Rectifier Antenna (Rectenna) Sebagai Pengubah Energi RF Menjadi Energi Listrik Berdaya Rendah

Jurnal Teknik Elektro dan Komputer, Vol.2, No.1, April 2014, 95-104

95

Rectifier Antenna (Rectenna) Sebagai Pengubah Energi RF Menjadi Energi Listrik Berdaya Rendah Siska Novita P1& Mohammad Yanuar H2 1,2

Prodi D4 Teknik Elektronika Telekomunikasi, Politeknik Caltex Riau Email: [email protected]

Abstrak Penggunaan energi alternatif untuk saat ini merupakan hal yg sangat penting, dikarenakan makin menipisnya ketersediaan energi di alam. Salah satu contoh potensi energi yang tidak kita sadari kehadirannya disekitar kita adalah gelombang frekuensi radio atau yang biasa dikenal dengan gelombang RF. Pada penelitian ini dibuat rectifier antenna dengan menggunakan antena mikrostrip rectangular patch yang dapat digunakan untuk menanen energi RF dengan frekuensi 800 MHz dan mengkonversikannya menjadi daya DC, yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi alternatif dari sumber daya yang belum di manfaatkan sehingga dapat menghasilkan catu daya bagi perangkat dengan daya rendah. Antena mikrostrip rectangular patch telah berhasil difabrikasi dan dikarakterisasi parameter fisisnya yang meliputi frekuensi kerja, return loss, VSWR, dan gain. Dari hasil pengukuran parameter antena hasil perancangan didapat nilai return loss antena sebesar -40,74 dB pada frekuensi 800 MHz. Nilai gain adalah 3,47 dB. Dari hasil fabrikasi antena didapatkan pergeseran frekuensi dengan nilai return loss -16,85 dB pada frekuensi 1,057 GHz. Nilai VSWR setelah difabrikasi adalah 1,33 dB. Nilai tegangan yang dihasilkan dari rectenna (gabungan antena dan rectenna) adalah sebesar 0,279 mV. Sedangkan nilai level daya terbesar yang dapat diterima oleh antena adalah sebesar -47,27 dBm. Pengukuran tegangan yang didapatkan di luar ruangan adalah sebesar 159,36 mV dan 184,94 mV. Hal ini belum maksimal karena salah satu faktor yang mempegaruhi adalah penggunaan dioda yang kurang sesuai. Kata kunci: RF, Rectenna, VSWR.

Abstract The use of alternative energy is now a very important thing , because of the depletion of the availability of energy in nature . One example of potential energy that we do not realize its presence around us is a radio frequency waves or commonly known as RF waves . In this study made rectifier antenna using rectangular microstrip patch antenna that can be used to menanen RF energy with a frequency of 800 MHz and converts it into DC power , which can be used to produce alternative energy from resources that have not been utilized so as to generate power supply for the device with low power . Rectangular microstrip patch antenna has been successfully fabricated and characterized his physical parameters that include operating frequency , return loss , VSWR , and gain . From the measurement results of the design parameters of the antenna return loss values obtained by -40.74 dB antenna at a frequency of 800 MHz . Gain is 3.47 dB . From the results obtained fabricated antenna with a frequency shift of -16.85 dB return loss at a frequency of 1.057 GHz . VSWR is 1.33 dB after fabricated . The resulting voltage value of the rectenna ( combined antenna and rectenna ) is equal to 0.279 mV . While the value of the largest power level that can be received by an antenna is equal to -47.27 dBm . Voltage measurements obtained outdoors amounted to 159.36 mV and 184.94 mV . This is not maximized because one factor is the use of diode mempegaruhi less appropriate. Keywords: RF, Rectenna, VSWR.

