Optimasi Desain Antena Mikrostrip Circular Patch Pada Frekuensi 850 MHz-950 MHz Menggunakan Algorithma Genetika Untuk Electromagnetic Power Harvesting WIDYA CAHYADI1) dan EKO SETIJADI2) 1,2)
Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih-Sukolilo,Surabaya-60111 INDONESIA 1)
[email protected], 2)
[email protected] Abstrak: - Desain antena pada eletromagnetic energy harvesting yang memanfaatkan gelombang electromagnetic dapat memenuhi kebutuhan energi terbarukan. Untuk mendapatkan hasil yang optimal diperlukan desain rectenna (rectifier antenna) yang sesuai, salah satunya menggunakan antena microstrip dengan elemen peradiasi (patch) berbentuk circular. Pada penelitian ini, perancangan dan pabrikasi antena mikrostrip sirkular patch pada frekuensi 850 MHz-950 MHz dengan frekuensi center pada 915 MHz untuk mendukung rangkaian pemanenan energy gelombang elektro magnetik Wireless Power Transmission (WPT), dengan menghitung dimensi antena secara teori dan kemudian ukuran radius antena mikrostrip circular patch dioptimasi menggunakan Algorithma Genetika (AG) agar memperoleh parameter return loss optimal, ukuran radius hasil optimasi AG dibandingkan dengan hasil pada perhitungan teori yang selanjutnya disimulasikan menggunakan perangkat lunak Computer Simulation Technlogy (CST) sebelum melakukan pabrikasi. Perancangan antena dari hasil simulasi selanjutnya dipabrikasi menggunakan bahan PCB FR-4 dengan ketebalan substrat 1,6 mm. Perolehan nilai return loss hasil simulasi CST menurut teori dengan radius 45.17 mm tanpa GA menunjukkan -24,758 dB pada frekuensi 906 MHz, sedangkan pada frekuensi yang diharapkan 915 MHz nilai return loss justru berada pada nilai -4,8205 dB, sedangkan perolehan nilai return loss hasil simulasi CST setelah dioptimasi ukuran radiusnya pada 44,782 mm menggunakan GA memperoleh hasil sebesar -23,577 dB tepat pada frekuensi yang diharapkan di 915 MHz, selanjutnya hasil simulasi CST dengan optimasi GA dijadikan parameter untuk melakukan pabrikasi. Hasil pengukuran antena mikrostrip hasil pabrikasi menggunakan Vector Network Analyzer menunjukkan return loss -32,76 dB pada frekuensi 892,2 MHz dan pada frekuensi yang diharapkan 915 MHz return loss menunjukkan -14,49 dB sehingga masih memenuhi syarat dibawah nilai -10 dB. Bandwidth 9,65% atau 85,8 MHz, serta VSWR 1,46. Tegangan hasil pemanenan mencapai 336 mV. Kata Kunci: - algoritma genetik, antena mikrostrip, circular patch, EM harvesting, WPT. Abstract: - Electromagnetic energy harvesting antenna is designed by utilizing electromagnetic waves to meet the renewable energy requirements. The appropriate Electromagnetic energy harvesting rectenna is required to obtain optimal results. This paper investigates the appropriate design and realize a circular microstrip antenna frequency 850 MHz – 950 MHz with 915 MHz of center frequency for Electro magnetic energy harvesting application Wireless Power Transmission (WPT), by calculating the antenna theoretically and optimized the antenna microstrip circular patch using Genetic Algorithm (GA) in order to get the optimum return loss parameter. The results of GA radius size optimization are compared with the results of theoretical calculations which then simulated using the software CST before realized. Antenna design of the simulation results are further fabricated using FR-4 PCB material with a thickness of 1.6 mm substrate. The acquisition value of return loss CST simulation results according to the theory which results 45.17 mm radius, without applying GA is -24.758 dB at a frequency 906 MHz, whereas the expected frequency 915 MHz return loss is -4.8205 dB value. The acquisition of return loss results CST simulation after the optimized size of 44.782 mm radius using GA obtains precise and expected result that is -23.577 dB at a frequency 915 MHz. Furthermore, CST simulation results with GA optimization of the parameters are used to construct the circular patch antenna. The measurement results of constructed microstrip antenna using a Vector Network Analyzer shows -32.76 dB return loss at a frequency of 892.2 MHz and at frequency 915 MHz it results an expected return loss that is 14.49 dB. From the measurement the constructed antenna is qualified with the return loss value is under -10 dB, bandwidth 9,65% or 85,8 MHz, and VSWR 1,46 and achieve Voltage of harvesting is 336 mV. Key-Words: - antenna microstrip, circular patch, EM harvesting, Genetic algorithm, WPT.
