  sebagai  teknologi  masa  depan  sebagai  alternatif  sel  surya  konvensional  berbasis  silikon  dikarenakan  proses  fabrikasinya  yang  cukup  mudah  dan  bahan  yang  relatif  murah.  Selain  itu,  dengan  tampilannya  yang  cukup  estetis,  modul  sel  surya  jenis  inipun  semakin  disukai  sebagai  elemen  dekoratif  khususnya  untuk  Building  Integrated  Photovoltaics (BIPV) sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2.    

  Gambar 2. Contoh aplikasi modul DSSC pada Building Integrated Photovoltaics (BIPV)  [2].  Teknologi  yang  digunakan  dalam  fabrikasi  modul  surya  DSSC  umumnya  adalah  teknologi  screen  printing.  Hal  ini  dikarenakan  teknologi  tersebut  relatif  mudah diterapkan, murah dan cenderung repeatable, sehingga untuk produksi skala  besar  teknologi  ini  dapat  diandalkan.  Material  pendukung  untuk  proses  fabrikasi  DSSC  dengan  screen  printing  sudah  banyak  tersedia  di  pasaran  Indonesia.  Berdasarkan  hal  tersebut  di  atas  serta  didukung  tersedianya  sarana  dan  prasarana  yang  lengkap  dan  sumber  daya  manusia  yang  mempunyai  kompetensi  teknologi  proses  yang  baik,  PPET–LIPI  mencoba  turut  mengatasi  permasalahan  untuk  melakukan  penelitian  dan  pengembangan  energi  alternatif  baru  dan  terbarukan  melalui  follow  up  pengembangan  struktur  nano  dalam  kegiatan  penelitian  kami  sebelumnya,  yaitu  pembuatan  sel  surya  DSSC  menggunakan  teknik  screen  printing  [3].  Teknologi  fabrikasi  DSSC  dengan  teknologi  screen  printing  ini  lambat  laun  diharapkan akan mampu diterapkan untuk diproduksi pada tingkat industri menegah  atau  bahkan  industri  rumahan  apabila  didukung  dengan  penyuluhan  secara  terus  menerus.  Kegiatan  ini  sesuai  dengan  Renstra  PPET‐LIPI  dan  LIPI  secara umum  yaitu  program Energi baru dan terbarukan.    1.2 Perumusan Masalah  Dalam  kegiatan  ini  akan  dikembangkan  teknologi  pembuatan  modul  surya  berbasis DSSC menggunakan sistem screen printing  yang merupakan salah satu jenis  teknologi  fabrikasi  yang  relatif  sederhana  dan  murah.  Pokok  permasalahan  yang  akan diteliti pada kegiatan ini adalah hal‐hal yang terkait dengan perancangan modul  32

berdasarkan penguasaan teknologi pembuatan sel yang sudah diteliti pada kegiatan  penelitian  sebelumnya.  Oleh  karena  itu,  beberapa  permasalahan  yang  akan  diteliti  adalah sebagai berikut:  a.  Pengaruh  pola  dimensi  area  aktif  sel  terhadap  performa  modul  secara  keseluruhan.  b. Pengaruh metode interkoneksi antar sel dalam satu modul.     c. Optimalisasi disain modul.  d. Optimalisasi parameter proses fabrikasi modul.    1.3 Tujuan dan Sasaran    ‰ Tujuan     Penelitian ini bertujuan untuk menguasai teknologi fabrikasi modul berbasis  sel  surya  jenis  dye  sensitized  menggunakan  teknologi  screen  printing.  Kegiatan  ini  merupakan  follow  up  dari  kegiatan  penelitian  kami  sebelumnya  yang  bertujuan  untuk menguasai teknologi pembuatan nanocrystalline TiO2 dye‐sensitized solar cell  menggunakan  teknologi  yang  sama,  yaitu  screen  printing.    Melalui  penguasaan  teknologi  pembuatan  modul,  diharapkan  sel  surya  jenis  dye  sensitized  ini  nantinya  dapat diaplikasikan untuk kebutuhan energi pada skala yang lebih besar.   ‰ Sasaran     Sasaran  kegiatan  penelitian  penelitian  ini  adalah  penguasaan  teknologi  pembuatan modul surya berbasis dye‐sensitized solar cell, yang direalisasikan melalui  perancangan disain dan fabrikasi modul. Secara umum, hasil kegiatan penelitian ini  juga  diharapkan  mampu  memberikan  konstribusi  ilmiah  dalam  menunjang  perkembangan  ilmu  pengetahuan  dan  teknologi  khususnya  menunjang  program  pemerintah dalam pembangunan nasional di bidang energi baru dan terbarukan.   Keluaran / Output dari penelitian ini :   ‐ disain modul surya        ‐  publikasi jurnal nasional 1 buah          ‐ publikasi seminar nasional/internasional 1 buah    1.4 Kerangka Analitik    Dye‐Sensitized Solar Cell  Dye‐Sensitized  Solar  Cell  (DSSC)  merupakan  sel  surya  generasi  baru  yang  dibentuk  melalui  mekanisme  photoelectrochemical.  Perkembangan  divais  ini  bermula  dari  hasil  penelitian  Michael  Gratzel  dan  rekannya  dari  Laboratorium  Photonic  dan  Interface  EPFL  Switzerland  di  awal  tahun  1990‐an.  Sel  surya  pertama  yang  dikembangkan  oleh  O’Regan  dan  Gratzel  tahun  1991  menghasilkan  konversi  energi efisiensi hingga 7%, dan di tahun 1993 Nazeeruddin dan kawan menghasilkan  efisiensi sebesar 10 %[4,5].    Struktur dasar DSSC dapat dilihat pada gambar 3. Secara umum DSSC terdiri  atas  dua  substrat  berupa  transparent‐conducting‐oxide  (TCO‐glass),  TiO2,  dan  larutan  elektrolit  yang  terisi  diantara  kedua  substrat.  Substrat  bagian  atas  dilapisi  oleh molekul dye yang terikat pada pori‐pori partikel nanokristal TiO2, yang berfungsi  untuk  menyerap  cahaya.  Substrat  ini  kemudian  disebut  sebagai  kutub  negative 

33

(anoda). Sedangkan substrat TCO glass kedua, disebut kutub positif (katoda), dilapisi  oleh platinum (Pt) dan berfungsi sebagai counter electrode.  

  Gambar 3. Skema struktur Dye‐Sensitized Solar Cell  [6]    Prinsip  kerja  DSSC  pada  dasarnya  merupakan  reaksi  reduksi‐oksidasi  (redox)  dengan tahapan reaksi sebagai berikut:  ‐  Energi  photon  yang  diserap  oleh  molekul  dye  mengakibatkan  electron  tereksitasi  dari  orbit  terluar  (highest  occupied  molecular  orbital  –  HOMO)  D  menuju  orbit  terdalam (lowest unoccupied molecular orbital – LUMO) D* :  D + hυ → D *             (1)  Elektron  tersebut  kemudian  diinjeksikan  ke  conduction  band  TiO2  meninggalkan  molekul dye teroksidasi D+ sesuai persamaan berikut:            (2)  D* → D + + e −   ‐ Elektron yang terinjeksi mengalir melalui pori‐pori TiO2 menuju TCO glass sebagai  elektroda  negatif  dan  kemudian  bergerak  melalui  external  load  menuju  elektroda  positif yaitu counter electrode. Dengan adanya platinum sebagai katalisator, elektron  tersebut berekombinasi dengan hole yang terdapat dalam elektrolit dan membentuk  muatan negatif iodine.            (3)  I 3− + 2e − → 3I −   Muatan  negatif  I − kemudian  berdifusi  kembali  menuju  dye  dan  bereaksi  dengan  molekul dye teroksidasi D+ membentuk satu siklus yang akan berulang kembali dan  demikian seterusnya.  3I − + 2 D + → I 3− + 2 D           (4)  Modul DSSC  Modul surya merupakan rangkaian beberapa sel yang dihubungkan secara seri.  Pada sel surya konvensional berbasis silikon, modul surya merupakan rangkaian seri  terdiri  atas  beberapa  sel  individual  yang  terhubung  secara  eksternal.  Sedangkan  pada  sel  surya  thin  film  (berbasis  a‐Si,  CIS,  atau  CdTe),  modul  surya  terbuat  dari  beberapa sel yang terintegrasi secara internal pada substrat yang sama (lihat gambar  4 sebagai perbandingan). Modul DSSC sendiri pada umumnya dibuat dengan sistem  integrasi  internal,  sama  halnya  dengan  modul  surya  thin  film.  Struktur  integrasi  internal tersebut lebih efisien dan secara ekonomis dapat menghemat biaya produksi  dibanding sistem pembuatan modul eksternal.  

34

                            a.         b.  Gambar 4. Contoh modul surya: a. terkoneksi secara eksternal ; b. terkoneksi  secara internal dalam satu substrat.    Faktor‐faktor yang perlu diperhatikan dalam mendisain modul surya DSSC secara  internal adalah sebagai berikut [7]:  1. Pengaruh efek shading pada sel.  2. Resiko terjadinya electrophoresis akibat kebocoran elektrolit.  3.  Efek  resistansi  shunt  (RSH)  yang  dapat  berpengaruh  secara  electrolytical,  bukan  hanya secara electrical seperti halnya pada sel surya silikon.      Berdasarkan  metode  pembuatan  interkoneksinya,  terdapat  3  tipe  rangkaian  integrasi seri yang dapat digunakan untuk membangun modul surya DSSC [8]. Ketiga  metode  tersebut  dapat  dibuat  menggunakan  teknologi  screen  printing.  Metode  tersebut adalah:    ‰ Koneksi tipe‐Z  Metode  interkoneksi  tipe‐Z  diawali  dengan  pembuatan  pola  lubang  TCO  diatas  substrat glass menggunakan laser, kemudian diikuti dengan pelapisan TiO2 dan perak  pada  satu  substrat  serta  pelapisan  Pt  dan  perak  pada  substrat  lainnya.  Proses  ini  diikuti  dengan  proses  pelapisan  glass  frit.  Setelah  melalui  proses  sintering,  kedua  substrat disatukan pada suhu tinggi sehingga terbentuk hermetic seal diantara sel‐sel  yang  bersebelahan.  Pada  saat  seal  tersebut  terbentuk,  terjadilah  hubungan  listrik  interkoneksi  seri  antar  sel  yang  berbentuk  Z  (lihat  gambar  5  untuk  skema  tahapan  prosesnya).   

35

  Gambar 5. Tahap fabrikasi interkoneksi tipe‐Z dari tampak samping [7,8].    ‰ Koneksi tipe‐W  Proses awal pembentukan tipe W serupa dengan tipe Z. Perbedaan tipe W dengan  tipe Z terletak pada pola screen printing pada masing‐masing substrat. Pada tipe W,  masing‐masing  substrat  berfungsi  sebagai  front  electrode  dan  counter  electrode  sekaligus  karena  kedua  substrat  mendapat  pelapisan  TiO2  dan  Pt  dengan  struktur  berselang  seling  (lihat  Gambar  6).  Pada  tahap  interkoneksi  akhir,  kedua  substrat  disatukan  dengan  pembentukan  seal  sebagai  pembatas  antar  sel,  tanpa  adanya  perak  sebagai  penghubung  seperti  halnya  pada  tipe  Z.  Kontak  antar  sel  terbentuk  dengan  cara  menyatukan  kedua  substrat  pada  bagian  front  electrode  dan  counter  electrode yang saling berlawanan. 

  Gambar 6. Tahap fabrikasi interkoneksi tipe‐W dari tampak samping [7,8].  Keunggulan interkoneksi tipe‐W dibanding tipe‐Z adalah tidak dibutuhkannya pasta  perak,  sehingga  lebih  menghemat  biaya  produksi.  Akan  tetapi,  konfigurasi  interkoneksi  tipe‐W  mengakibatkan  tidak  dimungkinkannya  penambahan  lapisan  tambahan  untuk  penyerapan  cahaya  yang  tidak  transparan,  seperti  ZrO2,  dikarenakan  pada  kedua  substrat  terdapat  elektroda  sehingga  keduanya  harus  bersifat transparan. 

36

  Koneksi Monolithic  Seperti halnya kedua tipe sebelumnya, perbedaan tipe monolithic ini terdapat pada  pola pelapisan substrat. Bedanya, tipe monolithic hanya membutuhkan satu substrat  glass  yang  terlapisi  TCO  (lihat  gambar  7).  Hal  ini  sangat  menguntungkan  secara  ekonomis  dikarenakan  harga  TCO  glass  yang  relatif  mahal.  Sedangkan  kelemahan  tipe  monolithic  ini  adalah  dibutuhkannya  elemen  ZrO2  sebagai  pemisah  anoda  dan  katoda,  serta  dibutuhkannya  graphite  sebagai  penghubung  seri  antar  sel.  Hal  tersebut  merupakan  factor  penghambat  karena  pembentukan  koneksi  seri  dengan  resistansi rendah menggunakan graphite relatif sulit untuk direalisasikan.  ‰

  Gambar 7. Tahap fabrikasi interkoneksi tipe monolithic dari tampak samping [7.8].    Karakterisasi Modul Surya  Dalam pengukuran sebuah komponen sel maupun modul surya, karakteristik  yang  diperlukan  adalah  Kurva  I‐V  atau  hubungan  arus  dan  tegangan,  seperti  yang  diperlihatkan dalam gambar 8. 

  Gambar 8. Kurva hubungan Arus dan tegangan sebuah sel surya  Parameter‐parameter dari kurva tersebut adalah :  1. Arus  hubung  singkat  (ISC)  dapat  dilihat  dalam  kurva  dan  sekaligus  tegangan  hubung  terbuka  (VOC).  Arus  hubung  singkat  dilihat  pada  saat  tegangan  V=0  dan Tegangan hubung terbuka dilihat pada saat arus sama dengan nol (I=0). 

37

2. Daya  keluaran  maksimum  diperoleh  dari  hasil  kali  tegangan  dan  arus  yang  dihasilkan pada titik maksimum, seperti telihat pada kurva I‐V di atas.  3. Efisiensi  (η)  merupakan  ratio  dari  daya  keluaran  maksimum  (Pmax)  terhadap  daya masukan cahaya (Pin)  P  (5)  η = max             Pin 4. Fill  Factor  adalah  ratio  daya  keluaran  maksimum  (Pm)  terhadap  produk  arus  hubung singkat (ISC) dengan tegangan hubung terbuka (VOC).  P         (6)  FF = max     VOC I SC Fill factor ini untuk melihat penyimpangan yang terjadi dari karakteristik  I‐V  sebuah sel terhadap sel yang ideal. Penyimpangan yang terjadi ini diakibatkan  pengaruh resistansi seri dan resistansi paralel.    1.5 Hipotesa  Integrasi  sel  surya  jenis  DSSC  ke  dalam  bentuk  modul  telah  diteliti  oleh  beberapa  narasumber,  termasuk  oleh  Späth  et.  Al.  [9]  dan  Okada  et.  Al.  [10]  yang  telah berhasil memfabrikasi modul surya DSSC berukuran 10x10 cm2 menggunakan  interkoneksi  tipe‐Z.  Selain  itu,  berbagai  modul  surya  DSSC  serupa  dengan  ukuran  yang lebih besar juga telah dibuat dan dipublikasikan oleh beberapa peneliti, seperti  contohnya Sastrawan et. Al. Dengan modul surya ukuran 30x30 cm2 [11] dan Dai et.  Al.  dengan  modul  surya  ukuran  40x60  cm2  [12].  Kestabilan  perfoma  modul  surya  DSSC  jangka  panjang  juga  merupakan  faktor  penting.  Hal  inipun  telah  diteliti  dan  terbukti  mampu  menghasilkan  output  daya  sesuai  yang  diharapkan  dalam  kurun  waktu setengah tahun [13].    Beberapa hasil penelitian diatas menunjukkan bahwa rancang bangun modul  surya  berbasis  DSSC  adalah  hal  yang  dapat  direalisasikan.  Selain  itu  perancangan  modul  surya  DSSC  juga  sangat  mungkin  untuk  dikembangkan  lebih  lanjut  karena  banyak faktor baik dari segi material maupun teknologi fabrikasi yang dapat diteliti  mengingat teknologi DSSC sendiri masih relatif baru dibanding kompetitornya yaitu  sel surya konvensional berjenis silikon.  Pada  kegiatan  ini  disain  modul  yang  efektif  dan  parameter  proses  yang  optimal  akan  diteliti  untuk  menghasilkan  proses  fabrikasi  yang  repeatible  sehingga  didapatkan  modul  surya  dengan  karakteristik  listrik  yang  baik  dan  efisiensi  yang  tinggi.  Faktor  yang  juga  tak  kalah  penting  untuk  dioptimalkan  adalah  pemilihan  material hermatic sealing yang tepat untuk mendukung performa kerja modul surya  dalam jangka panjang.                       38

II.

PROSEDUR DAN METODOLOGI 

  2.1 Peralatan       Peralatan  yang  digunakan  meliputi  peralatan  proses  dan  peralatan  pengukuran.  Beberapa  peralatan  utama  meliputi  screen  printer,  conveyor  furnace,  sun  simulator,  laser  trimmer  dan  sputtering  system  (Gambar  9).  Peralatan  pendukung  lainnya  seperti    four  point  probe,  screen  maker,  timbangan,  mutimeter,alat ukur intensitas cahaya,  peralatan bor mekanik, hot plate, peralatan  kimia seperti petri disk, pipet, gelas kimia dll. Peralatan analisa material seperti SEM,  XRD, UV‐Vis Spectrofotometer, IPCE menggunakan jasa kerjasama dari instansi lain.   

 

 

 

  (a)                                            (b)                                        (c)              

                                      (d)             (e)  Gambar 9 : Peralatan proses screen printer (a), conveyor furnace (b), sun simulator  (c), sputtering system (d) dan laser trimmer (e)    2.2  Bahan    Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah :  - TEC15 Glass, TEC8 Glass  - Pasta TiO2, DSL 18 NR‐AO, DSL NT  - Larutan Electrolit HSE  - Dye, Z907 

39

-

Pasta Perak temperatur rendah  Pasta Platinum Pt‐1, produk Dyesol  Thermoplastik surlyn 50 µm, Glass Frit  Nylon Screen, stainless steel screen, ulano line 300, ulano 188  Etanol, IPA, silicon rubber, Triton X‐100    2.3 Metodologi  Kegiatan  ini  seluruhnya  dilakukan  di  laboratorium  Bahan  dan  Komponen  Mikroelektronika  PPET‐LIPI.  Untuk  kegiatan  analisa  seperti  SEM,  XRD,  UV‐VIS  dan  IPCE dilakukan di laboratorium di luar PPET‐LIPI antara lain ITB dan UNS.  Rancangan  modul  dibangun  menggunakan  sel  dengan  pola  strip  dengan  interkoneksi  tipe‐Z.  Teknologi  fabrikasi  yang  digunakan  adalah  teknologi  screen  printing.  Struktur  sel  yang  dibangun  akan  menggunakan  bahan  utama  semikonduktor  berupa  nc‐TiO2  dengan  counter  electrode  dilapisi  platinum  (Pt).  Sedangkan substrat yang akan dipakai adalah TCO glass berbahan fluorine‐tin‐oxide  (FTO) yang paling umum digunakan untuk membangun sel surya DSSC, dikarenakan  FTO  memiliki  resistansi  yang  lebih  stabil  pada  proses  bersuhu  tinggi  dibanding  kompetitornya  yaitu  indium‐tin‐oxide  (ITO).  Skema  proses  pembuatan  modul  surya  DSSC ditunjukan pada gambar 10.     Kegiatan yang dilakukan pada tahun 2013 meliputi :   o Pembuatan  disain  modul  dan  perancangan  screen  untuk  proses  printing.   o Pembuatan sel tunggal dengan luas aktif 1x9,8 mm  o Percobaan  pembuatan  modul  ukuran  5x10  cm2  dengan  tipe  Z   interkoneksi, (luas area aktif 3x9,8 cm)  o Pengukuran dan analisa hasil karakterisasi proses                                          

40

. 

Persiapan Substrat

      menggunakan laser/etsa Pembuatan pola TCO     Pengeboran substrat         Persiapan/pencampuran pasta       Pelapisan pasta Pt, glass frit, Pelapisan pasta TiO2, glass Sintering dan Drying   dan perak pada counter frit, dan perak pada front electrode electrode                         Assembly (penyatuan substrat)       Pewarnaan       Pengisian elektrolit      Sealing     Pembentukan   electric contact     Pengukuran dan Analisa     Gambar 10. Skema proses fabrikasi modul DSSC      III.

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 

  Tahun  2013  merupakan  tahun  pertama  penelitian  rancang  bagun  modul  surya  dye  sensitized  solar  cell  dengan  teknologi  screen  printing.  Pada  tahun  ini  kegiatan penelitian yang dilakukan adalah disain rangkaian modul DSSC, percobaan  pembuatan  sel  tunggal  1  x  9,8  cm  dan  percobaan  pembuatan  modul  surya  dengan  luas efektif sel 3x9,8 cm.     3.1 Disain Rangkaian Modul DSSC   Sub‐modul DSSC dibuat dengan tiga buah grid (sel tunggal) dengan ukuran sel  masing‐masing sebesar 1 x 9,8 cm.  Interkoneksi antar grid menggunakan tipe‐Z yaitu  sel  tunggal  yang  disusun  secara  seri  dengan  interkoneksi  secara  internal.  Disain 

41

rangkaian  dibuat  dengan  menggunaan  Corel  Draw,  seperti  ditunjukkan  pada  Gambar.11  Disain  rangkaian  sub‐modul  DSSC  memiliki  beberapa  pola  rangkaian  untuk  membentuk suatu rangkaian sub‐modul. Dalam pembuatan disain pola rangkaiannya  alligment  antar  pola  harus  presisi,  sehingga  nantinya  dapat  memudahkan  dalam  proses  pembuatan  sub‐modul  dan  menghasilkan  divais  sub‐modul  yang  memiliki  performa yang baik 

W seal = 1mm

W Ag = 0.5 mm

100 mm

w active area = 10 mm

Laser scribed line Glass FTO Ag

TiO2 Platina

Seal FTO

Glass

  Gambar 11. Disain sub‐modul tiga buah grid dengan interkoneksi tipe‐Z  Parameter  listrik  (Voc,  Isc,  FF,  η)  dan  karakteristik  kurva  I‐V  sub‐modul  DSSC  dipengaruhi  oleh  parameter  internal  dan  parameter  ekternal.  Parameter  internal  dapat  bervariasi  dipengaruhi  oleh  material  dan  proses  fabrikasinya.  Sedangkan  parameter  eksternal  ditentukan  oleh  dimensi  dan  resistansi  seri  yang  terjadi.   Parameter  ekternal  ditentukan  berdasarkan  literatur  dan  hasil  penelitian  sebelumnya [14] dan ditunjukkan pada tabel 1.    Tabel.1 Parameter Eksternal sub‐modul DSSC yang terdiri dari 3 sel   Parameter  Description  Value  Wa  width of active area  10 mm  Distance from end of  Wd (Wseal)  active are to series  1 mm  contact   Wc (WAg)  Width of contact area  0.5 mm  (4 Wd + 2Wc)  Width of inactive area  5 mm  L  Length of cell  98 mm  Specific sheet  ρTCO  15 Ω/□  resistance of TCO    Untuk menghasilkan disain sub‐modul DSSC seperti pada gambar 11 tersebut,  maka dibuat pola rangkaian screen untuk tahapan prosesnya.  Pola rangkain tersebut   Seri connected

42

yaitu pola fotoelektroda TiO2, counter electrode (Pt), dan kontak konduktor (Ag) dan  pola untuk sealing (glas frit) seperti ditunjukkan pada gambar.12    Cuting TCO 22.029mm

50 mm 13.727mm

14.244mm

TiO2

Silver

100mm

Pola keseluruhan

Platina

Glass Frit

  Gambar 12. Rancangan untuk pola screen untuk rangkaian sub‐modul DSSC    Screen  yang  digunakan  untuk  pola  TiO2  adalah  screen  dari  bahan  nylon,  sedangkan  untuk  pola  konduktor  dan  glass  frit  adalah  stainless  steel  screen.  Pembuatan  pola  screen  dilakukan  menggunakan  emulsi  berupa  Ulano  line‐3  dan  ulano  133.  Screen  yang  digunakan  adalah  dari  bahan  nylon  dan  stainless  steel.  Gambar 13 menunjukkan pola screen yang dihasilkan 

  Gambar 13.  Screen untuk rangkaian sub‐modul DSSC    43

3.2 Pembuatan sel tunggal dengan luas aktif 1x9,8 mm    Tujuan  dari  percobaan  pembuatan  sel  tunggal  ini  adalah  mengetahui  karakteristik  listrik  yang  dihasilkan  sel  tunggal  dengan  luas  aktif  sekitar  1x9,8  mm.  Dimensi  ini  nantinya  akan  diaplikasikan  untuk  pembuatan  sub‐modul  DSSC  untuk  tiap  selnya.  Dengan  diketahuinya  karalteristik  listriknya  sel  ukuran  ini,  maka  dapat  diperkirakan performa atau karakteristik sub‐modul DSSC yang dihasilkan.    Pembuatan  sel  tunggal  dengan  luas  aktif  1x9,8  mm  menggunakan  substrat  kaca  konduktif  berlapis  fluorinetin‐oxide  (FTO)  dengan  resistansi  15Ω/ .  Bahan  fotoanoda  berupa  pasta  TiO2  produk  Dyesol  DSL  18NR‐O.  Deposisi  lapisan  semikonduktor  TiO2  dilakukan  menggunakan  teknik  screen‐printing  yang  relatif  mudah,  murah  dan  dapat  digunakan  untuk  skala  produksi.    Kaca  FTO  yang  sudah  dideposisikan  lapisan  TiO2,  dikeringkan  dalam  oven  dan  kemudian  dibakar  dalam  conveyor  belt  furnace  pada  suhu  500oC  selama  15  menit.  Proses  pewarnaan  dilakukan dengan perendaman dalam larutan dye berbasis Ruthenium (Z907, Dyesol)  dengan  pelarut  etanol  selama  24  jam  pada  suhu  ruang.  Lapisan  elektroda  lawan  (counter electrode) menggunakan Platina yang dideposisi melalui metoda sputtering  [3].  Perakitan  sel  surya  berbasis  dye‐sensitized  dilakukan  dengan  cara  menggabungkan  lapisan  fotoanoda  dan  lapisan  counter‐elektroda  menggunakan  lapisan  thermoplastic  sealant  yang  memiliki  ketebalan  50  mikron.  Pada  proses  penggabungan lapisan, sebagian area dibiarkan terbuka sebagai lubang udara untuk  pengisian larutan elektrolit. Area tersebut kemudian ditutup menggunakan glass frit.  Larutan  elektrolit  yang  digunakan  adalah  larutan  redoks  iodine  I‐/I3  (Dyesol  HSE).  Prototipe sel ditunjukkan pada gambar.14 

  Gambar 14.  Sel surya dengan luas aktif 1x9,8 mm    Pengukuran  karakteristik  kurva  I‐V  sel  surya  dilakukan  menggunakan  Sun  Simulator AM1,5 dengan sumber cahaya Xenon intensitas sekitar 50 mA/cm2. Hasil  pengukuran  ditunjukkan  pada  Gambar  15  dan  Tabel.2.  Terlihat  bahwa  karakteristik  listrik  (Voc,  Isc,  FF,  η)  pada  tegangan  yang  dihasilkan  kedua  sel  hampir  sama  akan  tetapi  efisiensi  sel  masih  kecil.  Berdasarkan  data  karaketristik  listrik  sel  tunggal  tersebut  maka  dapat  diperkirakan  tegangan  yang  akan  dihasilkan  pada  sub  modul  yang  terdiri  dari  3  buah  sel  tunggal  adalah  sekitar  1,8  Volt.  Sedangkan  arus  yang  dihasilkan tergantung pada proses, material serta beban daya yang diberikan. 

44

  Gambar.15 Kurva I‐V sel surya luas aktif 1x9,8 mm    Tabel.2 Data karakteristik listrik sel surya dengan luas aktif 1x9,8 mm  Sampel sel surya  Karakteristik  Open circuit voltage Voc (Volts)  Short circuit current Isc (mA)  Maximum power Pm (Watt)  Fill factor, FF  Efisiensi (%)  Resistansi seri (Ohm) 

Sel‐1 

Sel‐2 

0,639  9,2  1,9 x 10‐03  0.329  0,38  42,26 

0,611  10,2  2.16 x 10‐03  0.344  0,43  38,18 

          Suatu  sel  surya  memiliki  kemampuan  untuk  menghasilkan  arus  foton  yang  berbeda  untuk  setiap  panjang  gelombang  cahaya.  Cahaya  yang  memiliki  panjang  gelombang  yang  berbeda  akan  menghasilkan  arus  foton  yang  berbeda  pula.  Hal  ini  disebabkan  setiap  material  mempunyai  kemampuan  penyerapan  cahaya  yang  tidak  selalu  sama  untuk  tiap  panjang  gelombang.  Kemampuan  sel  surya  menghasilkan  foton arus pada panjang gelombang tertentu diukur dengan efisiensi konversi cahaya  ke  arus  (IPCE,  Insident  Photon  to  Current  Convertion  Efficiency).  Pada  gambar  16  diketahui bahwa sel surya ini secara umum memiliki kemampuan penyerapan foton  terbesar  pada  daerah  panjang  gelombang  300  nm  dan  700  nm  yang  merupakan  daerah  cahaya  tampak.  Kemampuan  sel  dalam  merubah  foton  menjadi  arus  yang  tertinggi  dihasilkan  pada  panjang  gelombang  sekitar  400  nm  dengan  kuantum  efisiensi sekitar 11% untuk Sel‐1 dan 8% untuk Sel‐2  

45

  Gambar 16. IPCE Sel surya dengan luas aktif 1x9,8 mm    3.3 Pembuatan sub‐modul surya DSSC 3x9,8 cm    Pembuatan sub‐modul surya DSSC dilakukan melalui tahapan proses seperti  yang ditunjukkan pada gambar 10 di atas.    a. Preparasi substrat    Substrat yang digunakan adalah kaca konduktif FTO dengan resistivitas bahan  8  Ω/sq.  Substrat  dipotong  dengan  ukuran  5x10cm2.  Pencucian  substrat  dilakukan  dalam  ultrasonic  cleaner  menggunakan  cabun  air,  DI  water  dan  IPA.  Proses  pemotongan  lapisan  konduktor  pada  kaca  FTO  (scribbing)  tidak  dapat  dilakukan  menggunakan  laser  dikarenakan  alat  tersebut  mengalami  kerusakan,  sehingga  pemotongan dilakukan menggunakan diamond cutter.     b. Pembuatan lapisan fotoelektroda TiO2    Pembuatan  lapisan  TiO2  dilakukan  dengan  metoda  doctor  blade  printing  menggunakan pasta TiO2 produk Dyesol DSL NT (TiO2 transparan), sesuai pola disain  sub‐modul. Kaca FTO yang sudah dideposisikan lapisan TiO2, dikeringkan dalam oven  dan  kemudian  dibakar  dalam  conveyor  belt  furnace  pada  suhu  500oC  selama  15  menit.  Proses  pewarnaan  dilakukan  dengan  cara  perendaman  dalam  larutan  dye  berbasis Ruthenium (Z907, Dyesol) dengan pelarut etanol selama 24 jam pada suhu  ruang.  Gambar  17  menunjukkan  lapisan  fotoelektroda  TiO2  sebelum  dan  sesudah  diwarnai. 

        (a)                            (b)  Gamba 17. Lapisan fotoelektroda TiO2 sebelum (a) dan sesudah diwarnai (b)    c. Pembuatan lapisan elektroda lawan (counter electrode)  Lapisan  elektroda  lawan  menggunakan  pasta  platina  tansparan  yang  dideposisi  melalui  screen  printing  sesuai  pola  yang  dibua.  Lapisan  Pt,  dikeringkan 

46

dalam  oven  dan  kemudian  dibakar  dalam  conveyor  belt  furnace  pada  suhu  500oC  selama 15 menit (Gambar 18).  Konduktor perak

  Gambar 18. Lapisan elektroda lawan Pt transparan    d. Pelapisan glass frit dan pasta konduktor    Pelapisan glass frit bertujuan untuk memisahkan antara sel tunggal. Glass frit  dideposisi melalui metoda screen printing tepat di daerah yang terpotong (scribbing)  pada  kedua  elektroda,  yaitu  fotoelektroda  dan  counter  elektroda.  Bagian  sribbing  harus tertutup rapat olah lapisan glass fris, sehingga ketiga sel tunggal terpisah.    Konduktor Perak (Ag) digunakan sebagai penghubung dalam interkoneksi seri  antar sel. Pencetakkan pasta perak juga dilakukan pada kedua elektrodanya, seperti  ditunjukkan pada gambar 18.    e. Perakitan sub‐modul dan pengisian larutan elektrolit  Perakitan  sub‐modul  surya  berbasis  dye‐sensitized  dilakukan  dengan  cara  menggabungkan  lapisan  fotoanoda  TiO2  dan  lapisan  elektroda  Pt.  Penggabungan  kedua  elektroda  harus  dilakukan  secara  tepat  sesuai  dengan  pola  glass  frit  dan  konduktor  Ag,  seperti  ditunjukkan  pada  Gambar  19.    Pada  proses  penggabungan  lapisan,  sebagian  area  dibiarkan  terbuka  sebagai  lubang  udara  untuk  pengisian  larutan  elektrolit.  Setelah  digabungkan  modul  tersebut  dijepit  dan  dipanaskan  sampai ikatan kedua elektrodanya kuat (Gambar 20). Larutan elektrolit redoks iodine  I‐/I3  (Dyesol,EL‐HSE)  disuntikkan  melalui  area  tersebut,    kemudian  ditutup  menggunakan glass frit.     Laser scribed line Glass FTO Ag

TiO2 Platina

Seal FTO

Glass

  Gambar 19. Disain sub‐modul surya dye‐sensitized 

47

  Gambar 20. Proses perakitan sub‐modul dye‐senistized    3.4 Karakteristik kurva I‐V sub‐modul dye‐sensitized    Pengukuran  kurva  I‐V  sub‐modul  dilakukan  menggunakan  Sun  Simulator  AM1,5  National  Instrument,  sumber  cahaya  Xenon  dengan  intensitas  50  mW/cm2.  Sub‐modul  surya  berbasis  substrat  FTO  8  ohm/sq  dibuat  menggunakan  dengan  elektroda  lawan  Pt  dengan  proses  yang  berbeda,  yaitu  Pt  printing  menggunakan  pasta transparan (Tipe‐A) dan Pt sputtering (Tipe‐B). Secara fisik keduanya berbeda.  Sub‐modul  surya  menggunakan  pasta  Pt  transparan  secara  estatika  memiliki  tampilan yang lebih baik.   Hasil pengukuran kurva I‐V ditunjukkan pada gambar 21 dan diuraikan dalam  tabel 3. Terlihat bahwa karakteristik listrik (Voc, Isc, Daya, FF, η) yang dihasilkan kedua  sampel hampir sama untuk masing‐masing tipe. Efisiensi konversi energi listrik sub‐ modul  surya  kaca  yang  dihasilkan  masih  relatif  kecil  yaitu  kurang  dari  1  %  yaitu  sekitar 0,5 ‐ 0,7%. Tegangan, (Voc) yang dihasilkan cukup baik, yaitu sebesar 1,8 – 2 V  menunjukkan  bahwa  tegangan  setiap  sel  tunggalnya  1x  9,8  cm  sekitar  0,6  ‐  0,7  V.   Daya keluaran masih relatif kecil, Besarnya daya keluaran modul sangat dipengaruhi  oleh  arus  dan  FF  yang  dihasilkan  dan  terlihat bahwa  arus  (Isc)  dan  fill  factor  masih  relatuf kecil. Kondisi ini mengindikasikan bahwa resistansi parasitik seperti resistansi  seri  dan  pararel  yang  terdistribusi  dalam  sub‐modul  surya  masih  besar.  Ketebalan  lapisan  elektroda  TiO2  juga  berpengaruh  pada  karakteristik  sel  tunggalnya.  Lapisan  TiO2 yang tipis menyebabkan kemampuan dalam menyerap pewarna kecil sehingga  efisiensi  pengumpulan  elektron  juga  rendah.  Sedikitnya  elektron  yang  tereksitasi  maka  difusi  elektron  berjalan  lambat  dan  dengan  demikian  menurunkan  efisiensi  konversi foton menjadi arus. 