1

Pendahuluan

Energi di alam yang sangat vital merupakan energi tak terbarukan yang bisa habis dalam beberapa waktu, dan diperlukan waktu yang sangat lama agar dapat dihasilkan kembali. Contohnya minyak bumi, gas bumi, gas alam cair, batu bara, dan lain sebagainya. Padahal

96

Siska Novita P & Mohammad Yanuar H

energi-energi tersebut merupakan bahan bakar utama bagi peralatan-peralatan maupun kendaraan yang digunakan oleh manusia dalam kehidupan sehari-hari. Penggunaan energi alternatif untuk saat ini merupakan hal yang sangat penting, dikarenakan semakin menipisnya persediaan energi di alam. Energi alternatif ini berasal dari potensi-potensi alam yang lain, yang dapat diperbaharui, dapat dihasilkan dalam waktu yang singkat, atau juga berasal dari akibat adanya penggunaan potensi alam yang lain sehingga menimbulkan potensi energy sampingan yang dapat digunakan kembali. Salah satu contoh potensi energy yang tidak disadari kehadirannya di sekitar kita adalah gelombang frekuensi radio atau yang biasa dikenal dengan gelombang RF. Jwo-Shiun Sun et. al menggunakan antena slot lebar dengan polarisasi sirkular dan rangkaian finite ground coplanar waveguide (CPW) untuk menangkap daya RF yang dirancang beroperasi pada 925 MHz. LPF yang digunakan pada rangkaian ini selain berfungsi untuk menekan interferensi dan harmonik orde yang lebih tinggi, tetapi juga berfungsi sebagai impedance matching. Untuk rangkaian penyearah digunakan dioda, kapasitor bypass, dan resistansi beban. Hal ini diberikan agar daya yang diterima oleh antena tidak langsung jatuh ke ground. Efisiensi konversi maksimum RF (pada frekuensi 925 MHz) ke DC dari rectenna mencapai 75% ketika daya RF yang diterima 15 dBm dan tegangan output DC yang diterima dengan resistansi beban 2 k pada ruang bebas adalah 6,9 V [1]. Soudheh H. N et al. meneliti salah satu hal yang penting adalah bahwa ukuran perangkat harvester berpengaruh terhadap range frekuensi yang ditangkap. Antena yang digunakan adalah antena GSM embedded dengan ukuran 2x3,5 cm untuk menangkap frekuensi GSM sekitar 960 MHz. Pengali tegangan yang digunakan adalah pengali setengah gelombang yang diseri disebut Villiard cascade, dan peak detector menggunakan diode Schottky. Villiard cascade ini digunakan untuk meningkatkan sinyal yang diterima, sedangkan peak detector digunakan untuk merubah sinyal yang diterima menjadi DC. Efisiensi dari rangkaian ini kurang lebih 5% dan untuk input threshold -25 dBm daya output yang dapat dipanen adalah 158 nW [2]. Pada [3] melakukan pengukuran frekuensi tunggal pada range 935-960 MHz di Austria, Jerman, dan Hungaria, pada dua atau tiga arah orthogonal dengan menggunakan antena penerima log-periodic atau antena bicone. Dari hasil pengukuran didapatkan bahwa untuk jarak dari base station GSM sebesar 25 m sampai dengan 100 m, level kerapatan daya berkisar antara 0,1 mW/m2 sampai dengan 1 mW/m2. Penelitian yang dilakukan [4] mendesain sistem pemanen daya untuk aplikasi UHF RFID. Sistemnya menggunakan antena planar compact, digandeng dengan rangkaian resonator impedance matching dan MOS rectifier yang diproduksi dengan standart proses CMOS 0,5 dan 0,18 mm. Sistem tersebut mendapatkan power-up threshold 6 mW (pada beban 1 mW) dan 8,5 mW (pada beban 2 W) saat beroperasi pada 950 MHz. Ini adalah performance terbaik dari sistem ekstrasi daya standart CMOS pada saat itu. Pada penelitian ini, dibangun suatu sistem energy harvesting dengan menggunakan antena mikrostrip yang mempunyai bandwidth lebar, dengan range frekuensi antara 300 MHz sampai dengan 950 MHz. Antena mikrostrip akan menangkap gelombang elektromagnetik yang ada di lingkungan sekitar, kemudian gelombang elektromagnetik ini akan dinaikkan level tegangannya oleh voltage multiplier. Setelah melalui beberapakali proses penaikan level tegangan, maka hasilnya akan dimasukkan ke dioda untuk disearahkan. Keluaran yang belum bagus dimasukkan terlebih dahulu ke voltage regulator agar dapat dicapai tegangan DC yang ideal. Selanjutnya tegangan DC yang dihasilkan dimasukkan ke dalam baterai yang telah disediakan.