1 Pendahuluan Wireless Power Transmission (WPT) merupakan suatu teknik untuk menyediakan daya jarak jauh dari aplikasi nirkabel, misalnya seperti frekuensi radio (RF) [1]. Desain antena eletromagnetic energy harvesting yang memanfaatkan gelombang electromagnetic dapat memenuhi kebutuhan energi terbarukan. Pada makalah ini untuk mendapatkan hasil yang optimal diperlukan desain rectenna (rectifier antenna) [2] yang sesuai salah satunya menggunakan antena microstrip dengan elemen peradiasi (patch) berbentuk circular, dengan menghitung dimensi antena secara teori dan kemudian ukuran radius antena mikrostrip circular patch dioptimasi menggunakan Algorithma Genetika (AG) yang selanjutnya disimulasikan menggunakan perangkat lunak CST sebelum dipabrikasi agar memperoleh parameter return loss optimal, parameter antena microstrip yang terdiri dari bandwidth (Bw), Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), Quality Factor (QT), efisiensi, serta Gain (Ga) antena. Antenna berperan sebagai penerima gelombang RF untuk memanen energy.
Distribusi angular medan berdiri sendiri pada jarak r. Medan jauh elektris secara matematis adalah:
E n (r ) j
(1)
Vektor f n ( , ) menunjukkan karakteristik direksional medan elektrik dari elemen ke-n, secara matematis :
f n ( , ) (ˆˆ ˆˆ).
element
J n (rn )e jrˆ.( rn rn ) dv (2)
dengan : J n (rn ) = elektrik pada elemen ke-n
rn r
= jarak antena ke pusat koordinat = jarak dari titik observasi ke pusat
ω µ
= frekuensi fasa = permeabilitas bahan
2
dari perkalian persamaan (1) dan (2) dihasilkan suatu persamaan berikut :
E (r ) j N
f ( , ) I n e
2 Tinjauan Pustaka A. Antena mikrostrip Antena mikrostrip sebagai salah satu antena gelombang mikro yang digunakan sebagai peradiasi pada sejumlah sistem telekomunikasi modern karena memiliki bentuk yang sederhana, kecil, ringan, efisien, ekonomis serta cenderung lebih mudah dalam pembuatannya. Secara umum, antena mikrostrip terdiri atas tiga bagian, yaitu patch, substrate, dan ground plane. Pada gambar 1, variabel a adalah radius circular patch, h adalah ketebalan substrat, dan εr adalah konstanta dielektrik substrat, sementara ground plane terletak pada bagian paling bawah [3].
e j r f n ( , ) 4r
e j r 4r
jrn cos n
n 1
(3)
f n ( , )
Frekuensi cutoff mode TM pada bumbung gelombang memberikan frekuensi resonansi pada antena mikrostrip dengan persamaan matematis :
( fr ) mn0
k c ' mn mn 2 a 2 r 1
(4)
dengan radius efektif aeff :
a eff
2h a 1 a r
1
2 ln 1 , 7726 2h a
(5)
' mn merupakan akar turunan dari fungsi Bessel J ' mn K mn a 0
Prosedur desain, radius a dengan konstanta dielektrik ( r ), ketinggian (h), dan frekuensi resonansi ( fr ) adalah : Gambar 1 Geometri dari Antena mikrostrip patch sirkular.
Karakteristik radiasi antena dilakukan pada daerah medan jauh antena. Pada daerah ini, perhitungannya berasal dari perkalian dua bagian. Bagian pertama adalah jarak antena dari titik observasi dan bagian lainnya adalah koordinat bola dengan sudut ϴ dan φ.
F
a 2h 1 r F
F
F ln 2h 1,7726
8,791 10 fr r
1 2
(6)
9
(7)
Parameter antena mikrostrip yang terdiri dari bandwidth, VSWR, return loss, serta koefisien refleksi. Bandwidth, merupakan rentang frekuensi kerja antena dan pada rentang tersebut VSWR yang dihasilkan ≤ 2, atau nilai return loss ≤ -10dB, dimana nilai tersebut masih dapat ditoleransi. Bandwidth dinyatakan dalam bentuk persen bandwidth karena sifatnya konstan relatif terhadap frekuensi.