48

  Tipe-B

  Gambar 21: Kurva I‐V sub‐modul luas area 3x9,8 cm2 menggunakan Pt printing  (Tipe‐A) dan Pt Sputtering (Tipe‐B)  Tabel.3 Data karakteristik listrik sel surya dengan luas aktif 3x9,8 cm2  Sub‐modul Tipe‐B  Sub‐modul Tipe‐A  Karakteristik  Sampel‐2  Sampel‐1  Sampel‐2    Sampel‐1  Open circuit voltage Voc (Volts)  Short circuit current Isc (mA)  Maximum power Pm (mWatt)  Vmp (Volt)  Imp (mA)  Fill factor, FF  Efisiensi (%) 

1,94   10,46  8,5  1,22  6,9  0,42  0,61 

1,98  10,42  8,0  1,17  6,8  0.38  0,58 

 

1,87 

2,09 

           

10,51  10,49  1,34  7,8  0,53  0,77 

11,47  8,97  1,53  5,87  0,37  0,65 

49

Resistansi seri (Ohm) 

87,31 

105,67 

 

45,7 

72,7 

    Berdasarkan data pada tabel tersebut dapat diketahui bahwa proses pelapisan Pt  sebagai  elektroda  pembanding  dapat  mempengaruhi  performansi  dari  sub‐modul  surya  yang  dibuat.  Terlihat  bahwa  sub‐modul  surya  dengan  Pt  sputtering  memiliki  karakteristik listrik yang lebih baik dibandingkan dengan Pt printing. Efisiensi konversi  terbaik  dari  sub‐modul  Tipe‐A  adalah  0,61%  sedangkan  sub‐modul  Tipe‐B  adalah  0,77%.  Hal  ini  disebabkan  oleh  resistansi  kontak  untuk  lapisan  elektroda  lawan  Pt  sputtering lebih kecil diibanding Pt printing. Pt sputtering lebih murni disbanding Pt  printing  yang  dibuat  dari  pasta  yang  mengandung  bahan‐bahan  organic  sebagai  binder.      Selain  optimasi  dan  kompatibilitas  komponen‐komponen  pembentuknya,  kinerja  modul  surya  juga  dipengaruhi  oleh  teknik  dan  ketepatan  dalam  proses  perakitan  modul  surya  [7].  Pada  proses  perakitan,  perak  dan  lapisan  glass  frit  (Gambar  6)  memegang  peranan  yang  sangat  penting  sebagai  penghubung  dan  pemisah  antara  sel  tunggalnya.  Bagian  lapisan  fotoelektroda  dan  lapisan  elektroda  lawan  harus  disatukan  secara  tepat.  Pencetakkan  pasta  perak  sebagai  penghubung  harus dibuat dengan tepat agar kontak seri antar sel terhubung dengan baik sehingga  memperkecil  resistansi  seri..  Demikian  juga  bagian  scribbing  pada  kedua  elektroda  harus  tertutup  rapat  oleh  lapisan  glass  frit  sebagai  pemisah.  Kegagalan  dalam  mengisolasi  dan  memisahkan  tiap  sel  tunggal,  akan  mengakibatkan  kebocoran  larutan elektrolit, sehingga akan terjadi resistansi kontak antar sel.  Gambar 22 menunjukkan contoh produk sub‐modul surya substrat kaca yang  dibuat dengan interkoneksi internal tipe Z  (total area aktif 3 x 9,8 cm2).  

  Gambar.22 Prototipe sub‐modul surya dye‐sensitized menggunakan Pt spinting  (transparan)                  50

IV. KESIMPULAN DAN SARAN    4.1 Kesimpulan    Proses  penelitian  Rancang  Bangun  Modul  Surya  berbasis  Dye‐Sensitized  Nanocrystalline  telah  dilakukan  di  PPET  LIPI.  Kinerja  modul  surya  dipengaruhi  oleh  kompatibilitas  komponen‐komponen  pembentuknya  serta  teknik  dan  ketepatan  dalam proses perakitan modul surya. Dalam mendisain suatu pola rangkaian modul  surya  DSSC  harus  memperhatikan  parameter  internal  (material  dan  proses  fabrikasinya)  dan  parameter  eksernal  (dimensi  dan  resistansi  seri  yang  terjadi).  Pembuatan  disain  pola  rangkaiannya  alligment  antar  pola  harus  presisi,  sehingga  memudahkan dalam proses pembuatan modul surya yang memiliki performansi yang  baik. Disain modul surya ukuran 5x10 cm2 dengan tipe Z interkoneksi yang memiliki 3  buah  sel  tunggal  ukuran  1x9,8  cm.(total  area  aktif  3x9,8  cm2)  telah  diaplikasikan  dalam  fabrikasi  divaisnya.  Karakteristik  modul  terbaik  menghasilkan  efisiensi  konversi 0,77% ; daya maksimum 10,49mW ; tegangan Voc 1,87V dan arus Isc   10,51  mA.     4.2 Saran    Selain  optimasi  dan  kompatibilitas  komponen‐komponen  pembentuknya,  kinerja  modul  surya  juga  dipengaruhi  oleh  teknik  dan  ketepatan  dalam  proses  perakitan  modul  surya.  Karakteristik  proses  masih  harus  dilakukan  untuk  mendapatkan  parameter  proses  yang  optimal  dan  dihasilkan  performansi  modul  yang tinggi sehingga diperlukan penelitian lanjutan.        REFERENSI    [1] http://cleantechnica.com/2013/05/11/solar‐module‐manufacturing‐trends‐in‐ 2012/ didownload tanggal 18 Desember 2013.  [2] B.  S.  Richards,  Solar  Enlightment:  Bringing  Solar  Power  to  Where  We  Need  It  Most, Inaugural Speech, Heriot‐Watt University, Scotland, UK, 2010.  [3] L  Muliani,  dkk,  “Pembuatan  Dye‐Sensitized  Nanocrystalline  TiO2  Solar  Cell”,  Laporan Akhir Program Tematik 2009, PPET‐LIPI 2010.  [4] Gratzel,  M.,  “Dye‐Sensitized  Solar  Cells”,  Journal  of  Photochemistry  and  Photobiology C: Photochemistry Review , vol. 4, hal. 145‐153, 2003.  [5] M. K. Nazeeruddin, A. Kay, I. Rodicio, R. Humphrybaker, E. Muller, P. Liska, N.  Vlachopoulos,M. Gratzel, “Conversion of Light to Electricity by Cis‐ X2bis(2,2'‐ Bipyridyl‐4,4'‐Dicarboxylate)Ruthenium(Ii)  Charge‐Transfer  Sensitizers  (X  =  Cl‐,  Br‐,  I‐,  Cn‐,  and  Scn‐)  on  Nanocrystalline  TiO2  Electrodes”,  Journal  of  theAmerican Chemical Society, vol. 14, hal. 6382‐6390, 1993.  [6] http://international.pv‐tech.org  [7] R.  Sastrawan,  2006,  “Photovoltaic  modules  of  dye  solar  cells”,  Disertasi  University of Freiburg. 

51

[8] [9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

G. E. Tulloch, “Light and energy ‐ dye solar cells for the 21st century”, Journal  of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry vol. 164, hal.  209‐219, 2004.  M, Spath, P. M. Sommeling, J. A. M. van Roosmalen, H. J. P. Smit,  N. P. G. van  der  Burg,   D.  R.  Mahieu,   N.  J.  Bakker,   J.  M.  Kroon,  “Reproducible  manufacturing  of  dye‐sensitized  solar  cells  on  a  semi‐automated  baseline”,  Progress in Photovoltaics, vol. 11, hal. 207‐220, 2003.  K. Okada, H. Matsui, T.  Kawashima, T. Ezure, N. Tanabe, “100 mm × 100 mm  large‐sized  dye  sensitized  solar  cells”,  Journals  of  Photochemistry  and  Photobiology A: Chemistry, vol. 164, hal. 193‐198, 2004.  R. Sastrawan, A. Hinsch, J. Beier, U. Belledin, S. Hemming, S. Hore, R. Kern, C.  Prahl,  C.  Vetter,  U.  Würfel,  J.  Luther,  F.  M.  Petrat  and  A.  Prodi‐Schwab,  “Towards  Manufacturing  Dye  Solar  Cells”,  Proceedings,  20th  European  Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Barcelona, Spain, 2005.  S.  Dai,  K.  Wang,  J.  Weng,  Y.  Sui,  Y.  Huang,  S.  Xiao,  S.  Chen,  L.  Hu,  F.  Kong,  X.  Pan, C. Shi,L. Guo., et. Al., “Design of DSC Panel with Efficiency More Than 6%”,  Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 85, hal. 447‐455, 2005.  T.  Toyoda,  T.  Sano,  J.  Nakajima,  S.  Doi,  S.  Fukumoto,  A.  Ito,  T.  Tohyama,  M.  Yoshida, T. Kanagawa, T. Motohiro, T. Shiga, K. Higuchi, K. Tanaka, Y. Takeda, T.  Fukano, N. Katoh, A. Takeichi, K. Takechi,M. Shiozawa, “Outdoor performance  of large scale DSC modules”, Journal of Photochemistry  N.M. Nursam, L. Muliani, J. Hidayat., “Optimalisasi Dimensi Area Aktif pada Sel  Surya  jenis  Dye‐sensitized  berbasis  Nanokristal  TiO2,  prosiding  Seminar  Nasional XIV, Kimia dalam Pembangunan, 2011. 

      UCAPAN TERIMA KASIH      Penelitian ini didukung oleh Program Kegiatan Penelitian Dan Pengembangan IPTEK  DIPA 2013 – Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI). Terima kasih kepada Puslit  Elektronika  dan  Telekomunikasi  (PPET‐LIPI)  atas  fasilitas  yang  diberikan  pada  kegiatan penelitian ini.                              

52

                 

  Pembuatan Sel Surya Berbasis Polimer    Dra. Erlyta Septa Rosa, MT                                               

53

LEMBAR PENGESAHAN    1.  Judul Kegiatan Penelitian   2.  Kegiatan Prioritas  3.  Peneliti Utama    Nama      Jenis Kelamin    4.  Sifat Penelitian  5.  Lama Penelitian  6.  Biaya Total 2013       

Ketua PME PPET LIPI, 

Dr. Purwoko Adhi, DEA  NIP. 19670911 198701 1 001 

:  :  :  :  :  :  :  : 

Pembuatan Sel Surya Berbasis Polimer        Dra. Erlyta Septa Rosa, MT  Wanita  Lanjutan Tahun ke ‐ 3  3 (Tiga) Tahun  Rp. 222.980.000,‐   

Bandung,   20 Desember 2013    Peneliti Utama       

Dra. Erlyta Septa Rosa, MT  NIP. 19630915 199203 2 003 

                                           

54

Abstrak    Sel  surya  polimer  merupakan  sel  surya  dengan  struktur  bulk  heterojunction  dimana  molekul‐molekul  dari  dua  jenis  material  polimer  yang  berfungsi sebagai donor elektron (tipe‐p) dan akseptor elektron (tipe‐n) dicampur  menjadi  film  bulk  sehingga  membentuk  heterojunction  diantara  keduanya.  Film  bulk  tersebut  berfungsi  sebagai  active  layer  yang  berkerja  menyerap  cahaya  matahari  dan  membangkitkan  elektron  pada  saat  cahaya  matahari  mengenai  permukaan substrat/kaca.   Ada  4  (empat)  jenis  sel  surya  yang  akan  dibuat  pada  penelitian  ini  dengan  menggunakan  4  (empat)  jenis  campuran  polimer  yang  berbeda  sebagai  active  layer.  Campuran  polimer  yang  pertama  adalah  [poly(2‐methoxy‐5‐(3,7‐ dimethyloctyloxy)‐1,4‐phenylene  vinylene)]  (MDMO‐PPV)  dan  [6,6  phenyl  C61‐ butyric  acid  methyl  ester]  atau  PCBM;  campuran  polimer  kedua  adalah  poly  (3‐ hexylthiophene) P3HT dan PCBM; campuran polimer ketiga adalah hybrid MDMO‐ PPV  dengan  partikel  nano  seng  oksida  (ZnO);  serta  campuran  polimer  yang  keempat  adalah  hybrid  P3HT  dengan  partikel  nano  ZnO.  Metoda  yang  akan  digunakan dalam pembuatan sel surya berbasis polimer ini adalah lapis tipis (thin  film).  Pertama‐tama  polimer  dilapiskan  dengan  teknik  screen  printing  di  atas  permukaan substrat kaca yang sudah dilapisi dengan elektroda transparan Indium  Tin  Oxide  (ITO).  Selanjutnya  di  bagian  bawah  polimer  dilapiskan  elektroda  alumunium  (Al)  menggunakan  teknik  sputtering/evaporasi.  Fasilitas  peralatan  untuk proses tersebut semua tersedia di Laboratorium BKME PPET – LIPI.     Kata kunci : sel surya, polimer, bulk heterojunction, active layer, ZnO, thin film. 

55

I.  i.

Pendahuluan  Latar belakang, ruang lingkup dan batasan kegiatan   Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) merupakan salah satu sumber energi  baru  dan  terbarukan  yang  prospektif  untuk  dikembangkan  di  Indonesia.  Adapun  inti  dari  PLTS  adalah  sel  surya,  yaitu  divais  yang  mampu  mengubah  cahaya  matahari  menjadi  listrik  secara  langsung.  Sel  surya  generasi  pertama,  yaitu  sel  surya  yang  menggunakan  substrat  silikon  kristal,  saat  ini  dianggap  terlalu  mahal  dan  tidak  dapat  bersaing  dengan  pembangkit  listrik  lainnya  seperti  pembangkit  listrik  tenaga  air  maupun  pembangkit  listrik  tenaga  uap.  Oleh  karena  itu  banyak  peneliti mulai mengembangkan sel surya yang lebih murah dengan menggunakan  material non‐silikon, yang disebut sebagai sel surya generasi kedua dan ketiga1.  Pengembangan  sel  surya  generasi  ketiga  banyak  dilakukan  menggunakan  teknologi nano, salah satunya adalah sel surya yang menggunakan polimer sebagai  material aktifnya. Sel surya berbasis polimer ini, atau juga disebut sebagai sel surya  plastik,  selain  dapat  diproduksi  dengan  biaya  proses  yang  lebih  murah,  juga  mempunyai  keunggulan  lain,  yaitu  lebih  fleksibel  dan  ringan.  Meskipun  demikian  efisiensi  yang  dihasilkan  sekitar  6%,  masih  lebih  rendah  dibandingkan  dengan  sel  surya  silikon,  sehingga  masih  banyak  peluang  yang  dapat  dilakukan  untuk  mengembangkan sel surya berbasis polimer ini secara lebih intensif2,3.  Dalam  penelitian  ini  akan  dikembangkan  proses  pembuatan  sel  surya  berbasis polimer dengan metoda lapis tipis (thin film) menggunakan teknik screen  printing.  Screen  printing  merupakan  teknik  yang  umum  digunakan  dalam  industri  devais  elektronika  karena  merupakan  teknik  yang  mudah,  murah  dan  dapat  diaplikasikan  pada  area  yang  luas4.  Dalam  penelitian  ini  akan  digunakan  2  (dua)  jenis  campuran  polimer  yang  berbeda  yaitu  [poly(2‐methoxy‐5‐(3,7‐ dimethyloctyloxy)‐1,4‐phenylene  vinylene)]  (MDMO‐PPV)  dan  [6,6  phenyl  C61‐ butyric acid methyl ester] atau PCBM dan poly (3‐hexylthiophene) P3HT dan PCBM.  Selain  itu  juga  akan  dikembangkan  pula  2  (dua)  jenis  hybrid  polimer  dengan  partikel ZnO, masing‐masing adalah MDMO‐PPV dengan partikel nano seng oksida  (ZnO); dan P3HT dengan partikel ZnO.  Penelitian  ini  merupakan  salah  satu  bentuk  pelaksanaan  dari  tupoksi  dan  renstra  Puslit  Elektronika  dan  Telekomunikasi  LIPI  dalam  bidang  pengembangan  bahan  dan  komponen  mikroelektronika.  Selain  itu  penelitian  ini  juga  disesuaikan  dengan  Program  Tematik  LIPI  dalam  bidang  Sumber  Energi  Baru  dan  Terbarukan  maupun  bidang  Material  Maju  dan  Nanoteknologi,  serta  Program  Prioritas  Bappenas  untuk  LIPI  dalam  bidang  Material  Maju  (Advanched  Material)  dan  Nanoteknologi.      ii. Perumusan Masalah  Dalam proses pembuatan sel surya berbasis polimer hybrid itu permasalahan  yang akan diteliti dirumuskan sebagai berikut :  •   Bagaimana pengaruh jenis polimer terhadap unjuk kerja sel.  •   Bagaimana pengaruh konsentrasi polimer terhadap unjuk kerja sel.  •   Bagaimana  pengaruh  penambahan  partikel  nano  ZnO  ke  dalam  polimer  terhadap unjuk kerja sel.  •   Bagaimana pengaruh tebal lapisan polimer hybrid terhadap unjuk kerja sel. 

56

•   Bagaimana pengaruh proses deposisi alumunium terhadap unjuk kerja sel.    iii. Tujuan dan Sasaran Penelitian.  ƒ Tujuan.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  dapat  berperan  aktif  dalam  pengembangan  material  maju  (advanched  material)  dan  pengembangan  sumber  energi  baru  dan  terbarukan yang merupakan program prioritas di lingkungan LIPI.  ƒ Sasaran.  Pengembangan  proses  pembuatan  sel  surya  berbasis  polimer  di  dunia  saat  ini  statusnya  masih  dalam  tahapan  riset  dasar.  Oleh  karena  itu  sasaran  yang  diharapkan  dapat  dicapai  adalah  mempunyai  kemampuan  dalam  menguasai  teknologi  pembuatan  sel  surya  berbasis  polimer  sehingga  dapat  berkontribusi  dalam pengembangan teknologi pembuatan sel surya di dunia.    iv. Kerangka Analitik  Sel  surya  polimer  merupakan  sel  surya  dengan  struktur  bulk  heterojunction  dimana  molekul‐molekul  dari  dua  jenis  material  polimer  yang  berfungsi  sebagai  donor elektron (tipe‐p) dan akseptor elektron (tipe‐n) dicampur menjadi film bulk  sehingga  membentuk  heterojunction  diantara  keduanya5.  Film  bulk  tersebut  berfungsi  sebagai  active  layer  yang  berfungsi  menyerap  cahaya  matahari  dan  membangkitkan  elektron  pada  saat  cahaya  matahari  mengenai  permukaan  sel  surya.  Elektron  tersebut  kemudian  akan  mengalir  melewati  elektroda  alumunium  (Al)  yang  ada  dibawahnya  dan  menuju  ke  elektroda  transparan  di  atasnya  menghasilkan  arus  listrik1.  Struktur  sel  surya  polimer  secara  umum  dapat  dilihat  pada Gambar‐1 berikut.        Top electrode Active layer (100-200 nm)

Bottom electrode on transparent substrate

Gambar‐1. Struktur sel surya polimer6.    Polimer  yang  dapat  digunakan  sebagai  lapisan  aktif  (active  layer)  adalah  material  yang  kaya  dengan  donor  maupun  akseptor  elektron,  yaitu  polimer  terkonyugasi,  antara  lain  material  turunan  fulleren  dan  thiofen5,7,8  (Gambar  2).  Efisiensi  sel  surya  yang  dihasilkan  bergantung  pada  material  yang  digunakan  dan  proses penumbuhannya (deposisi)9. 

57

  Gambar 2. Struktur material polimer terkonyugasi 10,11.    v.

Hipotesis  Polimer  terkonyugasi  seperti  turunan  poly(p‐phenylene  vinylene)  dan  polythiophene merupakan material yang mempunyai bandgap yang rendah (2,0 –  2,2 eV), penyerapan tinggi di daerah sinar tampak dan bersifat stabil8,12. Turunan  poly(p‐phenylene  vinylene)  seperti  [6,6]‐phenyl‐C61‐butyric  acid  methyl  ester  (PCMB)  banyak  digunakan  sebagai  akseptor  elektron,  sedangkan  sebagai  donor  elektron umumnya poly(3‐hexylthiophene) atau disingkat dengan P3HT13.  S.E. Shaheen dkk14 memperkenalkan teknik screen printing di dalam fabrikasi  sel  surya  bulk  heterojunction.  Material  yang  digunakan  adalah  campuran  polimer  [poly(2‐methoxy‐5‐(3,7‐dimethyloctyloxy)‐1,4‐phenylene  vinylene)]  atau  MDMO‐ PPV  dan  [6,6  phenyl  C61‐butyric  acid  methyl  ester]  atau  PCBM.  Efisiensi  sel  yang  dihasilkan  adalah  sekitar  4,3%.  B.  Zhang  dkk15  juga  menggunakan  teknik  screen  printing  untuk  membuat  sel  surya  polimer  dari  campuran  PCBM  dan  [poly  (3‐ hexylthiophene)] atau P3HT dengan efisiensi sel 4,23%.  Faktor  yang  mempengaruhi  efisiensi  sel  surya  polimer  adalah  efisiensi  kuantum  internal  atau  penyerapan  foton/cahaya  oleh  material  aktif  menjadi  elektron16.  Penyerapan foton dipengaruhi oleh morfologi permukaan polimer17,18.  Oleh  karena  itu  yang  menjadi  fokus  dalam  penelitian  ini  adalah  pengontrolan  permukaan  polimer,  yaitu  dengan  cara  pengaturan  komposisi  campuran  polimer  MDMO‐PPV/ PCBM dan P3HT/PCBM, pengaturan tebal polimer serta penambahan  partikel ZnO.       

58

II. 

Metodologi.  Kegiatan  ini  seluruhnya  akan  dilakukan  di  laboratorium  Bahan  dan  Komponen  Mikroelektronika  PPET‐LIPI.  Untuk  kegiatan  karakterisasi  seperti  SEM,  XRD, UV‐VIS, dan kurva I‐V dilakukan di laboratorium di luar PPET‐LIPI antara lain  PPGL, ITB, BATAN dan UGM.  Penelitian ini direncanakan memerlukan waktu selama 3 (tiga) tahun. Tahun  pertama (2011) telah dilaksanakan pembuatan sel surya polimer MDMO‐PPV dan  PCBM  sebagai  active  layer.  Pada  tahun  kedua  ini  sebagai  active  layer  akan  digunakan  campuran  polimer  P3HT  dan  PCBM.  Selanjutnya  pada  tahun  ketiga  untuk  lebih  meningkatkan  efisiensi  sel  surya  dan  menurunkan  biaya  proses  maka  ke  dalam  campuran  polimer  akan  ditambahkan  partikel  nano  ZnO  sehingga  membentuk sel surya hybrid polimer/semikonduktor anorganik. Proses pembuatan  sel surya berbasis polimer terdiri dari beberapa tahapan proses, yaitu :  a. Proses litografi lapisan ITO diatas substrat kaca/plastik. Parameter proses yang  diamati adalah waktu etsa.  b. Proses  pelapisan  elektroda  interface  PEDOT:PSS  diatas  substrat  kaca/plastik  yang telah dilapisi ITO menggunakan teknik screen printing. Parameter proses  yang  diamati  adalah  parameter  printing  dan  temperatur  dan  waktu  pengeringan.  c. Proses pelapisan polimer di atas lapisan PEDOT:PSS menggunakan teknik spin  coating.  Parameter  proses  yang  diamati  adalah  konsentrasi  polimer,  kecepatan spin, serta waktu spin, temperatur dan waktu pengeringan.  d. Proses  pelapisan  Alumunium  di  atas  lapisan  polimer  menggunakan  teknik  evaporasi. Parameter proses yang diamati adalah masing‐masing adalah waktu  dan arus deposisi untuk proses evaporasi.  e. Kapsulasi sel. Kapsulasi dilakukan dengan menutup permukaan atas sel dengan  kaca  /plastik  menggunakan  sealant  sebagai  media  perekatnya,  dilanjutkan  dengan proses pemanasan sekalian proses annealing. Parameter proses yang  diamati adalah temperatur dan waktu annealing.  f.   Karakterisasi  I‐V.  Karakterisasi  dilakukan  menggunakan  sun  simulator  pada  kondisi temperatur 25 ºC dan radiasi 60 mW/cm2.  Diagram  alir  proses  pembuatan  sel  surya  berbasis  polimer  tersebut  di  atas  dapat  dilihat  pada  gambar  3.  Dalam  kegiatan  ini  dilakukan  pembuatan  sel  surya  polimer  masing‐masing  di  atas  substrat  kaca  dan  substrat  plastik  (PET).  Selain  itu  pada kegiatan ini juga akan dibuat array dari 3 (tiga) buah sel dalam satu substrat,  dimana  urutan  prosesnya  sama  seperti  yang  tertera  pada  gambar  3,  akan  tetapi  masker  yang  digunakan  berbeda.  Gambar  4  memperlihatkan  desain  array  dari  3  (tiga) buah sel dalam satu substrat tersebut.                   

59

                   

   

Substrat Gelas/plastik dilapisi ITO Litografi ITO Printing PEDOT:PSS

Substrat kaca Sealant

Spin coating Polimer Aluminium

POLIMER PEDOT:PSS ITO

Evaporasi Alumunium

Substrat kaca

  Struktur sel surya polimer Gambar 3. Diagram alir proses pembuatan sel surya berbasis polimer.  Kapsulasi

         

Karakterisasi I-V Aluminium

POLIMER

POLIMER

PEDOT:PSS ITO

Aluminium

Aluminium

POLIMER

PEDOT:PSS

PEDOT:PSS ITO

ITO

Substrat plastik (PET)/glass

Gambar 4. Desain array dari 3 (tiga) buah sel polimer dalam satu substrat.      III. 

Faktor risiko/keberhasilan.  Penelitian  ini  akan  dapat  tercapai  sesuai  dengan  target  yang  diharapkan  karena  sumber  daya  manusia  yang  tersedia  telah  memiliki  kompetensi  dibidang  fabrikasi sel surya silikon kristal, proses screen printing dan proses kimia. Selain itu  peralatan  pendukung  tersedia  dengan  lengkap  antara  lain  lemari  asam,  screen  printer  dan  conveyor  furnace.  Oleh  karena  itu  penelitian  ini  mempunyai  faktor  keberhasilan  yang  cukup  tinggi.  Faktor  hambatan  yang  mungkin  muncul  adalah  tertundanya proses karakterisasi yang dilakukan melalui pihak luar (jasa).    IV.  Roapmap Hasil Penelitian  Hasil yang diharapkan dari penelitian ini adalah :  ƒ Tahun I (2011)  :   ‐  1  buah  prototipe  sel  surya  polimer  MDMO‐ PPV/PCMB      ‐ publikasi 2 buah  ƒ Tahun II (2012)  :  ‐ 1 buah prototipe sel surya polimer P3HT/PCMB          ‐ publikasi 2 buah  ƒ Tahun III (2013)  :  ‐ 2 buah prototipe sel surya polimer hybrid ZnO          ‐ publikasi 2 buah  V. 

Aspek Strategis  Penelitian  ini  mempunyai  aspek  strategis  di  dalam  penguasaan  pengembangan  material  maju  dan  teknologi  nano,  khususnya  dalam  proses  pembuatan  sel  surya  generasi  ketiga.  Peluang  untuk  mengembangkan  proses  pembuatan sel surya berbasis polimer masih sangat terbuka lebar karena efisiensi  yang  dihasilkan  masih  rendah  dibandingkan  dengan  efisiensi  sel  berbasis  silikon.  Oleh karena itu saat ini banyak peneliti dunia sedang giat melakukan penelitian sel  surya berbasis polimer. 

60

VI. 

Pelaksana Penelitian dan Institusi Mitra  Penelitian ini akan dilaksanakan di PPET – LIPI. Pelaksana yang akan terlibat  dalam  penelitian  ini  berjumlah  9  (sembilan)  orang  dengan  peran  dan  tanggung  jawab masing‐masing adalah sebagai berikut :  KEGIATAN  PENANGGUNG  PERSONIL YANG    JAWAB  TERLIBAT  1. Persiapan bahan  Widhya Y  Erlyta, Poppy, Dede  2. Preparasi peralatan dan masker  Grace  A.Wahid, Poppy, Danu  3. Percobaan pelapisan PEDOT/PSS  Shobih  Erlyta, A. Wahid  4. Percobaan  pembuatan  polimer  Erlyta  Slamet W, Grace  hybrid ZnO  5. Percobaan pelapisan polimer hybrid  Shobih  Erlyta, Grace  ZnO  6. Percobaan pelapisan kontak Al  Slamet W  Grace, A. Wahid, Danu  7. Percobaan pembuatan sel surya  Erlyta  A.Wahid,  Shobih,  Slamet  W  8. Pengukuran kurva I‐V sel surya  A Wahid  Danu, Dede  9. Analisa dan Evaluasi  Erlyta  Shobih, A. Wahid, Slamet  W  10. Pembuatan Laporan dan Publikasi  Erlyta  Shobih,Poppy, Widhya Y        VII.  Jadwal Kegiatan.      Bulan  No.  Kegiatan dan Penanggung  1  2  3  4  5  6  7  8  9  Jawab  1.  Studi literatur / Erlyta                    2.  Persiapan bahan/ Widhya Y                    3.  Preparasi peralatan dan masker                    / Grace  4.  Percobaan pelapisan                    PEDOT/PSS/ Shobih  5.  Percobaan pembuatan polimer                    hybrid ZnO / Erlyta  6.  Percobaan pelapisan polimer                    hybrid ZnO / Shobih  7.  Proses pelapisan kontak Al /                    Slamet W  8.  Percobaan pembuatan sel surya                    / Erlyta  9.  Pengukuran kurva I‐V sel surya                    A. Wahid  10.  Analisa dan Evaluasi / Erlyta                    11.  Laporan dan Publikasi / Erlyta                     

61

10 

11 

     

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

   

VIII.  Rencana Capaian, Hasil, dan Pembahasan  4.1. Rencana Capaian    Adapun yang akan dilakukan pada tahun 2013 ini adalah proses pembuatan  sel  surya  polimer  hibrid,  dimana  campuran  polimer  yang  digunakan  adalah  MDMO‐PPV  dengan  partikel  nano  seng  oksida  (ZnO);  dan  campuran  polimer  P3HT  dengan  partikel  nano  ZnO.  Adapun  tahapan  kegiatan  tercantum  pada  Jadwal kegiatan.   4.2. Hasil dan Pembahasan.  Sebagaimana yang telah direncanakan dalam jadwal kegiatan, kegiatan yang  telah dilaksanakan pada tahun 2013 ini adalah sebagai berikut :  i. Percobaan pelapisan PEDOT:PSS.  Dalam  penelitian  ini  PEDOT:PSS  digunakan  sebagai  hole  transporter  and  exciton  blocker,  dan  mencegah  difusi  ITO  ke  dalam  polimer  active  layer.  PEDOT:PSS  dilapiskan  di  atas  lapisan  ITO  yang  telah  dietsa  sebagaimana  yang  tercantum  pada  diagaram  alir  proses  pada  Gambar  3.  Substrat  yang  digunakan  adalah  substrat  fleksibel,  yaitu  Poli  Etilen  Terepthalat  (PET)  yang  telah  dilapisi  dengan  ITO,  dimana  dalam satu substrat dibuat 3 (tiga) buah sel surya polimer dengan luas area 2,6 cm2  yang  terhubung  secara  seri.  Proses  etsa  ITO  dilakukan  dengan  teknik  litografi  menggunakan  masker  seperti  yang  terlihat  pada  gambar  5a,  sedangkan  proses  pelapisan  PEDOT:PSS  dilakukan  menggunakan  teknik  screen  printing  dengan  pola  masker seperti pada Gambar 5b. Hasil proses etsa ITO dan printing PEDOT:PSS dapat  dilihat pada gambar 6, sedangkan hasil karakterisasi lapisan PEDOT:PSS dapat dilihat  pada Tabel 1.     

(a)  (b)  Gambar 5. Masker etsa ITO (a) dan screen PEDOT:PSS (b).     

 

 

 

(a)  (b)  Gambar 6. Hasil proses etsa ITO (a) dan printing PEDOT:PSS (b) di atas substrat PET.    Tabel 1. hasil karakterisasi lapisan PEDOT:PSS.  No.  Resistivitas permukaan (Ω)  No.  Resistivitas permukaan (Ω)  1 

166,9547113 

6 

161,8512922  62

2  3  4  5 

7  8  9  10 

128,6790679  147,2700947  154,9252234  132,6888972  Rata‐rata 

191,0136872  126,1273583  150,9153941  223,0923217  158,3518048 

  ii.

Percobaan  pembuatan  polimer  hybrid  MDMO‐PPV/ZnO  dan  pelapisan  polimer  hybrid MDMO‐PPV /ZnO.    Dalam ini kegiatan telah dilakukan percobaan pembuatan pasta polimer hybrid  campuran  MDMO‐PPV/ZnO  dengan  perbandingan  dalam  pelarut  klorobensen,  dimana  diharapkan  dapat  digunakan  dengan  teknik  screen  printing.  Akan  tetapi  karena  hasilnya  pelapisannya  masih  tidak  merata  (gambar  7b),  maka  kemudian  dilakukan  dengan  proses  spin  coating.  Sehubungan  dengan  keterbatasan  bahan,  maka  selanjutnya  percobaan  spin  coating  larutan  polimer  dilakukan  menggunakan  campuran P3HT/ZnO. Proses spin coating polimer hybrid P3HT/ZnO dilakukan pada  tiga jenis komposisi campuran P3HT dan ZnO, yaitu masing‐masing (3:7), (1:1), dan  (7:3). Foto masker dan hasil pelapisan polimer hybrid P3HT/ZnO dapat dilihat pada  gambar 8 berikut.   

    (a)  (b)  Gambar  7.  Screen  polimer  hybrid  MDMO‐PPV/ZnO  (a)  dan  hasil  printing  polimer  hybrid MDMO‐PPV/ZnO (b).   

 

 

(a)  (b)  Gambar 8. Masker polimer hybrid P3HT/ZnO (a) dan hasil spin coating polimer hybrid  P3HT/ZnO (b).    iii. Proses pelapisan kontak Al.  Dalam  proses  pelapisan  kontak  Al  dengan  metoda  evaporasi,  hanya  dilakukan  dalam satu parameter proses saja, yaitu pada tekanan 5,0‐6,5 x10‐5 mbar selama 5  menit yang menghasilkan lapisan alumunium dengan tebal 50 nm. Gambar 9 berikut  adalah foto masker alumunium dan hasil pelapisannya. 

63

  (a)  (b)  Gambar 9. Masker alumunium (a) dan hasil evaporasi alumunium (b). 

 

  iv.

Proses laminasi/kapsulasi.  Laminasi bertujuan agar sample tidak terkena pengaruh dari luar. Dengan adanya  laminasi  sample  ini,  sample  yang  akan  diukur  tidak  akan  mudah  rusak.  Selain  itu  sample dapat diukur untuk beberapa waktu kemudian. Dengan kata lain, sample ini  dapat  bertahan  lebih  lama.  Laminasi  ini  dilakukan  dengan  cara  menaruh  sealant  sebagai perekat di antara sample dengan plastik PET.mika (dalam percobaan ini mika  yang digunakan adalah mika biasa). Sealant dipotong dengan ukuran sesuai dengan  ukuran substrat, namun dengan menyisakan tsebagian tempat yang masih terdapat  ITO  sebagai  kontak  pengukuran.  Kemudian    sample  dijepit  dengan  menggunakan  kaca di bagian atas dan bawah. Agar sample, sealant, dan mika dapat merekat dalam  proses  laminasi  ini  maka  sample  yang  telah  dijepit  dengan  kaca  tersebut  harus  dioven vakum dengan suhu sebesar 120o C selama 10 menit (Gambar 10).       

  Gambar 10. Proses laminasi sel surya polimer.    v.

Percobaan pembuatan sel surya polimer hybrid P3HT/ZnO.  Percobaan  pembuatan  sel  dan  modul  surya  polimer  P3HT/ZnO  dilakukan  pada  Triwulan  II,  melalui  proses  sebagaimana  yang  tercantum  pada  diagaram  alir  proses  pada Gambar 3. Pembuatan sel surya polimer hybrid P3HT/ZnO ini dilakukan masing‐ masing pada komposisi (3:7), (1:1), dan (7:3) dan pada proses annealing 120 ºC dan  150  ºC.  Foto  prototipe  sel  dan  modul  surya  polimer  tersebut  dapat  dilihat  pada  Gambar 11 berikut. 

64

 

 

  Sel surya  Modul surya  Gambar 11. Foto prototipe sel dan modul surya polimer hybrid P3HT/ZnO desain  kotak.    Selain  pembuatan  sel  dan  modul  surya  polimer  P3HT/ZnO  dengan  desain  kotak,  juga  dilakukan  pembuatan  sel  dan  modul  surya  polimer  P3HT/ZnO  dengan  desain melintang (gambar 12). Meskipun demikian, luas area aktif setiap sel maupun  modul dibuat tetap sama, yaitu 2,6 cm2 untuk sel dan 3 x 2,6 cm2 untuk modul. Foto  dari prototipe sel dan modul surya polimer dengan pola melintang dapat dilihat pada  Gambar 13.       

