Pemanen Energi RF 900 MHz menggunakan Antena Mikrostrip Circular Patch

12

Jurnal Teknik Elektro dan Komputer, Vol.1, No.1, April 2013, 12-17

Pemanen Energi RF 900 MHz menggunakan Antena Mikrostrip Circular Patch Chyntya Rahma Ningsih1, Siska Novita Posma2, Wahyuni Khabzli3 1

Politeknik Caltex Riau Politeknik Caltex Riau, [email protected] 3 Politeknik Caltex Riau, [email protected]

2

Abstrak Perkembangan teknologi komunikasi yang semakin cepat dan beragam menyebabkan munculnya berbagai macam perangkat komunikasi bergerak khususnya komunikasi seluler. Pesatnya kemunculan berbagai perangkat telekomunikasi ini menyebabkan semakin menjamurnya penggunaan antena pada frekuensi GSM 900 MHz. Salah satu jenis antena yang dapat mendukung keperluan mobile communication adalah antena mikrostrip. Antena yang terbuat dari PCB ini mempunyai kelebihan-kelebihan yaitu ringan, bentuk fisiknya kecil dan efisiensi tinggi. Pada penelitian ini dibuat antena mikrostrip circular patch dengan substrat FR4 dengan dielektrik 4.3 dan h=1.6 mm yang bekerja pada frekuensi 900 MHz. Hasil perancangan didapatkan nilai VSWR paling bagus sebesar 1.0207 pada frekuensi 900 MHz, dengan gain 2.95 dB. Nilai return loss yang didapat sebesar –39.779 dBm pada frekuensi 900 MHz. Tegangan dc yang didapat yaitu 12.4 mV di dalam ruangan dan 33.1 mV di luar ruangan. Kata Kunci : microstrip circular patch, rectifier, VSWR, rectenna Abstract The development of increasingly rapid communication technologies and diverse causes the emergence of various mobile communication devices especially mobile communications. The rapid emergence of a variety of telecommunication devices lead to the proliferation of the use of antennas at frequencies of GSM 900 MHz. One type of antenna that can support the needs of mobile communication is a microstrip antenna. This antenna is made of PCB has advantages that have lighter, smaller physical form and high efficiency. In this research made circular microstrip patch antenna with FR4 substrate with a dielectric 4.3 and h = 1.6 mm which works on 900 MHz. Design results obtained best VSWR value of 1.0207 at a frequency of 900 MHz, with a gain of 2.95 dB. Return loss values obtained for -39 779 dBm at 900 MHz. Dc voltage obtained is 12.4 mV 33.1 mV indoors and outdoors. Key Words : microstrip circular patch, rectifier, VSWR, rectenna

1

Pendahuluan

Perkembangan teknologi komunikasi nirkabel yang semakin cepat dan beragam ini tidak dapat dipisahkan dari antena sebagai elemen penting dari aplikasi radio frequency (RF). Antena berfungsi sebagai sarana untuk memancarkan atau menerima sinyal – sinyal informasi yang dibawa gelombang radio. Bentuk antena bermacam-macam, menyesuaikan dengan fungsi dan alokasi frekuensi yang digunakan. Salah satu antena yang dapat digunakan untuk komunikasi bergerak adalah antena mikrostrip.

Pemanen Energi RF 900 MHz menggunakan Antena …

13

Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel diatas ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik. Antena mikrostrip merupakan antena yang memiliki massa ringan, ukurannya kecil, ekonomis, mudah untuk difabrikasi dan tidak sulit diintegrasikan dengan perangkat elektronik lain. Antena mikrostrip terdiri atas 3 bagian utama yaitu patch, substrat, dan ground. Bentuk dari patch bervariasi ada yang berbentuk segi empat, segitiga, lingkaran dan lain-lain. Beberapa aplikasi yang memanfaatkan kelebihan antena mikrostrip ini seperti radar, radio bergerak, dan komunikasi satelit. Pada penelitian ini dirancang sistem rectenna (rectifier antenna) sebagai pemanen energi RF menggunakan antena mikrostrip circular patch 900 MHz yang diintegrasikan dengan perangkat penyearah (rectifier). Biasanya daya yang didapatkan oleh rectenna yang menangkap gelombang elektromagnetik dari ruang bebas ini rendah, sehingga daya ini hanya dapat digunakan untuk perangkat berdaya rendah juga. Dalam berbagai penelitian yang telah dilakukan menunjukkan hal ini. Visser [1] telah melakukan penelitian dan didapatkan untuk range jarak antara 25 m sampai 100 m dari base station GSM, level kerapatan dayanya adalah 0,1 mW/m2 sampai 1,0 mW/m2. Sedangkan Sun [2] mendapatkan efisiensi konversi RF menjadi DC oleh rectenna sebesar 75% saat daya RF 15 dBm diterima dengan resistansi beban 2 k pada ruang bebas.

