TESIS – TE2098
OPTIMASI DESAIN SISTEM ANTENA MENGGUNAKAN ALGORITMA GENETIK UNTUK EM HARVESTING PADA APLIKASI BATERAI CHARGING HANDSET SELULAR Widya Cahyadi 2211203704 DOSEN PEMBIMBING Eko Setijadi, ST., MT., PhD. PROGRAM MAGISTER BIDANG KEAHLIAN TELEKOMUNIKASI MULTIMEDIA JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2013
1
Outline • Pendahuluan ‐ Latar Belakang ‐ Perumusan Masalah
‐ Tujuan Penelitian ‐ Batasan Masalah ‐ Relevansi
• Tinjauan Pustaka ‐ Teori Penunjang
‐ Studi Hasil Penelitian Sebelumnya ‐ Pembagian alokasi frekuensi operator GSM ‐ Sudut tilting antena pemancar GSM
• Metodologi Penelitian ‐ Rancangan Penelitian
‐ Proses perancangan (Simulasi CST, Optimasi GA , Skema RF to DC converter ‐ Implementasi Perangkat
• Hasil dan Pembahasan • Kesimpulan
2
Latar Belakang
EMH
Teknologi
Electromagnetic Harvesting Radio Frequency
Design Antenna Optimum
Kategori WPT RECTENNA Rectifier Antenna
Wireless Power Transmission
Jenis Transmisi
Automatic Wireless Charging
Rectifier
3
Perumusan Masalah Berdasarkan beberapa penelitian sebelumnya tentang rectenna untuk Electro Magnetic Harvesting (EMH), yang memanfaatkan gelombang EM dengan frekuensi kisaran 900 MHz dan lebih dari sama dengan 2,4 GHz. Dalam penelitian ini akan dilakukan optimasi desain rectenna untuk EMH yang memanfaatkan gelombang EM dengan frekuensi kisaran 850‐950 MHz dengan harapan daya keluaran mampu diterapkan untuk baterai charging handset jenis Li‐ion rechargeable Capacity: 800 mAh; Voltage: 3.7 Volt.
4
Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut : -
Menentukan parameter-parameter dasar dari desain antena microstrip yang bekerja pada lingkup frekuensi 850 MHz hingga 950 MHz.
-
Melakukan optimasi pada desain antena microstrip.
-
Memperoleh data parameter antena microstrip yang terdiri dari bandwidth (Bw), Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), efisiensi, Gain (Ga) antena, serta parameter daya input/output rectenna.
-
Diharapkan mampu melakukan charging battery jenis Li-ion rechargeable Capacity: 800 mAh; Voltage: 3.7 Volt. 5
Batasan Masalah Batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut : -
Gelombang elektromagnetik yang dimanfaatkan rectenna untuk melakukan proses pemanenan (harvesting) adalah pada kisaran frekuensi 850 MHz-950 MHz.
-
Antena yang digunakan jenis mikrostrip polarisasi linier dengan bahan dielektrik PCB dengan substrat FR4 (Flame Retardancies 4 epoxy).
-
Komponen pada rectenna hanya terdiri dari slot antena, rangkain pengkonversi IC P2110, capacitor, dan resistive load.
-
Optimasi desain antena menggunakan algoritma genetik sederhana.
-
Jenis battery yang akan dilakukan charging jenis Li-ion rechargeable Capacity: 850 mAh ; Voltage: 3.7 Volt.
6
Relevansi Penelitian ini diharapkan mampu memperoleh desain antena yang optimal sehingga
rectenna
dapat
melakukan
proses
pemanenan
gelombang
elektromagnetik dengan daya keluaran yang diharapkan mampu
untuk
aplikasi baterai charging handset celullar jenis Li-ion rechargeable Capacity: 850 mAh ; Voltage: 3.7 Volt.
7
Sistematika Penulisan Penulisan tesis ini dijabarkan dalam lima bab sebagai berikut: 1. Pendahuluan Berisi latar belakang, rumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, relevansi dan sistematika penulisan. 2. Tinjauan Pustaka 3. Metode penelitian Bagian ini membahas rancangan penelitian yang dilakukan, proses perancangan, implementasi rancang bangun perangkat. 4. Hasil dan Pembahasan Menampilkan hasil-hasil dari pengukuran rancang bangun perangkat. 5. Kesimpulan dan Saran
8
Teori Penunjang • Antena mikrostrip
Persamaan desain antena mikrostrip circular patch: a eff
2h a 1 a r
1
a 2 ln 1 , 7726 2h
Dengan a eff adalah radius efektif F
a 2h 1 r F
Gambar 2.2 antena microstrip circular patch [7]
1
F 2 ln 2h 1,7726
r Dengan a adalah radius, konstanta dielektrik, h ketebalan substrat, fr adalah frekuensi resonansi.