 

Sel  Modul  Gambar 12. Desain pola melintang sel surya polimer hibrid P3HT/ZnO. 

 

     

65

   

    Sel surya  Modul surya  Gambar 13. Foto prototipe sel dan modul surya polimer hybrid P3HT/ZnO desain  melintang.   

66

vi.

Pengukuran kurva I‐V.  Alat yang digunakan untuk pengukuran IV sel surya yang digunakan terdiri dari  solar  simulator  Oriel,  piranometer,  alat  ukur  I‐V  dari  National  Instrument,  dan  sebuah  komputer  dengan  aplikasi  Lab  View.  Pengukuran  dilakukan  dalam  penyinaran  dengan  sumber  cahaya  lampu  xenon  pada  intensitas  cahaya  270  Watt/m2. Hasil pengukuran tersebut dapat dilihat pada, Gambar 14, Gambar 15,  Gambar 16, Gambar 17, Gambar 18 dan Tabel 2, Tabel 3, Tabel 4, Tabel 5, Tabel  6.  Pengukuran  modul  melintang  hanya  menghasilkan  1  (satu)  kurva  untuk  komposisi P3HT/ZnO (3/7), hal tersebut kemungkinan modul lainnya mengalami  “short" pada saat kapsulasi. 

  Gambar 14. Kurva I‐V sel surya polimer hybrid P3HT/ZnO desain kotak.   

  Gambar 15. K urva I‐V modul surya polimer hybrid P3HT/ZnO desain kotak.   

67

  Gambar 16. Kurva I‐V sel surya polimer hybrid P3HT/ZnO desain memanjang.   

  Gambar  17.  Kurva  I‐V  modul  surya  polimer  hybrid  P3HT/ZnO  (3/7)  desain  memanjang.   

  kotak  melintang  Gambar 18. Kurva I‐V sel surya polimer hybrid P3HT/ZnO (7/3) desain kotak  dan desain memanjang pada annealing 120 ºC dan 150 ºC.            68

Tabel 2. Hasil karakterisasi listrik sel surya polimer hybrid P3HT/ZnO desain kotak.  Karakteristik listrik  P3HT/ZnO  P3HT/ZnO  P3HT/ZnO  (7:3)  (1:1)  (3:7)  Tegangan sirkit terbuka Voc (V)  0,697  0,667  0,650  Arus hubung singkat Isc (mA)  0,040  0,038  0,033  Daya maksimum Pm (mWatt)  0,014  0,013  0,010  Fill faktor FF  0,682  0,510  0,487  Efisiensi   (%)  0,024  0,020  0,015    Tabel 3. Hasil karakterisasi listrik modul surya polimer hybrid P3HT/ZnO desain kotak.  Karakteristik listrik  P3HT/ZnO  P3HT/ZnO  P3HT/ZnO  (7:3)  (1:1)  (3:7)  Tegangan sirkit terbuka Voc (V)  3,92  2,37  2,08  6 Arus hubung singkat Isc (mA)  0,00753  0,0074   0,0060  Daya maksimum Pm (mWatt)  0,011  0,0060  0,0046  Fill faktor FF  0,385  0,346  0,371  Efisiensi   (%)  0,0055  0,0029  0,0022    Tabel 4. Hasil karakterisasi listrik sel surya polimer hybrid P3HT/ZnO desain  memanjang.  Karakteristik listrik  P3HT/ZnO  P3HT/ZnO  P3HT/ZnO  (7:3)  (1:1)  (3:7)  Tegangan sirkit terbuka Voc (V)  0,48  0,33  0,26  Arus hubung singkat Isc (mA)  0,0056  0,0055  0,0044  Daya maksimum Pm (mWatt)  0,0017  0,0010  0,0004  Fill faktor FF  0,630  0,578  0,371  Efisiensi   (%)  0,024  0,015  0,006      Tabel  5.  Hasil  karakterisasi  listrik  modul  surya  polimer  hybrid  P3HT/ZnO  desain  memanjang.  Karakteristik listrik  P3HT/ZnO  P3HT/ZnO  P3HT/ZnO  (7:3)  (1:1)  (3:7)  Tegangan sirkit terbuka Voc (V)  Tidak  Tidak terukur  7,83  terukur  Arus hubung singkat Isc (mA)    0,0058  Daya maksimum Pm (mWatt)    0,0031  Fill faktor FF    0,690  Efisiensi   (%)    0,147    Tabel 6. Hasil karakterisasi listrik sel surya polimer hybrid P3HT/ZnO (7/3) desain  kotak dan memanjang pada annealing 120 ºC dan 150 ºC.  .Karakteristik listrik sel kotak  Non  Annealing 120 ºC  Annealing 150 ºC  Annealing  Tegangan sirkit terbuka Voc (V)  0,697  0,881  0,783  69

Arus hubung singkat Isc (mA)  0,040  0,0044  0,0047  Daya maksimum Pm (mWatt)  0,0014  0,033  0,0031  Fill faktor FF  0,682  0,849  0,889  Efisiensi   (%)  0,024  0,047  0,045  .Karakteristik listrik sel  Non  memanjang  Annealing  Annealing 120 ºC  Annealing 150 ºC  Tegangan sirkit terbuka Voc (V)  0,37  Tidak terukur  Tidak terukur  Arus hubung singkat Isc (mA)  0,053      Daya maksimum Pm (mWatt)  0,009      Fill faktor FF  0,482      Efisiensi   (%)  0,014        Berhubung hasil pengukuran modul surya tidak memberikan hasil, maka pada  Triwulan  III  ini  percobaan  dikonsentrasikan  pada  pembuatan  sel  surya  saja  dan  pengembangan  desain  pola  baru,  dengan  tujuan  untuk  meningkatkan  efisiensi  sel.  Tahapan  proses  pembuatan  sel  surya  dilakukan  melalui  tahapan  proses  sebagaimana  yang  ditampilkan  pada  Gambar  3,  sedangkan  desain  pola  yang  digunakan dapat dilihat pada Gambar 18. 

 

  ITO 

PEDOT:PSS

Polimer/ZnO

Alumunium

ALUMUNUM (PERAK) LAPISAN AKTIF PEDOT-PSS ITO

ITO PET

  Gambar 18. Desain pola persegi sel surya polimer hibrid.    Berdasarkan  atas  percobaan  sebelumnya,  dimana  untuk  sel  surya  polimer  hybrid P3HT/ZnO komposisi campuran P3HT dan ZnO yang mempunyai efisiensi  tertinggi adalah (7:3), maka pembuatan sel surya polimer hybrid P3HT/ZnO pada  tahap ini dilakukan pada komposisi (7:3) dengan penambahan proses annealing.  Foto prototipe sel surya polimer tersebut dapat dilihat pada Gambar 19 dan hasil  karakterisasinya  pada  Tabel  7.  Dari  hasil  Tabel  3  di  atas  dapat  dilihat  bahwa  u  efisiensi yang paling tinggi yaitu sebesar 0.002791 % diperoleh yang diannealing  pada 140 C selama 10 menit. 

  Gambar 19. Foto prototipe sel surya polimer hybrid P3HT/ZnO desain persegi.  70

  Tabel.7.  Hasil  Karakteristik  listrik  sel  surya  polimer  hybrid  P3HT  /ZnO  pada  komposisi (7:3).    Eff (%)  Isc (A)  Voc (V)  FF 

tanpa  anil 1  0.0018 84  3.11E‐ 06  0.6519 47  0.6489 72 

120 C   sel1  0.00138 6  2.49E‐06  0.65190 5  0.61593 6 

120 C  sel‐2  0.0013 63 3.11E‐ 06 0.6519 05 0.4629 53

130 C  sel1  0.0022 24 3.47E‐ 06 0.9785 84 0.4592 28

130 C  sel‐2  0.0024 26 4.13E‐ 06 0.8965 78 0.4630 37

140 C  sel‐1  0.0020 64 4.32E‐ 06 0.8968 47 0.3767 73

140 C  sel‐2  0.0027 91  3.98E‐ 06  0.8561 26  0.5575 23 

150 C  sel‐1  0.0014 99 3.06E‐ 06 0.7740 16 0.4586 37

150 C  sel‐2  0.0015 27 3.31E‐ 06 0.7335 9 0.4426 75

    vi.

Percobaan pembuatan sel surya polimer hybrid MDMO‐PPV/ZnO.  Proses pembuatan sel surya polimer hybrid MDMO‐PPV/ZnO ini baru dimulai  pada  Triwulan  III  menggunakan  desain  pola  seperti  pada  gambar  18..  Proses  pembuatan  sel  surya  dilakukan  masing‐masing  pada  komposisi  (3:7),  (1:1),  dan  (7:3)  dan  pada  proses  annealing  120  ºC  dan  150  ºC,  menggunakan  substrat  fleksibel (PET) dan substrat kaca. Foto prototipe sel surya polimer tersebut dapat  dilihat pada Gambar 20 dan hasilnya pada tabel 8 dan tabel 10.. 

    (a)  (b)   Gambar  20.  Foto  prototipe  sel  surya  polimer  hybrid  MDMO‐PPV/ZnO  desain  persegi substrat PET (a) dan substrat kaca (b).      Tabel.8.  Hasil  Karakteristik  listrik  sel  surya  polimer  hybrid  MDMO‐PPV  /ZnO  pada  komposisi (7:3), (1:1), dan (3:7) sebelum proses laminasi.  FF  No  MDMO‐PPV : ZnO  Eff  Isc (A)  Voc (V)  1  7:3 (1)  3.61E‐05 5.29E‐08  0.244204 0.754581  2  7:3 (2)  5.60E‐05 9.52E‐08  0.162588 0.982372  3  7:3 (3)  0.000394 7.15E‐08  0.978841 0.997491  4  7:3 (4)  2.91E‐05 1.26E‐07  0.060497 1.030074  5  1:1 (1)  0.000217 6.38E‐08  0.978913 0.947533 

71

6  7  8  9  10  11  12 

1:1 (2)  1:1 (3)  1:1 (4)  3:7 (1)  3:7 (2)  3:7 (3)  3:7 (4) 

6.74E‐05 0.00034  2.35E‐05 0.000326 0.000335 0.00034  0.000273

6.24E‐08  7.89E‐08  3.32E‐07  7.16E‐08  7.99E‐08  9.16E‐08  6.55E‐08 

0.223874 0.978886 0.019935 0.978959 0.978819 0.978884 0.978898

1.291509  1.233634  1.0000  1.270437  1.189031  1.058545  1.18055 

    Tabel.9.  Hasil  Karakteristik  listrik  sel  surya  polimer  hybrid  MDMO‐PPV  /ZnO  pada  komposisi (7:3), (1:1), dan (3:7) setelah proses laminasi  No  MDMO‐PPV : ZnO  Eff  Isc (A)  Voc (V)  FF  1  7:3 (1)  0.147421 4.47E‐05 0.978799 0.926717  2  7:3 (2)  0.121347 5.21E‐05 0.978753 0.648247  3  7:3 (3)  0.129198 3.75E‐05 0.978933 0.99874  4  7:3 (4)  0.114814 4.00E‐05 0.774506 0.989645  5  1:1 (1)  0.023548 0.000181 0.080428 0.423362  6  1:1 (2)  0.025585 4.74E‐05 0.24395 0.592513  7  1:1 (3)  0.10332 5.05E‐05 0.79482 0.715007  8  1:1 (4)  0.102075 6.42E‐05 0.427347 0.989547  9  3:7 (1)  0.119261 5.35E‐05 0.713543 0.847417  10  3:7 (2)  0.069299 2.73E‐05 0.978826 0.686515  11  3:7 (3)  0.160807 4.58E‐05 0.978746 0.97066  12  3:7 (4)  0.168581 4.73E‐05 0.978839 0.987908    Hasil  pengukuran  setelah  laminasi  menunjukkan  rata‐rata  efisiensi  untuk  perbandingan (7:3) adalah 0,128 %, (1:1) adalah 0,063 %, dan (3:7) menghasilkan  0,129  %.  Hasil  yang  diperoleh  dalam  pengukuran  yang  ke  dua  masih  menunjukkan  bahwa  sample  dengan  perbandingan  MDMO‐PPV  :  ZnO  sebesar  (3:7)  memiliki  efisiensi  yang  paling  tinggi.  Jika  dinandingkan  dengan  sebelum  proses  laminasi,  maka  setelah  proses  laminasi  efisiensi  yang  dihasilkan  hampir  10X lebih tinggi (dari 0,0132 % menjadi 0,129 %).    Untuk lebih meningkatkan efisiensi, dalam penelitian ini dicoba dilakukan  proses  annealing  lapisan  aktif.  Annealing  dilakukan  setelah  proses  spin  coating  lapisan aktif di dalam oven vakum pada temperatur 120 ºC selama 10 menit. Hasil  pengukuran I‐Vnya dapat dilihat pada Tabel 10.  Nilai efisiensi tertinggi diperoleh dari perbandingan MDMO‐PPV/ZnO dengan  komposisi (3:7), yaitu sekitar 0,238853 % pada sel ke 1, 0,214923 % pada sel ke 2,  0.118732 % pada sel ke 3 dan 0,206767 % pada sel ke 4. Dengan demikian dapat  disimpulkan  bahwa  dalam  penelitian  ini  perbandingan  komposisi  MDMO‐ PPV/ZnO (3:7) merupakan perbandingan komposisi paling baik dalam pembuatan  sel surya polimer hibrid menggunakan MDMO‐PPV/ZnO dengan proses annealing,  dengan  efisiensi  tertinggi  sebesar  0,238853  %.  Proses  annealing  mampu  meningkatkan efisiensi sel menjadi 2X lipat. Peningkatan efisiensi tersebut dapat  disebabkan  karena  proses  annealing  mampu  memperbaiki  struktur  lapisan  MDMO‐PPV/ZnO, sehingga kinerjanya dapat meningkat.  72

  Tabel  10.  Hasil  karakterisasi  listrik  sel  surya  polimer  hybrid  MDMO‐PPV  /ZnO  pada  komposisi  (7:3),  (1:1),  dan  (3:7)  setelah  proses  annealing  pada  temperatur 120 ºC selama 10 menit.    MDMO‐PPV  No  : ZnO  Eff  Isc  Voc  FF  1  7:3 (1)  0.057582  3.69E‐05  0.468734 0.880312  2  7:3 (2)  0.098198  4.88E‐05  0.938024 0.556418  3  7:3 (3)  0.123066  4.71E‐05  0.938071 0.740487  4  7:3 (4)  0.109568  4.32E‐05  0.978888 0.674688  5  1:1 (1)  0.008772  2.41E‐05  0.101184 0.926639  6  1:1 (2)  0.195707  5.23E‐05  0.978774 0.97754  7  1:1 (3)  0.017942  4.09E‐05  0.162482 0.720297  8  1:1 (4)  0.198407  5.98E‐05  0.978954 0.904864  9  3:7 (1)  0.238853  6.71E‐05  0.978796 0.937448  10  3:7 (2)  0.214923  7.26E‐05  0.978928 0.818806  11  3:7 (3)  0.118732  4.02E‐05  0.938081 0.818654  12  3:7 (4)  0.206767  6.56E‐05  0.978803 0.821199        Selain menggunakan substrat fleksibel, percobaan sel surya polimer hibrid  MDMO‐PPV/ZnO  ini  juga  dilakukan  di  atas  substrat  kaca.  Hasil  pengukuran  I‐V  tanpa  proses  annealing  dan  dengan  proses  annealing  sebelum  dan  sesudah  proses laminasi dapat dilihat pada Tabel 11, Tabel 12, Tabel 13 dan Tabel 14.  Tabel  11.  Hasil  karakterisasi  listrik  sel  surya  polimer  hybrid  MDMO‐PPV  /ZnO  di  atas substrat kaca pada komposisi (3:7), (1:1), dan (7:3) tanpa proses  annealing sebelum laminasi.    No  MDMO‐PPV : ZnO  Eff  Isc (A)  Voc (V)  FF  1  3:7 (1)  0,439385 5,11E‐05 0,978808 0,92123  2  3:7 (2)  0,444908 4,74E‐05 0,978811 0,99108  3  3:7 (3)  0,466453 5,36E‐05 0,979009 0,92805  4  3:7 (4)  0,16043 3,79E‐05 0,672531 0,66413  5  1:1 (1)  0,450907 4,98E‐05 0,978828 0,98928  6  1:1 (2)  0,150047 4,16E‐05 0,652208 0,57342  7  1:1 (3)  0,430121 4,74E‐05 0,978806 0,93292  8  1:1 (4)  0,427202 4,79E‐05 0,978814 0,96193  9  7:3 (1)  0,392694 4,84E‐05 0,978701 0,88183  10  7:3 (2)  0,409244 4,64E‐05 0,978801 0,95297  11  7:3 (3)  0,107467 3,67E‐05 0,488936 0,61736  12  7:3 (4)  0,408495 4,78E‐05 0,978784 0,92085   

73

Tabel  12.  Hasil  karakterisasi  listrik  sel  surya  polimer  hybrid  MDMO‐PPV  /ZnO  di  atas  substrat  kaca  pada  komposisi  (3:7),  (1:1),  dan  (7:3)  tanpa  proses  annealing setelah laminasi.  No  MDMO‐PPV : ZnO  Eff  Isc (A)  Voc (V)  FF  1  3:7 (1)  0,333535 4,22E‐05  0,978719 0,908696  2  3:7 (2)  0,01715  4,07E‐05  0,080823 0,592306  3  3:7 (3)  0,39066  4,47E‐05  0,978813 0,958335  4  3:7 (4)  0,346886 4,31E‐05  0,978704 0,918182  5  1:1 (1)  0,167421 3,15E‐05  0,733749 0,825764  6  1:1 (2)  0,331574 3,90E‐05  0,978779 0,987447  7  1:1 (3)  0,118902 3,62E‐05  0,509276 0,707647  8  1:1 (4)  0,125904 3,20E‐05  0,509269 0,883296  9  7:3 (1)  0,348238 4,49E‐05  0,978799 0,885571  10  7:3 (2)  0,045428 4,21E‐05  0,162252 0,740691  11  7:3 (3)  0,030143 6,74E‐05  0,080955 0,599591  12  7:3 (4)  0,084613 4,04E‐05  0,488798 0,476198    Tabel  13.  Hasil  karakterisasi  listrik  sel  surya  polimer  hybrid  MDMO‐PPV  /ZnO  di  atas  substrat  kaca  pada  komposisi  (3:7),  (1:1),  dan  (7:3)  dengan  proses  annealing pada temperatur 120 ºC selama 10 menit sebelum laminasi.    No  MDMO‐PPV : ZnO Eff  Isc (A)  Voc (V)  FF  1  3:7 (1)  0,120123 4,47E‐05 0,509417  0,55974  2  3:7 (2)  0,461017 5,31E‐05 0,978836  0,94823  3  3:7 (3)  0,174284 4,49E‐05 0,631873  0,64521  4  3:7 (4)  0,381798 4,27E‐05 0,978876  0,97329  5  1:1 (1)  0,429556 4,76E‐05 0,978644  0,97532  6  1:1 (2)  0,395851 4,34E‐05 0,978823  0,93015  7  1:1 (3)  0,220643 4,83E‐05 0,550412  0,90731  8  1:1 (4)  0,433944 5,31E‐05 0,978871  0,85158  9  7:3 (1)  0,40852 4,86E‐05 0,978764  0,92493  10  7:3 (2)  0,378001 4,83E‐05 0,978519  0,85219  11  7:3 (3)  0,391324 4,58E‐05 0,978768  0,95104  12  7:3 (4)  0,371395 5,90E‐05 0,795105  0,85605   

74

Tabel  14.  Hasil  karakterisasi  listrik  sel  surya  polimer  hybrid  MDMO‐PPV  /ZnO  di  atas  substrat  kaca  pada  komposisi  (3:7),  (1:1),  dan  (7:3)  dengan  proses  annealing pada temperatur 120 ºC selama 10 menit setelah laminasi.    No  MDMO‐PPV : ZnO  Eff  Isc (A)  Voc (V)  FF  1  3:7 (1)  0,439027 4,94E‐05  0,978738 0,955861  2  3:7 (2)  0,388804 4,66E‐05  0,978571 0,92171  3  3:7 (3)  0,497401 5,60E‐05  0,978743 0,934509  4  3:7 (4)  0,521177 6,24E‐05  0,978966 0,890868  5  1:1 (1)  0,421783 4,94E‐05  0,978731 0,945701  6  1:1 (2)  0,38104  4.42E‐05  0,978718 0,965866  7  1:1 (3)  0,513  5,62E‐05  0,978768 0,963984  8  1:1 (4)  0,429271 5,16E‐05  0,979033 0,923697  9  7:3 (1)  0,413664 4,76E‐05  0,978698 0,98621  10  7:3 (2)  0,230477 3,01E‐05  0,978824 0,862286  11  7:3 (3)  0,344598 4,32E‐05  0,978649 0,894626  12  7:3 (4)  0,405738 4,84E‐05  0,978676 0,928431    Sebelum  proses  laminasi  efisiensi  tertinggi  yang  diperoleh  adalah  0,466453  %, 0,450907 % dan 0,409244 % berturut‐turut untuk komposisi MDMO‐PPV:ZnO  (3:7),  (1:1),  dan  (7:3).  Adapun  setelah  proses  laminasi  efesiensi  yang  diperoleh  adalah 0,39066 %, 0,331574 %, dan 0,348238 %, masing‐masing pada komposisi  MDMO‐PPV:ZnO  (3:7),  (1:1),  dan  (7:3).  Efisiensi  tertinggi  dihasilkan  pada  komposisi (3:7) baik sebelum maupun setelah proses laminasi.    Dengan penambahan proses annealing pada temperatur 120 ºC selama 10  menit, sebelum proses laminasi efisiensi tertinggi yang diperoleh adalah 0,461017  %, 0,433944 % dan 0, 408520 % berturut‐turut untuk komposisi MDMO‐PPV:ZnO  (3:7),  (1:1),  dan  (7:3).  Adapun  setelah  proses  laminasi  efesiensi  yang  diperoleh  adalah  0,,521177  %,  0,513  %,  dan  0,413664  %,  masing‐masing  pada  komposisi  MDMO‐PPV:ZnO  (3:7),  (1:1),  dan  (7:3).  Efisiensi  tertinggi  juga  dihasilkan  pada  komposisi (3:7), baik sebelum maupun setelah proses laminasi.  Seperti  halnya  pada  substrat  fleksibel,  proses  annealing  juga  mampu  meningkatkan  efisiensi  sel  pada  substrat  kaca,  akan  tetapi  tidak  setinggi  pada  substrat fleksibel. Efiensi sel meningkat hanya sekitar 1,14X lipat.   

75

™ OUTPUT    (rencana sesuai yg tercantum dalam proposal)    NO.  OUTPUT  RENCANA  REALISASI  % CAPAIAN  1.   Publikasi Ilmiah        a. Jurnal Nasional  1 buah  1 buah 100  • Fabrication  of  bulk  heterojunction  polymer  solar  cells,  sudah  disubmit  dan  direview  di  Jurnal  Teknologi  Indonesia, IPT LIPI, 2013.     b. Jurnal Internasional  Tidak ada 1 buah  100  • Fabrication  of  Polymer  Solar  Cells  on  Flexible  Substrate.  Advanched  in  Materials, Processing and  Manufacturing  Journal,  Volume  789,  2013,  pp.112‐117.    1 buah  2 buah  100    c. Prosiding Internasion • Effect of the composition  of  P3HT‐ZnO  active  layer  on  the  electric  characteristics  and  performance  of  hybrid  polymer  solar  cell  on  flexible  substrate.  Prosiding  International  Seminar  Innovation  Research  for  Science,  Technology,  and  Culture,  NIST,  Serpong,  19‐20  november 2013.  • Hybrid  polymer  solar  cell  based  on  zinc  oxide  and  poly  (phenylene  vinylene).  Prosiding  Joint  Seminar  IMEN  PPET  LIPI,  Ciater,  21‐22  November  2013.      d. Prosiding nasional 1 buah  3 buah  100  • Studi Pengaruh Intensitas  Cahaya  Penyinaran  terhadap  Karakteristik 

KETERANGAN       

 

 

 

76

Listrik  Sel  Surya  Berbasis  Silikon  dan  Polimer.  Prosiding  Seminar  Nasional  Kimia  Terapan  Indonesia, HKI – P2K LIPI,  Solo 23 Mei 2013.  • Studi  Karakteristik  Listrik  Sel  Surya  Polimer  Hibrid  Berbasis  P3HT‐ZnO  di  atas  Substrat  Fleksibel.  Prosiding  Seminar  Fisika  dan  Aplikasinya,  ITS,  Surabaya 18 Juni 2013.  • Pengaruh  komposisi  campuran  P3HT‐ZnO  dan  proses  annealing  terhadap  karakteristik  listrik  dan  unjuk  kerja  sel  surya  polimer  Hibrid  di  atas  substrat  fleksibel.  Prosiding  Seminar  Nasional  IPT,  Yogyakarta  3 Oktober 2013.    2.   Contoh Produk  (jelaskan spesifikasi  lengkapnya)  • sel  surya  polimer  hybrid  MDMO‐PPV/ZnO efisiensi  0,521177 %.  • sel  surya  polimer  hybrid  P3HT/ZnO  efisiensi  0.002791 %  3.   HKI    a. Paten    b. Merk                       

2 buah 

2 buah 

100 

  

  Tidak ada Tidak ada

  ‐  ‐ 

  ‐  ‐ 

     

77

IX.

KESIMPULAN    Sebagaimana  yang  tercantum  dalam  Jadwal  Kegiatan,  sampai  dengan  tahap  III  ini  seluruh  kegiatan  yaitu  studi  literatur,  persiapan  bahan,  preparasi  peralatan  dan  masker,  percobaan  pelapisan  PEDOT:PSS,  percobaan  pembuatan  polimer  hybrid  MDMO‐PPV/ZnO,  percobaan  pelapisan  polimer  hybrid  MDMO‐ PPV/ZnO,  proses  pelapisan  kontak  Al,  percobaan  pembuatan  sel  surya,  dan  pengukuran kurva I‐V sel surya telah dilaksanakan semuanya. Meskipun demikian  hasil  yang  diperoleh  masih  jauh  dari  yang  diharapkan,  akan  tetapi  masih  lebih  baik dibandingkan dengan hasil sebelumnya.    Proses  annealing  dan  proses  laminasi  mampu  meningkatkan  efisiensi  sel  secara signifikan, baik pada campuran MDMO‐PPV/ZnO maupun pada P3HT/ZnO.  Efisiensi  sel  yang  menggunakan  substrat  kaca  lebih  tinggi  dibandingkan  dengan  sel yang menggunakan substrat fleksibel.    Nilai  efisiensi  tertinggi  untuk  sel  surya  polimer  hibrid  MDMO‐PPV/ZnO  dihasilkan  pada  komposisi  (3:7),  yaitu  sebesar  0,521177  %.  Untuk  sel  surya  polimer hibrid P3HT/ZnO efisiensi tertinggi dihasilkan pada komposisi (7:3), yaitu  sebesar 0.002791 %. 

  Daftar Pustaka :    1. M.  Priaulx,  “Solar  Cells  and  Nanotechnology”,  http://tahan.com/charlie/nanosociety/course201/  2. Frost and Sullivan, “Plastic solar cells”, Advanched Manufacturing Technology, 15  Juli 2007.  3. S.  Bush,  “Efficiency  of  spray‐on  polymer  solar  cell  hits  6%”,  electronics  weekly.com, 3 March 2009.  4. J.K.J.  van  Duren,  A.  Dhanabalan,  P.A.  van  Hal,  dan  R.A.J.  Janssen,  “Low‐bandgap  polymer photovoltaic cells”, Synthetic Metals, 121 (2001) 1587‐1588.  5. Y.  Kim,  S.A.  Choulis,  J.  Nelson,  dan  D.D.C.  Bradley,  “Composition  and  annealing  effects  in  polythiophene/fullerene  solar  cells”,  Journal  of  Material  Science,  40  (2005) 1371‐1376.  6. T.  Aernouts,  P.  Valaeke,  W.  Geens,  J.  Poortmans,  P.  Heremans,  S.  Borghs,  R.  Mertens,  Ronn  Andriessen,  dan  Luc  Leenders,  “Printable  anodes  for  flexible  organic solar cell modules”, Thin Solid Films, 451‐452 (2004) 22‐25.  7. Kumar,  G.  Li,  Z.  Hong,  dan  Y.  Yang,  “High  efficiency  polymer  solar  cells  with  vertically  modulated  nanoscale  morphology”,  Nanotechnology,  20  (2009)  5202‐ 5205.  8. J.K.J.  van  Duren,  A.  Dhanabalan,  P.A.  van  Hal,  dan  R.A.J.  Janssen,  “Low‐bandgap  polymer photovoltaic cells”, Synthetic Metals, 121 (2001) 1587‐1588.  9. G.  Li,  V.  Shrotriya,  J.  Huang,  Y.  Yaou,  T.  Moriarty,  K.  Emery,  dan  Y.  Yang,  “High‐ efficiency  solution  processable  polymer  photovoltaics  cells  by  self‐organization  polymer blends”, Nature Materials, 4 (2005) 864‐868.   10. Wanzhu  Cai,  Xiong  Gong,  and  Yong  Cao  (2010),  “Polymer  solar  cells:  Recent  development  and  possible  routes  for  improvement  in  the  performance”,  Solar  Energy Materials & Solar Cells, 94(2): 114‐127.  11. Attila J. Mozer and Niyazi S. Sariciftci (2006), “Conjugated polymer photovoltaic  devices and materials, C. R. Chimie, 9: 568–577. 

78

12. R.  Valaski,  C.D.  Canestraro,  L.  Micaroni,  R.M.Q.  Mello,  dan  L.S.  Roman,  “Organic 

13.

14.

15.

16.

17.

18.

photovoltaic  devices  based  on  polythiophene  films  electrodeposited  on  FTO  substrates”, Solar Energy Material and Solar Cells, 91 (2007)684‐688.  Ankit Kumar, Gang Li, Ziruo Hong, dan Yang Yang, “High efficiency polymer solar  cells with vertical modulated nanoscale morphology”, Nanotechnology, 20 (2009)  165202‐165206.  S.E.  Shaheen,  R.  Radspinner,  dan  N.  Peyghambarian,  “Fabrication  of  bulk  heterojunction  plastic  solar  cells  by  screen  printing”,  Appl.  Phys.  Lett,  70  (2001)  2996‐2998.  B.  Zhang,  H.  Chae,  dan  S.M.  Cho,  “Screen‐Printed  Polymer:Fullerene  Bulk‐ Heterojunction Solar Cells”, Japanese Journal of Applied Physics, 48 (2009) 020208  1‐3.  Y. Kim, S. Choulis, J. Nelson, D.D.C. Bradley, “Composition and annealing effects in  polythiophene/fullerene solar cells”, Journal of Materials Science, 40 (2005) 1171‐ 1376.  H. Hoppe, T. Glatzel, M. Niggemann, W. Schwinger, F. Schaeffler, A. Hinsch  M. Ch.  Lux‐Steiner,  N.S.  Sariciftci,  “Efficiency  limiting  morphological  factors  of  MDMO‐ PPV:PCBM plastic solar cells”, Thin Solid Films, 511 – 512 (2006) 587 – 592.  B. Schmidt‐Hansberg, H. Do, A. Colsmann, U. Lemmer, dan W. Schabel, “Drying of  thin film polymer solar cells”, Eur. Phys. J. Special Topics, 166 (2009) 49‐53. 

                                                     

79

                   

Rancang Bangun Antena Radar Pengawas  Pantai Menggunakan Teknologi Film  Tebal  Dr.Ir. Yuyu Wahyu, MT                                                           

80

LEMBAR PENGESAHAN    1.  Judul Kegiatan Penelitian  

: 

2. 

Kegiatan Prioritas 

: 

3.      4.  5.  6.       

Peneliti Utama  Nama    Jenis Kelamin    Sifat Penelitian  Lama Penelitian  Biaya Total 2013 

:  :  :  :  :  : 

Rancang  Bangun  Antena  Radar  Pengawas  Pantai Menggunkan Teknologi Film Tebal  Penelitian,  Penguasaan,  dan  Pemanfaatan  Iptek  (P3‐IPTEK)     Dr. Ir. Yuyu Wahyu, MT  Laki‐laki  Baru/Lanjutan       Tahun ke 1  1 ( Satu) Tahun  Rp. 170.721.000,‐    

Bandung,   20 Desember 2013    Peneliti Utama     

Ketua PME PPET LIPI, 

Dr. Purwoko Adhi, DEA  NIP. 19670911 198701 1 001 

Dr. Ir. Yuyu Wahyu, MT   NIP. 19620210 199103 1 008   

81

ABSTRAK  Radar  pengawas  pantai  (ISRA)  yang  telah  dibuat  menggunakan  antena  dengan  teknologi  mikrostrip  dengan  bahan  PCB  berupa  Duroid/  RT‐  5880,  bekerja  pada  frekuensi  9,4  GHz  dan  dimensi  permodul  sekitar  panjang  20  cm  dan  lebar  9  cm.  Modul  yang  diperlukan  untuk  sistem  pemancar  atau  penerima  pada  sistem  radar  ISRA sekitar 8 modul. Dengan demikian dimensi total antena sekitar 160 cm x 9 cm,  apabila ditambah dengan reflector sekitar 160 cm x 60 cm. Pada kegiatan penelitian  ini  dilakukan  pembuatan  antena  menggunakan  teknologi  film  tebaldan  menggunakan bahan PCB berupa subtrat alumina (Al203) yang mempunyai konstanta  dielktrik relatif sekitar 9,6. Karena dimensi antena berbanding terbalik dengan akar  dari  konstanta  dielektrik  relatif,  maka  dimensi  antena  akan  berkurang  sampai  dengan  sekitar  setengah  dari  dimensi  semula  atau  dimensi  keseluruhan  sistem  antena  ditambah  dengan  reflektor  sekitar  80  cm  x  30  cm.  Dengan  demikian  akan  mengurangi bobot sistem mekaniknya yang selama ini merupakan kendala.    Kata kunci: Antena, Radar, Thick Film      8. PENDAHULUAN  8.1 Latar Belakang Masalah  Indonesia  memiliki  sekitar  18.000  pulau  tidak  dapat  sepenuhnya  dipantau  oleh  armada pertahanan Indonesia, itu adalah masalah besar mengingat banyaknya hasil  alam Indonesia dari luas sehingga tidak mudah bagi manusia untuk terus memantau  dan  melestarikan  dan  melindungi  warisan  negara  berlimpah.  Oleh  karena  itu  kita  membutuhkan  alat  yang  dapat  mendeteksi  objek  yang  berada  di  wilayah  perairan  Indonesia yang lebih dari 1/3 bagian adalah wilayah pesisir.     Alat  yang  dapat  berfungsi  sebagai pemancar  dan  penerima  disebut  antena.  Antena  adalah  alat  yang  digunakan  untuk  mengirimkan  gelombang  mikro  melalui  udara.  Antena  mikrostrip  cocok  karena  merupakan  salah  satu  antena  gelombang  mikro  yang  digunakan  sebagai  radiator  yang  efisien  pada  banyak  sistem  telekomunikasi  modern saat ini.     Radar  pengawas  pantai  menggunakan  teknologi  FM‐CW  (frequency  modulated  continuous  wave)  dikarenakan  radar  jenis  ini  memiliki  keunggulan‐keunggulan  antara  lain,  biaya  operasional  dan  pemeliharaan  (maintenance)  rendah,  konsumsi  daya  kecil,  ukuran  relatif  kecil,  jangkauan  deteksi  cukup  jauh  dan  tidak  mudah  diketahui oleh pihak lain akan pancaran sinyal radar‐nya (low probability of intercept  = LPI).    Secara  keseluruhan  blok  diagram  dari  sistem  Radar  Pengawas  Pantai  yang  menggunakan  teknologi  FM‐CW  (frequency  modulated  –  continuous  wave)  yang  dikerjakan di PPET‐LIPI dapat ditunjukkan oleh Gambar‐1 berikut ini. 

82

  Gambar‐1. Blok diagram sistem radar pengawas pantai FM‐CW.    Bagian pembangkit frekuensi (frequency generator) merupakan ‘jantung’ dari sistem  penerima  radar  ini  dimana  input  sinyal  untuk  bagian  pemancar  berasal  dari  bagian  ini.  Sedangkan  untuk  bagian  penerima,  input  sinyal  berasal  dari  pembangkit  frekuensi  dan  dari  antena  penerima.  Bagian  pemancar  mengirimkan  sinyal  Radar  yang  telah  diperkuat  ke  bagian  antena  untuk  diteruskan  ke  obyek‐obyek  yang  diamati. Pantulan (refleksi) dari obyek‐obyek yang diamati akan diterima oleh antena  dan kemudian diteruskan ke bagian penerima untuk mendapatkan sinyal perbedaan  antara  yang  dikirim  dan  yang  diterima.  Komputer  (PC)  akan  mengolah  sinyal  perbedaan  ini  untuk  mendeteksi  jangkauan,  posisi  dan  kecepatan  obyek,  dimana  informasi ini akan ditunjukkan pada tampilan (displai/monitor).   

