Perancangan Integrated Rectenna pada Frekuensi 2.4 GHz untuk Pencatuan Daya Nirkabel pada Perangkat Elektronik dalam Ruangan

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (01) Perancangan Integrated Rectenna pada Frekuensi.4 GHz untuk Pencatuan Daya Nirkabel pada Perangkat Elektronik dalam Ruangan Adi Pandu W (1), Eko Setijadi () dan Wirawan (3) Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya adi10@mhs.ee.its.ac.id (1) ekoset@ee.its.ac.id () wirawan@ee.its.ac.id (3) Abstrak Antena mikrostrip dan rangkaian RF Power Harvester telah disimulasikan, difabrikasi dan dilakukan pengukuran secara terpisah sebelum diintegrasikan pada satu substrat. Antena dirancang untuk dapat bekerja pada frekuensi WLAN.4 GHz. Substrat Rogers RO4360 dengan konstanta dielektrik 6.15 digunakan pada perancangan integrated rectenna untuk aplikasi wireless power transfer (WPT). Matching network dirancang diantara antena dan rangkaian penyearah untuk memaksimalkan transfer daya. Perangkat integrated rectenna diukur dan diuji untuk mencatu daya tanpa kabel pada display elektronik. Tegangan searah maksimum yang terukur adalah 5 volt pada jarak 0 cm dari access point dengan daya pancar maksimum 316 mwatt. Didapatkan daya yang dihasilkan integrated rectenna sebesar.73 μwatt. Semakin jauh jarak rectenna dari pemancar, semakin rendah tegangan keluaran yang didapat. Hasil tegangan dari perangkat integrated rectenna mampu mencatu daya pada sebuah kalkulator. Kata Kunci integrated rectenna, mikrostrip, RF Power Harvester, WPT, WLAN. T I. PENDAHULUAN RANSFER daya nirkabel telah banyak dikembangkan untuk memberikan daya secara simultan pada perangkat elektronik [1,]. Dalam dunia wireless sensor network (WSN) teknologi transfer daya nirkabel diterapkan untuk mencatu daya pada sensor. Pencatuan daya dilakukan dengan memanfaatkan gelombang elektromagnetik bebas di udara []. Rectenna adalah perangkat yang dapat digunakan untuk mengubah gelombang elektromagnetik di udara menjadi arus listrik searah. Rectenna umumnya terdiri dari antena, filter dan perangkat penyearah. Beberapa tipe dari rectenna telah diusulkan dalam beberapa tahun terakhir. Antena yang digunakan dapat terdiri dari beberapa tipe, contohnya, dipole, Yagi-Uda, mikrostrip, monopole, loop, coplanar, spiral dan parabolik. Rangkaian penyearah yang digunakan juga bermacam-macam seperti single diode half-wave rectifier, voltage doubler untuk penguatan tegangan DC, atau dual-diode full-wave rectifier untuk meningkatkan efisiensi [3]. Kelemahan dari rectenna yang telah dikembangkan sebelumnya [1,,4] adalah memiliki rancangan yang terpisah antara antena dengan perangkat penyearah yang dihubungkan menggunakan konektor. Desain single board rectenna diperlukan untuk mendapatkan perangkat rectenna yang terintegrasi agar lebih mudah digunakan untuk aplikasi pencatuan daya dan mendapatkan performa yang lebih baik. Metode impedance matching digunakan untuk menggabungkan antena dengan perangkat penyearah melalui matching network. Maka dari itu penulis mengusulkan perancangan antena terintegrasi dengan perangkat RF Power Harvester sebagai penyearah sekaligus penguat tegangan. Rectenna akan dirancang menjadi suatu single board yang bekerja pada frekuensi.4 GHz untuk dapat mentransfer daya yang dipancarkan oleh wireless local area network (WLAN) access point yang berada di dalam ruangan. Rectenna hasil perancangan akan digunakan untuk pengisian daya nirkabel pada perangkat elektronik berdaya rendah di dalam