BW
fh fl 100% fc
(8)
dengan fh adalah frekuensi tertinggi dalam band (GHz), fl adalah frekuensi terendah dalam band (GHz), dan fc adalah frekuensi tengah dalam band (GHz);
fc
f h fl 2
(9) Parameter VSWR merupakan perbandingan antara tegangan maksimum dan tegangan minimumnya.
VSWR
Vmax Vmin
1 L 1 L
(10)
B. Genetic Algorithm GA adalah stokastik (robust stochastic) berdasarkan metode pencarian yang dapat mengatasi karakteristik umum dari elektromagnetik yang tidak dapat diatasi oleh teknik optimasi lainnya [4]. Tahapan dalam algorithma ini dengan mendefinisikan populasi awal dari persamaan ukuran desain antena yang akan dioptimasi, membangkitkan individu populasi, evaluasi fitness dan linier fitness sebagai nilai baru hasil pen-skala-an, melakukan proses seleksi, menghitung prosentasi fitness, Roulete Wheel, melakukan pindah silang kromosom yang memiliki probabilitas pindah silang 0.85, melakukan mutasi shift kromosom, dan penentuan offspring populasi baru. Penentuan parameter misalkan parameter persamaan fungsi bessel pada antena, konstanta dielektrik r antena sebagai variabel x dalam optimasi untuk memaksimalkan fungsi f(x) dengan variabel x bervariasi diasumsikan sebagai kromosom yang akan digunakan dalam Genetic Algorithm. C. Power harvester Powerharvester receiver jenis P2110 adalah perangkat penerima pemanenan energi RF yang mengubah RF ke DC dan menyimpannya dalam sebuah kapasitor, ketika muatan pada ambang
kapasitor tercapai, sistem akan meningkatkan tegangan untuk set output, ketika muatan pada penurunan kapasitor berada pada ambang tegangan rendah output tegangan dimatikan. Nilai kapasitor yang dibutuhkan bisa di-estimasi menggunakan persamaan sebagai berikut:
C 15Vout I out t on
(11) Dengan, Vout adalah tegangan output dari P2110,
I out adalah rata-rata arus dari P2110, t on adalah Ontime tegangan output. Tegangan output DC dari P2110 preset 3.3V, sehingga untuk menyesuaikan dengan kebutuhan tegangan dibutuhkan penyesuaian nilai r resistor yang dapat diatur dengan meningkatkan atau menurunkan resistansi sesuai dengan persamaan berikut:
r
249k (Vout 1.195) 3.32 Vout
297 k r Vout 3.32
(12) (13)
Dengan r adalah nilai hambatan, pada persamaan 12 digunakan untuk menurunkan tegangan keluaran Vout, sedangkan persamaan 13 digunakan untuk meningkatkan tegangan keluaran Vout. Selanjutnya perhitungan estimasi daya didasarkan pada bentuk sederhana dari persamaan Friis dan akan memberikan perkiraan yang sesuai dari jumlah daya yang diterima dan tersedia untuk digunakan, dengan persamaan sebagai berikut:
Pr Pt Gt Gr 4R
2
(14) Pr adalah power received dari antena, Pt adalah daya total yang dikirim ke antena pemancar, Gt adalah Gain transmit antena, Gr adalah Gain receive antena, adalah panjang gelombang, R adalah jarak antena pada masing-masing node terhadap base station.
3 Perancangan dan Implementasi Langkah awal dalam penelitian ini adalah penentuan kriteria desain antena yang akan diimplementasikan untuk dapat melakukan pemanenan pada frekuensi GSM/CDMA 850 MHz950 MHz, dengan frekuensi pusat 915 MHz, impedansi 50 sesuai dengan kebutuhan datasheet rangkaian RF to DC converter. Simulasi rancangan antena menggunakan software CST. Parameter umum antena meliputi bandwidth,VSWR, dan return loss
sebagai acuan keberhasilan dalam melakukan simulasi antena yang akan dipabrikasi. Bahan yang akan digunakan mulai dari simulasi hingga pabrikasi memiliki karakteristik seperti tabel 1 sebagai berikut. Tabel 1 Karakteristik bahan PCB FR4 Karakteristik Nilai Satuan Center Frequncy 915 MHz Input Resistance 50 Ohm Substrate (height) 1.6 mm Relative permittivity 4.3 F/m
(a)
(b) Gambar 3. Hasil simulasi teori antena circular patch. (a) nilai return loss, (b) Nilai VSWR
Gambar 2. Desain antena pada simulasi tampak depan (a), belakang (b), dan samping (c) Pada simulasi awal seperti pada gambar 2, penentuan nilai radius berdasar pada teori persamaan 6, dengan spesifikasi ukuran antena yang digunakan seperti tabel 2 sebagai berikut. Tabel 2. Parameter ukuran desain antena Ukuran (cm) Komponen Teori Radius Patch 4.5170 Panjang (p) 12.2340 Lebar (l) 12.2340 Tebal Substrat (h subs) 0.16 Tebal Tembaga (h patch) 0.0035 Langkah selanjutnya adalah membuat simulasi dari parameter ukuran pada tabel 2, menggunakan software CST. Simulasi dilakukan untuk mendapatkan nilai return loss dan VSWR pada frekuensi kerja yang diharapkan. Pada gambar 3 berikut merupakan nilai return loss dan VSWR menurut parameter pada tabel 2.