System antena tampak depan

System antena tampak belakang 

  Gambar‐2. Sistem antena radar pengawas pantai versi lama. 

 

  Dalam  penelitian  ini,  perancangan  radar  pengawas  pantai  menggunakan  teknologi  planar  dan  tidak  menggunakan  reflektor  sebagai  penguat  gain  dan  mengecilkan  beamwidth.  Perancangan  yang  baru  ini  menggunakan  air  gap  untuk  mengurangi  isolasi yang ditimbulkan antena. Antara antena pemancar dan penerima.     

83

     

    Gambar‐3. Sistem antena radar pengawas pantai versi baru.    Salah  satu  masalah  yang  dihadapi  radar  ISRA  adalah  dimensi  yang  besar  sehingga  memberikan bobot sekitar 150 kg. Dimensi casing sistem antena saat ini panjang 160  cm,  lebar  60  cm  dan  tebal  30  cm  yang  menggunakan  modul  antena  menggunakan  bahan PCB berupa Duroid/RT 5880 (konstanta dilektrik εr = 2,2) mempunyai dimensi  20  cm  x  9  cm.  Hal  ini  sangat  tidak  praktis,  salah  satu  solusi  untuk  menurunkan  dimensi adalah memperbesar konstanta dilektrik. Diantaranya adalah menggantikan  bahan  PCB  menjadi  substrat  Alumina  memiliki  dielektrik  εr  konstan  =  9,6  (5%).  Dengan demikian, dimensi akan menjadi sekitar setengah dari ukuran aslinya sebagai  dimensi  berbanding  terbalik  dengan  akar  konstanta  dielektrik.  Mengurangi  dimensi  akan  memberikan  biaya  yang  lebih  rendah,  dan  akan  lebih  praktis  dan  kompak,  Namun,  alumina  96%  memiliki  "kerugian  tangen"  relatif  besar  (0,0010),  sehingga  mempengaruhi  disipasi  daya.  nilai  εr  pada  alumina  mengakibatkan  pengurangan  ukuran volume antena.   

84

Gambar‐4. Kepingan Alumina yang digunakan. 

 

  8.2 Perumusan Masalah  a. Melakukan  perancangan,  simulasi  dan  realisasi  antena  mikrostrip  menggunakan subtrat alumina dengan teknologi film tebal pada frekuensi 9,4  GHz.  b. Pemanfaatan antena tersebut pada poin a untuk radar pengawas pantai (ISRA)  sehingga dapat mengurangi dimensi sistem antena ISRA sekitar setengahnya.      9. TUJUAN DAN SASARAN  9.1 Tujuan  Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  melakukan  perancangan,  simulasi    dan  realisasi  antena  mikrostrip  menggunakan  subtrat  alumina  dengan  teknologi  film tebal untuk aplikasi radar pengawas pantai ISRA.    9.2 Sasaran  Sasaran  kegiatan  penelitian  ini  adalah  perancangan,  simulasi  dan  pembuatan  modul  antena  menggunakan  subtrat  alumina yang  bekerja  pada  frekuensi  X  ‐  band  untuk  aplikasi  radar  pengawas  pantai  ISRA.  Satu  modul  mempunyai  susunan  8  buah  patch  antena  mikrostrip,  mempunyai  gain  sekitar  15  dB,  bandwidth  60  MHz  pada  VSWR  1,5  dan  beamwidth  sekitar  9  derajat.  Untuk  mendapatkan  Beamwidth  azimut  <1  derajat  dan  elevasi  <20  derajat,  dibutuhkan susunan array antena patch sebanyak 8 modul.      10. METODE  Dalam kegiatan penelitian ini, metodologi yang digunakan adalah:  • Perancangan antena : melakukan perhitungan sehingga menghasilkan dimensi  antena sementara  • Simulasi  :  melakukan  eksperimen  hasil  perhitungan  menggunakan  perangkat  lunak sehingga mengasilkan gambar yang siap untuk di‐screen printing  • Karakterisasi proses film tebal untuk antena menggunakan furnace  • Realisasi  :  melakukan  screen  printing  diatas  alumina  menggunakan  pasta  konduktor dan pembakaran di dalam furnace pada suhu sekitar 850 derajat.  • Penyambungan feeder antena dengan konektor SMA 

85

•

Pengukuran  :  melakukan  pengukuran  VSWR  menggunakan  VNA  (vector  network  analyzer);  Polaradiasi,  palarisasi  dan  gain  dilakukan  menggunakan  spektrum analyzer, antena referensi dan signal generator  • Seminar dan Publikasi      11. RENCANA CAPAIAN, HASIL, DAN PEMBAHASAN  11.1 Rencana Capaian      Jadwal  Kegiatan  2013    B U L A N  No  Tahapan Kegiatan  1 1  2  3  4  5  6  7  8  9  0  1. Perancangan  antena 1 modul (susunan                      antena 8 patch)  2. Simulasi antena 1                      modul   3. Simulasi Antena 8                      modul   4. Fabrikasi antena                      1 modul   5. Fabrikasi antena                      8 modul   6. Pengukuran                      7. Publikasi Ilmiah                          11.2 Hasil dan Pembahasan  Spesifikasi antena yang dibuat adalah sebagai berikut  − Frekuensi     :  9,4 GHz (X‐Band)  − Bandwidth    :  ≥ 60 MHz  − Material     :  96% Aluminia  − Tebal substrat    :  0.639 mm  − Beamwidth Azimut  :  ≤ 2,5˚  − Beamwidth Elevasi  :  ≤ 30˚  − Impedansi    :  50 Ohm  − VSWR      :  ≤ 1.5  − Return Loss    :  ≤ ‐14 dB  − Polaradiasi    :  Unidireksional  − Polaisasi     :  Linier    Sifat – sifat bahan PCB alumina  • Tahan  korosi,  sifat  tahan  korosi  dari  aluminium  ini  diperoleh  karena  terbentuknya  lapisan  aluminium  oksida  pada  permukaan  aluminium.  Lapisan  86

1 1 

1 2   

             

           

• •

•  

ini  membuat  Al  tahan  korosi  tetapi  sekaligus  sukar  dilas,  karena  perbedaan  melting  point  (titik  lebur).  Aluminium  umumnya  melebur  pada  temperature  2000°C.  Penghantar listrik dan panas yang baik  Mudah  difabrikasi/dibentuk,  sifat  lain  yang  menguntungkan  dari  aluminium  adalah sangat mudah difabrikasi, dapat dituang (dicor) dengan cara penuangan  apapun.  Dapat  ditempa  menjadi  lembaran,  ditarik  menjadi  kawat  dan  diekstrusi menjadi batangan dengan bermacam‐macam penampang.  Tipis dan gampang retak seperti cangkang telur. 

 

    4.2.1 1 (Satu) Modul Susunan Antena 8 Patch  a. Perhitungan dimensi    ‐ Menghitung lebar patch     = 6,928 mm    

 

         

  ‐ Menghitung panjang patch  =5,014 mm   

 

 

 

 

 

         

87

Karena nilai w/h=6,928/0,7 = 10,8 (w/h > 1), maka kita menggunakan  persamaaan      ε eff =

εr +1 2

+

ε r − 1 ⎡⎛ ⎢ 2

12 h ⎞ ⎜1 + ⎟ W ⎠ ⎢⎣ ⎝

2

⎤ ⎥ ⎥⎦  

‐ Menghitung lebar groundplane  W  = Wpatch + 6(h) = 6,928 + 6 (0,639) = 10,76 mm    ‐ Menghitung panjang groundplane  L = Lpatch + 6 (h) = 5,014 + 6 (0,639) = 8,84 mm  ‐ Menghitung lebar stripline  + 0,39 + 

 =  0,6372 mm 

  ‐ Menghitung panjang stripline   L stripline =   =   mm    Dari  hasil  perhitungan  –  perhitungan  di  atas  diperoleh  data  parameter  antena  mikrostrip:       Tabel‐1. dimensi single antena  No. Parameter  Hasil  1.  W (Lebar Patch)  6,928 mm  2.  L (Panjang Patch)  5,014 mm  3.  W pround plane  10,76 mm  4.  L Ground Plane  8,84 mm  5.  W Stript Line  0,6372 mm  6.  L Stript Line  2,57 mm    Jika di ilustrasikan pada gambar, maka akan seperti :                                   Gambar‐5. struktur antena single patch  88

  b.  Simulasi 1 modul  Pada tahap awal ini dilakukan simulasi dan optimasi antena 1 modul susunan antena  8 patch menggunakan perangkat lunak CST Microwave 2012, Hasil optimasi dalam 1  modul  antena  memiliki  panjang  92,8  mm  dan  lebar  15  mm.  setiap  patch  memiliki  panjang  7  mm  dan  lebar  4,28  mm.  Selain  itu  hasil  simulasi  S11,  VSWR,  bandwidth,  impedansi,  polaradiasi  dan  gain  dapat  dilihat  pada  Gambar‐7  s.d  Gambar‐10  dan  tabel‐2   

  Gambar‐6. Tampilan simulasi antena alumina tampak depan   

 

Gambar‐7. Hasil simulasi Return loss S11   

 

Gambar‐8. Hasil simulasi VSWR  Tabel‐2. VSWR  Parameter  VSWR  89

9,3457 GHz  9.4 GHz  9,4436 GHz 

1,5  1,055  1,5   

Gambar‐9. Hasil simulasi impedansi   

Gambar‐10. Hasil simulasi gain     

 

 

    Gambar‐11.  Hasil simulasi gain antena 1 modul     

90

 

    Gambar‐12.  Hasil simulasi HPBW sudut azimuth     

91

 

 

  Gambar‐13.  Hasil simulasi HPBW sudut elevasi     

Gambar‐14.  Hasil simulasi 3dB E – field   

Gambar‐15.  Hasil simulasi 3dB H – field 

 

 

    92

Analisa hasil simulasi S11, VSWR, Bandwidth, Impedansi, Polaradiasi, Gain and HPBW  :  • Keseluruhan  antena,  Dalam  1  modul  antena  memiliki  panjang  92,8  mm  dan  lebar 15 mm. Setiap patch memiliki panjang 7 mm dan lebar 4,28 mm.  • Nilai Return loss S11 pada frekuensi 9,4 GHz sebesar ‐31,3 dB.  • Nilai VSWR yang diperoleh sebesar 1,05.  • Dari  hasil  VSWR  dapat  dilihat  bahwa  lebar  bandwidth  97,9  MHz  untuk  VSWR  minimum <1,5.  • Nilai  impedansi  yang  diperoleh  untuk  frekuensi  9,4  GHz  pada  48,050502  ‐  j1.823181 Ohm. Nilai impedansi mendekati 50 Ohm.  • Gain antena dari 1 modul 12.37 dB.  • Besar dari HPBW (3 dB) sudut azimuth pada frekuensi 9,4 GHz untuk 1 modul  antena menghasilkan 97.9˚ .  • Besar  dari  HPBW  (3  dB)  sudut  elevasi  pada  frekuensi  9,4  GHz  untuk  1  modul  antena menghasilkan 17.9˚  • Dari hasil simulasi E – Field and H – Field didapat bahwa arah pancar medan E   dan medan H dari bagian sumber berjalan melalui garis strip menuju ke 8 patch  yang  seragam.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa  sedikit  delay  yang  terjadi  ketika  antena memancarkan gelombang mikro.      c. Fabrikasi 1 Modul Antena   Pada  proses  fabrikasi  antena  ini  menggunkan  teknologi  film  tebal,  dengan  proses  sebagai berikut :  1. Pembuatan screen (negatif film)  2. Pencetakan (printing)  3. Pengeringan (drying)  4. Pembakaran (firing)   

Gambar‐16.  1 modul antena 

 

    c.  Pengukuran 1 Modul Antena   Pengukuran menggunakan alat ukur berupa network analyzer yang beroperasi pada  frekuensi 50Mhz– 20GHz, dengan hasil ukur sebagai berikut :   

93

Gambar‐17. Hasil Pengukuran VSWR    

Gambar ‐18. Hasil Pengukuran Return loss   

 

 

94

  Gambar‐19. Hasil Pengukuran Impedansi prototype 1 modul antena    Dari  pengukuran  VSWR  prototype  1  modul  antenna  didapat  nilai  VSWR  8,4  GHz  ini  berarti  bergeser  1  GHz.  Hal  ini  di  karenakan  pencetakan  material  konduktor  ke  alumina kurang presisi dari ukuran yang sudah di simulasikan. Oleh karena itu pada  proses  fabrikasi  selanjutnya  dilakukan  pencetakan  dengan  ketelitian  yang  benar‐ benar teliti, sehingga kepresisi sesuai dengan simulasi.      d.  Simulasi 8 modul  Pada  tahap  berikutnya  dilakukan  simulasi  dan  optimasi  antena  8  modul  menggunakan perangkat lunak CST Microwave 2012, Hasil optimasi dalam 8 modul  adalah sebagai berikut :   

Gambar‐20. Simulasi antena 8 modul 

 

95

Gambar‐21. Gain antena dari 4 x 8 modul 26,83 dB   

 

  Gambar‐22. HPBW (3 dB) sudut azimuth 4 x 8 modul pada frekuensi 9,4 GHz  menghasilkan 26.9˚ .     

 

96

    Gambar‐23. HPBW (3 dB) sudut elevasi 4 x 8 modul pada frekuensi 9,4 GHz  menghasilkan 2.1˚ .     

Gambar‐24. Gain antena dari 4 x 12 modul 28,65 dB       

 

97

    Gambar‐25. HPBW (3 dB) sudut azimuth 4 x 12 modul pada frekuensi 9,4 GHz  menghasilkan 26.9˚ .     

    Gambar‐26. HPBW (3 dB) sudut elevasi 4 x 12 modul pada frekuensi 9,4 GHz  menghasilkan 1˚ .  e.  Fabrikasi dan Hasil Pengukuran 8 Modul Antena   Fabrikasi  antena  8  modul  di  susun  array  ini  bertujuan  untuk  melihat  memper  kecil  beamwidth.  Untuk  pencatuan  konektor  menggunakan  metode  insert  feed.  Hasil  fabrikasi antena dan pengukuran dapat dilihat pada gambar dibawah ini. 

98

 

Gambar‐27. 8 modul antena      

 

  Gambar‐28. Hasil Pengukuran VSWR 8 Modul antena     

99

  Gambar‐29. Hasil Pengukuran Return loss 8 Modul antena   

  Gambar‐30. Hasil Pengukuran Impedansi 8 Modul antena    Dari pengukuran VSWR antena yang dilakukan mendapatkan nilai VSWR yang sesuai  dengan  harapan  sebesar  1.02  dan  bandwidth  73  MHz  dengan  menghasilkan  gain  sebesar 26,83 dB.      ™ OUTPUT    (rencana sesuai yg tercantum dalam proposal)   

100

NO.  OUTPUT  4.   Publikasi Ilmiah  e. Jurnal Nasional 

RENCANA  ‐ 

REALISASI  ‐ 

% CAPAIAN  KETERANGAN  ‐  Jelaskan judul  makalah, penulis,  No. ISSN/ISBN,  tempat dan tahun  diterbitkan  ‐  Jelaskan judul  makalah, penulis,  No. ISSN/ISBN,  tempat dan tahun  diterbitkan  100  Seminar radar  (ICRAMET) 2013  ‐  Jelaskan judul  makalah, penulis,  No. ISSN/ISBN,  tempat dan tahun  diterbitkan  100  Pembuatan  antena  

 

f. Jurnal Internasional 

‐ 

‐ 

 

g. Prosiding  Internasional  h. Prosiding Nasional 

1 buah 

1 

‐ 

‐ 

1 unit 

1 

  ‐ 

  ‐ 

  ‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

 

  Contoh Produk  (jelaskan spesifikasi  lengkapnya)  6.   HKI    c. Paten  5.

 

d. Merk 

  No. daftar, tgl    No. daftar, tgl     

  dst  ‐  ‐  ‐      12. KENDALA DAN PERMASALAHAN    − Pemunduran  tibanya  komponen  yang  semula dijadwalkan.  Namun  demikian  proses kegiatan masih sesuai jadwal.  − Pada  proses  simulasi  membutuhkann  waktu  lama  untuk  mempercepat  dilakukan pembelian modul GPU (Grafik prosesing Unit)  − Pengeboran  lubang  menggunakan  bor  biasa  untuk  dudukan  konektor  pada  alumina  sering  pecah  maka  mata  bornya  di  ganti  dengan  mata  bor  berlian/diamond.  − Ketebalan  konduktor  tembaga  peradiasi  yang  susah  ditentukan,  hal  ini  dikarenakan  ketebalan  screen  yang  sukar  di  ketahui.  Sehingga  apa  bila  dilakukan  screen  sebanyak  1  lapisan,  menghasilkan  0.02  mm,  dan  2  kali  screen  menghasilkan  ketebalan  0.04  mm.  sedangkan  dalam  perhitungan  perancangan dan simulasi 0.035 mm. hal tersebut mengakibatkan pergeseran  frekuensi.        101

13. KESIMPULAN  • Telah  dilakukan  simulasi  menggunakan  perangkat  lunak  CST  Microwave  2012  dan  direlisasi  menggunakan  teknologi  film  tebal  berupa  antena   1  modul,  dengan hasil ukur sebagai berikut :  9 Nilai Return loss S11 pada frekuensi 9,31 GHz pada ‐33,3 dB.  9 Nilai  VSWR  pada  frekuensi  9,31  GHz  yang  diperoleh  dalam  simulasi,  sebesar 1,021.  9 Nilai  impedansi  yang  diperoleh  dari  hasil  simulasi  untuk  frekuensi  9,31  GHz pada 43,32 ‐ j1.8 Ohm.  • Telah  direalisasikan  antena  8  modul  dengan  hasil  pengukuran  antena  adalah  gain sebesar 26,83 dB, VSWR sebesar 1.02 dan bandwidth 73 MHz.  • Tidak  terpengaruh  terhadap  temperature  tinggi  yang  di  akibatkan  oleh  lingkungan,  hal  ini  dikarenakan  material  Alumina  tersebut  diproses  pada  pembakaran bersuhu 850°C.      14. DAFTAR PUSTAKA    [1].   M.I. Skolnik, ’Radar Handbook’, McGraw‐Hill, 1990.  [2].   M.I. Skolnik, ’Introduction to Radar Systems’, McGraw‐Hill, 2002.  [3].   S. Kingsley and S. Quegan, ’Understanding Radar Systems’, CHIPS.  [4].  Leo  P.  Ligthart,  ’Short  Course  on  Radar  Technologies’,  International  Research  Centre  for  Telecommunications‐transmission  and  Radar,  TU  Delft,  September  2005.  [5].   Balanis, Constantine A, 2005, Antena Theory Analysis and Design, 3rd edition,  Willey Inc, hal 1–84.   [6].  Garge Ramesh, 2000, Microstrip Antena Design Handbook, Artech House, hal.  1‐30.   [7].  Kumar Girish, 2003, Broadband Microstrip Antenas, Artech House, hal. 1‐45.   [8].   James JR dan Hall PS, 1989, Handbook of Microstrip Antenas, 1st edition, Peter  Peregrinus Ltd, hal. 58‐82.  [9].   Venkataraman, Jayanti, 26 Oktober 2009, Rectangular Microstrip Patch antena  with  Designer,  http://www.rit.edu/kgcoe/eta/docs/Designer‐EMPlanar‐ Tutorial.pdf. 

102

Lampiran      Seminar Radar (ICRAMET) 2013  27 & 28 Maret 2013  Array Planar Antena Using Thick  Film on Alumina Substrate for X band Radar  Yuyu Wahyu1, Yussi Perdana Saputera2 I Dewa Putu Hermida3  123 Research Centre for Electronics and Telecommmunications  of the Indonesian Institute of Sciences (PPET‐LIPI)  Email : [email protected], [email protected], [email protected]  123Kampus LIPI Jl. Sangkuriang Bandung – Indonesia      Abstract— We conducted a research of the radar antena. This research focuses on  the  manufacturing  of  microstrip  antena  using  thick    film  as  part  of  the  patch  conductor  material  in  paste  on  alumina  (Al203).  This  antena  is  designed  at  a  frequency of 9.4 GHz. Alumina material is used because these materials can produce  small  dimensions,  so  the  overall  planar  antena  radar  system  dimension  is  smaller  than  previous  research.  This  is  because  the    sufficiently  large  relative  permittivity  insulation,  namely  the  use  of  dielectric  materials  εr  =  9.6.  Antena  design  aims  to  x  band  radar  applications.  The  designed  antena  has  8  square  patch  array  in  the  first  module, and structured planar 8 ‐ 12 modules sideways  and 4 modules  down, both  for the transmitter and receiver. Antena design and simulation results illustrate that  the  antena  Rectangular  Patch  Array  for  Radar  Applications  has  characteristics  that  work on frequencies 9.4 GHz, 97.9 MHz for Bandwidth at VSWR ≤ 1.5, 12 dBi for gain,  linear polarization and unidirectional radiation pattern.  Keywords : Radar; Array; Planar and Alumina 

103

                   

Pemanfaatan dan Pemasangan Radar  Pengawas Pantai  Ir. Mashury, M.Eng                                                               

104

LEMBAR PENGESAHAN    1.  Judul Kegiatan Penelitian  

: 

2. 

Kegiatan Prioritas 

: 

3.      4.  5.  6.       

Peneliti Utama  Nama    Jenis Kelamin    Sifat Penelitian  Lama Penelitian  Biaya Total 2013 

  :  :  :  :  : 

Pemanfaatan dan Pemasangan Radar  Pengawas Pantai  Penelitian, Penguasaan, dan Pemanfaatan  Iptek  (P3‐IPTEK)     Ir. Mashury, M.Eng  Laki‐laki  Baru/Lanjutan  Tahun ke 3  1 ( Satu) Tahun (SBK, diulangi setiap tahun)  Rp. 1.127.115.000,‐    

Bandung,   20 Desember 2013    Peneliti Utama   

Ketua PME PPET LIPI, 

Dr. Purwoko Adhi, DEA  NIP. 1967 0911198701 1 001 

Dr. Mashury   NIP. 19680408 199303 1 007         

105

ABSTRAK  Rancang bangun sebuah prototip radar pengawas pantai (Coastal Surveillance Radar)  yang  dinamakan  ISRA  (Indonesian  Surveillance    Radar)  dilakukan  dalam  kegiatan  penelitian ini. Setelah dilakukan rancang bangun, maka dilakukan pengetesan Radar  ISRA di dalam laboratorium dan di lapangan yang berdekatan dengan wilayah pantai.  Setelah  dilakukan  perbaikan  kinerja  berdasarkan  hasil  pengetesan,  selanjutnya  dilaksanakan  sertifikasi  radar  oleh  pihak‐pihak  berwenang  di  dalam  negeri.  Radar  pengawas  pantai  ISRA  ini  akan  terkoneksi  dalam  suatu  jaringan  sehingga  bisa  dimonitor  secara  jarak  jauh  dari  Jakarta  atau  Bandung.  Pemanfaatan  dan  pemasangan Radar ISRA ini akan membantu pemerintah dalam pengawasan wilayah  perairan  Negara  Kesatuan  Republik  Indonesia  (NKRI)  karena  Indonesia  memiliki  panjang pantai lebih dari 80.000 km. Tindakan ilegal di wilayah perairan NKRI dapat  dikurangi melalui pengawasan menggunakan Radar ISRA ini.     Kata kunci: Jaringan radar, radar pengawas pantai ISRA, sertifikasi, wilayah perairan.      15. PENDAHULUAN  15.1 Latar Belakang Masalah  Pengamanan  dan  pengawasan  wilayah  Negara  Kesatuan  Republik  Indonesia  (NKRI)  yang  terdiri  dari  lebih  17.000  pulau  dengan  2/3  wilayah  terdiri  dari  lautan  akan  memerlukan  aparat  dan  peralatan  yang  berjumlah  sangat  besar.  Indonesia  juga  merupakan  salah  satu  negara  dengan  panjang  pantai  terbesar  didunia  yaitu  lebih  dari  80.000  Km.  Pada  kenyataannya,  kemampuan  TNI‐AL  dan  POLRI  untuk  mengawasi  wilayah  RI  sangat  terbatas  sehingga  wilayah  perairan  Indonesia  rawan  akan pencurian ikan, pelanggaran wilayah oleh kapal‐kapal asing, pembajakan kapal  laut  dan  penyelundupan.  Salah  satu  cara  untuk  meningkatkan  kemampuan  aparat  pemerintah  dalam  mengawasi  dan  mengamankan  wilayah  adalah  dengan  menggunakan  radar  pengawas  pantai  untuk  mengawasi  pergerakan  kapal  laut  sehingga  dapat  dicegah  tindakan‐tindakan  yang  dapat  merugikan  NKRI  dan  juga  tabrakan kapal apabila hendak merapat ke pelabuhan. Pemasangan radar pengawas  pantai daya besar (high power) di kapal atau dipinggir daratan (sekitar pantai) dapat  digunakan untuk mengawasi wilayah laut yang luas sampai beberapa puluh mil laut.    Berdasarkan  uraian  diatas  maka  penggunaan  radar  sangat  penting  untuk  pengawasan  dan  pengamanan  wilayah  perairan  NKRI.  Kemandirian  bangsa  dalam  pembuatan  radar  akan  sangat  membantu  dalam  penyediaan  radar  didalam  negeri.  Hal  ini  didukung  oleh  kenyataan  bahwa  kondisi  perekonomian  bangsa  yang  sedang  terpuruk  ini  tidak  memungkinkan  pemerintah  untuk  membeli  peralatan  radar  dari  luar  negeri  yang  umumnya  bernilai  sangat  mahal  (dari  U$100.000  sampai  dengan  jutaan U$ dollar). Hal ini ditambah dengan sulitnya mekanisme pembelian radar yang  sifatnya strategis dibidang pertahanan dan keamanan.    Gambar‐1  memperlihatkan  contoh  radar  pengawas  pantai  dan  aplikasinya  dalam  pengawasan  pelabuhan  (pengaturan  lalu  lintas  kapal,  pencegahan  perusakan  terhadap laut, penanggulangan kecelakaan diperairan, pencegahan penyelundupan,  pencegahan pencurian ikan, dll) 

106

 

Gambar 1. Berbagai fungsi dari Radar pengawas pantai  

 

  Ilustrasi  pemakaian  radar  pengawas  pantai  untuk  pengawasan  wilayah  perairan  sekitar  Selat  Sunda  ditunjukkan  pada  Gambar‐2.  Diasumsikan  ada  tiga  buah  Radar  yang  terhubung  melalui  satu  jaringan.  Dalam  gambar  ini,  daerah  jangkauan  Radar  ditentukan  oleh  kemampuan  daya  pancar,  ketinggian  menara  dan  polarisasi  dari  antena [1, 2, 3, 4]. Penggunaan jaringan Radar Pengawas Pantai memungkinkan lalu  lintas  kapal  disekitar  Selat  Sunda  dan  yang  menuju  atau  dari  Pelabuhan  Tanjung  Priok dapat diamati.     Pusat  Penelitian  Elektronika  dan  Telekomunikasi  LIPI  telah  membuat  satu  prototip  Radar Pengawas Pantai pada kurun waktu tahun 2009‐2011. Pada tahun 2010, telah  dibuat prototip ke 2 yang merupakan prototip versi komersial/produksi, sementara  prototip I adalah untuk demo sedangkan prototip III untuk versi transportable.     Blok diagram Radar frequency modulated‐continuous wave (FM‐CW) yang digunakan  pada prototip radar PPET‐LIPI diperlihatkan pada Gambar‐3 [1, 4]. Sistem Radar FM‐ CW  ini  terbagi  atas  dua  bagian  utama  yaitu  transmitter  (pemancar)  dan  receiver  (penerima).  Hasil  deteksi  Radar  akan  ditampilkan  oleh  Display  unit  yang  mengolah  sinyal/data  yang  diterima  dari  bagian  Receiver  menjadi  suatu  gambar  yang  dapat  diinterpretasikan dengan mudah oleh pengguna [5, 6, 7‐18]. Pengolahan sinyal Radar  ini  dilakukan  oleh  sebuah  komputer  yang  berkemampuan  tinggi  sehingga  semua  proses  dilakukan  secara  real  time  untuk  menghindari  adanya  penundaan  (delay).  Seiring  dengan  kemajuan  teknologi  Radar,  peranan  perangkat  lunak  untuk  pengolahan sinyal menjadi semakin penting (vital) [5, 6, 7‐18]. Tampilan dari Radar  akan disesuaikan dengan kelaziman yang berlaku pada Radar Pengawas Pantai yang  telah  dijual  dipasaran,  yaitu  antara  lain  mengikuti  regulasi  International  Maritime  Organization  (IMO)  dan  menampilkan  parameter‐parameter  penting  dari  Radar  sebagai  informasi  untuk  pengguna.  Terdapat  dua  antena  yang  masing‐masing  digunakan untuk memancarkan sinyal Radar ke obyek yang ingin diamati dan untuk  menerima sinyal Radar yang dipantulkan oleh obyek. Antenna control yang berfungsi  untuk  mengatur  agar  gerakan  antenna  sesuai  dengan  tampilan  dilayar  dari  Display  107

unit.  Pembangkit  frekuensi  (frequency  generator)  berfungsi  untuk  membangkitkan  sinyal sweep, memberikan input sinyal osilator (local oscillator) frekuensi rendah dan  tinggi  ke  bagian  pemancar  dan  penerima,  serta  menghasilkan  sinyal  dengan  frekuensi referensi.   

Gambar‐2. Ilustrasi jangkauan radar untuk Selat Sunda. 

 

 

Pemancar (TX)

Antena TX 

Pembangkit  Frekuensi  (Frequency  Generator)  Penerima (RX) Personal  Computer +  Display 

15.2 • •          

Antena RX  Antena Control

  Gambar‐3. Blok Diagram Sistem Radar FM‐CW.    Perumusan Masalah  Melakukan  rancang  bangun  radar  pengawas  pantai  (coastal  surveillance  Radar).  Pemanfaatan dan pemasangan radar pengawas pantai. 

108

16. 16.1

16.2

TUJUAN DAN SASARAN  Tujuan  Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  melakukan  perancangan  dan  implementasi  dari radar pengawas pantai ISRA yang akan dipasang dan dimanfaatkan untuk  memonitor  wilayah  perairan  strategis  di  wilayah  NKRI.  Prototip  radar  pengawas  pantai  ini  juga  akan  dites  secara  keseluruhan  dalam  rangka  mendapatkan sertifikasi dari lembaga‐lembaga yang berwenang. Serangkaian  tes  akan  dilakukan  yang  melibatkan  pihak  pengguna  seperti  TNI‐AL,  dan  Direktorat Kenavigasian Ditjen Hubla Dephub.    Sasaran  Sasaran  kegiatan  penelitian  pada  tahun  2013  adalah  perangkat  lunak  (software)  untuk  pengolahan  sinyal  dan  jaringan  radar,  modul‐modul  perangkat  keras,  sistem  antena  radar,  sistem  mekanik  radar,  pengetesan  modul‐modul  yang  sudah  dibuat  dan  mendapatkan  sertifikasi  dari  lembaga‐ lembaga  yang  berwenang  di  Indonesia  yang  menyatakan  bahwa  radar  pengawas  pantai  layak  digunakan  oleh  pemakai  dan  memenuhi  standar‐ standar yang ada. Satu revisi atas Standar Operational Procedure (SOP) yang  telah  dibuat  dapat  dilakukan  berdasarkan  pengetesan  dan  pengujian  Radar  yang dihasilkan melalui kegiatan ini. 

    17. METODE  Dalam kegiatan penelitian ini, metodologi yang digunakan adalah:  a. Pembuatan Perangkat Keras Radar ISRA (Indonesian Surveillance Radar)  Pada tahap ini dilakukan desain dari perangkat keras yang melibatkan  banyak  komponen/modul  dari  frekuensi  rendah  sampai  tinggi  termasuk  komponen  aksesorisnya.  Dikarenakan  kompleks‐nya  pekerjaan  maka  diperlukan  sejumlah  peneliti  dan  teknisi.  Setelah  desain,  maka  dilakukan  implementasi  perangkat  keras  termasuk  pemasangan  kabel  dan  konektor.  Setelah  implementasi,  dilakukan  pengetesan  baik  per‐sub  bagian  maupun  keseluruhan perangkat keras.   b. Rancang Bangun Perangkat Lunak  Radar ISRA dan jaringan Radar   Dalam  tahap  ini  dilakukan  desain  dari  perangkat  lunak  yang  terdiri  dari  perangkat  lunak  untuk  pergerakan  motor,  tampilan  Radar,  pengolahan  sinyal  Radar,  setting  pada  ADC  dan  sweep  synthesizer.  Setelah  desain  dilakukan  maka  dilakukan  implementasi  dari  perangkat  lunak  tersebut.  Dikarenakan banyaknya pekerjaan maka diperlukan banyak personil dengan  latar  belakang  perangkat  keras,  pengolahan  sinyal,  elektronika  dan  programming.   c. Pengujian Radar ISRA (Indonesian Surveillance Radar)  Pengetesan Radar dilapangan akan dilakukan di Kampung Padi Dago,  Bandung,  untuk  tes  pola  radiasi  antena,  dan  juga  tes  di  site  Radar  ISRA  di  Anyer, Cilegon dan PLTU Suralaya Merak, Cilegon. Pengetesan ini melibatkan  banyak orang karena banyaknya hal yang harus dilakukan dan ukuran Radar  yang besar/berat serta harus dilakukan beberapa kali.   d. Evaluasi dan Perbaikan 

109

Berdasarkan  hasil  pengujian,  dan  pengetesan  maka  dilakukan  peningkatan  unjuk  kerja  melalui  perbaikan  setting,  tuning,  penggantian  komponen/modul, perbaikan perangkat lunak dan pengaturan lain‐lain.   Publikasi ilmiah  Sebagai  salah  satu  output  hasil  penelitian  maka  harus  dilakukan  publikasi ilmiah baik diterbitkan di konferensi nasional/internasional maupun  di jurnal nasional/internasional. 

e.

    4.  4.1  

RENCANA CAPAIAN, HASIL, DAN PEMBAHASAN  Rencana Capaian  Jadwal kegiatan 2013     

o  1.  

2.   3.  

4.  

Tahapan Kegiatan  0 

1 

Rancang  Bangun  Perangkat  Lunak    Radar  ISRA  (Indonesian  Surveillance  Radar)  Pembuatan  Perangkat  Keras Radar ISRA  Pengujian  Perangkat  Keras  dan  Perangkat  Lunak  Radar ISRA  Sertifikasi  dan  perjanjian Radar ISRA   Evaluasi dan Perbaikan 

5.       4.2 Hasil dan Pembahasan  Rancangan  perangkat  keras  radar  yang  menggunakan  teknologi  FM‐CW  pada  frekuensi                    X‐Band  terdiri  dari  bagian  pemancar,  penerima,  pembangkit  frekuensi,  catu  daya,  dan  bagian  kontrol  ditunjukkan  pada  Gambar‐4.  Desain  dan  pembuatan  perangkat  lunak  radar  untuk  pengolahan  data  dan  tampilan  Radar  ditunjukkan pada Gambar‐5.    

110

2 

  Gambar‐4. Rancangan perangkat keras radar pengawas pantai   

Gambar‐5. Blok diagram software Radar surveillance. 