2

Metodologi

Untuk memanen energi RF ini dibutuhkan suatu rectenna yang merupakan gabungan dari antena mikrostrip dengan rangkaian penyearah. Oleh karena itu proses perancangannya dibagi menjadi 2 tahap, yaitu perancangan antena dan penyearah.

2.1

Perancangan Antena

Dalam perancangan terlebih dahulu harus ditentukan beberapa parameter sebagai dasar dalam perhitungan. Frekuensi yang digunakan adalah 900 MHz dengan bahan FR4 dengan nilai konstanta dielektrik 4.3 dan ketinggian substrat dielektrik (h) adalah 1.6 mm. Kemudian nilai-nilai ini dimasukkan ke persamaan-persamaan berikut [3]: 

Menghitung jari-jari lingkaran (a) α = jari-jari antenna k = variable pengganti αe, karena nilai αe, dianggap mendekati nilai α dengan rumus αe : αe =

1+

ln

+ 1,7726

.

.

(1)

fr = frekuensi kerja antena

εr

= 4,3

fr

= 900 MHz

=

.

,

(2)

Dimana : =

,

× √ε

Hasil perhitungan k = 46,449 mm Dengan substitusi k, maka diperoleh nilai a : 4.71 mm.

(3)

14

Chyntya Rahma Ningsih, Siska Novita Posma, Wahyuni Khabzli

Nilai-nilai tersebut kemudian dimasukkan ke simulator untuk menghitung dimensi antena dan nilai parameter-parameter antena yang meliputi VSWR, return loss, dan gain antena. Dimensi hasil perancangan antena yang dibuat tampak seperti pada Gambar 1.

Gambar 1 Tampilan Antena Mikrostrip Pada Simulator.

Nilai-nilai parameter yang didapatkan dari hasil simulasi adalah sebagai berikut : a. Gain Pada simulasi dapat dilihat besar gain antena yang telah didesain, seperti yang terlihat pada Gambar 2 besar gain secara simulasi adalah 2.95 dB pada frekuensi kerja antena 900 MHz.

Gambar 2 Gain Antena

b. VSWR Nilai VSWR yang ideal adalah <2. Nilai dari hasil simulasi pada Gambar 3 bernilai 1.0207 pada frekuensi 900 MHz, sehingga nilai ini telah memenuhi syarat.

Pemanen Energi RF 900 MHz menggunakan Antena …

15

Gambar 3 VSWR Antenna

c. Return Loss Pada gambar 4 return loss yang didapat bernilai baik karena lebih kecil dari -10 dBm yang mana sinyal yang direfleksikan tidak terlalu besar dibandingkan sinyal yang dikirimkan. Pada simulasi yang telah dibuat seperti terlihat pada Gambar 4, didapat return loss pada frekuensi 0.9 GHz adalah -39.779 dBm. Semakin kecil nilai return loss yang didapat berarti semakin kecil sinyal yang terpantul kembali.

Gambar 4 Return Loss

2.2 Perancangan Rangkaian Penyearah Perancangan rectifier dimulai dengan menghitung nilai frekuensi resonansi dengan menggunakan persamaan 4 berikut : r=

(4)

√

Persamaan 2 merupakan persamaan untuk mencari nilai frekuensi resonansinya yaitu frekuensi batas kerja maksimum. Dengan L adalah induktansi dan C adalah kapasitansi maka nilai frekuensi resonansi adalah sebagai berikut : r=

=

√

1

2.3.14 ( 18µ ). (2 = . ,

(

.

).( .