9
Teori Penunjang • Parameter Antena Mikrostrip
‐ Bandwidth (BW) f f 100% BW f f f f 2 ‐ Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) V 1 VSWR V 1 h
l
c
h
l
c
max
L
min
L
10
Teori Penunjang • Parameter Antena Mikrostrip
‐ Faktor Kualitas ( ) Q 1 1 1 1 Q Q Q Q dengan Q adalah rugi‐rugi radiasi, Q adalah rugi‐rugi konduktor, dan Q adalah rugi‐rugi dielektrik. ‐ Efisiensi P Q P Q dengan P adalah input daya, P adalah daya radiasi. ‐ Penguatan (Gain) Penguatan pada antena mikrostrip dapat dihitung dengan mengintegrasikan pola radiasi atau medan jauh pada permukaan tertutup dari antena tersebut. T
T
r
c
d
r
c
d
in
r
T
in
r
r
11
Teori Penunjang • Power harvester P2110
Powerharvester receiver jenis P2110 RF P2110
+ ‐
DC
C - Frekuensi 902-928 MHz, 915 MHz center - Impedansi antena 50 Ohm 12
Teori Penunjang • Power harvester P2110
Nilai kapasitor yang dibutuhkan bisa di‐estimasi menggunakan persamaan sebagai berikut: : C 15Vout I out ton Dengan, Vout adalah tegangan output dari P2110, I out adalah rata-rata arus dari P2110, t on adalah On-time 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: 297 k r Vout 3.32
r
249k (Vout 1.195) 3.32 Vout
13
Teori Penunjang • Genetic Algorithm (GA) • Fungsi tujuan optimalisasi non linear dengan banyak kendala yang juga non linear; • Solusi “real‐time”; • Mempunyai multi‐objective dan multi‐criteria; • Mendefinisikan Individu untuk menentukan maksimal fungsi; • Bermacam bentuk kromosom (biner, float, string, kombinatorial); • Nilai fitness merupakan suatu ukuran baik tidaknya suatu solusi yang dinyatakan sebagai satu individu; Dengan A adalah konstanta yang ditentukan, x adalah individu (kromosom), e bilangan kecil untuk menghindari pembagi nol • Seleksi Roulette Wheel.
14
Teori Penunjang • Genetic Algorithm (GA) • Cross over untuk kromosom float dilakukan dengan pertukaran gen atau pertukaran aritmatika antar induk; • Probabilitas cross over yang baik berada pada kisaran 0.5 sampai dengan 0.95; • Pada kromosom float ada dua macam mutasi yang banyak dilakukan yaitu random mutation dan shift mutation; • Probabilitas mutasi yang baik berada pada kisaran 0 sampai dengan 0.3. Probabilitas mutasi yang terlalu kecil menyebabkan terjebak dalam optimum lokal, dan probabilitas mutasi yang terlalu besar menyebabkan konvergensi sulit didapatkan.
15
Teori Penunjang • Kapasitas Daya Dengan P adalah daya dalam satuan watt, V P V I adalah tegangan dalam satuan volt, I adalah Q I kuat arus dalam satuan ampere, lalu Q adalah t muatan listrik dalam satuan coulomb (setara V IR dengan ampere second) dan t merupakan Q waktu dalam satuan second. t R V
16
Teori Penunjang Pembagian alokasi frekuensi operator GSM 900
Alokasi frekuensi GSM yang dipakai di Indonesia ALOKASI FREKUENSI (MHz) GSM 900 AWAL AKHIR AWAL AKHIR AWAL AKHIR Downlink 935 945 945 952.5 952.5 960 Uplink 890 900 900 907.5 907.5 915 Koreksi Downlink 935.2 944.8 945.2 952.4 952.6 959.8
Koreksi Uplink 890.2 899.8 Operator INDOSAT Sumber : Kominfo, 2009
900.2 907.4 TELKOMSEL
907.6 914.8 XL
17
Teori Penunjang • Sudut Kemiringan Antena Pemancar (tilting)
d
( Hb Hr ) / Tan 5280
Dengan d adalah jarak pemancar ke penerima (meter), Hb adalah jarak ketinggian antena ke tanah (meter), Hr adalah ketinggian gedung (meter), dan ϴ adalah derajat sudut kemiringan antena pemancar [12].