 

  Spesifikasi Teknis Radar Pengawas Pantai :    a. Antenna  1) Microstrip Patch array with gain  : ~ 30 dB.  111

2) Dual antenna configuration for transmit and receive.   3) Azimuth range  : 180 degree  4) Elevation range  : ‐5 degree up to 10 degree  5) Beamwidth  : < 1 degree.   6) Vertical beamwidth  : ~15 degree.  st 7) 1  sidelobe  : < ‐ 20 dB  8) TX‐RX Coupling  : > 60 dB  9) Rotating Speed  : 0 ‐20 rpm  10) Beam Misalignment  : < 20%    b. Transceiver  1) Frequency  : X band (8‐12 GHz)  2) Ranges    : 48 NM, 24 NM, 12 NM, 6 NM, 3 NM  3) Output Power Max  : 10 Watt.  4) Transmit Power Min  : 10, 5, 2.5, 1.25, 0.625, 0.3125 W  5) Carrier Frequency  : 9.4 GHz  6) Frequency Agility   : Sweep to sweep  7) Noise Floor  : < ‐90 dBm  8) Doppler Speed  : 40 Knot max  9) ESM Range  : 2 mile  10) RX Noise Figure  : max 2.5 dB  11) Operating System   : Linux or Windows  12) IF Bandwidth  : 512 kHz.  13) Number of Range Cells  : 512.   14) Range cells  : 125, 62, 31, 12, 6 meter.   15) PC‐Based Processing System.   16) Standard PC display.  17) Maximal Beat Frequency 2 MHz.   18) Beat Signal Sampling by 16 bit ADC    c. Frequency Generation  1) Main frequency generator DRO (dielectric resonant oscillator).   2) FM – Modulation.  3) Linear saw‐tooth by using DDS (direct digital synthesizer).  4) Sweep Repetition Frequency : 1,5 KHz.   5) Fixed sweep time of  0.66 ms.   6) Frekuensi Sweep: 2MHz, 4MHz, 8MHz, 16 MHz, 32 MHz.      d. Features of  Radar  1) Low Transmit Power (≤ 10 W)  2) Low Probability of Intercept (LPI) Radar  3) No Interference to other Radars  4) Target Tracking ~ 40 target  5) Doppler Capability  6) Able to be Integrated into a Radar network  7) Capable Frequency Agility Sweep to Sweep 

112

8) 9)

Open Architecture  Equipped with BITE (built in test equipment)    e. Display Unit  1) Display : Min 1280 x 1024 pixel      2) Color Schemes  : Navy, daylight, red, customzable  3) Range    : 48 NM  4) Ring  : 5  5) Azimut Mode  : North‐up, head‐up, course‐up, true motion  6) EBL/VRM  : 2 line / 2 markers  7) Guards Zone  : 3 Zone  8) Ignore Zone  : 3 Zone  9) Tracking  : ARPA  10) Chart    : ECS/ECDIS  11) Software  : IMO Standard + Linux or Windows    f. Lain‐lain  1) Weight    : Min 150 kg  2) Casing    : IP65  3) Power Supply : AVR + UPS  4) Bearing Data    : Digital Encoder  5) Pheriperal    : AIS, GPS dan Compass  6) Provided Shock Absorber        4.2.1  Pembuatan Perangkat Keras  a. Sistem antena   Pembuatan sistem antena untuk radar pengawas pantai mengacu pada desain yang  ergonomis  dan  dinamis  serta  water  resistance  untuk  mengurangi  faktor  angin,  faktor,  cuaca  ,  kadar  garam    dan  kondisi  sea  state  yang  ekstrem.  Faktor  kekuatan  material  dan  daya  tahan  yang  tinggi  tanpa  mengurangi  fungsi  estetika  menjadi  pertimbangan utama dalam pembuatan sistem antena radar pengawas pantai selain  itu  menggunakan  metode  air  gap,  yaitu  dengan  menambahkan  rongga  udara  diantara  antena  pemancar    dan  penerima.  Sehingga  isolasi  antara  antena  tersebut,  menghasilkan nilai isolasi yang besar dan sesuai sesifikasi. Perakitan dan pengetesan  antena, meliputi :  Perancangan system antenna  Perancangan, simulasi dan fabrikasi antenna  Perakitan antenna dan pemasangan kombiner pada antenna  Pembuatan  pedestial  antenna  dan  mekanikal  unit,  pembuatan  radome  dan dudukan antenna.  Pengetesan  antenna  skala  laboratorium  permodul  untuk  pengukuran  dalam/indoor (Return loss, VSWR, Phase, dan Impedansi antena)     

113

  Gambar‐6. Desain sistem antena Radar. 

 

 

Gambar‐7. Antena bagian pemancar dan penerima 

 

 

 

Gambar‐8. Dudukan antena radar keseluruhan    

Gambar‐9. Pembuatan Radom     

 

  Gambar‐10. Pedestal dan dudukan antena radar     114

  Antena radar    Pedestal 

b.

  Gambar‐11. Pengukuran dan pengetesan sistem antena    Pembangunan komponen RF, IF dan Bite  Pembangunan komponen meliputi tahapan kerja berikut :  1. Mendata parameter RF radar   ‐ Band Pass Filter 456 MHz   ‐ Band Pass Filter 2 MHz   ‐ Band Pass Filter 456 MHz  ‐ Beat Amplifier 2 MHz  ‐ Cavity Band Pass Fillter 9.4 GHz  ‐ Cavity Band Pass Fillter 9,4 GHz   ‐ Circulator 9,4 Ghz  ‐ Directional Coupler 10dB ‐9,4 GHz  ‐ IF Amplifier 160 MHz  ‐ IF Amplifier 456 MHz  ‐ IF Mixer 456 Mhz   ‐ Isolator 9,4 Ghz  ‐ Low Noise Amplifier  9,4 GHz  ‐ Mixer 9,4 Ghz  ‐ Power Amplifier  9,4 GHz  ‐ Power splitter 456MHz  ‐ RF Mixer 9,4 GHz  2. Mendata parameter komponen  IF  ‐ 2 Way Power Splitter  18 GHz  ‐ 2Way Power Spliter  4928 MHz  ‐ Band Pass Fillter 197 MHz  ‐  Band Pass Fillter 616 MHz  ‐ Directional Coupler 18 GHz  ‐ Divider by Two  10 GHz   ‐ DRO 9856 MHz  ‐ Frequency Divider by : 8  ‐ Frequency Divider by :25  ‐ IF Amplifier 197,12 MHz  ‐ IF Amplifier 616 MHz   3. Mendata parameter komponen  Bite  115

‐ Analog input dan Digital I/O   ‐ RF detector  4. Merekam  hasil  test  awal  parameter  device  pemancar,  penerima  dan  pembangkit frekuensi.    5. Mendata  dimensi  komponen  yang  telah  ada  seperti  data  komponen  pemancar, penerima dan Pembangkit Frekuensi.  6. Integrasi  komponen RF, IF dan Bite   

 

Gambar‐12. Sekematik radar pengawas pantai pantai   

Gambar‐13 . Wiring instalasi sistm Bite   

 

116

Gambar‐14. Tata letak komponen RF dan Bite   

Gambar‐15. Tata letak komponen IF 

Power supply                                                 UPS   

 

 

 

117

         Driver motor servo                                                                  Motor    Gambar‐16. Komponen pendukung 

 

    c. Rancang Bangun Perangkat Lunak    Perangkat Lunak  yang dibuat merupakan suatu aplikasi untuk menampilkan display   PPI  (Plan  Position  Indicator)  dari  sinyal  yang  diterima  oleh  Radar.  Perangkat  Lunak   ini menampilkan informasi sebagai berikut:  • Spektrum dari objek yang terdeteksi  • Informasi latitude dan longitude objek terdeteksi  • Informasi jarak liputan dan jarak objek dari jangkauan radar  • Informasi objek tracking  • Informasi waktu   • Menu pengaturan‐pengaturan      Tampilan displai radar adalah sebagai berikut :  Displai spektrum dari objek yang terdeteksi  Posisi kursor (Latitude, Longitude, Bearing, Distance)  Mode tampilan (Day, Dusk, Night)  Pengaturan EBL (Electronic Bearing Line)  Pengaturan VRM (Variable Range Marker)  Informasi OSD (latitude dan longitude) dari GPS  Pengaturan gain dan sea clutter  Pengaturan RPM  Tracking objek (satu objek)  Garis tracking objek   

118

EBL dan VRM aktiv

Gambar‐17. Tampilan EBL dan VRM dalam kondisi ON 

 

 

Gambar‐18. aplikasi setting sensor pada software radar 

 

 

Pengaturan Gain dan Sea Clutter

Gambar‐19. Pengaturan gain dan sea clutter. 

 

  Pengaturan  gain  dan  sea  clutter  akan  mengubah  setting  parameter  CFAR  pada  aplikasi snap, yang berhubungan dengan proses penambahan dan pengurangan gain  dan  tresholding  noise  yang  dilakukan  melalui  signal  processing  radar.  Aplikasi  Snap  ditunjukkan pada gambar berikut :    119

  Gambar‐20. penerapan CFAR pada aplikasi signal processing snap    Proses  tracking  untuk  satu  objek  bergerak  sudah  dapat  dilakukan  dengan  penggambaran  jalur  tracking  menggunakan  garis  berwarna  merah,  seperti  pada  gambar berikut :   

Tracking Objek

Gambar‐21. hasil tracking objek pada objek bergerak   

 

   

120

               Gambar‐22. Console perangkat lunak radar 

             

              ™ OUTPUT    (rencana sesuai yg tercantum dalam proposal)    NO.  OUTPUT  RENCANA  REALISASI  % CAPAIAN  KETERANGAN  7.   Publikasi Ilmiah        • Jurnal  ilmiah  i. Jurnal Nasional  1 buah  1  100  widya riset LIPI    j. Jurnal Internasional  1 buah  2  100  • Institute  of  Electrical  and  Electronics  Engineers  (IEEE  Journals)   • (Open Journal of  Antennas  and  Propagation  (OJAPr) USA)    k. Prosiding  2 buah  8  100  • ICRAMET  2013  Internasional  Surabaya,                • EEIC  2013  (Internasional  Electronic  Confrance)  Hongkong  APCC  (Asia  Pacific  121

 

l. Prosiding Nasional 

 

Contoh Produk  (jelaskan spesifikasi  lengkapnya)  9.   HKI    e. Paten  8.

 

f. Merk 

 

dst 

    5 • • •

2 buah 

2 

100 

1 unit 

1 

100 

  1 buah 

  1 buah 

  50 

1 buah 

1 buah 

100 

 

 

 

Conferance) Bali  • Seminar  IPT  Yogyakarta    Foto dan  spesifikasi    Dalam proses  pembuatan draft    Sudah dilakukan  pada tahun 2012   

KENDALA DAN PERMASALAHAN  Terjadinya pemunduran tibanya komponen.  Perlu tambahan SDM karena banyaknya pekerjaan   Peralatan  ukur  untuk  tes  dilapangan  masih  terbatas  seperti  handheld  spectrum analyser dan signal generator.  Komponen‐komponen dan Modul‐modul untuk radar mahal  

•     6     7

KESIMPULAN  Mari kita dukung dalam kemandirian bangsa 

DAFTAR PUSTAKA  1) M.I. Skolnik, ’Radar Handbook’, McGraw‐Hill, 1990.  2) M.I. Skolnik, ’Introduction to Radar Systems’, McGraw‐Hill, 2002.  3) S. Kingsley and S. Quegan, ’Understanding Radar Systems’, CHIPS.  4) Leo  P.  Ligthart,  ’Short  Course  on  Radar  Technologies’,  International  Research  Centre  for  Telecommunications‐transmission  and  Radar,  TU  Delft, September 2005.  5) Mark Richards, ’Radar Signal Processing’, McGraw‐Hill, 2005.  6) Bassem R. Mahafza, ‘Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB’,  Chapman & Hall, 2005.  7) Mashury Wahab dan Pamungkas Daud, ‘Image Processing Algorithm for  FM‐CW Radar’, TSSA/WSSA Conference 2006, ITB Bandung, 2006.  8) Mashury,  ‘Development  of  Radar  Image  Processing  Algorithm’,  Information and Communication Technology Seminar 2006, ITS Surabaya,  2006.  9) Mashury  Wahab,  Pamungkas  Daud,  Yuyu  Wahyu,  Yusuf  Nur  Wijayanto.  “Radar  Trainer  System  for  LIPI  FM‐CW  Radar  Network”,  ICICI  2007,  Bandung. 

122

10) Mashury Wahab, ‘Penggunaan UAIS dan Radar pengawasan pantai untuk  monitoring  wilayah  perairan  indonesia’,  Seminar  Radar  nasional  2007,  Jakarta.  11) Yusuf  Nur  Wijayanto,  Dadin  Mahmuddin,  and  Mashury  Wahab  “Perancangan  Sistem  LFM‐Chirp  Radar  menggunakan  Matlab  untuk  Menentukan Posisi Target”, IES‐EEPIS‐ITS 2007, Surabaya.  12) Mashury,  Yuyu  Wahyu,  A.  Adya  Pramudita,  and  Pamungkas  Daud,  “Coupled  Patch  Array  Antenna  For  Surveillance  Radar”,  International  Conference TSSA 2007, Bandung, 2007.  13) Mashury  Wahab  and  Yuyu  Wahyu,  “Patch  Array  Antenna  For  FM‐CW  Radar”, International Conference r‐ICT 2007, Bandung, 2007.  14) Mashury  Wahab,  Pamungkas  Daud,  Yuyu  Wahyu,  Yusuf  Nur  Wijayanto,  “Radar  Trainer  System  for  LIPI  FM‐CW  Radar  Network”,  International  Conference ICICI 2007, Bandung, 2007.  15) Mashury,  Yusuf  N.  W.,  Pamungkas  D.,  Dadin  M.,  Djohar  S.,  “  A  Data  Processing  Scheme  For  LIPI  Coastal  Surveillance  Radar”,  International  Conference on Telecommunications (ICTEL) 2008, Bandung.  16) Mashury Wahab, Sulistyaningsih and Yusuf Nur Wijayanto, “Radar Cross  Section  For  Object  Detection  Of  FM‐CW  Coastal  Surveillance  Radar”,  Electrical  Power,  Electronics,  Communications,  Control  and  Information  Seminar (EECCIS) 2008, Malang.  17) Mashury, Dadin Mahmudin dan Yusuf Nur Wijayanto, “ Rancang Bangun  Perangkat Lunak Citra Radar”, Seminar Radar Nasional 2008, Jakarta.  18) Mashury Wahab, Pamungkas Daud, Yuyu Wahyu, dan Rustini S. Kayatmo,  “Rancang Bangun Radar Pengawasan Pantai INDRA II Di Pusat Penelitian  Elektronika  dan  Telekomunikasi  (PPET)  LIPI”,  Seminar  Radar  Nasional  2008, Jakarta.   

123

LAMPIRAN  HASIL PENGUKURAN MODUL     Tabel‐1. Hasil pengukuran 2 way Power Divider (9400 MHz & 4928 MHz)  Isolation  Amp Phas Split (dB)  VSWR  Freq.   (dB)  l.  a  Nama/  No.  (MH Bala Bala S21  S21  S22  SN  z)  n.  n. (o)  S12  S11  S12  (dB)  ‐ ‐ ‐ ‐ J103313072 1.198@ 1.418@ ±0.1 ±1.8 1  9856  3.141@ 3.051@ 32.7 32.7 3002  P2  P2  36  7  P2  P2  5  24  ‐ ‐ 1.306@P       3.130@ 2.915@     1.2@P3      3  P3  P3  ‐ ‐ ‐ ‐ 1.163@ 1.143@ ±0.0 ±0.2     4928  3.090@ 3.075@ 28.4 28.3 P2  P2  63  5  P2  P2  66  59  ‐ ‐ 1.167@ 1.116@P       3.054@ 3.012@         P3  3  P3  P3      Tabel‐2. Pengukuran 2 way Power Divider (456 MHz)  Isolation  Amp Phas Split (dB)  VSWR  Freq.   l.  a  (dB)  Nama/  Por No.  (MH Bala Bala S21  S21  S22  SN  t  z)  n.  n. (o)  S12  S12  S11  (dB)  1  PD2456 356  2  ‐ ‐ ‐ ‐ 1.36 1.06 ±0.0 ±0.34 001  3.32 3.297 17.9 17.9 1  8  83  9  85  63      456    ‐ ‐ ‐ ‐ 1.11   ±0.0 ±0.56 3.28 3.273 33.3 33.2 7  1.014  75  6  63  57      556    ‐ ‐ ‐ ‐ 1.26 1.03 ±0.0 ±0.64 3.36 3.358 17.0 17.0 3  0  77  3  86  50        3  ‐ ‐     1.36       3.24 3.214 2  1.069  7          ‐ ‐     1.15 1.03     3.21 3.198 5  1          ‐ ‐     1.25 1.04     3.28 3.281 9  2  6  124

 

No. 

 

 

Nama/  SN 

 

‐ 3.29 4 

‐   3.294

 

1.27 1.03   6  9 

    Tabel‐3. Pengukuran 8 way Power Divider   Split (dB)  Isolation (dB)  VSWR  Freq.   S21  S21  S22  Por (MH t  S12  S11  S12  z) 

1  J1031130705 9200  0014 

2 

‐ 9.638

 

 

9400 

 

‐ 9.198

 

 

9600 

 

‐ 9.564

 

 

 

3 

‐ 9.762

 

 

 

 

‐ 9.276

 

 

 

‐ 9.688

 

 

 

4 

‐ 9.794

 

 

 

 

‐ 9.394

 

 

 

 

‐ 9.733

 

 

 

5 

‐ 9.835

 

 

 

‐ 9.461

 

 

 

‐ 9.813

 

 

 

‐ 10.6 07  ‐ 11.2 43  ‐ 10.9 80  ‐ 10.7 71  ‐ 11.2 56  ‐ 10.9 73  ‐ 10.7 65  ‐ 11.3 13  ‐ 11.0 25  ‐ 10.6 61  ‐ 11.2 13  ‐ 10.9 24 

‐ 20.990 @S23  ‐ 19.586 @S23  ‐ 19.613 @S23  ≈ S23 

‐ 22.632 @S23  ‐ 21.496 @S23  ‐ 20.552 @S23  ≈ S32 

 

 

 

 

≈ S23 

1.1 30 

1.18 8 

 

Amp Phas l.  a  Bala Bala n.  n. (o)  (dB)  ±0.1 ±6.71 64 

1.2   01  1.226

 

 

1.2 89 

 

 

1.1   29  1.095

 

 

1.2 1.12 0 9  1  1.2 1.15 79  4 

 

 

 

 

≈ S32 

1.1 35 

1.10 8 

 

 

 

 

1.1 97 

1.13 8 

 

 

 

 

1.2 82 

1.15 4 

 

 

≈ S23 

≈ S32 

1.1 39 

1.11 0 

 

 

 

 

1.1 96 

1.14 8 

 

 

 

 

1.2 82 

1.15 5 

 

 

1.24 1 

125

Freq.   Por (MH t  z) 

Split (dB)  S21 

Isolation (dB)  S21 

S12 

S12 

No. 

Nama/  SN 

 

 

 

6 

‐ 9.780

 

 

 

 

‐ 9.292

 

 

 

 

‐ 9.696

 

 

7 

‐ 9.769

 

 

 

 

‐ 9.329

 

 

 

 

‐ 9.742

 

 

 

8 

‐ 9.709

 

 

 

 

‐ 9.377

 

 

 

 

‐ 9.632

 

 

 

9 

‐ 9.828

 

 

 

 

‐ 9.389

 

 

 

 

‐ 9.764

 

‐ 10.6 62  ‐ 11.0 90  ‐ 10.8 41  ‐ 10.7 80  ‐ 11.2 54  ‐ 10.9 07  ‐ 10.7 27  ‐ 11.2 36  ‐ 11.0 64  ‐ 10.5 47  ‐ 11.1 37  ‐ 10.8 18 

VSWR  S22  S11  1.1 37 

1.12 0 

Amp l.  Bala n.  (dB)   

Phas a  Bala n. (o) 

≈ S23 

≈ S32 

 

 

1.1   96  1.144

 

 

 

 

1.2 78 

1.14 7 

 

 

≈ S23 

≈ S32 

1.1 31 

1.08 5 

 

 

 

 

1.2   00  1.117

 

 

 

 

1.2 78 

 

 

≈ S23 

≈ S32 

1.1   31  1.114

 

 

 

 

1.2 02 

1.15 5 

 

 

 

 

1.2 84 

1.17 0 

 

 

‐ 31.752 @S29  ‐ 31.272 @S29  ‐ 31.867 @S29 

‐ 33.094 @S92  ‐ 32.935 @S92  ‐ 32.608 @S92 

1.1 31 

1.10 6 

 

 

1.2 00 

1.14 1 

 

 

1.2 84 

1.14 4 

 

 

1.13 4 

            126

 

Tabel‐4. Pengukuran  Bandpass Filter (9.4 GHz)  No.  Nama/  IL (dB)  Rejection (dB)  VSWR  BW 3dB  SN  @GHz   @GHz  (MHz)  S11  S22  1  J10811307080 ‐[email protected]  [email protected]  2.387@FL  3.000@F 504.8  01    L     ‐[email protected]  [email protected]  1.539@FC 1.25@FC        ‐ [email protected]  2.278@FU 2.318@F   [email protected] U  5        [email protected]            Tabel‐5. Pengukuran  Bandpass Filter (197.12 MHz)  No.  Nama/  IL(dB)  Rejection (dB)  VSWR  BW 3dB  Ket.  SN  @Fc   @MHz  (MHz)  S11  S22  1  BPF19700 ‐0.986  [email protected]  4.462@FL  5.148@F 10.827    2    L       [email protected]  1.946@FC 1.938@F   C        [email protected]  5.507@FU 7.611@F   U        [email protected]              [email protected]       4        [email protected]       60        [email protected]       33      Tabel ‐6. Pengukuran  Bandpass Filter (394.24 MHz)  No.  Nama/  IL(dB)  Rejection (dB)  VSWR  BW 3dB  Ket.  SN  @Fc   @MHz  (MHz)  S11  S22  1  BPF39400 ‐ [email protected]  4.015@ 4.132@FL 21.249    1  1.1029  F L        [email protected]  1.337@ 1.522@F   F C  C        [email protected]  6.174@ 6.421@F   FU    U       [email protected]              [email protected]             [email protected]       2        [email protected]       75        [email protected]      

127

 

 

 

 

 

 

 

 

    Tabel‐7. Pengukuran  Bandpass Filter (616 MHz)  IL(dB)  Rejection (dB)  VSWR  BW 3dB  Ket.  @Fc   @MHz  (MHz)  S11  S22  ‐2.070  [email protected]  4.642@ 4.120@FL  39.998    F L      [email protected]  1.466@ 1.493@F F C  C      [email protected]  5.099@ 4.293@F   FU  U      [email protected]            38.890dB@308            52.072dB@1232            30.849dB@1848            [email protected]       50      29.925dB@456              Tabel‐8. Pengukuran Mixer   Phase  Ket.  Nama/  L(dBm)  R(dBm)  X(dBm) Conversio SN  616MH 160MHz 456MH n loss (dB)  Noise (dBc)  z  z  010701239‐ 0  ‐15  ‐29.7  14.7  ≈  Level  1  Lo  Rekom   5  ‐15  ‐22  7  ≈  endasi:    7  ‐15  ‐21.3  6.3  ≈  4~7    10  ‐15  ‐20.8  5.8  ≈  dBm    3  ‐15  ‐23.4  8.4      2  ‐15  ‐24.5  9.5      4  ‐15  ‐22.6  7.6   

No.  1                 

No .  1  2  3  4  5  6  7   

Nama/  SN  BPF61600 2   

  Tabel‐9. Pengukuran Dielectric Resonator Oscillator (DRO)   Level  SB Noise   Nama/  Freq.  No.  Output (dBc)  SN  (KHz)  (dBm)  1  J10611307080 9,856.,874. 19.2  ‐58 @10KHz  04  17      9,856,955.4   ‐68 @40KHz  3      9,856,964.0   ‐68 @100KHz  0 

128

No.  1 

 

 

   

   

9,856,965.3 0     

 

‐68 @500KHz 

   

‐68 @1000KHz  ‐ 68@≥1500KHz 

    Tabel‐10a. Pengukuran IF Amplifier Gain Amplification  Nama/  Frequency Level Input  Level Output  SN  (MHz)  (dBm)  (dBm)  AMP001  456  ‐21.5  ‐10      Tabel‐10b. Pengukuran IF Amplifier Response Frequency  Freq.  Level Output (dBm)  Ket.  No. (MHz)  AMP001  AMP002    1  416  ‐10.04 0.13  ‐9.97  0.13    ‐9.87  0.3  ‐   2  426  0.09  10.01  3  436  ‐9.94  0.23  ‐9.97  0.13    ‐10.03 0.14  ‐   4  446  0.09  10.01  ‐10.17 0  ‐ 0 dB ref.  5  456  0  10.10  ‐10.07 0.10  ‐   6  466  0.07  10.03  7  476  ‐10.09 0.08  ‐9.98  0.12    ‐10.11 0.06  ‐   8  486  0.08  10.02  ‐10.07 0.10  ‐   9  496  0.01  10.09 

Gain  (dB)  11.5 

    Tabel‐10c. Pengukuran IF Amplifier 1 dB Compression  AMP  Level Output (dBm)  Freq.  No.  AMP001  AMP002  (MHz)  In.  Out.  In.  Out.  1  456  ‐21.5  ‐10  ≈  ≈  2    ‐16.5  ‐5.2  ≈  ≈  3    ‐11.5  ‐0.9  ≈  ≈  4    ‐6.5  5  ≈  ≈  5    ‐5.5  5.8  ≈  ≈  6    ‐4.5  6.8  ≈  ≈  7    ‐3.5  7.9  ≈  ≈  8    ‐2.5  9  ≈  ≈  9    ‐1.5  9.87  ≈  ≈ 

129

10  11 

   

0  1 

11.4  ≈  ≈  12.3  ≈  ≈    Tabel‐10d. Pengukuran IF Amplifier Hasil pengukuran AMP  AMPATT001  AMPATT002  No.  Parameter  Keterangan  dB  dBm  dB  dBm  Gain    1  11.5  ≈  ≈  amplification  2  Gain saturation  11.3  > 0   ≈  ≈    ‐44.9@912MHz 3  Harmonics    ‐ ≈  ≈  63.8@1368MHz     Tabel‐11. Pengukuran Low Noise Amplifier   J101113071 J101113071 J101113071  J101113071 No.  Parameter  5003  5004  5005  5006  Gain  1  32.4 dB  32.1 dB  31.5 dB  32.3 dB  amplification  Frequency  0dB ;  ‐0.27dB ;  ‐0.27dB ;  2  ‐0.19dB ; 0.04dB  response  0.16dB  0dB  0dB  3  Gain saturation  ‐16 dBm  ‐16.5 dBm  ‐16 dBm  ‐17 dBm  4  IP2  ≈ ‐56 dBc  ≈ ‐56 dBc  ≈ ‐56 dBc  ≈ ‐56 dBc  5  Arus (I)  192.24 mA  183.4 mA  188.2 mA  193.2 mA      Tabel‐12. Pengukuran Power Amplifier (PA) 10W  Ket.  No.  Parameter  J2801130802001  J2801130802002

3  5 

Gain  amplification  Frequency  response  Gain saturation  Arus (I) 

6 

Phase Noise 

7 

VSWR 

1  2 

40.2 dB 

23.3 dB 

0 dB ; 0.4 dB 

‐ 

‐1 dBm  5.1 A  ‐50 dBc@10 KHz  ‐60 dBc@35 KHz  ‐63 dBc@≥100 KHz  1.748 

‐  ‐  ‐ 

Rekomendasi  QC : Perlu  ditambahkan  direct air  blower untuk  mengantisipasi  high  temperature  dari PA 

‐ 

                130

  No.  1       

Nama/  SN  J13060700 1       

Nama/  SN  1  J10411307230 03             

No. 

Tabel‐13. Pengukuran Coaxial Isolator   IL  VSWR  Freq.   Isolation  (S21,dB)  (MHz)  (S12,dB)  S11  S22  9856  ‐30.918  ‐0.079  1.094  1.152  9430  9400  9370 

‐29.611  ‐0.034  1.108  1.139  ‐29.538  ‐0.070  1.106  1.137  ‐29.397  ‐0.056  1.104  1.136      Tabel‐14. Pengukuran Directional Coupler   Freq.  IL (dB)  Coupling   VSWR  (S21,dB)  (MHz)  S12  S21  S11  S22  9856  ‐0.582  ‐0.951  ‐10.123  1.416  1.315  9430  9400  9370 

‐0.339  ‐0.154  ‐0.309 

‐0.242  ‐0.141  ‐0.116 

‐10.741  ‐10.652  ‐10.702 

  Tabel‐15. Pengukuran Termination  Nama/  Measurable  Resistansi  No.  SN  Freq. (MHz)  (Ohm)  1  Female  9200  49.89  Termination  1  Male  9200  50.32  Termination      

1.345  1.354  1.352 

1.443  1.491  1.506 

VSWR  ±1.081  ±1.211 

                                    131

                   

Pembuatan Magnet Barium Ferit Bonded  Hybrid Untuk Aplikasi Circulator   

Tony Kristiantoro, S.ST                                                             

132

LEMBAR PENGESAHAN    1.  Judul Kegiatan Penelitian   2.  3.      4.  5.  6.       

Kegiatan Prioritas  Peneliti Utama  Nama    Jenis Kelamin    Sifat Penelitian  Lama Penelitian  Biaya Total 2013 

Ketua PME PPET LIPI, 

Dr. Purwoko Adhi, DEA  NIP. 19670911 198701 1 001 

:  :  :  :  :  :  :  : 

Pembuatan Magnet Barium Ferit Bonded  Hybrid Untuk Aplikasi Circulator       Tony Kristiantoro, S.ST  Laki ‐ laki  Laboratorium  2 (dua) Tahun  Rp. 177.120.000,‐    

Bandung,   20 Desember 2013    Peneliti Utama       

Tony Kristiantoro, S.ST  NIP. 19730927 199303 1 002 

                                         

133

ABSTRAK  Magnet  permanen  bonded  hybrid  merupakan  penggabungan  dua  buah  serbuk  magnet permanen Barium ferit dan NdFeB pada komposisi tertentu yang dibonded  dengan  bahan  termoplastic  (bakelit  atau  plastik).  Penggabungan  kedua  serbuk  magnet  adalah  untuk  meningkatkan  temperatur  operasi,  temperatur  curie,  ketahanan  korosi  dan  meningkatkan  sifat  magnet.  Metoda  proses  yang  akan  digunakan  adalah  solgel    untuk  mendapatkan  serbuk  magnet  barium  ferit  dan  teknologi  metalurgi  serbuk  untuk  pencampuran  dengan  NdFeB  dengan  tahapan  mixing,  milling,  cetak  panas  dan  magnetisasi  sehingga  menghasilkan  magnet  permanen.  Magnet  ini  akan  dikarakterisasi  dan  dianalisa  sifat  magnetnya  dengan  Permagraph dan ukuran/struktur partikel dengan SEM. Hasil Magnet bonded hybrid  akan diaplikasikan pada ciruclator.  Bahan baku yang akan digunakan masih sama dengan tahun sebelumnya yaitu ; Besi  Nitrat (Fe(NO3)3), Barium Nitrat (Ba(NO3)2), Amonium Hidroksida (NH4OH), Ethylene  Diamine  (C6H8O7.H2O),  akuades  (H2O),    katalis  NaOH,  KOH,  NaCl,  KCl,  C2H8N2  dan  aditif  Cr(NO3)3.    Metoda  yang  digunakan  adalah  sol  gel,  dimana  semua  bahan  baku  dicampurkan dalam bentuk larutan (sol) dan kemudian akan membentuk gel. Reaksi  ini  berlangsung  pada  temperatur  kamar,  kemudian  dilanjutkan  dengan  pengeringan/pemanasan  pada  temperatur  100‐2000C.  Proses  selanjutnya  adalah  ;  miling,  kalsinasi  pada  temperatur  300  ‐  10000C,  kompaksi  dalam  suatu  medan  magnet pada tekanan tertentu (proses anisotrop), sintering pada temperatur 12500C  dan  terakhir  adalah  proses  magnetisasi  untuk  mendapatkan  magnet  permanen  barium ferit. Karakterisasi yang akan dilakukan adalah ; dimensi dan densitas dengan  menghitung dimensi dan volume sample, sifat magnet dengan permagraph, struktur  mikro  dengan  SEM,  ukuran  partikel  nano  dengan  Particle  Analyzer,  senyawa  yang  terbentuk dengan XRD.    Kata kunci : magnet Barium Ferit Nanopartikel, magnet anisotrop, metoda sol gel  .    I. PENDAHULUAN    1.1. Latar Belakang   Kebutuhan komponen magnet permanen untuk bidang telakomunikasi cukup tinggi,  salah satunya adalah sebagai komponen circulator untuk radio frekuensi (RF).  Sampai saat ini komponen circulator RF selalu diimpor dari manca negara. Untuk itu  maka dilakukan penelitian pembuatan magnet permanen Barium Ferit Bonded  Hybrid untuk aplikasi circulator.  Pemilihan penelitian terhadap magnet Barium Ferit disebabkan karena magnet ini   memiliki kestabilan kimia yang baik, tahan korosi, memiliki suhu curie yang tinggi dan  murah. Perkembangan material magnet permanen sangat cepat dan bervariasi, yang  diikuti dengan peningkatan energi produk (BH)max yang dihasilkan, material magnet  saat ini yang memiliki energi produk paling tinggi adalah Neodymium Iron Boron  (NdFeB). Namun demikian setiap material magnet tersebut memiliki keunggulan dan  kekurangan masing‐masing. Pada gambar 1.1 akan ditampilkan energi produk  magnetik dari setiap bahan magnet permanen. 

134

                          Gambar 1.1. Energi produk bahan magnetic    Pembuatan jenis bonded hybrid dengan jenis NdFeB diharapkan dapat meningkatkan  karakteristik magnet yang dihasilkan, dan lebih mudah dalam proses fabrikasi tidak  akan ada rugi penyusutan akibat sintering sehingga akan mendapatkan hasil dengan  ukuran yang presisi.   Pada tahun pertama akan dibuat magnet barium ferit nanopartikel dengan metoda  sol gel dan metalurgi serbuk, yang divariasikan adalah temperatur pengeringan,  temperatur kalsinasi dan penambahan aditif. Kemudian dilakukan proses bonded  dan hyberid dengan variasi bahan bonded seperti bakelit, serbuk resin dan silicon  rubber dan bahan hybrid NdFeB (crushed ribbon). Pada tahun ke‐dua akan dilakukan  pembuatan magnet yang akan diaplikasikan pada circulator dengan berbagai ukuran  untuk beberapa range frekuensi kerja. Gambar sketsa dasar circulator dan  penempatan magnet dalam circulator diperlihatkan pada gambar 1.2.                            (a) dasar circulator                         (b) aplikasi magnet dalam circulator  Gambar 1.2. Sketsa dasar dan penempatan magnet pada circulator        1.2. Perumusan Masalah   Untuk  menghasilkan  prototipe  magnet  hybrid  yang  dapat  diaplikasikan  pada  circulator RF, maka penelitian dirumuskan pada beberapa langkah sebagai berikut;   - Menyediakan semua bahan baku dan bahan kimia lainnya untuk penelitian. 

135

-

-

Untuk  menghasilkan  magnet  bonded  hybrid  dengan  karakteristik  magnet  sekitar    1300  Gauss,  maka  proses  pencampuran  serbuk  Barium  Ferit  nano  partikel  hasil  metode  sol  gel  dan  serbuk  NdFeB  dengan  teknologi  metalurgi  serbuk  sangat  menentukan  dan  tahap  ini  adalah  merupakan  inti  dari  penelitian.  Untuk  itu  maka  akan  divariasikan  komposisi  campuran,  polimer  material  untuk  proses  bonded  yang  digunakan  dan  variasi  waktu  serta  temperatur kompaksi.  Untuk  mengetahui  hasil  kinerja  magnet  yang  dihasilkan,  maka  akan  diuji  cobakan pada prototipe circulator.  