Rectifier Antenna (Rectenna) Sebagai Pengubah Energi RF Menjadi Energi…

2

97

Blok Diagram dan Karakteristik

Sistem yang dibuat ditunjukkan pada Gambar 1. Antena mikrostrip berfungsi sebagai penangkap gelombang elektromagnetik yang kemudian merubahnya menjadi sinyal listrik. Antena harus memiliki frekuensi kerja yang sama dengan sinyal RF yang akan dipanen. Pada penelitian ini, frekuensi kerja yang dirancang pada 900 MHz. Rangkaian penyearah berfungsi sebagai perubah sinyal listrik ac menjadi sinyal listrik dc.

Gambar 1

Sistem Energi Harvesting

Gambar 2

Kerangka Kerja Penelitian

Kerangka kerja dari penelitian dapat dilihat pada Gambar 2, yang dimulai dengan perancangan antena secara teori, analisa numerik hasil perancangan antena dengan menggunakan bantuan software yang akan dilakukan optimasi jika diperlukan. Tahapan selajutnya adalah pembuatan antena hasil optimasi dan pengujian parameter antena. Perancangan dan pembuatan rectifier dilakukan jika antena hasil perancangan sesuai dengan yang diharapkan. Berikutnya penggabungan antena dan rectifier menjadi sistem RF harvesting. Pengujian sistem RF harvesting dilakukan di dalam dan di luar ruangan. Hasil pengujian akan dianalisis dan jika ada kesalahan akan dilakukan perbaikan terhadap sistem.

98

2.1

Siska Novita P & Mohammad Yanuar H

Antena

Dalam pembuatan antena mikrostrip, perlu ditentukan dulu bahan yang akan digunakan. Penentuan bahan ini akan menentukan juga dimensi antena mikrostrip yang akan dibuat karena nilai konstanta dielektrik dan tinggi substrat merupakan parameter-parameter yang menjadi dasar dalam perhitungan, selain frekuensi resonansi. Pada penelitian ini digunakan bahan PCB double layer FR4 yang memiliki konstanta dielektrik (εr) 4,5 dan tinggi substrat (h) 1,6 mm. Frekuensi resonansi (fo ) yang dipilih untuk desain ini adalah 800 MHz. Langkah 1 : Perhitungan Lebar (W), persamaan (3-1)

c

W 2 fo

(3-1)

( r  1) 2

Dengan substitusi nilai fo = 800 Mhz, εr = 4.5 dan c = 3e8 m/s. Langkah 2: Perhitungan nilai Efektif dielektrik konstan (εreff), persamaan (3-2)

r 1

r 1 



1

h 2  eff   1  12   2 2  W Langkah 3: Perhitungan Effective length ( Leff ), persamaan (3-3) c Leff  2 f o  eff

(3-2)

(3-3)

Langkah 4 : Perhitungan length extension (ΔL ), persamaan (3-4) :



eff

L  0,412 h



eff

W   0,3  0,264   h  W   0,258   0,8   h 

(3-4)

Substitusi εr = 4.5, h = 1.6 mm . Langkah 5 : Perhitungan panjang actual patch ( L ), persamaan (3-5) :

L  Leff  2L

(3-5)

Langkah 6 : Perhitungan dimensi groundplane ( Lg and Wg ) Untuk desain dimensi ground plane menggunakan persamaan di bawah ini: Lg = 6h + L Wg = 6h + W

(3-6) (3-7)

Dengan substitusi nilai h, L dan W, maka diperoleh : Lg = 95,144 mm Wg = 122,6 mm Dimensi antena yang telah didapatkan dari perhitungan di atas, selanjutnya akan direalisasikan/dipabrikasi. Dari hasil perhitungan secara teori yang telah dilakukan, hasil yang didapat masih belum memenuhi syarat, sehingga perlu dilakukan optimasi dengan menggunakan software. Dari hasil optimasi didapatkan desain antena sebagai berikut dengan dimensi W=113 mm, Wg=122,6 mm, L=85,544 mm, Lg=95,144 mm.