18
Studi Hasil Penelitian Sebelumnya • • • • •
Antena Microstrip [8] Frekuensi kerja : 925 MHz Polarisasi : sirkular Wide slot Ukuran dimensi elemen antenna
• • • • •
Antena Microstrip [10] Frekuensi kerja : 900 MHz Polarisasi : sirkular Rectangular Patch Desain Antena
19
Rancangan Penelitian
20
Proses Perancangan • Simulasi Antena Menggunakan CST Karakteristik Center Frequncy Input Resistance Substrate (height) Relative permittivity
Nilai 915 50 1.6 4.3
Satuan MHz Ohm mm
21 Perspektif
Depan
Samping
Proses Perancangan • Optimasi GA selection
Populasi awal
Roulette
Evaluasi fitness
crossover Kondisi Stop/run
Stop
mutation Operasi genetik
Populasi baru
22
Proses Perancangan • Persebaran Kromosom Pada Optimasi GA
23
Proses Perancangan • Simulasi Menggunakan CST Antena Teori VS Antena Optimasi GA Komponen Radius Patch (a) Panjang (p) Lebar (l) Tebal Substrat (h subs) Tebal Tembaga (h patch)
Ukuran (cm) Teori 4.5170 12.2340 12.2340 0.16 0.0035
Komponen Radius Patch Panjang (p) Lebar (l) Tebal Substrat (h subs) Tebal Tembaga (h patch)
Ukuran (cm) GA 4.4782 12.1564 12.1564 0.1600 0.0035
24
Komponen & Pengukuran Rectenna
25
Komponen & Pengukuran Rectenna Vector Network Analyzer : Port Tunggal (S11) • Return Loss; • VSWR; • Koefisien Refleksi; • Bandwidth.
Spectrum Analyzer : ‐ Level Daya terima Antena
26 Pengukuran Rectenna
Komponen & Pengukuran Rectenna
(a)
(b)
a. Pengukuran terlalu dekat tower BTS (10m) dipengaruhi sudut tilting coverage area b. Pengukuran di ruang laboratorium antena propagasi (ruang B306) ITS
27
Hasil dan Pembahasan Analisis Pengukuran Antena • Analisis nilai Return Loss
-5
return loss <‐10 dB pada rentang frekuensi 846‐931,8 MHz, minimum berada pada frekuensi 890 MHz sebesar ‐32,58 dB. Pada frekuensi kerja 915 MHz nilai return loss ‐14,49 dB sehingga masih memenuhi syarat dibawah ‐10 dB.
-10
Return Loss (dB)
-15
-20
-25
-30
-35 840
850
860
870
880 890 900 Frekuensi (MHz)
910
920
930
940
28
Hasil dan Pembahasan • Perbandingan return loss pengukuran dan simulasi Frekuensi (MHz)
‐5
840.5 846 851.5 857 862.5 868 873.5 879 884.5 890 895.5 901 906.5 912 917.5 923 928.5 934 939.5
0
Return Loss (dB)
‐10 ‐15 ‐20
Pengukuran SIMULASI
‐25 ‐30 ‐35
Perbandingan return loss pengukuran dan simulasi yang memenuhi syarat ‐10 dB, terdapat pergeseran frekuensi pusat sejauh 25 MHz, dari frekuensi pusat 915 MHz, namun hasil pengukuran masih memenuhi syarat pada frekuensi kerja GSM 900 sesuai dengan alokasi frekuensi Operator GSM.
29
Hasil dan Pembahasan • Analisis nilai VSWR g 2.5
VSWR
2
1.5
1 840
850
860
870
880 890 900 Frekuensi (MHz)
910
920
930
940
Grafik hasil pengukuran VSWR yang memenuhi syarat dibawah 2, yaitu pada rentang frekuensi 846‐931,8 MHz, minimum berada pada frekuensi 890 MHz sebesar 1,048. Pada frekuensi kerja 915 MHz nilai VSWR 1,4 sehingga masih memenuhi syarat dibawah dua. Nilai VSWR memenuhi kriteria sehingga antena dapat digunakan pada frekuensi GSM 900 sesuai dengan tabel 2.3 alokasi frekuensi GSM 900 MHz.
30
Hasil dan Pembahasan • Perbandingan VSWR hasil pengukuran dan simulasi 2.5
VSWR
2 1.5 PENGUKURAN
1
SIMULASI
0.5 0 909.8 910.9
912
913.1 914.2 915.3 916.4 917.5 918.6 Frekuensi (MHz)
Dari hasil simulasi maupun pengukuran nilai VSWR memenuhi syarat dibawah 2 pada frekuensi yang diharapkan 31
Hasil dan Pembahasan • Analisis Bandwidth
BW
fh fl 100% fc
Persen bandwidth antena dapat diketahui dari nilai frekuensi yang berada pada ‐10 dB yaitu frekuensi tertinggi pada 931.8 MHz, frekuensi terendah pada 846 MHz, dan frekuensi pusat pada 890 MHz, diperoleh bandwidth sekitar 85.8 MHz atau 9,65 %.