  1.3. Tujuan dan Sasaran   Tujuan (umum):  o Menunjang  program  pemerintah  dalam  penyediaan  komponen  lokal  untuk  penguasaan teknologi telekomunikasi khususnya bidang RADAR.  o Penguasaan teknologi pembuatan magnet permanen bonded hybrid  o Mengembangkan penelitian material magnet permanen di PPET‐LIPI.  Sasaran (khusus) :  o Dapat  membuat  magnet  permanen  dengan  kuat  medan  di  atas  1300  Gauss  yang  dapat  diaplikasikan  pada  circulator  yang  bisa  digunakan  sebagai  komponen RF bidang telekomunikasi.    1.4. Kerangka Analitik   Penelitian pembuatan magnet Barium Ferit bonded hybrid merupakan pegembangan  dari  penelitian  magnet  permanen  pada  tahun‐tahun  sebelumnya  yang  difokuskan  pada  pembuatan  magnet  permanen  sinter.  Sedangkan  fokus  penelitian  pada  dua  tahun kedepan adalah membuat sampel magnet Barium Ferit hybrid dengan metode  boded  melalui  moulding  injection  atau  hotpress  dengan  bahan  tambahan  untuk  bonded  berupa  plastik,  bakelit  ataupun  karet    dengan  bentuk  sesuai  dengan  aplikasinya  dengan  tetap  memperbaiki  karakteristik  magnet  yang  akan  dihasilkan.  Kemudian akan dilakukan uji coba pada sebuah circulator.  Bahan  baku  yang  akan  digunakan  yaitu  ;  Besi  Nitrat  (Fe(NO3)3),  Barium  Nitrat  (Ba(NO3)2),  Amonium  Hidroksida  (NH4OH),  Ethylene  Diamine  (C6H8O7.H2O),  akuades (H2O).  Metoda yang digunakan adalah sol gel, dimana semua bahan baku  dicampurkan dalam bentuk larutan (sol) dan kemudian akan membentuk gel. Reaksi  ini  berlangsung  pada  temperatur  80°C,  kemudian  dilanjutkan  dengan  pengeringan/pemanasan  pada  temperatur  100‐2000C.  Proses  selanjutnya  adalah  ;  miling, kalsinasi pada temperatur 900 ‐ 12000C. Serbuk barium ferit yang dihasilkan  ditambah  dengan  serbuk  NdFeB  komersil  sebagai  doping  untuk  meningkatkan  densitas  medan  magnet.    Hasil  pencampuran  serbuk  barium  ferit  dan  NdFeB  ditambah  dengan  bahan  bonded  berupa  plastik,  bakelit  atau  karet  dan  dicetak  dengan proses hot press dan terakhir adalah proses magnetisasi untuk mendapatkan  magnet  permanen  barium  ferit.  Karakterisasi  yang  akan  dilakukan  adalah  ;  dimensi  dan densitas dengan menghitung dimensi dan volume sample, sifat magnet dengan  permagraph,  struktur  mikro  dengan  SEM,  ukuran  partikel  nano  dengan  Particle  Analyzer, senyawa yang terbentuk dengan XRD.    II. METODOLOGI 

136

Percobaan yang dilakukan adalah eksperimen pembuatan magnet barium ferit  bonded hybrid dengan metode sol gel maupun metalurgi serbuk.   Serbuk Fe(NO3)3 dan Serbuk Ba(NO3)2  terlebih dahulu dilarutkan dalam  aquades, selanjutnya ditambahkan larutan  C6H8O7.H2O sampai membentuk gel.  Setelah gel terbentuk, sebagian akan dikeringkan secara cepat dengan  menggunakan microwave dan sebagian lagi dilanjutkan dengan proses sol gel  autocombustion. Gel dipanaskan pada temperatur 100 ‐ 200oC selama beberapa  jam. Pada proses ini diharapkan kandungan air akan menguap dan hidroksida  akan berubah menjadi oksida, sehingga akan diperoleh serbuk ferit yang kering.  Agar serbuk yang didapat tidak menggumpal dan homogen, maka dilakukan  proses penggilangan. Selanjutnya dilakukan proses kalsinasi, dengan variasi 900 ‐  1200oC.   Serbuk barium ferit hasil kalsinasi ditambah dengan serbuk NdFeB komersil dari  magnequench dengan variasi komposisi dan ditambahkan plastik/bakelit/karet.  Kemudian dilanjutkan dengan proses kompaksi pada tekanan tertentu  menggunakan mesin hot press. Proses ini bertujuan untuk membentuk magnet  bonded sesuai bentuk yang diinginkan.   Magnet yang sudah disintering akan dikarakterisasi. Karakterisasi yang dilakukan  adalah :  Densitas dengan perhitungan dan neraca analitik  Sifat magnet dengan Permagraph  Struktur mikro dengan SEM   Ukuran butir dengan Particle Analyzer  Senyawa yang terbentuk dengan XRD  Magnetisasi yang bertujuan untuk memagnetisasi bahan magnet, agar menjadi  magnet yang permanen. Dan dilakukan uji coba skala laboratorium pada sebuah  prototipe circulator.    2.1.  Studi Literatur  Kegiatan pada tahap ini adalah mencari dan mengumpulkan informasi baik itu yang  bersifat  teoritis  maupun  praktis  melalui  buku‐buku,  handbook  dan  internet,  yang  dapat digunakan sebagai bahan acuan dan referensi dalam penelitian.    2.2. Pengadaan Bahan  Bahan baku yang digunakan dengan tingkat kemurnian yang tinggi berkualitas  proanalisa (pa) dari E‐Merck yaitu :   1. Besi Nitrat, Fe(NO3)3.9H2O     (Merck, code 1.03883.0250)  2. Barium Nitrat, Ba(NO3)2     (Merck, code 1.01729.0500)  3. Amonium Hidroksida,   NH4OH 25 %      (Merck, code 1.05432.1000)  4. Polivinyl Alkohol, PVA     (Merck, code 1.12211.0100)    5. Citric Acid, C6H8O7.H2O     (Merck, code 1.00244.0500) 

137

  6. Alkohol     7. Aquadest      2.3. Penyiapan Peralatan  Sebagian besar peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah tersedia  di  Laboratorium  magnet  PPET‐LIPI,  hanya  SEM  dan    XRD  yang  dilakukan  di  instansi  lain. Peralatan yang digunakan adalah :    1. Permagraph  :  Alat  untuk  mengkarakterisasi  sifat  magnet,  seperti  ;  Induksi  Remanen, Br (kG), Kuat Medan maksimum, BHmax (MGOe) dan Koersifitas, Hc  (kOe).                              Gambar 2.1. Permagraph    2. Mesin  Kompaksi  dan  Solenoida  :  Untuk  proses  kompaksi.  Serbuk  magnet  barium  ferit  yang  sudah  ditempatkan  di  dalam  dies  dicetak  dengan  mesin  kompaksi dalam medan elektromagnet dengan tekanan tertentu.          Mesin Kompaksi       Solenoida                                         Gambar 2.2. Mesin Kompaksi dan Solenoida    3. Pengering : Untuk melakukan proses pengeringan pada temperatur 100 dan  200oC.   

138

    Gambar 2.3.  Alat pengering      Furnace : Digunakan untuk proses kalsinasi dan  sintering 

                                                          

4.

                                                  Gambar 2.4. Furnace Thermoline (Temp. ± 1700oC)    5. Cetakan / Dies : Cetakan untuk membentuk produk magnet yang dihasilkan.                  Gambar 2.5. Cetakan / Dies    6. Impuls Magnetiser : Alat untuk menyearahkan momen magnet.                      Gambar 2.6. Impuls Magnetiser Magnet Physik 

139

  7.  

Gauss Meter :  digunakan untuk mengukur densitas medan magnet                               Gambar 2.7. Gauss Meter  8.    SEM : Untuk mengkarakterisasi struktur mikro.  9.         XRD : Untuk mengkarakterisasi senyawa yang terbentuk.    2.4. Percobaan  

  Gambar 2.8. Diagram Alir Percobaan   Reaksi  yang  dijadikan  dasar  pembuatan  serbuk  magnet  barium  ferit  dengan  metode sol gel  adalah :   

140

 

12 Fe(NO3)3 + Ba(NO3)2 + 19 C6H8O7             12 Fe(OH)3  + Ba(OH)2 + 19 C6H8O7  (NO3)    ................... 1    12  Fe(OH)3  +  Ba(OH)2  +  19  C6H8O7  (NO3)                                BaFe12O19  +  19  H2O   ..............................................2    Perbandingan Ba : Fe : Citric Acid adalah 1:12 :26   Sebanyak  50  gram  Serbuk  Fe(NO3)3  yang  dilarutkan  dalam  aquades  100  ml  ditambahkan dengan 2,7 gram serbuk Ba(NO3)2 yang telah dilarutkan dalam aquades  8,332 ml dalam suatu beker gelas, kedua larutan ini dicampurkan dengan 56,35 gram  citric  acid  yang  telah  dilarutkan  dalam  216,6  ml  aquades  sambil  diaduk  rata.  Kemudian  ditambahkan  Ammonium  Hidroksida  (NH4OH)  sedikit  –  demi  sedikit   sampai  nilai  pH  yang  dikehendaki  (  pH  4,  5,  6  dan  7  )  tercapai.  Kemudian  larutan   diaduk  sambil  dipanaskan  menggunakan  hot  plat  magnetic  stirrer.  Waktu  yang  dibutuhkan untuk proses dari larutan menjadi gel adalah 12,5 jam.   

  Gambar 2.9. Bahan baku yang dilarutkan dalam aquadest                        Gambar 2.10. Proses Pencampuran dan Pengadukan  c. Drying  Gel  yang  terbentuk  selanjutnya  dikeringkan  dengan  oven  pada  temperatur  100oC  selama 15 jam, gel mengembang dan mengering kemudian dikeringkan kembali pada   200oC  selama  6  jam,  sehingga  menghasilkan  serbuk  yang  berwarna  coklat  tua.  Setelah  dikeringkan  pada  temperature  200oC,  serbuk  bahan  magnet  sudah  dapat  ditarik oleh medan magnet.        141

                               Gambar 2.11. Serbuk magnet setelah proses pengeringan  d. Milling  Setelah  proses  pengeringan  pada  temperatur  100oC  ‐  200oC,  masih‐masing  sampel  digerus sampai halus dan tidak menggumpal.                     Gambar 2.12. Serbuk magnet yang telah dihaluskan  e. Kalsinasi  Temperatur kalsinasi divariasikan pada temperatur  900 oC.    g. Pressing / Kompaksi  Proses kompaksi dilakukan pada tekanan ± 75 kg/cm2 .    h. Sintering  Proses sintering pada temperatur 1000 oC dengan laju sintering sbb :    1000oC   60   o 10 C/men 40oC/men   30 500oC   10oC/men   475oC     75o     Gambar 2.13. Laju Sintering h. Karakterisasi   Magnet yang sudah disintering dikarakterisasi. Karakterisasi yang dilakukan adalah :  - Densitas dengan perhitungan dan neraca analitik  - Sifat magnet dengan Permagraph 

142

- Struktur mikro dengan SEM   - Senyawa yang terbentuk dengan XRD     2.5. Pembuatan Sampel  Dimensi  magnet  yang  dibuat  sebagai  prototip  adalah  dengan  dimensi  diameter  2.  7mm, tinggi    5 mm. 

  Gambar 2.14. Sampel magnet Barium Ferit    III. HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN  3.1. Karakterisasi nilai intrinsik magnet permanen   3.1.1 Karakterisasi nilai intrinsik magnet barium ferit  Karakterisasi sifat intrinsik magnet permanen circulator komersil.  Tabel 1.  Karakteristik sifat magnet dari magnet permanen circulator  Barium  Sifat Magnet  Ferrite  3, 64  Br (kG)  HcJ (kOe)  BH max  (MGOe)  Density  (gr/cm³) 

3, 42  3, 15  5, 04 

  Karakteristik  sampel  yang  dibuat  menggunakan  serbuk  barium  ferit  hasil  proses  sol  gel  dengan  variasi  pH  4,  5,  6  dan  7  yang  diukur  dengan  alat  ukur  Permagraph Magnet Physik dapat dilihat pada tabel 2.  Tabel 2. Pengaruh variasi pH terhadap sifat magnet pra sintering ( Kalsinasi )  Sifat  pH  pH  pH  pH 7  5  6  Magnet  4  1,  1,  1,  1,  Br (kG)  38  33  25  46  2,  4,  4,  4.  HcJ (kOe)  67  81  93  93  BH max  0,  0,  0,  0,  (MGOe)  39  39  34  46  Density  2,  2,  2,  2,  (gr/cm³)  73  32  01  91   

143

Nilai  induksi  remanen  terbesar  diperoleh  pada  sampel  yang  dibuat  menggunakan serbuk magnet sol gel dengan pH7. Hal ini juga terlihat dari kepadatan  sampel terbesar yang mencapai             2. 91 gr/cm³.  Karakteristik  sifat  magnet  hasil  percobaan  pembuatan  magnet  barium  ferit  pada  temperatur  sinter T=  1000  o  C  dan  holding  time  180  menit  dengan  variasi  pH  dapat dilihat pada tabel 3.    Tabel 3 . Karakteristik sifat magnet barium ferit dengan variasi   pH  4,5,6 dan 7 hasil proses sintering  Sifat  pH  pH  pH  pH 7  Magnet  4  5  6  1,  1,  1,  2,21  Br (kG)  49  78  92  HcJ  4,  3,  2,  2,643  (kOe)  55  15  76  BH max  0,  0,  0,  1,04  (MGOe)  47  67  75  Density  3,  3,  4,  4,11  (gr/cm³)  22  61  03  Analisa kristalisasi senyawa dengan XRD dilakukan untuk hasil kalsinasi 900 ºC. Kurva  hasil XRD diperlihatkan pada gambar 3.1.   

        

   

  (a) pH4

(b) pH5

144

        

 

 

(c) pH6 (d) pH7 Gambar 3.1. XRD barium ferit dengan variasi pH    3.1.1 Karakterisasi nilai intrinsik magnet bonded  Magnet permanen yang dibuat adalah magnet permanen bonded. Serbuk magnet di  cetak  menggunakan  dies  matres  dengan  diameter  2.  5  mm  dan  dikompaksi  menggunakan  metode  green  compact  dengan  variasi  tekanan  untuk  mendapatkan  magnet bonded dengan sifat magnet terbaik. Proses pembuatan magnet permanent  bonded yang dilakukan menggunakan magnet serbuk NdFeB. Magnet ini merupakan  magnet  dengan  crashed  ribbon  sehingga  akan  mengurangi  korosi  karena  bersifat  tahan akan oksidasi. Material magnet dari magnetquench ini sudah dicampur dengan  epoxy  resin,  sehingga  pada  penelitian  ini  tidak  perlu  ditambahkan  material  binder  lainnya.  Langkah  pertama  pada  eksperimen  ini  adalah  melakukan  penimbangan  serbuk  magnet  seberat  10.  5  gr  untuk  enam  buah  sampel.  Pada  sebuah  circulator  terdapat  sepasang  magnet  permanen,  dengan  demikian  serbuk  magnet  sebanyak  enam  kali  penimbangan  dimaksudkan  untuk  dilakukan  variasi  tekanan  yang  akan  dilakukan  untuk  mendapatkan  densitas  terbaik.  Pada  eksperimen  ini  tekanan/  kompaksi  yang  diberikan  adalah  50  kg/  cm2,  75  kg/  cm2  dan  100  kg/  cm2.  Sampel  hasil kompaksi kemudian dipanaskan pada temperatur 250  0 C dengan holding time  selama  60  menit.  Perlakuan  ini  diberikan  untuk  memastikan  bahwa  pengikatan  serbuk  magnet  oleh  polimer  sebagai  binder  terjadi  secara  optimal.  Sampel  hasil  kompaksi  kemudian  diukur  dimensi  fisik‐  nya    kemudian  dimagnetisasi  dengan  memberikan  energi  maksimal  sampai  sampel  mencapai  titik  jenuh  dan  dikarakterisasi  untuk  mendapatkan  besaran‐  besaran  induksi  remanen  (Br)  kG,  koersifitas  (Hcj)  kOe,  produk  energi  maksimum  (BH  max)  MGOe.  Langkah  terakhir  adalah  dengan  mengukur  kuat  medan  magnet  permukaan    menggunakan  gauss  meter.  Hasil  karakterisasi  sifat  magnet  menggunakan  permagrap  magnet  physik  diperlihatkan pada table 4.   

145

Tabel 4. Sifat Intrinsik Magnet Permanen Bonded  Sifat Magnet  50  75  100    A  B  A  B  A  B  Br (kG)  4.84  4. 93  5. 11  5. 25  5. 37  5. 4  6.  6.  HcJ (kOe)  6. 425  6. 339  4.743  6. 338  545  516  BHmax (MGOe)  3. 65  4. 53  3. 64  4. 86  2. 39  5. 28  Densitas  (gr.cm‐ 4. 43  4. 51  4. 76  4. 77  4. 91  4. 88  3)  Gauss  800  800  850  850  950  900 

Komersil 3. 64  3. 42  3. 15  5. 04 

800      Magnet  bonded  hasil  eksperimen  kemudian  diaplikasikan  pada  circulator  dan  dikarakterisasi menggunakan vector network analyzer. Hasil karakterisasi pada tabel  2, memperlihatkan data pengukuran dengan menggunakan vector nertwork analyzer  terhadap  circulator  dimana  magnet  permanen  bonded  sudah  teraplikasikan.  Nilai  VSWR  terukur  adalah  1.3,  ini  memperlihatkan  bahwa  setelah  magnet  permanen  bonded  diaplikasikan  pada  circulator,  sinyal  yang  direfleksikan  masih  memenuhi  spesifikasi.  Insertion  loss  pada  circulator  yang  sudah  teraplikasi  magnet  permanen  bonded memiliki nilai yang masih sesuai dengan spesifikasi yaitu 0. 6 dB.    3.2 Karakterisasi Circulator   Magnet permanen hasil eksperimen disubstitusikan pada circulator komersil, untuk  mengetahui unjuk kerjanya circulator kemudian dikarakterisasi menggunakan Vector  Network Analyzer. Hasil karakterisasi unjuk kerja circulator diperlihatkan pada tabel  5.   Tabel 5.  Hasil Karakterisasi Circulator dengan Vector Network Analyzer  Vector Network  Bonded  Komersil  Analyzer  VSWR  Insertion  (dB) 

Loss 

Isolation (dB) 

1.3 

1.3 

0.6 

0.5 

15 

18 

  Pada  tabel  5  diketahui  bahwa  magnet  permanen  bonded  yang  dihasilkan  pada  eksperimen dapat diaplikasikan pada circulator komersil, hal ini dilihat dari nilai pada  karakteisasi spesifikasi yang mendekati nilai spesifikasi circulator komersil.    IV. KESIMPULAN   1. Karakterisasi  yang  dilakukan  pada  circulator  komersil  dihasilkan  unjuk  kerja  VSWR = 1. 18 dan 1. 3 max, insertion loss = 0. 6 dB dan isolation = 18. 81 dB  memiliki nilai intrinsik residual magnetik ( Br) = 3. 64 kG, koersifitas (Hc ) = 3.  42  kOe,  Energi  produk  maksimum  (  BH  max)  =  3.  15  MGOe,  kuat  medan  magnet permukaan = 800 Gauss dan densitas = 5. 04 gr. cm‐3.  2. Telah  dihasilkan  magnet  permanen  barium  ferit  untuk  diaplikasikan  sebagai  magnet  permanen  circulator.  Magnet  permanen  barium  ferit  dengan  hasil  146

terbaik  diperoleh  dari  metode  sol  gel  pH  7dengan  perlakuan    pemberian  tekanan  100  kg/  cm2.  Magnet  permanen  bariu  ferit  ini  memiliki  densitas  terbesar yaitu 4.11 gr/ cm3 . Pada pengukuran sifat intrinsik diperoleh nilai Br =  2. 21 kG, HcJ = 2. 643 kOe dan Bhmax = 1. 04 MGOe.   3. Telah  dihasilkan  magnet  permanen  bonded  untuk  diaplikasikan  sebagai  magnet permanen circulator. Magnet permanen bonded dengan hasil terbaik  diperoleh pada perlakuan  pemberian tekanan 100 kg/ cm2. Magnet permanen  bonded ini memiliki densitas terbesar yaitu 4.9 gr/ cm3 . Pada pengukuran sifat  intrinsik  diperoleh  nilai  Br  =  5.  37  kG,  HcJ  =  4.734  kOe  dan  Bhmax  =  2.  39  MGOe.  Hasil  aplikasi    pada  circulator  dihasilkan  spesifikasi  VSWR  =  1.3,  Insertion Loss = 0.6 dB dan Isolation = 15 dB.         V. DAFTAR PUSTAKA   1. Laporan  Akhir  2011,  “  Pembuatan  Magnat  Barium  Ferit  Nanopartikel  dengan  Metoda Sol Gel untuk Aplikasi Generator”, DIPA Tematik PPET – LIPI 2011.  2.  Laporan  Akhir  2012,  “  Pembuatan  Magnat  Barium  Ferit  Nanopartikel  dengan  Metoda Sol Gel untuk Aplikasi Generator”, DIPA Tematik PPET – LIPI 2012.   3.  Hsuan‐Fu  Yu,  Hsin‐Yi  Lin,  (2004),  Preparation  and  thermal  behavior  of  aerosol‐ derived BaFe12O19 nanoparticles, Journal of Magnetism and Magnetic Materials,  283, 190‐198.  4.  D  Bahadur,  S.Rajakumar,  Ankit  Kumar,  (2006),  Influence  of  fuel  ratios  on  autocombustion  synthesis  of  barium  ferrite  nanoparticles,  Journal  Chem.Sci.,  118, 15‐21  5.  J.Schneider,  R.Knehans  S.,  (1996),  “Bonded  Hybrid  Magnets”,  Journal  of  Magnetism and Magnetic Materials,2157/158, 27 – 28.  6.  J.Li,  Y.Liu,  S.J.Gao,  M.Li,  Y.Q.Wang,  M.J.Tu,  (2006),  “Effect  of  process  on  the  magnetic  propertiesof  bonded  NdFeB  magnet”,  Journal  of  Magnetism  and  Magnetic Materials,299, 195‐204.  7.  Popa  P.D.,Rezlescu  E.,Doroftei  C.,  Rezlescu  N.,  (2005)  Influence  of  calcium  on  properties of strontium and barium.  8.  Pal,  M.,  dkk.,  (2004),  Synthesis  of  nanocomposites  comprising  iron  and  barium  hexaferrites, Elsevier, journal of magnetism and magnetic materials, 42‐47.  9. Idayanti,  Novrita.  Teknik  Hot  Press  pada  Pembuatan  Magnet  Bonded  Hybrid,  ”Jurnal elektronika dan Telekomunikasi” vol.9, No.2 (2009): 64‐ 68.  10. Kristiantoro,  Tony.  Pembuatan  dan  Karakterisasi  Magnet  Bonded  NdFeB,  “  Proseding Seminar Nasional Fisika ”, 2011                   

147

                   

Rancang Bangun Band Pass Filter (BPF)  Gelombang Mikro   

Dadin Mahmudin, S.T                                                             

148

LEMBAR PENGESAHAN    1.  Judul Kegiatan Penelitian   2.  3.      4.  5.  6.       

: 

Kegiatan Prioritas  Peneliti Utama  Nama    Jenis Kelamin    Sifat Penelitian  Lama Penelitian  Biaya Total 2013 

:  :  :  :  :  :  : 

Rancang Bangun Band Pass Filter (BPF)  Gelombang Mikro  ‐     Dadin Mahmudin, S.T  Laki‐laki  Baru       Tahun ke  1  1 (satu) Tahun  Rp. 103.360.000,‐ 

Bandung,   20 Desember 2013    Peneliti Utama       

Ketua PME PPET LIPI, 

Dr. Purwoko Adhi, DEA  NIP. 19670911 198701 1 001 

Dadin Mahmudin, ST  NIP. 19680920 199803 1 004                                           

149

ABSTRAK    Rancang bangun rangkaian Gelombang Mikro Filter Band Pass diajukan dalam  penelitian ini. Spesifikasi dari Gelombang Mikro Filter Band Pass yang akan dirancang  adalah mempunyai Bandwidth filter‐ 3dB    100 MHz, Bandwidth filter ‐  50dB  300  MHz, Frekuensi kerja 9,34 – 9,46 GHz, Frekuensi tengah 9,4 GHz dan  Insertion Loss<  0,4 dB. Insertion Loss pada daerah stop band    50dB,  Tipe  filter  Chebyschev  Ripple  0,1  dB,  VSWR  <  1,5    Impedansi  Terminal  50  Ohm.  Perancangan  Gelombang  Mikro  Filter  Band  Pass  ini  memerlukan  proses  simulasi  menggunakan  software  aplikasi  dan  analisa  matematis.  Hasil  perancangan  dan  realisasi  dari  penelitian  Gelombang  Mikro  Filter  Band  Pass  ini  nantinya  akan  diaplikasikan  pada  bagian  pemancar  (Transmitter)  dari  sistim  Radar..  Dimensi  filter  hasil  simulasi  mempunyai  panjang  73,0455,  lebar  10mm  dan  tinggi  6mm.  Dari  hasil  simulasi  diperoleh  filter  bandpass combline dengan orde 11, bandwidth filter 400Mhz, frekuensi kerja 9,1 – 9,5MHz, frekuensi tengah 9,3GHz dengan ripple 0,03, dan VSWR < 1,5.  Sampai    triwulan  ketiga  ,  telah  dilakukan  studi  mengenai  perancangan  filter  dan  menentukan  spesifikasi  dari  filter  yang  akan  dirancang.  Juga  sedang  dilakukan  rancang bangun dari komponen filter.      18. PENDAHULUAN  18.1  Latar Belakang Masalah  Perkembangan  teknologi  telekomunikasi  pada  daerah  frekuensi  gelombang  mikro  (microwave)  memerlukan  penguasaan  teknologi  perancangan  dan  realisasi  komponen‐komponen  microwave.  Adapun  salah  satu  komponen  tersebut  adalah  filter microwave. Filter merupakan suatu alat penting dalam sistem telekomunikasi,  yang  berfungsi  untuk  menyalurkan  sinyal‐sinyal  pada  frekuensi  tertentu  yang  diinginkan  dan  menolak  sinyal‐sinyal  pada  daerah  frekuensi  yang  tidak  diinginkan.Pada  perkembangan  teknologi  Radar  yang  semakin  beragam  memunculkan  berbagai  pemakaian  band  frekuensi,  misalnya  untuk  aplikasi  X  band  memiliki  frekuensi  pengoperasian  sekitar  9370  –  9430  MHz,  diperlukan  suatu  perangkat filter yang bisa beroperasi pada frekuensi tersebut. Salah satunya adalah  dengan  filter  yang    berupa  Cavity  bandpass  yaitu  saluran  transmisi  yang  menggunakan  resonator  berbentuk  batang  silindris  (slabline)    dengan  frekuensi  kurang  lebih  9370  –  9430  MHz  dan  BPF  Chebyshev  berbasis  mikrostrip  pada  frekuensi 9370 – 9430 MHz yang dapat diaplikasikan untuk sistem radar.      Metode  untuk  memperkecil  insertion  loss  pada  filter  Cavity  adalah  pada  bahan yang digunakan harus bahan dengan konduktivitas yang tinggi agar insertion  loss  lebih  kecil,  selain  itu  disebutkan  pula  bahwa  filter  Cavity  mempunyai  keistimewaan  cukup kompak, mempunyai stop‐band yang kuat, dan laju kecuraman  cut‐off pada bagian atas pas‐band dapat dirancang sangat curam. Berdasarkan hal di  atas,  maka  perlu  untuk  diteliti,  dkembangkan  dan  dirancang  suatu  filter    yang  memenuhi  spesifikasi  tersebut.  Ada  beberapa  hal  yang  menjadi  latar  belakang  dari  dicetuskannya penelitian ini, yaitu:  • Hampir  semua  teknologi  strategis  seperti  sistim  Radar,  sistem  komunikasi  pesawat ruang angkasa dan rangkaian elektronis untuk telekomunikasi pada  frekuensi tinggi (microwave) menggunakan Rangkaian Gelombang Mikro. 

150

•

•

•

•

Peralatan Strategis seperti Radar pada umumnya bernilai sangat mahal (dari  U$10.000  sampai  dengan  jutaan  U$  dollar),  ditambah  dengan  sulitnya  mekanisme  pembelian  Radar  yang  bernilai  strategis  dibidang  keamanan,  sehingga  perlu  dilakukan  langkah‐langkah  yang  mengarah  kepada  upaya  untuk  meningkatkan  kemampuan  secara  teknologi  maupun  penguasaan  rancangan  perangkat  keras  untuk  bisa  memenuhi  kebutuhan  sendiri  dalam  bidang teknologi perancangan dari modul komponen peralatan strategis ini.  Penguasaan  Teknologi  Rangkaian  Gelombang  Mikro  masih  sangat  sedikit  sekali,  karena  memerlukan  tingkat  analisa  yang  cukup  mendalam  serta  melibatkan  perhitungan  matematis  tingkat  tinggi  disamping  pengalaman  mendesain dan praktek yang cukup.  

  Gambar 1. Contoh Rangkaian Gelombang Mikro Filter Combline.  Peningkatan  kemampuan  Peneliti  dalam  bidang  Rancang  Bangun  Rangkaian  Gelombang  Mikro  perlu  ditingkatkan  dikarenakan  adanya  perkembangan  teknologi yang cepat terutama dibidang komponen elektronik dan perangkat  lunak, disamping adanya keinginan dari pihak luar negeri yaitu International  Research  Centre  for  Telecommunications  and  Radar  (IRCTR)  dari  TU  Delft,  Belanda  untuk  bekerja  sama  dalam  penelitian/pembuatan  Radar  sehingga  bisa  dijadikan  sebagai  nara  sumber,  turut  menjadi  faktor  pendorong  diajukannya penelitian ini.  Modul Rangkaian Cavity Filter Band Pass (BPF), merupakan salah satu bagian  dari  sistim  radar  yang  cukup  penting  dan  srategis.  Dalam  pembuatan  Gelombang Mikro Filter Band Pass (BPF) ini.  

151

Synchronizer

Transmitter+ PA

TX Antenna RX Antenna

Power Supply

Display Unit

Video

Receiver + LNA Filter BPF Antenna Control

18.2 Gambar 2. Blok Diagram Sistem Radar.        18.3  Perumusan Masalah    Berdasarkan  Latar  belakang  yang  telah  diuraikan  diatas  ,  maka  beberapa  masalah    yang akan diteliti dan dikembangkan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :  • Bagaimana merancang dan merealisasikan Cavity BPF pada rentang frekuensi  kurang lebih 9,37 – 9,43 GHz.  • Bagaimanakah proses perancangan dan pembuatan Cavity BPF pada rentang  frekuensi 9,37– 9,43 GHz GHz.  • Bagaimana  cara  mendapatkan  Cavity  BPF  agar  dapat  bekerja  pada  rentang  frekuensi kurang lebih 9,37 – 9,43 GHz GHz  • Bagaimanakah mengukur parameter Cavity BPF yang akan dibuat.  • Apakah  hasil  pengukuran  dan  pengujian  sesuai  dengan  spesifikasi  yang  ditentukan.  18.4         19. TUJUAN DAN SASARAN  19.1  Tujuan  Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  melakukan  perancangan  dan  implementasi  dari  modul  Rangkaian  RF  Filter  berupa  Cavity  BPF  yang  akan  dipasang  untuk  mensuport system RADAR Pengawaspantai ISRA. Prototip modul Rangkaian RF  Filter  berupa  Cavity  BPF  ini  juga  akan  dites  dan  dilakukan  pengukuran‐ pengukuran  yang  diharapkan  hasilnya  sesuai  dengan  spesifikasi  yg  telah  ditentukan.      152

 

  19.2 Sasaran  Penelitian  ini  diharapkan  dapat  Mengurangi  ketergantungan  akan  kebutuhan  suku  cadang  modul‐modul  komponen  yang  berbasis  Rangkaian  Gelombang  Mikro  seperti  peralatan  pada  sistem  Radar  Pengawas  Tepi  pantai,  sehingga fungsi Pengawasan dan pengamanan wilayah perairan Indonesia masih  tetap  bisa  berjalan  bila  terjadi  kerusakan  pada  modul‐modul  komponen  yang  dipakai  atau  bila  terjadi  larangan  import  modul  komponen  strategis  lainnya  akibat blokade dari negara tempat produk tersebut dibuat.  Untuk meningkatkan  kemampuan  para  peneliti/engineer  dalam  penguasaan  teknologi  perangkat  keras Sistem Radar.    Penelitian  ini  terdiri  atas  perancangan  dan  realisasi.  Perancangan  mencakup  identifikasi  dan  penentuan  spesifikasi  dari  Cavity  Filter  Band  Pass(BPF),  secara  berurut metodologi penelitian ini adalah sebagai berikut :  • Menentukan spesifikasi dari Cavity Filter Band Pass (BPF) yang akan dirancang  • Memilih  komponen  komponen  yang  mempunyai  spesifikasi  sesuai  dengan  spesifikasi dari Cavity Filter Band Pass (BPF) yang dirancang.  • Penentuan Orde (banyaknya resonator) dari filter sesuai dengan karakteristik  yang  diinginkan.  Hal  ini  dilakukan  dengan  menggunakan  persamaan  transformasi  low‐pass  ke  band‐pass  dan  kurva  karakteristik  redaman  berdasarkan pendekatan matematis dari Chebychev.   • Setelah orde filter diketahui, kemudian dihitung parameter prototip low‐pass  filter  dengan  menggunakan  persamaan‐persamaan  dan  tabel  harga  elemen   untuk pendekatan chebychev.  • Menghitung  besaran  kapasitansi  sendiri  (self  capacitance)  atau  kapasitansi  bersama  (coupling  capacitance)  yang  dinormalisasi  terhadap  konstanta  dielektrik.  Untuk  itu  sebelumnya  dihitung  dahulu  parameter  inverter  admitansi  relatif  terhadap  admitansi  saluran  (Jk,k+1/YA),  panjang  elektris  resonator  ( ),  dan  parameter  matematis  lainnya.  Perhitungan  ini  berdasarkan persamaan‐persamaan perancangan dari G.L. Matthaei   • Setelah besaran kapasitansi pada butir ‘c’ diketahui, maka berdasarkan kurva‐ kurva dari E.G Cristal , bisa ditentukan jarak antar resonator (s) dan diameter  dari batangan resonator (d) yang masing‐masing dinormalisasi terhadap jarak  antar ground‐plane (b).  • Menentukan harga (b) , jarak antar ground‐plane.  • Melakukan uji fungsional terhadap rangkaian yang telah dirancang.      20. RENCANA CAPAIAN, HASIL, DAN PEMBAHASAN  20.1 Rencana Capaian      Bulan  No.  Kegiatan dan Penanggung Jawab 1  2 3 4 5 6 7 8 9  10  11  12  1  Perancangan (Pamungkas)                          2  Simulasi (Folin Oktaviani)                          3  Implementasi Komponen                         

153

4  5  6  7 

(Yana Taryana)  Pengukuran (Agus Deni)  Integrasi (Patricius)  Publikasi (Dadin Mahmudin)  Laporan (Dadin Mahmudin) 

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

  20.2 Hasil dan Pembahasan    20.2.1 Disain dan  Simulasi  Spesifikasi filter yang diinginkan adalah sebagai berikut :  • Bandwidth filter‐ 3dB  :  100 MHz  • Bandwidth filter‐50dB  :  440 MHz  • Frekuensi kerja    :  9.35‐9.45 GHz  • Frekuensi tengah    :  9.4 GHz  • Insertion Loss    :  < 0,4 dB   • Tipe filter       :  Chebyschev   • Ripple              :  0,1 dB   • VSWR             :  < 1,5   • Impedansi Terminal           :  50 Ohm      Gambar filter yang disimulasikan data dilihat pada Gambar 3. 

 

  Gambar  3. Geometri filter bandpass combline  Dimensi filter hasil simulasi mempunyai panjang 73,0455mm lebar 10mm dan tinggi  6mm.  Filter  combline  yang  dirancang  terdiri  dari  11  batang  silinder  yang  disusun  sejajar,  diantara  satu  batang  silinder  dengan  yang  lainnya  terdapat  stub  berbentuk  persegi  yang  berfungsi  untuk  mempersempit  bandwith  filter.  Untuk  memperkecil  ripple ditambahkan batang silinder dibagian permukaan atas yang berfungsi sebagai  tuning.   Hasil simulasi combline filter ditunjukkan pada gambar x‐z. Dari Gambar 4 dapat kita  lihat respon s11 dan 21 dari combline filter yang  didesain.  

154

 

 

Gambar 4. Hasil simulasi s11 dan s21 filter  Hasil simulasi insertion loss filter yang didesain ditunjukkan pada  gambar 5. Nilai  insertion loss yang diperoleh lebih kecil dibandingkan dengan spesifikasi yang  diinginkan yaitu sebesar 0.04dB, hal ini menunjukkan bahwa jenis cavity bandpass  dapat memperkecil nilai insertion loss.  

  Gambar 5. Hasil simulasi s21 filter    Nilai  insertion  loss  filter  sebesar  ‐3dB  diperoleh  pada  range  frekuensi  8.9  –  9.6,  sehingga  bandwidth  filter  ‐3dB  sebesar  700  MHz.  Bandwidth  hasil  simulasi  lebih  besar  dibandingkan  dengan  spesifikasi  hal  ini  disebabkan  karena  karakter  dari  combline filter yang mempunyai bandwith lebar. 

155

Gambar 6. Ripple filter bandpass comb‐line 

 

  Ripple bandpass filter combline hasil simulasi pada range frekuensi 9,1 ‐9.42Ghz  yaitu sebesar 0.03 seperti terlihat pada gambar 6. Dengan menggunakan orde filter  yang banyak maka Ripple filter hasil simulasi lebih bagus dibandingkan dengan  spesifikasi. 