Rectifier Antenna (Rectenna) Sebagai Pengubah Energi RF Menjadi Energi…

Gambar 3

99

Hasil rancangan awal antena mikrostrip dengan software

Dari hasil rancangan awal dapat dilihat bahwa nilai return loss pada frekuensi antara 300 MHz sampai dengan 1 GHz masih sangat besar (lebih besar dari -10 dB). Nilai return loss terkecil berada pada frekuensi 1,578 GHz, yaitu sebesar -22,943 dB. Nilai pada frekuensi ini tidak termasuk pada rencana perancangan yaitu berkisar antara 300 MHz sampai dengan 1 GHz. Untuk itu dilakukan kembali optimasi untuk mendapatkan nilai pada frekuensi yang sesuai. Optimasi merupakan hal yang sangat penting dan paling sulit, karena harus merubah dimensi antena dengan tetap memperhatikan agar parameter-parameter yang lain tetap sesuai dengan yang seharusnya. Setelah dilakukan optimasi beberapa kali, maka hasil yang paling bagus diperlihatkan pada Gambar 4.

Gambar 4

Hasil optimasi

Dari Gambar 4 dapat dilihat bahwa nilai return loss pada frekuensi 800 MHz sebesar 40,74 dB. Nilai ini telah sesuai dengan persyaratan bahwa nilai return loss yang ideal adalah lebih kecil dari -10 dB. Bentuk rancangan dari antena ini diperlihatkan pada Gambar 5. Gambar 5 menunjukkan bentuk dimensi antena rancangan yang telah dioptimasi. Antena mikrostrip berbentuk bujursangkar dengan W=L=84.6 mm, Wg=Lg=123 mm, ketebalan substrat 3.2 mm.

(a) (b) Gambar 5

Bentuk Rancangan Antena Mikrostrip dan Parameter Dimensi Antena

100

Siska Novita P & Mohammad Yanuar H

Gambar 6

Impedansi Antena

Nilai impedansi yang ada ditunjukkan pada Gambar 6, yaitu bernilai 51,13 Ohm. Nilai ini hampir mendekati nilai impedansi karakteristik saluran yang berupa kabel koaksial. Nilai yang umum di pasaran adalah sebesar 50 Ohm. Gain antena yang didapatkan adalah seperti pada gambar 7a, yaitu sebesar 3,47 dB. Dengan nilai gain sebesar itu diharapkan kerja antena dapat berjalan dengan optimal, sehingga bisa memanen energi dengan sebanyak-banyaknya. Setelah menjalani proses perancangan dan pembuatan antena mikrostrip, maka proses selanjutnya adalah melakukan pengujian antena hasil perancangan untuk mengetahui apakah antena yang dibuat sesuai dengan harapan dan dapat diimplementasikan pada sistem RF harvesting.

Gambar 7

Gain Antena

Rectifier Antenna (Rectenna) Sebagai Pengubah Energi RF Menjadi Energi…

Gambar 8

101

Nilai Return Loss Antena yang telah dipabrikasi

Gambar 8 memperlihatkan nilai -16,85 dB, tetapi pada frekuensi 1,057 GHz. Perubahan nilai frekuensi ini disebabkan oleh proses pabrikasi yang kurang sempurna, karena apabila terjadi pergeseran dimensi sedikit saja, maka akan menyebabkan pergeseran frekuensi yang besar, meskipun nilai return loss dan nilai VSWRnya masih memenuhi syarat. Nilai VSWR yang diperoleh dari hasil pabrikasi ini adalah sebesar 1,33. Secara teori, nilai VSWR yang ideal bernilai 1, sehingga daya yang diradiasikan terkirim sempurna tanpa ada yang dipantulkan balik ke transmiter. Sedangkan nilai VSWR yang lebih besar dari 1, berarti antena tersebut dalam kondisi yang tidak (macth) yang mana daya yang diradiasikan tidak terkirim sempurna karena adanya pantulan sinyal (daya pancar kembali) menuju transmitter. Ini bisa disebabkan karena pergeseran dimensi antena saat pabrikasi, tidak matchnya saluran penghubung antena dengan alat ukur dan adanya komponen parasitik yang muncul. Nilai VSWR yang ditoleransi adalah di bawah 2.