) )

= 839,245 Gambar rangkaian rectifier yang digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 5 berikut,

16

Chyntya Rahma Ningsih, Siska Novita Posma, Wahyuni Khabzli

Gambar 5

Rangkaian Rectifier

Dioda yang digunakan pada rangkaian di atas adalah dioda Schottky, yang cocok untuk frekuensi tinggi. Desain rectenna terdiri dari sebuah LPF, voltage quadrupler dan beban.

3

Hasil dan Analisa

Rectenna yang telah dibuat akan digunakan sebagai pemanen energi RF yang tersebar di lingkungan. Pengukuran banyaknya tegangan yang diperoleh dilakukan di dua tempat, yaitu di dalam ruangan dan di luar ruangan. 3.1

Pengukuran tegangan rectenna di dalam ruangan

Proses pengujian dan pengambilan data tegangan rectenna di dalam ruangan dilakukan untuk mengetahui penerimaan rectenna apabila digunakan untuk memanen energi RF yang ada di dalam ruangan maupun energi RF yang ada di luar ruangan. Tabel 1 Pengukuran Tegangan dalam Ruangan No.

Beban (RL) kΩ

Tegangan ( mv)

1 2 3

1 50 1000

4 6 7

4

10000

12.4

Pada tabel 1 di atas merupakan hasil pengukuran tegangan yang didapat dalam ruangan. Tampak bahwa tegangan yang didapatkan paling besar bernilai 12.4 mV dengan menggunakan beban 10 M.

3.2

Pengukuran Di Luar Ruangan (outdoor)

Pengukuran yang dilakukan di luar ruangan (outdoor) adalah pengukuran level tegangan untuk menangkap energi RF yang ada di luar ruangan.

Pemanen Energi RF 900 MHz menggunakan Antena …

17

Tabel 2 Pengukuran Tegangan di Luar Ruangan No.

Beban (RL) KΩ

1

1

5

2

50

14

Tegangan (mV)

3

1000

23

4

10000

33.1

output CD volttage ( mV)

Pada tabel 2 di atas dapat dilihat bahwa nilai tegangan terbesar pada beban RL 10 MΩ dengan nlai tegangan sebesar 33.1 mV. Pada Gambar 6 merupakan perbandingan antara perolehan tegangan di dalam ruangan dan di dalam ruangan. 40 20 0

dalam ruangan luar ruangan Beban RL (KΩ)

Gambar 6 Perbandingan nilai output DC Voltage

Pada Gambar 6 dapat dilihat perbandingan nilai tegangan yang dihasilkan oleh rectenna di luar ruangan lebih besar dibandingkan nilai tegangan yang dihasilkan oleh rectenna di dalam ruangan. Hal ini disebabkan ketika pengukuran di luar ruangan selain rectenna menangkap energi-energi RF yang ada di luar, juga akan langsung menangkap energi RF dari BTS yang terdekat dengan rectenna.

4

Kesimpulan

Pada penelitian ini, antena mikrostrip circular patch yang telah dibuat memiliki nilai VSWR paling bagus sebesar 1.0207 pada frekuensi 900 MHz, dengan gain 2.95 dB. Nilai return loss yang didapat sebesar –39.779 dBm pada frekuensi 900 MHz. Nilai-nilai tersebut telah memenuhi syarat unjuk kerja suatu antena. Dari hasil pengukuran tegangan yang didapatkan oleh rectenna, untuk di dalam ruangan didapatkan tegangan sebesar 12.4 mV, sedangkan di luar ruangan didapatkan tegangan sebesar 33.1 mV. Perbedaan ini disebabkan karena adanya halangan yang berupa dinding untuk pengukuran di dalam ruangan, sehingga mengurangi intensitas dan level tegangan yang didapatkan. DAFTAR PUSTAKA [1] Visser, H.J. dan Reniers, A.C.F., “Ambient RF Energy Scavenging : GSM and WLAN Power Density Measurements”, Proceedings of the 38th European Microwave Conference, 2008. [2] Sun, J. dan Chen, R., “Wireless Power Transmission with Circularly Polarized Rectenna”, Microwave Journal, 2011. [3] Balanis, C.A., Antenna Theory, Analysis and Design 2nd edition, John Wiley & Sons, Hoboken, 1997.