  Gambar 7. Hasil simulasi VSWR filter    Hasil simulasi VSWR filter pada frekuensi tertentu dapat dilihat pada Gambar 7 dan  Tabel 1 .    Tabel 1 VSWR  Frekuensi (GHz)  Nilai VSWR  9.0607  1.4905  9.1007  1.4164  9.1994  1.2943  9.2993  1.2199  9.4009  1.2809  9.4626  1.4925   

156

Dari tabel 1 terlihat untuk nilai VSWR< 1.5 diperoleh pada rentang frekuensi 9.0607 –  9.4626  MHz,  sehingga  filter  yang  didesain  telah  memenuhi  spesifikasi  yang  diinginkan.    3.2.2 Desain Filter BPF   

 

 

 

  Gambar 8. Desain Filter dari hasil simulasi 

      3.2.3 Prototipe   

Gambar 9. Prototipe Filter BPF  

 

    3.2.4 Setting Pengukuran dan Hasil‐hasil pengukuran    157

Untuk melakukan pengukuran BPF ini, pada masing‐masing port BPF dihubungkan ke  Network Analyzer, dimana port 1 sebagai input, dan port 2 sebagai output. Berikut  merupakan konfigurasi dari pengukuran BPF ini :    Pengukuran Insertion Loss Dan Bandwidth  Pengukuran  insertion  Loss  dan  bandwidth  ini,  dilakukan  dengan  mengukur  parameter S12 dan S21. Adapun langkah‐langkah nya sebagai berikut :  a. Hubungkan port 1 dan port 2 Network Analyzer dengan filter, seperti gambar  4.1  b. Tekan hardkey Format, tekan softkey log mag  c. Tekan hardkey Means, tekan softkey S12 atau S21  d. Hasil  pengukuran  akan  terlihat  di  Network  Analyzer  (Insertion  Loss  dan  Bandwidth)     

Gambar 10. Setting pengukuran  

 

  3.2.5 Hasil pengukuran S21   

  Gambar 11. Hasil pengukuran S21      Hasil  pengukuran  redaman  Filter.  Nilai  insertion  loss  filter  sebesar  ‐3dB  diperoleh  pada  range  frekuensi  x‐z,  sehingga  bandwidth  filter  ‐3dB  sebesar  496MHz.  158

Bandwidth  hasil  simulasi  (700  MHz)  dan  pengukuran  lebih  lebar  dibandingkan  dengan spesifikasi (100 MHz) hal ini disebabkan karena karakter dari combline filter  yang mempunyai bandwith lebar    Hasil pengukuran parameter S11   

#  Gambar 12. Hasil pengukuran parameter S11      Gambar  12  menunjukkan  bahwa  VSWR  (Voltage  Standing‐Wave  Ratio)  input  filter  pada  frekuensi  tengah  f0  =  1,176  (seperti  ditunjukkan  marker‐1  pada  gambar  12).  Namun  pada  daerah  passband,  VSWR  yang  maksimum  terjadi  pada  titik  bertanda   bintang,  yaitu  tidak  <  1,5.  Sementara  itu  VSWR  yang  diinginkan  maximum  1,5,  ini  berarti  VSWR  filter  tidak  masuk  dalam  spesifikasi  perancangan.  Hal  ini  disebabkan  oleh penyesuaian impedansinya yang kurang baik.   Spesifikasi vs realisasi                    Spesifikasi  • Bandwidth filter‐ 3dB  :  100 MHz  • Bandwidth filter‐50dB  :  440 MHz  • Frekuensi kerja    :  9.35‐9.45 GHz  • Frekuensi tengah    :  9.4 GHz  • Insertion Loss    :  < 0,4 dB   • Ripple       :  0,1 dB   • VSWR       :  < 1,5   • Impedansi Terminal          :  50 Ohm                   

159

Hasil‐hasil Pengukuran    Tabel 1. Hasil‐hasil pengukuran   IL (dB)  Rejection  VSWR  @GHz  (dB)   @GHz  S11  ‐[email protected] 

[email protected] 

BW 3dB  (MHz)  S22 

2.687@FL 3.107@FL 496 

‐ [email protected]  1.17@FC  [email protected]  ‐[email protected]  [email protected]  2.94@FU 

1.310@FC    2.16@FU 

  

  

  

  

[email protected] 

  

  Setalah dibandingkan antara spesifikasi yang dinginkan dengan hasil pengukuran dari  filter tersebut, telah terjadi ketidak sesuaian. Hal ini disebabkan oleh:   a. Rugi‐rugi bahan yang ditimbulkan oleh resistansi dari bahan kuningan  b. Kontak  tutup  filter  yang  mengandalkan  kekuatan  skrup,  bagaimanapun  juga   masih  ada  rongga  yang  menimbulkan  kebocoran  sehingga  menimbulkan  rugi‐rugi  disipasi.  Demikian  juga  halnya  dengan  kapasitor  tuner  yang  dibuat  dalam  bentuk  sekrup.  c.  Impedance Matching (penyesuaian impedansi) yang tidak baik pada terminal  masukan.    ™ OUTPUT    (rencana sesuai yg tercantum dalam proposal)  (contoh)  NO.  OUTPUT  RENCANA  REALISASI  % CAPAIAN  KETERANGAN  10.   Publikasi Ilmiah          m. Jurnal Nasional  1 buah  ‐  100  Jelaskan judul  makalah, penulis,  No. ISSN/ISBN,  tempat dan tahun  diterbitkan      n. Prosiding  1 buah  1  20  Jelaskan   Internasional    11.   Contoh Produk  1 unit  ‐  40  Jelaskan sampai  (jelaskan spesifikasi  tahap apa  lengkapnya)    12.   HKI            g. Paten  1 unit  ‐    Jelaskan       h. Merk  1 unit  ‐    Jelaskan       dst         

160

              21. KENDALA DAN PERMASALAHAN    Rancang  bangun  dari  Filter  harus  dikerjakan  diluar  PPET‐LIPI  sehingga  memerlukan waktu yang agak lama.    22. KESIMPULAN  Telah dibuat sebuah  prototype dari  Filter Combline di frekuensi 9,4 GHz. Filter  combline  yang  dirancang  terdiri  dari  11  batang  silinder  yang  disusun  sejajar,  diantara  satu  batang  silinder  dengan  yang  lainnya  terdapat  stub  berbentuk  persegi  yang  berfungsi  untuk  mempersempit  bandwith  filter.  Bandwidth  hasil  pengukuran lebih lebar dibandingkan dengan spesifikasi yang diinginkan, hal ini  disebabkan  karena  karakter  dari  combline  filter  yang  mempunyai  bandwith  lebar.    23. DAFTAR PUSTAKA    (b) Matthaei,  G.L.,  Young,  L.,  and  Jones,  E.M.T,  Microwave  Filter,  Impedance  Matching Network, and Coupling Structure, Artech House, Inc, 1980  (c) Hunter, I., Theory and Design of Microwave Filters, IEE, London, UK, 2001.  (d) Cristal, E.G, coupled Circular Cylindrical rods between parallel ground plane, IEEE  Trancactions on Microwave Theory and Techniques, 1964  (e) Mattaei,  G.l,  Comb‐line  band‐pass‐filter  of  narrow  or  moderate  bandwidth,  Microwave J, 1963                                   

161

                     

Rancang Bangun Transduser Array untuk  Meningkatkan Daya Pancar Sistem Sonar   

Deni Permana Kurniadi, ST                                                           

162

  LEMBAR PENGESAHAN    1.  Judul Kegiatan Penelitian  

: 

2. 

Kegiatan Prioritas 

: 

3.      4.  5.  6.       

Peneliti Utama  Nama    Jenis Kelamin    Sifat Penelitian  Lama Penelitian  Biaya Total 2013 

  :  :  :  :  : 

Rancang Bangun Transduser Array untuk  Meningkatkan Daya Pancar Sistem Sonar  Program Penelitian, Penguasaan dan  Pemanfaatan Iptek.     Deni Permana Kurniadi, ST  Pria  Baru /  Tahun ke I  2 ( dua) Tahun  Rp. 152.180.000 

Bandung,   Desember 2013    Peneliti Utama,       

Ketua PME PPET LIPI, 

Dr. Purwoko Adhi, DEA  NIP. 19670911 198701 1 001 

Deni Permana Kurniadi, ST  NIP. 19691111 199703 1 004                                       

163

  ABSTRAK    Sound  Navigation  and  Ranging  (SONAR),  adalah  suatu  teknik  navigasi  yang  sama  seperti  sistem  RADAR,  hanya  saja  menggunakan  gelombang  serta  medium  yang  berbeda.  Pada  sistem  SONAR  gelombang  yang  dipergunakan  adalah  gelombang  akustik  yang  memanfaatkan  air  sebagai  medium  propagasi.    Penguasaan  teknologi   bawah air bersifat strategis, sama seperti sistem Radar karena banyak sekali aplikasi  teknologi yang bisa dihasilkan baik itu untuk peralatan komersial ataupun peralatan  militer.  Salah  satu  tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  mendukung  kompetensi  PPET  –  LIPI dalam rancang bangun produk penelitian menjadi produk‐produk komersial yang  akan mendorong tumbuhnya industri lokal yang handal, karena didukung oleh hasil‐ hasil  penelitian  yang  terukur  dan  teruji.  Dukungan  untuk  penelitian  ini  menjadi  penting,  karena  Indonesia  sangat  memerlukan  produk‐produk  yang  dapat  mendukung pertahanan dan keamanan baik di atas maupun di bawah air. Mengingat  pengembangan  teknologi  bawah  air  relatif  baru,  maka  pengembangan  ke  arah  itu  mempunyai  nilai  strategis  tidak  hanya  di  Indonesia  tapi  juga  dunia,  setidaknya  di  kawasan asia tenggara. Terlebih lagi jika kita memperhatikan teknologi alusita yang  dimiliki  Angkatan  Bersenjata  khususnya  yang  menerapkan  teknologi  bawah  air,  hampir  sebagian  besar  menggunakan  teknologi  luar  negeri  sehingga  nilai  ketergantungannya  sangat  tinggi.  Hal  ini  terjadi  karena  industri  dalam  negeri  yang  mengembangkan teknologi bawah air terutama untuk peralatan militer masih sangat  jarang. Disisi lain, untuk pemeliharaan, perbaikan, dan pengadaan sistem, baik untuk  militer  dan  non‐militer  masih  sangat  tergantung  dari  luar  negeri.  Pada  akhir  penelitian  ini  diharapkan  akan  melahirkan  beberapa  inovasi,  kemandirian  teknologi  serta  daya  saing  yang  tinggi  dalam  perkembangan  teknologi  bawah  air,  mengingat  sangat sedikit sekali lembaga riset, institusi serta industri yang bergerak di bidang ini.  Sementara, peneliti‐peneliti di PPET‐LIPI sejak tahun 2004 telah melakukan beberapa  kegiatan  penelitian  mengenai  penguasaan  teknologi  elekronika  bawah  air,  yang  merupakan dasar dalam pembuatan sistem sonar.     Kata kunci: sonar, gelombang akustik, projektor, hydrophone, heterodyn.    24. PENDAHULUAN  24.1  Latar Belakang Masalah    Dalam  setiap  penyusunan  strategi  pertahanan  negara  dari  tantangan,  ancaman  dan  gangguan,  sering  terlupakan  pentingnya  pertahanan  bawah  air.  Padahal    Indonesia  adalah  negara  kepulauan  dengan  luas  lautan  3  kali  dari  luas  daratan, membuat Indonesia menjadi negara bahari yang potensial. Oleh karena itu,  sudah  selayaknya  penguasaan  teknologi  bawah  air  menjadi  prioritas  selain  penguasaan‐penguasaan  teknologi  lainnya.  Pada  kenyatannya  sekarang,  Lembaga  dan  kegiatan  Penelitian  di  bidang    teknologi  bawah  air  di  Indonesia  masih  sangat  sedikit,    terlebih  lagi  untuk  bidang  pertahanan,  dirasa  kurang  mendapat  prioritas,  yang  mengakibatkan  perkembangan  teknologi  tersebut  dalam  kondisi  stagnan  dan  jauh tertinggal dengan negara‐negara tetangga terutama Singapura dan Malaysia.  

164

Untuk  Lembaga  Penelitian  seperti  PPET‐LIPI,  keadaan  ini  merupakan  kesempatan  emas untuk membuat aplikasi‐aplikasi hasil riset dan masuk ke industri pertahanan  yang oleh Menristek diserukan agar para peneliti melirik industri Hankam mengingat  anggaran  militer  yang  besar  di  negeri  kita,  sehingga  dapat  memperkuat  sistem  pertahanan  nasional,  daya  saing  dan  kemandirian.  Beberapa  contoh  aplikasi  teknologi  bawah  air  yang  sekarang  dipergunakan  adalah  sistem  sonar,  sistem  navigasi kapal laut dan kapal selam, pelacak black box pesawat, pengendali Torpedo,  sistem komunikasi kapal selam, diver tracking, dan lain‐lain. Padahal pemeliharaan,  perbaikan,  dan  pengadaan  sistem  ini  baik  untuk  militer  dan  non‐militer  masih  tergantung dari luar negeri.   

  Gambar 1. Prinsip Kerja Sistem Sonar    Prinsip kerja dari sistem sonar adalah dihasilkannya suatu bentuk sinyal atau impuls  di  bagian  pemancar,  kemudian  akan  dirubah  bentuk  besarannya  oleh  sebuah  projektor  menjadi  bentuk  gelombang  akustik,  bentuk  gelombang  akustik  tersebut  akan  dipancarkan  ke  dalam  air.  Ketika  gelombang  akustik  tersebut  mengenai  suatu  objek,  maka  gelombang  akustik  tersebut  akan  dipantulkan  kembali  dan  kemudian  akan ditangkap oleh hydrophone, diperkuat pada sistem penerima, yang selanjutnya  akan  dilakukan  proses  pengolahan  sinyal,      sehingga  dapat  ditampilkan  pada  tampilan peraga secara visual. Karena kejadian pengiriman gelombang akustik serta  penerimaan sinyal pantul terjadi berulang‐ulang dalam setiap detik, maka pada layar  peraga akan ditampilkan suatu bentuk sinyal continuous yang akan memperlihatkan  keadaan di bawah permukaan air.            24.2  Perumusan Masalah    Rancang  bangun  transduser  array  untuk  meningkatkan  daya  pancar  sistem  sonar  ini  terdiri  dari  elemen‐elemen  projektor  (ultasound  transducer  element)  yang  disusun secara paralel seperti yang diperlihatkan pada gambar di bawah ini :    

165

•

• •

•

    Gambar 2. Prinsip Kerja Transduser Array bagian Pemancar    Transmit  Beamformer, merupakan sub‐bagian  dari  sistem transduser  array  yang  mana  sinyal  atau  impuls  dari  keluaran  sistem  sonar  akan  diproses  dahulu  dengan  menggunakan  metoda  splitter  secara  langsung,  dimana  besarnya  daya  dibagi  sama  besar  tergantung  dari  jumlah elemen projektor yang dipergunakan dengan fasa yang sama.  Ultrasound  High  Voltage  Transmitter,  merupakan  sub‐bagian  dari  sistem  transduser  array  yang  berfungsi  untuk  menaikkan  daya  atau  level tegangan sebelum masuk kepada elemen projektor.  Transmit  Focus Delay, merupakan sub‐bagian dari sistem transduser  array  yang  mana  sinyal  atau  impuls  yang  sudah  dikuatkan,  akan  digeser  fasanya  dengan  metoda  delay.  Besarnya  pergeseran  fasa,  tergantung dari jumlah elemen projektor yang dipergunakan.  Ultrasound  Transducer  Elements,  merupakan  sub‐bagian  dari  sistem  transduser array yang berfungsi untuk mengubah sinyal listrik menjadi  getaran akustik. 

    25. TUJUAN DAN SASARAN  25.1 Tujuan  Tujuan dari kegiatan ini adalah penguasaan teknologi tranduser array sebagai  projector  pada  sistem  pemancar  sonar,  untuk  menunjang  kebutuhan  kemandirian pertahanan dan keamanan.          25.2 Sasaran  Sasaran  dari  penelitian  ini  adalah  rancang  bangun  tranduser  array  untuk  meningkatkan  daya  pancar  sistem sonar  sebagai  alat  pendeteksi  kapal  selam  bekerjasama dengan Labinbair Dislitbang TNI Angkatan Laut.       

166

  26. METODE  • Studi  literatur,  yaitu  menganalisis  trend  teknologi  pada  5  tahun  terakhir  untuk  teknologi  ultrasonic/sonar  dari  jurnal‐jurnal  internasional,  selanjutnya  mengambil  beberapa  ide  yang  layak  untuk  diplikasikan  pada  sistem  komunikasi  bawah  air.  Sumber  untuk  melakukan  studi  literatur  ini  selain  di  PDII‐LIPI, kepustakaan alat‐alat pada Mabes TNI, juga di Labinbair TNI‐AL.  • Studi lapangan, yaitu melakukan pengukuran lapangan dengan lebih spesifik  (pengukuran  dasar  secara  umum  pernah  dilakukan)  dengan  memperhatikan  faktor‐faktor  (kondisi  medan)  yang  memungkinkan  adanya  refleksi  gelombang  atau  pun  dead  zone.  Selanjutnya  dari  pengukuran  lapangan  ini  akan diketahui sejauh mana kondisi tersebut berpengaruh pada sistem yang  akan  dibuat.  Studi  lapangan  akan  dilakukan  pada  daerah gelombang  tenang  seperti danau atau teluk dan daerah laut terbuka.  • Analisa dan Simulasi, yakni melakukan perancangan modul‐modul yang akan  dirakit, kemudian melakukan simulasi.   • Perakitan,  yakni  merakit  modul‐modul  yang  berdasarkan  hasil  analisa  dan  simulasi sudah mempunyai unjuk kerja optimum.  • Pengujian  Laboratorium,  yakni  mengadakan  pengujian  laboratorium  terhadap  rangkaian  yang  telah  dirakit.  Pengujian  skala  laboratorium  ini  sangat  dimungkinkan  karena  sudah  bisa  membuat  model  redaman  air,  sebagai hasil dari pengalaman dalam kegiatan‐kegiatan sebelumnya.  • Pengujian  Lapangan,  yaitu  melakukan  uji  coba  di  lapangan  atas  modul  tansduser array yang sudah dibuat, sehingga bisa dilakukan penyempurnaan  pada bagian‐bagian yang belum optimal.      27. RENCANA CAPAIAN, HASIL, DAN PEMBAHASAN    27.1 Rencana Capaian  Tahun I (2013)  Bulan  Rencana Kerja  o.  0  1  Studi  Literatur  dan  .  Pustaka  Spesifikasi trasnduser  .  Desain  sistem  .  transduser   Pemilihan  dan  .  pembelian  komponen  &  material  Realisasi  sistem  .  transduser  Karakterisasi  dan  .  pengukuran sistem transduser  skala laboratorium  167

2 

. 

. 

Karakterisasi  dan  pengukuran sistem transduser  di lapangan  Evaluasi  atas  semua  kegiatan‐kegiatan  yang  telah  dilakukan  Pembuatan Laporan 

.  Seminar  seta  Publikasi  0.  Ilmiah    27.2 Hasil dan Pembahasan :    Dengan  menggunakan  perhitungan  panjang  gelombang  serta  prinsip  penjumlahan  vector,  maka  desain  transduser  array  dilakukan,  dengan  mengacu  juga  kepada  hasil  pengukuran  pada  tahap  karakterisasi.  Untuk  menentukan banyaknya jumlah transduser array yang akan dipergunakan, hal  ini akan mengacu kepada hasil perhitungan link budget sistem sonar, sehingga  efisiensi sistem dapat tercapai dengan sempurna.  Diketahui :  1. Frekuensi  kerja  transduser  type  Hard  Transducer  model  PTZ  (Lead  Zirconat Titanat) sebesar 28 kHz.  2. Bentuk fisik dari Hard Transducer model PTZ (Lead Zirconat Titanat) :  Lingkar Luar  = 70 mm  Lingkaran Dalam  = 30 mm  Ketebalan    = 10 mm      f = υ/ λ      λ = υ / f      λ = 1500 m/s : 27.000/s      λ = 5.6 cm      2λ = 11.1 cm    Dengan  kecepatan  rambat  gelombang  di  dalam  air  sebesar  1500  m/s,  maka  panjang  gelombang  yang  dihasilkan  sebesar  5.6  cm  pada  frekuensi  27  kHz.  Panjang  ini  tidak  akan  cukup  untuk  membuat  dua  buah  piezoelectric  ditempatkan berdampingan karena diameter luar Hard Transducer model PTZ  sebesar  7  cm,  sehingga  digunakan  perhitungan  2  kali  panjang  gelombang.  Untuk  perhitungan  2λ  dihasilkan  panjang  11.1  cm  dimana  panjang  tersebut  cukup  untuk  leluasa  untuk  menempatkan  piezoelectric  dengan  cara  berdampingan, seperti gambar di bawah ini :  Pembahasan Rancangan Prototipe :    Transduser  Array  terdiri  dari  4  transduser  piezoelektrik  yang  tersusun  secara  seri.  Bentuk dari transduser array berupa kapsulasi dengan diameter casing berdiameter  3  inchi.  Untuk  transduser  piezoelektrik  berukuran  luar  70mm,  dalam  atau  lubang  30mm,  dan  tebal  10mm,  biasa  disingkat  70_30_10.  Bahan  dasar  dari  transduser  adalah Hard Lead Zirconate Titanat yang sesuai untuk transduser daya tinggi. Setiap  168

transduser berada di antara dua load plate mass m1 dan m2. Apabila load m1 berada  dimuka, yaitu arah keluaran radiasi akustik, maka m2 > m1. Load  m1 dibuat tersusun  dengan  arag  getar  akustik.  Diameter  terluar  dari  cones  merupakan  kelipatan  ganjil  dari setengah panjang gelombang akustik di bawah air. Keempat transduser tersebut  diletakan di dalam housing kedap air, sedangkan bagian muka ditutup dengan dom  dengan impedansi akustik rendah dan juga kedap air, dalam perencanaan digunakan  polyurethan. Elemen bawah air ini merupakan elemen dasar, atau satuan, dari suatu  sistem projektor secara keseluruhan. Sistem Akustik Projektor tersusun dari Elemen‐ elemen akustik projektor yang disusun sedemikian rupa agar diperoleh pola berkas  tertentu dan dapat meradiasikan daya berkas seperti yang dibutuhkan. Sinyal Radiasi  Akustik  Pemancar  Sonar  pada  kedalaman  5  meter  dengan  jarak  pengukuran  transduser terhadap penerima sejauh  10 meter, frekuensi kerja 27 KHz. Pengukuran  menggunakan  alat  bantu  berupa  hydrophone  wide  band  acoustic  detector  merek  Reson type TC 1026, dengan intensitas sinyal ‐2dB dari referens (TC1026).          ™ OUTPUT :  NO.  OUTPUT  RENCANA REALISASI  %  KETERANGAN  CAPAIAN  13.   Publikasi Ilmiah          o. Jurnal Internasional  1 buah  1 buah  100%  Diterbitkan  di  IOSR  Judul : Battery Voltage  Journal  (International  Control System to  Organization  of  Scientific  Avoid Deep Charging in  Research),   Control Battery Unit  Vol. 4, Issue 6, Mar‐Apr  (CBU), Penulis :   2013.  Deni Permana Kurniadi  dan Arief Budi Santiko  14.   Prototipe berupa  1 unit  Prototipe  100%  Sesuai dengan Jadwal  Transduser Array yang  Transduser  Kegiatan, pada bulan  akan berfungsi sebagai  Array  Oktober sampai  Penguat Daya Sistem  Desember 2013, masuk  Sonar.  pada tahap evaluasi  kegiatan serta  pembuatan laporan akhir      28. KENDALA DAN PERMASALAHAN  Di  dalam  proposal  disebutkan  akan  dilakukan  pengukuran  pada  daerah  gelombang tenang seperti danau atau teluk serta melakukan pengukuran di laut.  Sampai  triwulan  keempat,  pengukuran  serta  pengujian  sistem  transduser  array  masih belum bisa dilakukan di laut, tetapi dilakukan di daerah air tawar berupa  danau  buatan,  karena  terbentur  dengan  ketersediaan  dana.  Untuk  kegiatan  pengukuran di laut, dibutuhkan dana untuk persiapan serta peralatan pendukung  pengukuran,  seperti  power  supply,  perahu,  dudukan  transduser,  keselamatan 

169

kerja,  dll,  maka  pengukuran  baru  bisa  dilakukan  di  daerah  gelombang  tenang  yaitu di daerah danau berupa perairan tawar.      29. KESIMPULAN  Dengan melihat hasil pengukuran dari prototype transduser array jenis  Tonpilz  Piezoelectric  Ring  70_30_10.  yang  terdiri  dari  4  buah  piezoelectric,  maka  dihasilkan    respon  frekuensi  yang  hampir  rata  pada  frekuensi  tengah  28KHz  dengan bandwidth sekitar 10 kHz. Hal ini akan terlihat jika dibandingkan dengan  model  Prototip  2  X  2  Tonpilz  array  piezoelectric  Ring  70_30_10  seperti  pada  laporan tahap II yang mana mempunyai respon frekuensi rata pada frekuensi 24  kHz  dengan  peak  frekuensi  terjadi  pada  frekuensi  28.1  KHz.  Pada  tahap  akhir  kegiatan,  telah  dilakukan  beberapa  pebaikan  sisi  casing  kapsulasi  untuk  menghindari  kebocoran  pada  transduser  array,  diataranya  telah  dipasang  beberapa  ring  seal  berupa  karet  pada  penutup  serta  diberikan  pengecoran  dengan menggunakan lem bakar (hot glue) untuk beberapa bagian penting yang  kontak langsung dengan air, seperti tempat keluarnya kabel, baut pengikat serta  baut penutup casing kapsulasi.       30. DAFTAR PUSTAKA    1. Urick, Robert J. : ’Principles of Underwater Sound’ 3D Edition , McGraw‐Hill Book  Company, New York 1983.  2.  A.  B.  Baggeroer.  Acoustic  telemetry  An  overview.  IEEE  Journal  of  Oceanic  Engineering, OE‐9(4):229{235, October 1984.  3. G.  Fink,  Donald  :  ’  Electronics  Engineer  Handbook’  Mc  Graw  Hill  International  Edition, New York 1986.  4. D. Brady and J. C. Preisig. Underwater acoustic communications. In H. V. Poor and  G.  Wornell,  editors,  Wireless  Communications:  Signal  Processing  Perspectives,  pages 330{379. PTR Prentice‐Hall, 1998.   5. D.  B.  Kilfoyle  and  A.  B.  Baggeroer.  The  state  of  the  art  in  underwater  acoustic  telemetry. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 25(1):4{27}, January 2000.  6. G.  Bellec.  Placement  report:  Development  of  digital  modulation  and  demodulation  modules  for  an  underwater  communications  modem.  Technical  report,  Institute  for  Sistems  and  Robotics  |  Instituto  Superior  Tecnico  (ISR/IST),  February 2002.  7. Syamsu  Ismail,  Deni  Permana,  “Karakterisasi  Elemen  Transduser  Piezoelektrik  untuk Sistem Komunikasi Bawah Air”, (Diterbitkan dalam Jurnal Elektronika dan  Telekomunikasi  Vol.7,  No.  2  /  ISSN  1411‐8289,    Akreditasi  LIPI  No.  72/Akred‐ LIPI/P2MBI/5/2007, Juli ‐ Desember 2007, hal 61‐67.  8. Deni  Permana,  Syamsu  Ismail,  “Perencanaan  dan  Realisasi  Channel  Filter  pada  Sistem Pemancar Frekuensi Modulasi untuk Komunikasi Bawah Air”,  (Diterbitkan  dalam  Jurnal  Elektronika  dan  Telekomunikasi  No.2  (Edisi  Khusus)  Vol.  9,  September  2009  ISSN  1411‐8289,  Akreditasi  LIPI  No.  72/Akred‐ LIPI/P2MBI/5/2007. 

170

9. Syamsu  Ismail,  Deni  Permana,  “Sistem  Komunikasi  Bawah  Air  untuk  Transmisi  Data dari Dasar Laut atau Danau ke Stasiun Terapung”, (Diterbitkan dalam Jurnal  Elektronika dan Telekomunikasi No.2 (Edisi Khusus) Vol. 9, September 2009 ISSN  1411‐8289, Akreditasi LIPI No. 72/Akred‐LIPI/P2MBI/5/2007.  10. Syamsu  Ismail,  Deni  Permana,  “Sistem  Komunikasi  Menggunakan  Gelombang  Akustik  dengan  Memanfaatkan  Bawah  Air  sebagai  Medium  Propagasi”,  (Diterbitkan  dalam  Jurnal  Elektronika  dan  Telekomunikasi  Vol.  9,  No.  1  /  ISSN  1411‐8289,  Akreditasi LIPI No. 72/Akred‐LIPI/P2MBI/5/2007, Januari – Juni 2009,  hal 75 – 81.  11. Syamsu  Ismail,  Eko  Joni,  Deni  Permana,  “Pengukuran  pola  Radiasi  Transduser  Akustik  Bawah  Air  untuk  Aplikasi  Diver  Tracking”  ,  (Diterbitkan  dalam  Jurnal  Elektronika dan Telekomunikasi No.1 Vol.11, Januari ‐ juni 2011 ISSN 1411‐8289,  Akreditasi LIPI No. 276/AU1/P2MBI/05/2010.  12. Deni  Permana,  Syamsu  Ismail,  “Rancang  Bangun  Oscilator  Kristal  33.33  KHz  untuk  Frekuensi  Pembawa  pada  Sistem  Komunikasi  Bawah  Air”,  (Diterbitkan  dalam  Jurnal  Elektronika  dan  Telekomunikasi  Vol.  12,  No.  1  /  ISSN  1411‐8289,   Akreditasi LIPI No. 72/Akred‐LIPI/P2MBI/5/2007.   

171

 

  Gambar 3. Transduser Array Setelah Dilakukan Beberapa Perbaikan 

172

LAMPIRAN     Perhitungan Link Budget sistem Sonar  Spesifikasi ditentukan sebagai berikut :  Cross section TS = 15 dB ~ 30 dB   Jarak maksimum :   12 Km.  Periode Repetisi Pulsa :  16s , atau PRF :  0.0625 p/s  Frekuensi Kerja :   20 KHz ~ 30 KHz  Mode Signal : Pulsed Sinusoid , atau 100% ‐ AM.  Lebar Pulse  : 5 ms, Res  3.75 m     Perhitungan dimulai dengan perhitungan kebutuhan daya sonar, atau Link  Budgeting, seperti diuraikan sebagai berikut :  Frekuensi Kerja :  20 KHz ~ 30 KHz disesuaikan dengan elemen transduser yang  didapat.   Jarak maksimum  Xmax : 12.000 m  Kecepatan gelombang υ = 1500 m/s       2 X 2 x12000 t= = = 16s   υ 1500 Blank area ditentukan ∆ X = 10 m  2 ΛX τ≤ = 16ms , τ = 5 ~ 10 ms  υ Lebar pita frekuensi yang harus disediakan  1 BW = 2 x KHz = 400Hz   5 Transmission Loss (TL) :  TL = LRNG + LSPH‐CYL + α + TPD  ....(2)  RANGE [m] sehubungan dengan Spreading Loss, LRNG = 10 Log 12,000 = 40.79 dB,  Untuk  2 trip LRANGE = 81.58 dB.  Bentuk rugi‐rugi Sperik ke Silindrik[5] pada 1000m, LSPHE‐CYL = 10Log 1K = 30 dB. untuk  2 trip   =  60 dB.  LABSORB(α), high  estimation =  5 dB, funtuk  2 trip   α = 10 dB.  TPD (Total Possible Deviation), high estimation =  10 dB.  TL = 81.58 + 60 + 10 + 10 = 161.58 dB.    Figure Of Merit (FOM) : FOM > TL  FOM = TL + SM, SM = Safety Margin, antara 10 dB sampai 15 dB  FOM = 161.58 + 15 = 176.58 dB  FOM = SL + TS + DI –NL –DT   Source Level (SL) : daya akustik yang diproyeksikan  SL =  FOM ‐ TS ‐ DI + NL + DT.. (3)    Target Strength (TS) :  Data tipikal Kapal Selam, dari buku  “Principles of Underwater Sound” oleh Robert J,  Urick p324 table 9.3, TSSuBM ≈ 15 dB ~ 30 dB, diasumsikan  15dB,  jika. : 0.1% Return Signal di penerima, maka TSSUBMARINE = ‐15 dB.  Noise Level (NL) : (data, from R.J. Urick). Noise Level terdiri dari :  173

ND = deep water noise = 40 dB , yaitu 10,000 μ Pa. NS = wind speed 28 – 33 Knot = 55  dB, yaitu 31,623 μ Pa. NC = coastal Water 22 – 27 Knot = 55 dB, yaitu 31,623 μPa. NI  = Self Noise (data internal system) total = 40dB, yaitu 10,000 μPa (Pa ≈ W, system  dianggap tanpa rugi konversi). Noise total adalah  NL = (ND + NS + NC + NI) LINEAR  = 65,24 104 μPa.  NL(dB) = 58.14 dB ≈ 60 dB. Jika noise tak terduga diasumsikan 10 dB, maka  NL + 10 dB ≈ 70 dB    Directivity of Projector (DI) :  Disc PZT circular transducer diameter Ф = *60_*30 mm,  2

2

⎛Φ ⎞ ⎛Φ ⎞ A = π⎜ L ⎟ − π⎜ D ⎟ = 2.12x10 −3 m 2   ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ 1 panel = 96 pcs Disc PZT, ATOTAL =  0.20352 m2  4πA TOTAL Directivity factor  DF =    at   22 KHz   ( λ = 0.0682 m)  λ2 4π 0.20352 DF = = 2703.2m 2   2 0.0682 DI = 10 Log DF = 34 dB.    Sehubungan dengan misalignment, discontinuity, rugi‐rugi bahan, rugi tak terduga  total 3 dB, maka DI ≈ 31 dB.  Detection Threshold (DT)  Keterbatasan ambang deteksi (DT) adalah self noise karena agitasi termal, EM  lingkungan, Akustik lingkungan, noise di area frekuensi operasi, dll. Diasumsikan DT =  ‐ 20 dB.  Source Level (SL) :   SL =  FOM – TS – DI + NL + DT = 176.58 – (‐15) – 31 + 70 – 20 = 210.58 dB.  Konversi Source Level (SL) ke daya elektrik keluaran pemancar sonar :  P2 [W.m‐2]  Sound Wave Intensity   I = Z P : Pressure  [Pa]    P = u.Z  U : velocity of particle   [m.s‐1]  Z : Specific Acoustic Impedance   [Kg. m‐2. s‐1]   Z = ρ.C   υ : kecepatan gelombang akustik  ρ : medium density, sea water[2]  ρ = 1000 [Kg. m‐3]  ZSW = 1.5 E6 [Kg. m‐2. s‐1]  Referensi intensitas (Ir), muka gelombang di dalam air diambil pada tekanan P =  1μPa [4] 

Ir =

(1µ )2

[

]

= 0.67 E − 18 Watt / m 2  

1 .5 E 6 I SL = SD   ISD = intensitas standard jarak  (dalam perhitungan 1 m), untuk  Ir projektor omni directional, pada jarak 1 meter dari pusat sumber, permukaan sperik  S dengan radius 1 meter adalah   S = 4πR 2 = 4π(1m ) 2 = 12.566m 2  

174

P P   ,  SL = 12.566   Is = 6.67 E − 18 12.566 SL(dB)  = P(dB) – 10Log(12.566 x 0.67‐18)   SL(dB)  = 10 Log P + 170.8 dB ……(4)  Dari perhitungan sebelumnya didapat SL = 210.58 dB, persamaan (4)  P(dB)  = SL(dB) ‐170.8 dB    = 210.58 dB – 170.8 dB = 39.78 dB  P(WATT) = 103..978 = 9506 Watt RMS  Jika efisiensi  transduser ή adalah  0.50, maka kebutuhan daya elektrik     PEL = 19.012 KW  ≈ 19 Kwatt.    Pengukuran Transduser type Hard Transducer model PTZ (Lead Zirconat Titanat) :   

0 -2 -4

LEVEL (dB)

-6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20

Gambar 1. Daya Maksimum Transduser      FREQ_RESPONSE at DIFF TIME     58K 59K 60K 61K 62K 63K 64K 65K 66K 67K 68K 69K 70K 71K 72K 73K 74K 75K 76K 77K 78K 79K 80K                     FREQUENCY (Hz) Gambar 2. Frekuensi Respon Transduser    23:25 03:13 05:32 12:55

 

175

                          Tabel  Daya 

KEDALAMAN TRANSDUSER 4 METER DENGAN JARAK 200  METER  LOKASI DANAU CIRATA CIANJUR  DAYA  CAL  PERC. 1  PERC. 2  PERC. 2  (WATT)  (WATT  Rx (WATT)  Rx (WATT)  Rx (WATT)  ATT)  0  0  0  0  0  1  SET     0.12 SET     0.12 SET      0.12 SET      0.12  2  0.18 0.18 0.18 0.18  3  0.21 0.22 0.20 0.21  4  0.44 0.44 0.44 0.44  6  0.56 0.55 0.56 0.57  8  0.69 0.69 0.69 0.69  10  0.82 0.83 0.82 0.82  12  0.98 0.97 0.98 0.97  14  1.05 1.05 1.05 1.05  16  1.15 1.15 1.15 1.15  18  1.36 1.36 1.36 1.36  20  1.57 1.57 1.56 1.57  22  1.86 1.87 1.87 1.87  24  2.11 2.11 2.11 2.11  26  2.45 2.46 2.45 2.45  28  2.87 2.87 2.87 2.87  30  3.09 3.09 3.10 3.09  32  3.15 3.15 3.15 3.15  34  3.43 3.43 3.43 3.43  36  3.78 3.77 3.78 3.78  38  3.99 3.99 3.99 3.99  40  4.14 4.14 4.15 4.14  42  4.42 4.42 4.42 4.42  44  4.65 4.66 4.65 4.65  46  4.81 4.81 4.80 4.81  48  5.06 5.07 5.06 5.06  50  5.34 5.33 5.32 5.33 

1. 