2.2

Penyearah

Antena digunakan untuk menangkap gelombang elektromagnetik di alam. Gelombang elektromagnetik yang telah dirubah oleh antena menjadi sinyal listrik ac, diterima oleh rangkaian penyearah. Rangkaian penyearah digunakan sebagai pengubah sinyal listrik ac menjadi sinyal listrik dc. Rangkaian penyearah ini terdiri dari Low Pass Filter (LPF), rangkaian penyearah, rangkaian pengali tegangan (voltage doubler), dan beban. Rangkaian penyearah diperlihatkan pada Gambar 8.

Gambar 9

Rangkaian Penyearah

LPF selain digunakan sebagai penyaring frekuensi agar frekuensi yang masuk sesuai dengan frekuensi resonansi, yaitu 800 MHz, juga berfungsi sebagai penyesuai impedansi antara

102

Siska Novita P & Mohammad Yanuar H

antena dan rangkaian penyearah. Rangkaian LPF terdiri dari komponen Cm 15,64 nF dan Lm 18 nH terhubung secara seri-paralel. Rangkaian penyearah digunakan untuk menyearahkan sinyal listrik ac menjadi sinyal listrik dc. Rangkaian ini terdiri dari diode sebagai penyearah dan kapasitor bypass. Diode yang digunakan adalah diode schottky (HSMS-282C), diode ini cocok digunakan untuk frekuensi tinggi dan dapat mendeteksi sinyal listrik AC dengan daya rendah. Rangkaian diode ini dihubungkan dengan LPF oleh junction capacitor (Cs) 0,7 pF. Pengali tegangan digunakan untuk menaikkan tegangan dc yang dihasilkan oleh penyearah. Rangkaian terakhir adalah digunakannya kapasitor bypass (Cp) 700 pF yang dihubungkan secara parallel dengan beban RL. Kapasitor bypass berfungsi untuk melewatkan sinyal sisa ripple yang ada, sehingga semua sinyal dc dapat dimaksimalkan ke RL. beban RL ini nanti akan dirubah-rubah nilainya untuk melihat pengaruh perubahan beban terhadap tegangan dc yang dihasilkan. Dari nilai L dan C diatas didapatkan frekuensi resonansi 838,820 MHz. 3

Integrasi Sistem RF Energy Harvesting

Setelah proses pembuatan antena dan rectifier selesai, tahap berikutnya adalah menggabungkan kedua bagian tersebut menjadi satu sistem RF Energy Harvesting, seperti ditunjukkan pada Gambar 10.

Gambar 10 Rangkaian Penyearah yang diitegrasikan dengan Antena

4

Pengujian Rectenna dengan SSG sebagai Sumber

Untuk melihat performansi rectenna dalam menghasilkan sumber DC, dilakukan pengujian dengan menggunakan SSG sebagai sumber. Blok diagram pengujian rectenna dengan sumber dari SSG ditunjukkan Gambar 11.

rectenna

Pincident @fc

VDC,Out

Standard Signal Generator

Voltmeter

receiver

Preceiver @fc Spectrum Analyzer

Gambar 11 Blok Diagram Pengujian Rectenna dengan SSG sebagai sumber

Rectifier Antenna (Rectenna) Sebagai Pengubah Energi RF Menjadi Energi…

103

Hasil pengujian rectenna dengan SSG sebagai sumber dapat dilihat pada Gambar 12 dan Gambar13. Data yang diambil pada pengukuran ini adalah level daya antena mikrostrip dan level tegangan rectenna. Untuk melihat performansi rectenna dalam menghasilkan sumber DC, dilakukan pengujian dengan menggunakan SSG sebagai sumber dengan mengatur keluaran SSG dari -100 dBm sampai dengan 10 dBm. Hasil yang diperoleh untuk rectenna rata-rata sebesar 0,279 mV dan untuk level daya antena mikrostrip, nilai level daya tertinggi yang diterima adalah -47,27 dBm. Setelah dilakukan pengukuran di dalam laboratorium dengan menggunakan sumber yang tetap yaitu signal source generator, maka dilakukan pengukuran pada kondisi di lapangan. Pengukuran dilakukan di sekitar kampus di mana terdapat beberapa BTS di sekitar kampus. Dari hasil pengukuran didapatkan tegangan dc rata-rata 159,36 mV dan 184,94 mV. Pengambilan 1 dan 2 dilakukan di tempat yang berbeda.