32
Hasil dan Pembahasan • Analisis Gain
Gain antena dari simulasi menunjukkan nilai 3.29 dB, sedangkan pada pengukuran antena, nilai gain belum dapat diperoleh dikarenakan keterbatasan saat pengukuran.
33
Hasil dan Pembahasan Analisis Pengukuran Rangkaian Rectenna • Analisis nilai resistor terhadap Daya keluaran 0.0003 0.00025
P (uW)
0.0002 0.00015 daya (uW) 0.0001 0.00005 0 176000
200000
250000
300000
350000
400000
450000
R (ohm)
Peningkatan nilai hambatan berbanding lurus dengan peningkatan daya output.
34
Hasil dan Pembahasan Analisis Pengukuran Rangkaian Rectenna • Analisis nilai daya input RF dan daya output DC 120 100
uW
80 60
daya output daya input
40 20 0 840
865
890
915
940
Frekuensi (MHz)
Daya input RF (sebelum dikonversi) semakin menurun berbanding terbalik dengan frekuensi, sehingga daya output DC juga mengalami penurunan sejalan dengan kenaikan frekuensi.
35
Hasil dan Pembahasan Analisis Pengukuran Rangkaian Rectenna • Analisis estimasi pengisian baterai 18 16 14
Hari
12 10 8
Charging
6 4 2 0 840
865
890
915
940
Frekuensi (MHz)
Jika dilakukan proses pengisian baterai dengan kapasitas 800 mAh membutuhkan waktu sekitar 13 hingga 16 hari.
36
Kesimpulan Berdasarkan hasil proses dan tahapan pengukuran dalam penelitian ini, maka terdapat kesimpulan yang dapat diambil, diantaranya adalah : • Hasil parameter simulasi desain antena menggunakan CST yang dioptimasi menggunakan GA memiliki hasil yang lebih baik dari hasil perhitungan teori biasa. • Hasil pengukuran antena memiliki parameter yang sudah sesuai dengan frekuensi yang diharapkan pada frekuensi GSM, yaitu return loss dibawah ‐10dB dan VSWR kurang dari dua. • Rangkaian power harvester IC P2110 dapat melakukan pemanenan energi dalam ruangan meskipun hasilnya kecil. • Faktor frekuensi, jarak cakupan area, serta daya transmisi sebagai RF input berpengaruh terhadap hasil pemanenan dalam hal ini berpengaruh terhadap lama pengisian baterai.
37
Daftar Pustaka DAFTAR PUSTAKA [1]
[2]
[3]
[4]
[5]
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. 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. Ugur Olgun, Chi-Chih Chen, and John L. Volakis, “Investigation of Rectenna Array Configurations for Enhanced RF Power Harvesting”. IEEE Antennas And Wireless Propagation Letters, VOL. 10, 2011 B. H. Strassner and K. Chang, “Rectifying Antennas (Rectennas),” Chap in Encyclopedia of RF and Microwave Engineering. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc., 2005, vol. 5, pp. 4418-4428. en.wikipedia.org/wiki/Tesla.
[6]
Haupt RL. “An introduction to genetic algorithms for electromagnetics”, IEEE Trans Antennas Propagation, Mar. 1995.
[7]
Balanis, Constantine, Antena Theory Analysis and Design, John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, USA, 3rd edition, 2005.
[8]
Jwo-Shiun Sun, Ren-Hao Chen, Shao-Kai Liu, Cheng-Fu Yang, “Wireless Power Transmission With Circularly Polarized Rectenna”. Microwave Journal Technical Library, 2011.
[9]
Widya Cahyadi, Indra Jaya, “Analisis Skema Clustering yang Efisien Dalam Energy Untuk EM Power Harvesting Pada WSN”. Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan ITATS, Surabaya, Februari 2013. Siska Novita, Eko Setijadi, “Pemanenan Energi RF 900 MHz menggunakan Rectenna untuk Perangkat Mobile”. Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya, Juli, 2011. Mana Hilul Irfan, Eko Setijadi, Wirawan, “Pengukuran Medan Elektromagnetik Bebas pada Area Urban dan Rural”. Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. Ekariani Prativi, Lucia Jambola, “Perancangan dan Realisasi Remote Tilting Antena Base Station Secara Vertikal”. Jurnal Reka Elkomika ITENAS, Bandung 2013.
[10]
[11]
[12]
38
Penutup
TERIMAKASIH 39