Namun dari hasil simulasi teori pada gambar 3, performa parameter antena yang dihasilkan masih belum sesuai dengan parameter yang diharapkan, sehingga dilakukan optimasi ukuran radius antena menggunakan GA sesuai dalam gambar 4. Berikut merupakan nilai persebaran kromosom pada GA, yang ditunjukkan dalam gambar 5. Nilai radius antena diibaratkan sebagai suatu kromosom hasil perkawinan untuk memperoleh individu atau populasi baru.
Gambar 4. Diagram alir optimasi menggunakan GA
4.56
4.54
4.52
Kromosom Anak
4.5
4.48 X = 4.478 Y = 4.478
4.46
4.44
4.42
4.4
4.38 4.478
4.479
4.48
4.481
4.482
4.483
4.484
4.485
Kromosom Induk
Gambar 5. Hasil persebaran kromosom induk dan kromosom anak pada penentuan nilai radius optimum. Persebaran kromosom berada pada kisaran radius 4,478 hingga 4,48 dalam hal ini radius dalam satuan cm. Tabel 3. Parameter ukuran antena GA Komponen Ukuran (cm) GA Radius Patch 4.4782 Panjang (p) 12.1564 Lebar (l) 12.1564 Tebal Substrat (h subs) 0.1600 Tebal Tembaga (h patch) 0.0035 Langkah selanjutnya adalah membuat simulasi dari parameter ukuran pada tabel 3, menggunakan software CST. Simulasi dilakukan untuk mendapatkan nilai return loss dan VSWR pada frekuensi kerja yang diharapkan. Pada gambar 6 berikut merupakan nilai return loss dan VSWR menurut parameter pada tabel 3.
(b) Gambar 6. Hasil simulasi GA antena circular patch. (a) nilai return loss, (b) Nilai VSWR Implementasi antena mikrostrip yang telah dibuat ditunjukkan pada gambar 7.
Gambar 7. Antena hasil pabrikasi (a)
Setelah langkah-langkah pengimplementasian antena, maka langkah selanjutnya adalah
pengimplementasian rangkaian RF to DC converter, sesuai dengan skema pada rangkaian gambar 8.
dua yaitu pada rentang frekuensi 910 - 919,6 MHz dan bandwidth sekitar 9,6 MHz. Frekuensi tengah yang diperoleh tepat pada frekuensi kerja 915 MHz dengan VSWR 1,14. Dari hasil simulasi ini maka antena mikrostrip yang memiliki fungsi kerja pada frekuensi 915 MHz telah terpenuhi. Berdasarkan data hasil pengukuran antena hasil pabrikasi menggunakan vector network analyzer nilai VSWR kurang dari dua yaitu pada rentang frekuensi 846-931,8 MHz, minimum berada pada frekuensi 890 MHz sebesar 1,048. Bandwidth sekitar 85,8 MHz. Pada frekuensi kerja 915 MHz nilai VSWR 1,4 sehingga masih memenuhi syarat dibawah dua.
Gambar 8. Skema RF to DC converter p2110 Pada skema rangkaian, penentuan nilai kapasitor sesuai dengan persamaan 11, serta penentuan nilai resistor pada persamaan 12 dan 13. Implementasi rangkaian RF to DC converter yang telah dibuat ditunjukkan pada gambar 9.