0,38 Tegangan Rectenna (mV)

0,36 0,34 0,32 0,3 0,28 0,26 0,24 -100

-90

-80

-70 -60 -50 -40 Daya Transmit SSG (dBm)

-30

-20

-10

0

5

10

Gambar 12 Tegangan Rectenna dengan SSG sebagai sumber

Daya Terima Antenna Mikrostrip (dBm)

-40 -45

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

5

10

-50 -55 -60 -65 -70 -75 -80 -85 -90

Gambar 13

Daya Transmit SSG (dBm)

Daya terima antenna mikrostrip dengan SSG sebagai sumber

104

Siska Novita P & Mohammad Yanuar H

200

Tegangan dc (mV)

180

160 Pengambilan 1 Pengambilan 2

140

120

100 0

10

20

30

40

Waktu (s)

Gambar 14

Hasil Pengukuran di Luar Ruangan

Hasil pengukuran ini menunjukkan bahwa rectenna dapat berjalan sesuai dengan fungsinya meskipun belum mendapatkan hasil yang maksimal. Hal ini dipengaruhi oleh beberapa hal, seperti pemakaian dioda yang belum sesuai untuk menangkap gelombang elektromagnetik. Dioda yang digunakan pada penelitian ini adalah dioda schottky, tetapi belum merupakan dioda yang mempunyai kemampuan maksimal. Pada sisi antena juga terdapat kekurangan, yaitu range frekuensinya tidak begitu lebar, sehingga hanya sedikit frekuensi yang diterima. 5

Kesimpulan

Dari hasil fabrikasi dan karakterisasi antena mikrostrip rectangular patch dan rectifier yang digunakan dalam sistem RF energy harvester diperoleh kesimpulan : 1. Antena mikrostrip rectangular patch telah berhasil difabrikasi dan dikarakterisasi parameter fisisnya yang meliputi frekuensi kerja, return loss, VSWR, dan gain. 2. Dari hasil pengukuran parameter antena hasil perancangan didapat nilai return loss antena sebesar -40,74 dB pada frekuensi 800 MHz. Nilai gain adalah 3,47 dB. 3. Dari hasil fabrikasi antena didapatkan pergeseran frekuensi dengan nilai return loss -16,85 dB pada frekuensi 1,057 GHz. Nilai VSWR setelah difabrikasi adalah 1,33 dB. 4. Nilai tegangan yang dihasilkan dari rectenna (gabungan antena dan rectenna) adalah sebesar 0,279 mV. Sedangkan nilai level daya terbesar yang dapat diterima oleh antena adalah sebesar -47,27 dBm. 5. Pengukuran tegangan yang didapatkan di luar ruangan adalah sebesar 159,36 mV dan 184,94 mV. Hal ini belum maksimal karena salah satu faktor yang mempegaruhi adalah penggunaan dioda yang kurang sesuai.

6 [1] [2] [3] [4]

Daftar Pustaka Balanis, C.A. (1997), Antenna Theory, Analysis and Design 2nd edition, John Wiley & Sons, Hoboken. Barnett, R.E. (2009), “A RF to Dc Voltage Conversion Model for Multi-stage Rectifiers in UHF RFID Transponders”, IEEE Journal of Solid State Circuits 44, hal. 354-370. Brown, W.C. (1991), “ An Experimental Low Power Density Rectenna”, Proceedings of IEEE MTT-S International Symposium Dygest, Vol. 1, hal. 197-200. Curty, J.P. (2005), “ Remotely Powered Addressable UHF RFID Integrated System”, IEEE Journal of Solid-State Circuits 40, hal. 2193-2202.