Maksimum dari Transduser      Dalam perhitungan Link Budget dihasilkan perhitungan daya elektrik yang diperlukan  oleh  transmitter  sebesar  19  Kwatt  untuk  jarak  maksimum    sejauh  12  Km,  Periode  Repetisi  Pulsa  :    16s  ,  PRF  sebesar 0.0625  p/s,  Frekuensi  Kerja  antara   20  KHz  ~  30  KHz, Mode Signal berupa Pulsed Sinusoid ( 100% ‐ AM), serta Lebar Pulse  sebesar 5  ms. Dari Gambar 3 dan Tabel 1 terlihat daya maksimum dari sebuah transduser yang  diketahui  merupakan  hasil  pengukuran  transduser  pada  daerah  danau  perairan  tawar  pada  jarak  200  meter  dengan  kedalaman  4  meter,  terlihat  dari  grafik  yang  diperoleh merupakan fungsi linier dimana daya input di penerima merupakan fungsi 

176

pembagi  sepuluh  dari  daya  output  pemancar.  Pada  gambar  4  didapat  hasil  pengukuran  frekuensi  respon  pada  transduser  dengan  pengambilan  data  untuk  4  waktu  yang  berbeda  terlihat  pada  waktu  dini  hari,  respon  frekuensi  lebih  stabil  dibawah ‐12dB. Sedangkan untuk dua waktu lainnya, respon frekuensi sekitar – 6dB  serta adanya ketidak setabilan pada beberapa frekuensi. Hal ini kemungkinan terjadi  karena pengaruh salinitas air serta banyaknya aktifitas yang mengganggu pada saat  dilakukan pengukuran. Dengan menggunakan perhitungan panjang gelombang serta  prinsip  penjumlahan  vector,  maka  desain  transduser  array  dilakukan,  dengan  mengacu juga kepada hasil pengukuran pada tahap karakterisasi. Untuk menentukan  banyaknya  jumlah  transduser  array  yang  akan  dipergunakan,  hal  ini  akan  mengacu  kepada  hasil  perhitungan  link  budget  sistem  sonar,  sehingga  efisiensi  sistem  dapat  tercapai dengan sempurna.      Diketahui :  Frekuensi  kerja  transduser  type  Hard  Transducer  model  PTZ  (Lead  Zirconat  Titanat) sebesar 27 kHz.  Bentuk fisik dari Hard Transducer model PTZ (Lead Zirconat Titanat) :  Lingkar Luar  = 70 mm  Lingkaran Dalam  = 30 mm  Ketebalan    = 10 mm      f = υ/ λ      λ = υ / f      λ = 1500 m/s : 27.000/s      λ = 5.6 cm      2λ = 11.1 cm    Dengan kecepatan rambat gelombang di dalam air sebesar 1500 m/s, maka panjang  gelombang yang dihasilkan sebesar 5.6 cm pada frekuensi 27 kHz. Panjang ini tidak  akan  cukup  untuk  membuat  dua  buah  piezoelectric  ditempatkan  berdampingan  karena diameter luar Hard Transducer model PTZ sebesar 7 cm, sehingga digunakan  perhitungan  2  kali  panjang  gelombang.  Untuk  perhitungan  2λ  dihasilkan  panjang  11.1  cm  dimana  panjang  tersebut  cukup  untuk  leluasa  untuk  menempatkan  piezoelectric dengan cara berdampingan, seperti gambar di bawah ini :                            177

                                          Gambar 3. Hasil Desain Piezoelectric Ring 70 x 30 x 10, Tampak Samping                                           Gambar 4. Hasil Desain Piezoelectric Ring 70 x 30 x 10, Tampak Muka     

178

  Gambar 5. Prototip PROJECTOR 2 X 2 Tonpilz Array Piezoelectric Ring 70_30_10   

  Gambar 6. Karakteristik Frequensi Domain Prototip PROJECTOR 2 X 2 Tonpilz Array  Piezoelectric Ring 70_30_10     

179

Gambar 7. Hasil Desain Piezoelectric Ring 70 x 30 x 10, Tampak Samping 

 

   

 

  Gambar 8. Bentuk Fisik dari Hard Transducer model PTZ (Lead Zirconat Titanat) :   

180

 

  Gambar 9. Prototip Projector Tonpilz Array Piezoelectric Ring 70_30_10   

 

  Gambar 10. Respon Frekuensi Tonpilz Array Piezoelectric Ring 70_30_10.                

181

                        Gambar 11. Setup Pengukuran  Tonpilz Array Piezoelectric Ring 70_30_10  dengan menggunakan Driver Resonance Amplifier.    Pembahasan  Driver  Resonance  Amplifier,  Rangkaian  ini  mendapat  trigger  dari  sinyal  carrier  yang  sudah  dimodulasi  amplituda  100%.  Impulse  positif  mengakibatkan  charging  pada  induktor,  kemudian  setalan  sinyal  sama  dengan  nol  terjadi discharging melalui PZT yang bersifat kapasitif. Dengan membuat L dan Cpzt  resonansi pada tegangan pencatu, maka diperoleh Vpzt > VCC.                                    Gambar 12. Hasil Karakterisasi Tonpilz Array Piezoelectric Ring 70_30_10  dengan menggunakan Driver Resonance Amplifier    Self Noise di dalam air dengan BW 20 Hz :    1 kHz ~ 15 KHz  = ‐112 dBm  20 kHz ~ 30 kHz  = ‐115 dBm  35 kHz ~ 50 kHz  = ‐118 dBm  55 kHz ~ 70 kHz  = ‐120 dBm   

182

Tabel 2. Pengukuran Noise dengan Frekuensi Tonpilz Array Piezoelectric Ring  70_30_10 

 

 

183

  Tabel 3. Respon Frekuensi Tonpilz Array Piezoelectric Ring 70_30_10 

 

         

184

  Gambar 13. Pengukuran Tonpilz Array Piezoelectric Ring 70_30_10 di Lapangan.     

  Gambar 14. Setup Peralatan Ukur di Lapangn. 

 

 

 

185

 

 

Gambar 15. Pengukuran Daya Pancar Tonpilz Array Piezoelectric Ring 70_30_10 di  Lapangan.       

 

  Gambar 16. Pengukuran Transduser Array di Lapangan           

186

                 

  Pengembangan Through‐Wall Radar  untuk Life Detector   

Dr. Purwoko Adhi                                                           

187

LEMBAR PENGESAHAN    1.  Judul Kegiatan Penelitian   2.  3.      4.  5.  6.       

: 

Kegiatan Prioritas  Peneliti Utama  Nama    Jenis Kelamin    Sifat Penelitian  Lama Penelitian  Biaya Total 2013 

:  :  :  :  :  :  : 

PENGEMBANGAN THROUGH‐WALL RADAR  UNTUK LIFE DETECTOR      PURWOKO ADHI  PRIA  Baru/Lanjutan       Tahun ke‐3  3 (TIGA) Tahun  Rp204.949.000,00     

Bandung, 19 Desember 2013    Peneliti Utama 

Ketua PME PPET LIPI, 

Dr. Purwoko Adhi, Dipl. Ing., DEA  NIP. 19670911 198701 1 001 

Dr. Purwoko Adhi, Dipl. Ing., DEA  NIP. 19670911 198701 1 001   

                                       

188

ABSTRAK  Dalam  kegiatan  Pengembangan  Through  Wall  Radar  untuk  Life  Detector,  dilakukan  pengembangan  software  dan  hardware  radar  dengan  teknologi  ultrawideband  (UWB). Pada tahun pertama dan kedua telah dilakukan pengembangan Radar UWB  frequency  modulation  continuous  wave  (FMCW),  dengan  frekuensi  kerja  dari  500  sampai  dengan  3000MHz.  Pengembangan  difokuskan  pada  perancangan  sistem,  pengembangan  pembangkit  chirp  wide  band,  pengembangan  data  akuisisi,  dan  pengembangan  software.  Namun,  hasil  pengujian  menunjukkan  bahwa  prototype  Radar  UWB  FM‐CW  yang  dikembangkan  belum  berfungsi  sebagaimana  mestinya.  Radar belum cukup sensisif dalam mendeteksi obyek yang berada di depannya.   Pada  tahun  ketiga  ini,  mulai  dilakukan  pengembangan  Radar  UWB  impulse.  Pengembangan dilakukan bersamaan dengan investigasi yang masih harus dilakukan  terhadap  prototype  Radar  UWB  FM‐CW  hasil  pengembangan  tahun  pertama  dan  kedua.  Kata kunci: Radar, ultra wideband, FM‐CW, pulse, through wall, life detector     

189

  31. PENDAHULUAN  31.1  Latar Belakang Masalah  Pengembangan  through‐wall  radar bertujuan  untuk  menjawab  kebutuhan  akan  perangkat  life  detector.  Through‐wall  radar  menggunakan  prinsip  radar  UWB  yang  banyak digunakan untuk ground penetrating radar (GPR). Beberapa tipe radar UWB  yang lazim digunakan adalah frequency modulation continuous wave (FM‐CW), step  frequency continuous wave (SF‐CW), dan impulse.   Pada tahun pertama dan kedua dari kegiatan ini, telah dilakukan pengembangan  Radar  UWB  FM‐CW.  Radar  UWB  FM‐CW  menggunakan  prinsip  yang  sama  dengan  Radar  FM‐CW  yang  digunakan  untuk  radar  permukaan  atau  radar  udara.  Perbedaannya,  Radar  UWB  FM‐CW  menggunakan  frekuensi  yang  lebih  rendah  namun memiliki bandwidth sinyal yang jauh lebih lebar. Pembangkit chirp wideband  adalah salah satu komponen atau subsistem terpenting dari sebuah radar UWB FM‐ CW. Tantangan dalam komponen ini adalah bandwidth yang sangat lebar, linearitas  frekuensi  terhadap  waktu,  level  daya  yang  rata,  dan  kestabilan.  Komponen  atau  subsistem penting lain dari sistem Radar FM‐CW adalah modul data akuisisi. Modul  ini  berfungsi  mengubah  sinyal  beat  menjadi  data  digital  yang  siap  diolah  oleh  komputer (PC). Pengiriman data dari modul data akuisisi ke PC bisa dilakukan dengan  berbagai  cara,  seperti  melalui  PCI,  USB,  dan  sebagainya.  Untuk  alasan  kepraktisan  USB dipilih sebagai jalur data dari modul ke PC.  Hasil pengujian menunjukkan bahwa prototype Radar yang dikembangkan belum  berfungsi  sebagaimana  yang  diharapkan.  Radar  belum  cukup  sensitif  untuk  mendeteksi obyek yang ada di depannya. Dugaan sementara, hal ini disebabkan oleh  penguatan  low  noise  amplifier  (LNA)  yang  belum  cukup  kuat  dan  belum  sempurnanya penerapan gating pada sinyal pancar dan sinyal terima.  Tahun ini, bersamaan dengan investigasi lebih lanjut yang masih harus dilakukan  terhadap prototype Radar UWB FM‐CW, mulai dilakukan pengembangan Radar UWB  impulse. Radar type ini mendeteksi obyek dengan cara mengirim impulse, kemudian  menerima  dan  menganalisa  impulse  yang  dipantulkan.  Impulse  adalah  pulse  yang  sangat  pendek,  orde  puluhan  hingga  ratusan  picosecond,  tanpa  sinyal  carrier.  Tantangan  dalam  pengembangan  Radar  impulse  adalah  pembuatan  pembangkit  impulse pada pemancar dan data akuisisi pada penerima.    31.2  Perumusan Masalah  Karena pada tahun ini kegiatan berupa perbaikan prototype Radar UWB FM‐CW  dan  pengembangan  prototype  baru  Radar  UWB  impulse,  dengan  masing‐masing  permasalahan, maka perumusan masalah dibagi menjadi dua.  Berkaitan dengan prototype Radar UWB FM‐CW adalah peningkatan sensitivitas  dengan tetap memperhatikan masalah coupling antara antena pemancar dan antena  penerima.  Hipotesisnya,  sensitivitas  masih  bisa  ditingkatkan  melalui  peningkatan  gain  baik  pada  pemancar  maupun  pada  penerima.  Masalah  coupling  akan  diatasi  dengan  switch  RF,  yang  memang  sudah  direncanakan  sejak  awal,  namun  belum  diimplementasikan  karena  belum  tersedianya  switch  RF  yang  memenuhi  persyaratan.  Berkaitan  dengan  prototype  Radar  UWB  impulse,  masalah  yang  kritis  adalah  pengembangan  pulse  generator,  yang  diharapkan  mampu  menghasilkan  pulsa 

190

pendek  berorde  beberapa  puluh  sampai  beberapa  ratus  picosecond,  dan  pengembangan  sampling  down  converter  yang  diharapkan  mampu  men‐sampling  sinyal yang diterima dengan equivalent sampling rate berorde puluhan giga sample  per second.    32. TUJUAN DAN SASARAN  32.1  Tujuan  Tujuan  umum  dari  penelitian  ini  adalah  penguasaan  teknologi  dan  alih  teknologi  through‐wall  radar.  Sedangkan  tujuan  khususnya  adalah  pengembangan  sebuah prototype through‐wall radar.    32.2 Sasaran  Sasaran  dari  penelitian  ini  adalah  sebuah  prototype  through‐wall  radar  dengan  teknologi  impulse  dan  sebuah  karya  tulis  ilmiah  yang  diterbitkan  di  jurnal  terakreditasi.    33. METODE  Adapun  dalam  pelaksanaannya,  kegiatan  ini  menggunakan  metoda  penelitian  yang sama dan dapat dirangkum sebagai berikut.  • Perancangan  sistem,  di  mana  sistem  dirancang  secara  keseluruhan,  termasuk  di  dalamnya  penyusunan  spesifikasi  dan  pendefinisian  modul‐ modul penyusun sistem.   • Perancangan Software  • Pemilihan  modul‐modul  yang  memenuhi  fungsi  dan  spesifikasi  yang  dibutuhkan (untuk modul‐modul yang tidak dibuat sendiri).  • Perancangan  modul‐modul  (untuk  modul‐modul  yang  dibuat  sendiri)  di  mana  skema  rangkaian  elektronik  modul‐modul  dibuat  untuk  menghasilkan fungsi dari masing‐masing modul yang diinginkan.   • Realisasi  modul‐modul,  di  mana  skema  elektronik  dituangkan  dalam  disain  tata  letak  komponen  dalam  PCB,  kemudian  PCB  dibuat  dan  rangkaian elektronika diasembling di atas PCB.   • Pengujian modul‐modul, di mana modul‐modul di uji coba secara individu  untuk  mengetahui  apakah  mereka  telah  berfungsi  sebagaimana  yang  didinginkan.  • Intergrasi  sistem,  di  mana  modul‐modul  yang  telah  diuji  diintegrasikan  menjadi sebuah sistem.  • Pengembangan Software  • Pengujian  sistem  di  laboratorium,  di  mana  sistem  diuji  coba  untuk  mengetahui fungsi sistem.  • Perbaikan dan penyempurnaan apabila diperlukan    34. RENCANA CAPAIAN, HASIL, DAN PEMBAHASAN  34.1 Rencana Capaian  Pada  tahun  pertama  dan  kedua  kegiatan,  telah  dilakukan  pengembangan  prototype  Radar  UWB  FM‐CW.  Pengembangan  meliputi  perancangan  dan  realisasi  modul‐modul  penyusun  sistem,  perancangan  dan  realisasi  software,  dan    integrasi  sistem.   191

Sebuah  pembangkit  chirp  wideband  telah  dirancang  dan  direalisasikan.  Pembangkit  ini  menggunakan  sebuah  DDS  dan  sebuah  VCO  sebagai  komponen  utama. Untuk DDS digunakan AD9956 dari Analog Devices dalam bentuk evaluation  board  dan  untuk  VCO  digunakan  HMC‐C029  dari  Hittite.  Subsistem  yang  dikembangkan telah menghasilkan sinyal chirp dari 6750 sampai 9250MHz.    Sebuah  modul  akuisisi  data  sederhana  untuk  sistem  radar  FM‐CW  telah  dikembangkan.  Modul  menggunakan  IC  CY7C68013A  dari  keluarga  EZ‐USB  dari  Cypress  Semiconductor  yang  difungsikan  sebagai  slave  FIFO.  Untuk  master  FIFO  digunakan  IC  CPLD  Max  II  EPM1270T144  dari  Altera.  Sedangkan  untuk  ADC  digunakan AD9235 dari Analog Device.  Sebuah software untuk tampilan juga sudah dikembangkan.  Pada tahun ini, jadwal kegiatan adalah sebagai berikut.  KEGIATAN/  B U L A N  N PENANGGUNG  1  12 o  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  JAWAB  1.  Study literatur (PU, P)                                              Survey komponen      2.  dan pengadaan  bahan dan alat / (P)  Perancangan                          3.  Hardware / (PU, P)  Pengembangan                          4.  Hardware / (PP )  Pengembangan                          5.  Software  6.  Pengujian  / (PU, PP)                          7.  Pembuatan laporan                            Sedangkan  secara  detail,  tahapan  kegiatan  yang  akan  dilakukan  adalah  sebagai berikut.  1. Penggantian modul LNA untuk sistem Radar UWB FMCW  2. Penggantian modul RF Switch untuk sistem Radar UWB FMCW  • Pengadaan komponen  • Pembuatan PCB  • Realisasi modul  • Pengujian modul  3. Pengujian  sistem  Radar  UWB  FMCW  dengan  beberapa  komponen  baru  4. Perancangan sistem Radar UWB impulse  5. Perancangan modul‐modul (yang akan dibuat sendiri)  6. Pengadaan  modul‐modul  (yang  akan  dibeli)  dan  komponen‐ komponen  7. Realisasi modul‐modul  8. Pengembangan software  9. Integrasi Sistem  10. Pengujian  11. Penulisan KTI dan Laporan  192

  34.2 Hasil dan Pembahasan    Pada triwulan pertama tahun ini telah dilakukan hal‐hal sebagai berikut.  1. Modul LNA dalam proses pengadaan  2. Modul RF Switch dalam proses pembuatan PCB  3. Perancangan sistem Radar UWB impulse  4. Perancangan modul‐modul (yang akan dibuat sendiri)  5. Modul‐modul  (yang  akan  dibeli)  dan  komponen‐komponen  dalam  proses pengadaan  6. Realisasi  modul‐modul  (pulse  generator  dan  sampling  down  converter) dalam proses pembuatan PCB    Pada triwulan kedua tahun ini telah dilakukan hal‐hal sebagai berikut.  1. Realisasi dan pengujian Modul RF Switch  2. Realisasi sistem Radar UWB impulse  3. Realisasi  dan  pengujian  modul‐modul  (pulse  generator  dan  sampling  down converter)    Pada triwulan ketiga tahun ini telah dilakukan hal‐hal sebagai berikut.  1. Pengujian modul‐modul yang dibeli.  2. Pengujian dan perbaikan modul pulse generator.  3. Penulisan KTI tentang pulse generator.  4. Pengujian modul sampling down converter.  5. Realisasi dan pengujian antena    Rancangan Hardware  Sebagai  perbandingan,  terlebih  dulu  akan  disampaikan  dagram  blok  Radar  UWB  FM‐CW  dan  cara  kerjanya.  Gambar  1  menunjukkan  diagram  blok  Radar  UWB  FM‐CW. 

Gambar 1. Diagram blok Radar UWB FM‐CW. 

 

  193

Gambar 2 menunjukkan diagram blok Radar UWB impulse. 

125MHz CLOCK GENERATOR

FREQUENCY DIVIDER

PULSE GENERATOR

ADC

SAMPLING DOWN CONVERTER

PA

DDS

TO PC USB

LNA

 

Gambar 2. Diagram blok Radar UWB impulse    Secara  sederhana  prinsip  kerja  sistem  Radar  UWB  impulse  dapat  dijelaskan  sebagai  berikut.  Clock  Generator  membangkitkan  sinyal  clock  dengan  frekuensi  125MHz. Sinyal ini digunakan langsung sebagai sinyal referensi untuk DDS dan dibagi  4 oleh Frequency Divider menjadi sinyal trigger dengan frekuensi 7.8125MHz untuk  Pulse  Generator  dan  sampling  clock  untuk  ADC.  Pulse  Generator  membangkitkan  sinyal  impulse  dengan  lebar  berkisar  puluhan  hingga  ratusan  picosecond,  dengan  pulse  repetition  frequency  (PRF)  sama  dengan  frekuensi  sinyal  trigger.  Kemudian  sinyal impulse diperkuat oleh power amplifier (PA) dan dipancarkan melalui antena  pemancar.  Sinyal  impulse  yang  dipancarkan  akan  dipantulkan  oleh  target  dan  diterima  kembali  oleh  antena  penerima.  Selanjutnya  diperkuat  oleh  low  noise  amplifier (LNA) dan diteruskan ke Sampling Down Converter. DDS diprogram, melalui  USB, supaya menghasilkan sinyal, dengan frekuensi sedikit lebih kecil dari PRF, yang  akan  digunakan  sebagai  sinyal  referensi  untuk  Sampling  Down  Converter.  Sampling  Down  Converter  akan  menghasilkan  sinyal  intermediate  frequency  (IF)  yang  akan  diteruskan  ke  ADC  untuk  didigitalkan,  kemudian  di  kirim  ke  PC  melalui  USB,  untuk  diproses di PC.    Realisasi Modul‐Modul dan Sistem  Pada  prototipe  awal,  hanya  modul  Pulse  Generator  dan  modul  modul  Sampling  Down  Converter  yang  akan  dikembangkan  sendiri.  Untuk  modul‐modul  yang  lain,  seperti  modul  DDS,  PA,  LNA,  ADC,    dan  USB,  kita  akan  menggunakan  modul‐modul yang sudah ada.  Menurut  literatur,  lazimnya  Pulse  Generator  dibuat  dengan  memanfaatkan  sifat dioda Step Recovery Diode (SRD), yang mampu menghasilkan pulsa yang sangat  sempit  pada  saat  dia  berpindah  dari  keadaan  menghantar  dan  ke  keadaan  tidak  menghantar  ketika  tegangan  antara  katoda  dan  anoda  dibalik.  Transistor  NPN  juga  dilaporkan  menghasilkan  efek  yang  sama  ketika  berpindah  dari  keadaan  off  ke  keadaan  on.  Pulsa  sempit  juga  bisa  dibangkitkan  dengan  microstrip.  Untuk 

194

pengembangan Pulse Generator kita akan mencoba menggunakan kombinasi antara  transistor NPN atau SRD dan microstrip.     

Gambar 3. Diagram skematik rangkaian Pulse Generator berbasis transistor NPN   

  Gambar 4. Desain PCB Pulse Generator berbasis transistor NPN   

  Gambar 5. Diagram skematik rangkaian Pulse Generator berbasis SRD dengan bias  negatif.   

195

 

  Gambar 6. Desain PCB Pulse Generator berbasis SRD dengan bias negatif.  Modul  Sampling  Down  Converter  dikembangkan  dengan  komponen  utama  berupa Sampling Phase Detector. 

 

Gambar 7. Diagram skematik rangkaian Sampling Down Converter.     

  Gambar 8. Desain PCB Sampling Down Converter.    Di samping itu, untuk modul RF Switch untuk Sistem Radar UWB FM‐CW juga  telah dibuat desain PCB. 

196

  Gambar 9. Desain PCB RF Switch.        Pengukuran Pembangkit Impulse/Picopulse  Rangkaian  pembangkit  picopulse  direalisasikan  di  atas  sebuah  PCB  FR4  double  sided  dengan  ketebalan  1,6mm.  Microstrip  yang  dihubungkan  ke  ground  memiliki panjang sekitar 15mm dan lebar sekitar 0,2mm. Transistor yang digunakan  adalah BFP420. Untuk gate NAND digunakan IC 74ACT00 yang memiliki propagation  delay sekitar 5ns.   Pengukuran  dilakukan  menggunakan  digital  sampling  oscilloscope  11801C  dari Tektronix, yang dilengkapi dengan sebuah sampling head SD‐22. Sampling head  ini  memiliki  bandwidth  12,5GHz.  Bandwidth  sebesar  ini  cukup  memadai  untuk  pengukuran sebuah pulse yang ditargetkan memiliki lebar sekitar 200ps. Gambar 10.  menunjukkan bentuk picopulse yang diukur sebelum dioda.   

  Gambar 10. Bentuk sinyal sebelum dioda penyearah    Gambar 11. menunjukkan bentuk picopulse yang diukur setelah dioda. Bagian  negatif dan ringing setelah picopulse telah jauh berkurang.   

197

  Gambar 11. Bentuk sinyal sesudah dioda penyearah    Gambar 12. menunjukkan bentuk picopulse di mana oscilloscope diset untuk  mendapatkan  200ps/div.  Tinggi  pulse  terbaca  sekitar  4,5  kotak  pada  200mV/div,  atau  sekitar  900mV.    Pulse  diukur  dengan  attenuator  9dB,  dengan  demikian  level  pulse yang terukur adalah sekitar 2,5V. 

  Gambar 12. Bentuk sinyal diperbesar    Gambar  13.  menunjukkan  rangkaian  picopulse.  Jarak  antara  picopulse  terbaca sekitar 2,55 kotak, dengan oscilloscope diset untuk mendapatkan 50ns/div,  atau  sekitar 127,5ns. Ini sama dengan PRF sekitar 7,8MHz.      

Gambar 13. Pengulangan pulse 

 

198

  Untuk  mengkonfirmasi  hasil  pengukuran  di  atas,  kami  juga  melakukan  pengukuran  menggunakan  spectrum  analyzer  Anritsu  MS2721A.  Gambar  14.  menunjukkan  spektrum  frekuensi  dari  sinyal  rangkaian  picopulse.  Sinyal  tersebut  memiliki nul pertama pada frekuensi sekitar 5,6GHz.    

  Gambar 14. Spektrum frekuensi rangkaian picopulse    Gambar  15.  menunjukkan  detail  dari  spektrum  frekuensi  picopulse.  Jarak  antara  puncak  atau  harmonik  frekuensi  yang  berdekatan  adalah  sekitar  2,6  kotak  pada  3MHz/div,  atau  sekitar  7,8MHz.  Perbedaan  frekuensi  yang  ditunjukkan  oleh  marker juga sekitar angka ini.      

  Gambar 15. Detail spektrum frekuensi pulse      ™ OUTPUT    (rencana sesuai yg tercantum dalam proposal)  NO.  OUTPUT  RENCANA  REALISASI %  KETERANGAN  CAPAIAN  15.   Publikasi Ilmiah          p. Jurnal Nasional  1 buah  1 buah  75  Judul “Perancangan dan  Realisasi Sistem Radar  Penembus Dinding UWB‐ FM‐CW 500‐3000 Mhz”,  telah disubmit ke Jurnal  Elektronika dan  Telekomunikasi. 

199

   

q. Prosiding  Internasional  r. Prosiding Nasional 

16.   Contoh Produk 

‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

1 buah 

100 

1 unit 

‐ 

75 

  ‐ 

   

‐ 

 

(jelaskan spesifikasi  lengkapnya) 

17.   HKI 

 

i.

Paten 

  ‐ 

 

j.

Merk 

‐ 

     Judul: “Pembangkit  Picopulse Berbasis  Transistor Bipolar NPN  Untuk Radar Ultra  Wideband”, Prosiding  Seminar Ilmu  Pengetahuan Teknik 2013    Prototype Radar Through  Wall UWB Impulse, sudah   selesai, namun belum  berfungsi  Perlu perbaikan modul  sampling down converter              

  dst            35. KENDALA DAN PERMASALAHAN  Kegiatan  ini  membutuhkan  sebuah  digital  sampling  oscilloscope  yang  belum  dimiliki PPET. Dana telah dianggarkan untuk pembelian alat tersebut. Namun karena  kesalahan  survey  harga,  ternyata  dana  yang  dianggarkan  tidak  mencukupi  untuk  membeli dengan harga normal, sehingga pengadaannya sempat tertunda. Untunglah  pihak  pabrikan  di  luar  negeri  pada  akhirnya  bersedia  memberi  potongan  harga,  sehingga pengadaan digital sampling oscilloscope bisa dilakukan.    Hasil  pengujian  terhadap  modul  sampling  down  converter  yang  telah  direalisasikan  menunjukkan  bahwa  modul  tersebut  belum  berfungsi  sebagaimana  yang  diharapkan.  Karena  modul  tersebut  merupakan  modul  utama,  belum  berfungsinya  modul  tersebut    mengakibatkan  belum  berfungsinya  seluruh  sistem  radar.  Modul  sampling  down  converter  merupakan  salah  satu  modul  yang  dikembangkan sendiri. Keberhasilan pengembangan modul ini adalah indikator dari  keberhasilan  pengembangan  sistem  radar  ultra  wideband  pulse.  Untuk  itu  upaya  harus  dan  akan  terus  dilakukan  untuk  merealisasikan  prototipe  modul  sampling  down converter yang berfungsi.    36. KESIMPULAN  Pengembangan hardware dan software Through Wall Radar untuk aplikasi Life  Detektor dengan teknologi Radar UWB FM‐CW telah dilakukan pada tahun pertama  dan  kedua.  Meskipun  ada  beberapa  masalah  yang  harus  diselesaikan  dan  penyempurnaan  yang  harus  dilakukan,  secara  prinsip  hardware  dan  software  telah  berfungsi.  200

Pada tahun ketiga, investigasi terhadap masalah yang masih ada di Radar UWB  FM‐CW masih akan dilakukan. Bersamaan dengan itu dimulai pengembangan Radar  UWB dengan teknologi lain, yaitu Radar UWB impulse.   Radar  UWB  impulse  ini  lebih  sederhana  dan  lebih  murah.  Namun,  karena  belum  ada  pengalaman  mengenai  Radar  dengan  jenis  ini,  resiko  dalam  pengembangannya  tetap  harus  diperhatikan.  Tantangan  utama  dalam  pengembangan  radar  jenis  ini  adalah  pengembangan  pembangkit  impulse,  yaitu  pulsa yang  sangat sempit berorde sekitar puluhan hingga  ratusan pico second, dan  pengembangan data akuisi yang mampu mendigitalkan sinyal impulse.  Prototype  Radar  UWB  impulse  telah  direalisasikan,  namun  belum  berfungsi  sebagaimana  direncanakan.  Hal  ini  disebabkan  oleh  belum  berfungsinya  modul  sampling  down  converter  yang  diperlukan  untuk  proses  data  akuisisi.  Modul  sampling  down  converter  memungkinkan  proses  digitalisasi  sinyal  pulse  dengan  durasi sangat pendek menggunakan ADC biasa.  Hasil  pengukuran  menunjukkan  bahwa  pembangkit  picopulse  yang  dikembangkan telah berfungsi sebagaimana yang diinginkan, di mana picopulse yang  dihasilkan  memiliki  lebar  sekitar  200ps  dengan  PRF  sekitar  7,8MHz.  Pengukuran  spektrum  frekuensi  menggunakan  spectrum  analyzer  menunjukkan  bahwa  sinyal  berupa  rangkaian  picopulse  memiliki  bandwidth  sekitar  5,6GHz  dan  jarak  antara  harmonik frekuensi sekitar 7,8MHz. Hasil ini mengkonfirmasi pengukuran lebar pulsa  dan PRF yang dilakukan menggunakan digital sampling oscilloscope.  Terkait  dengan  Radar  UWB  FM‐CW,  investigasi  belum  bisa  dilakukan  karena  modul  switch  RF  yang  dikembangkan  tidak  memenuhi  spesifikasi  yang  diperlukan.  Untuk  itu  telah  diputuskan  untuk  membeli  modul  switch  RF  yang  memenuhi  spesifikasi. Namun, karena pengadaan yang terlambat dilakukan, modul baru datang  di akhir waktu kegiatan.      37. DAFTAR PUSTAKA  1. Protiva,  P.,  Mrkvica,  J.,  Macháč,  J.,  Universal  Generator  of  Ultra‐Wideband  Pulses, Radioengineering, Vol. 17, No. 4, December 2008.  2. Rulikowski,  P.,  Barrett,  J.,  Truly  Balanced  Step  Recovery  Diode  Pulse  Generator  with Single Power Supply,    3. Cemin  Zhang  and  Aly  E.  Fathy,  Reconfigurable  Pico‐Pulse  Generator  for  UWB  Applications,   4. Jeongwoo Han And Cam Nguyen, A New Ultra‐Wideband, Ultra‐Short Monocycle  Pulse  Generator  With  Reduced  Ringing,  IEEE  Microwave  And  Wireless  Components Letters, Vol. 12, No. 6, June 2002  5. Daniels, D.J., Surface Penetrating Radar, IEE, London, 1996  6. Daniels, David J., Ground Penetrating Radar, 2nd Edision, IEE, London, 2004  7. Jol,  Harry  M.,  Ground  Penetrating  Radar  Theory  and  Applications,  Elsevier  Science & Technology, 2009  8. Chia,  M  Y  W,  Leong  S  W,  Sim  C  K,  Chan  K  M‐  “Through‐Wall  UWB  Radar  Operating Within FCC’s Mask for Sensing Heart Beat and Breathing Rate”, 2005  European Microwave Conference, Oct 4‐6, Paris, France.  9. Hamran, Svein‐Erik, et all., Gated UWB FMCW/SF Radar for Ground Penetration  and Through the Wall Applications, NATO Publication 

201

10. Kouemou,  Guy,  Radar  Technology,  ISBN  978‐953‐307‐029‐2,  INTECH,  Croatia,  December 2009.  11. Aqsa,  Patel,  Signal  Generation  for  FMCW  Ultra‐Wideband  Radar,  Master  of  Science  Thesis,  Electrical  Engineering  and  Computer  Science,  University  of  Kansas, 2009  12. Jang,  B.‐J.  et  al.,  Wireless  Bio‐Radar  Sensor  For  Heartbeat  And  Respiration  Detection, Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 5, 149–168, 2008  13. D'Urso  ,  M.  et  al.,  A  Simple  Strategy  For  Life  Signs  Detection  Via  An  X‐Band  Experimental Set‐Up, Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 9, 119‐129,  2009  14. Boric‐Lubecke,  Olga    et  al.,    Doppler  Radar  Architectures  and  Signal  Processing  for Heart Rate Extraction, Microwave Review, Decembar 2009  15. Yamaguchi, Yoshio et al., Human Body Detection in Wet Snowpack by an FM‐CW  Radar,  IEEE  Transactions  on  Geoscience  and  Remote  Sensing,  Vol.30,  No.1,  January 1992  16. Purdy,  Robert  J.  et  al.,  Radar  Signal  Processing,    Lincoln  Laboratory  Journal,   Volume 12, Number 2, 2000  17. Yamaguchi,  Yoshio  et  al.,  Detection  of  Objects  Buried  in  Wet  Snowpack  by  an  FM‐CW  Radar,  IEEE  Transactions  on  Geoscience  and  Remote  Sensing,  Vol.29,  No.2, March 1991  18. Millot, P. and Maaref, N., UWB FM‐CW Radar for Through‐The‐Wall Sensing,   19. Ferrier,  Jean  Marie,  Comparison  of  Two  UWB  Techniques:  Step  Frequency  and  FMCW Technique,  20. Maaref, Nadia, FMCW Ultra‐Wideband Radar For Through‐The‐Wall Detection of  Human Beings,  21. Harris,  T.  L.  et  al.,    Range‐Doppler  Radar  Signal  Processing  with  Spectral  Holography,  22. Hamran, Svein‐Erik et al.,  Gated UWB FMCW/SF Radar for Ground Penetration  and Through the Wall Applications   23. Ivashov,  S.I.  et  al.,  Detection  of  Human  Breathing  and  Heartbeat  by  Remote  Radar,  Progress in Electromagnetic Research Symposium 2004, Pisa, Italy, March  28 ‐ 31  24. Immoreev,  I.  Y.  et  al.,  Ultra‐Wideband  Radar  For  Remote  Detection  And  Measurement  Of  Parameters  Of  The  Moving  Objects  On  Small  Range,  Ultra  Wideband and Ultra Short Impulse Signals, 19‐22 September, 2004, Sevastopol,  Ukraine pp. 1‐3  25. Immoreev,  Igor  Y.,  Practical  Application  Of  Ultra‐Wideband  Radars,  Ultrawideband  and  Ultrashort  Impulse  Signals,  18‐22  September,  2006,  Sevastopol, Ukraine                 

202

 

203