Gambar 10. Grafik nilai VSWR hasil Pengukuran dan Simulasi
Gambar 9. RF to DC converter hasil pabrikasi
4 Hasil dan Pembahasan Analisis nilai VSWR Perolehan nilai VSWR dari hasil simulasi yang merujuk pada ukuran antena pada tabel 2 yang memenuhi syarat bernilai kurang dari dua yaitu pada rentang frekuensi 901,02 – 910,62 MHz dan bandwidth sekitar 9,6 MHz, namun dari hasil tersebut frekuensi yang diharapkan sebesar 915 MHz belum tercapai karena nilai VSWR pada frekuensi 915 MHz bernilai lebih dari dua yaitu sebesar 3,6. Dari hasil simulasi tersebut maka diperlukan langkah optimasi agar memperoleh nilai ukuran antena yang sesuai dengan harapan pada 915 MHZ, salah satu cara optimasi menggunakan GA. Hasil optimasi GA untuk menentukan ukuran radius optimum diperoleh pada angka kisaran 4,478 hingga 4,48 cm. Ukuran antena setelah dioptimasi ditunjukkan pada tabel 3, dari tabel 3 diperoleh hasil simulasi yang memenuhi syarat bernilai kurang dari
Analisis nilai return loss Perolehan nilai return loss dari hasil simulasi yang merujuk pada ukuran antena pada tabel 2 yang memenuhi syarat bernilai kurang dari -10 dB yaitu pada rentang frekuensi 901,02 – 910,62 MHz dan bandwidth sekitar 9,6 MHz, namun dari hasil tersebut frekuensi yang diharapkan sebesar 915 MHz belum tercapai karena nilai return loss pada frekuensi 915 MHz bernilai -4,86 dB. Perolehan nilai return loss dari hasil simulasi optimasi GA, ukuran antena pada tabel 3 yang memenuhi syarat bernilai kurang dari -10 dB yaitu pada rentang frekuensi 910 - 919,6 MHz dan bandwidth sekitar 9,6 MHz. Frekuensi tengah yang diperoleh tepat pada frekuensi kerja 915 MHz dengan return loss -23,57 dB. Berdasarkan data hasil pengukuran antena hasil pabrikasi menggunakan vector network analyzer nilai return loss kurang dari -10 dB yaitu pada rentang frekuensi 846-931,8 MHz, minimum berada pada frekuensi 890 MHz sebesar -32,58 dB. Bandwidth sekitar 85,8 MHz. Pada frekuensi kerja 915 MHz nilai return loss -14,49 dB sehingga masih memenuhi syarat dibawah -10 dB.
F (MHz) 915.000
Input Parameter Output Parameter P V I Transmitted Receiver Antenna Received RF Distance (uW) (volt) (uA) Power Gain (dB) Power (mW) (m) 3 3.98 0.081 10 11 1.2 9 Tabel 4. Estimasi perhitungan powercast wireless power Perolehan parameter hasil pengukuran sebesar 336 mV diukur dari dalam ruangan laboratorium antena dan propagasi ITS dan sumber RF diperoleh dari radiasi gelombang elektromagnetik di sekitar ruangan tersebut.
5 Kesimpulan
Gambar 11. Grafik nilai return loss hasil Pengukuran dan Simulasi Analisis nilai Gain Perolehan gain antena diperoleh dari hasil simulasi sebesar 3,29 dB seperti yang ditunjukkan pada gambar 12.
Gambar 12. Output Gain simulasi Sedangkan perolehan gain antena hasil pengukuran belum dapat dilakukan dikarenakan keterbatasan alat pengukuran. Analisis rangkaian RF to DC converter Perolehan yang berdasarkan pada estimasi perhitungan dari persamaan 14, dengan input gain 3,29 dB, pada frekuensi 915 MHz seperti yang ditunjukkan dalam tabel 4.
Telah didesain dan dibuat antena serta rangkaian RF to DC converter untuk electromagnetic power harvesting. Parameter VSWR, return loss, dan gain untuk kebutuhan frekuensi kerja yang diinginkan telah memenuhi kriteria sehingga dapat dikatakan antena dan rangkaian RF to DC converter dapat digunakan untuk perangkat pemanenan energi jarak jauh WPT. Referensi: [1] W. C. Brown, “The history of power transmission by radio waves,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 32, no. 9, pp. 1230-1242, Sept. 1984. [2] A. Georgiadis, G. Andia, and A. Collado, “Rectenna Design and Optimization Using Reciprocity Theory and Harmonic Balance Analysis for Electromagnetic (EM) Energy Harvesting”. IEEE Antennas and Wireless Propagation, vol. 9, pp. 444-446, Mei. 2010. [3] Balanis, Constantine, Antena Theory Analysis and Design, John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, USA, 3rd edition, 2005. [4] Haupt RL. “An introduction to genetic algorithms for electromagnetics”, IEEE Trans Antennas Propagation, Mar. 1995. [5] http://www.powercastco.com/PDF/P2110datasheet.pdf