ruangan. A. Substrat II. ANTENA MIKROSTRIP Mikrostrip dibentuk dari substrat dielektrik dan tembaga (copper) yang menempel dikedua sisinya. Substrat tersebut memiliki ketebalan dan konstanta dielektrik ( ) yang bervariasi dari berbagai jenis. Pada penelitian kali ini digunakan substrat Rogers RO4360 yang memiliki konstanta dielektrik 6.15 dengan ketebalan 1.54 mm. B. Dimensi Mikrostrip terdiri dari tembaga tipis yang ditempatkan pada substrat dielektrik dengan ketebalan h. Panjang (L) mempengaruhi frekuensi resonansi dan lebar (W) menentukan impedansi input dari antena. Akibat dari adanya fringing effect pada pada panjang (L), menyebabkan analisis yang lebih akurat ketika menggunakan konstanta dielektrik efektif ( ) [5]. Nilai didapatkan dari persamaan berikut [6] : h (1) Untuk lebar (W) dari rectangular antenna didapat dari [6] : + 1 ()

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (01) 1-6 Panjang tambahan antena didapatkan dari persamaan [6] : 0.414ℎ ( ( + 0.3) ( ℎ + 0.6) 0.58) ( ) ℎ dua kali lebih besar dari sinyal masukan. Skematik rangkaian voltage doubler dan hasil gelombang penguatannya ditampilkan pada gambar. (3) Sehingga panjang aktual (L) dari antena adalah [6] : (4) Dimana f adalah frekuensi resonansi dan cahaya diruang bebas (.998 x 10 m/s). adalah cepat rambat C. Simulasi dan Fabrikasi Antena Mikrostrip Simulasi antena diawali dengan memasukkan parameterparameter yang telah diketahui dari hasil perhitungan kemudian dilakukan optimasi dengan merubah-rubah nilai lebar (W), panjang (L) serta memberikan slot pada feed antena (inset fed) agar didapat antena yang match dengan saluran transmisi 50 Ω. Hasil akhir geometri antena mikrostrip ditampilkan pada tabel 1 dan gambar 1. Gambar.. Skematik rangkaian voltage doubler Pada saat sinyal bernilai negatif, tegangan akan diisikan kedalam kapasitor (C1) dan pada saat sinyal positif tegangan dari sumber dan kapasitor (C1) akan diisikan kedalam kapasitor (C) yang menyebabkan tegangan keluaran menjadi dua kalinya. Satu stage rangkaian voltage doubler dapat dilihat sebagai sebuah baterai dengan tegangan keluaran pada kondisi open circuit ( ) dan resistansi internal ( ). Ketika n buah rangkaian voltage doubler dirangkai secara seri dan tersambung pada beban ( ), Tegangan keluaran ( ) diberikan pada persamaan [7] : Tabel 1. Hasil akhir geometri antena mikrostrip.45 GHz Variabel Nilai (mm) W L Ws Ls Wf yo Wi h Keterangan lebar patch antena panjang patch antena lebar substrat panjang substrat lebar feed line panjang slot inset fed lebar slot inset fed tebal substrat (5) + B. Simulasi dan Fabrikasi RF Power Harvester Sebuah RF Power Harvester terangkai dari n buah rangkaian voltage doubler yang tersusun secara seri dimana besar tegangan bergantung pada jumlah stage penguatannya. Digunakan dioda shottky tipe HSMS-86 yang memiliki forward voltage yang rendah dan telah dirancang dan dioptimasi untuk digunakan pada rentang frekuensi 915 MHz hingga 5.8 MHz. HSMS-86 merupakan komponen dengan konfigurasi dua dioda seri [8]. Program simulasi LTspice IV digunakan untuk merancang RF Power Harvester. Parameter SPICE dioda schottky HSMS 86x seperti pada tabel digunakan untuk keperluan simulasi pada rangkaian. Kapasitor 1 nf yang dipilih pada simulasi ini didasarkan pada beberapa kali percobaan simulasi untuk mendapatkan keluaran tegangan yang paling baik. Tabel. Parameter SPICE dioda schottky HSMS 86x [8] Gambar. 1. Geometri antena mikrostrip III. RF POWER HARVESTER A. Rangkaian Voltage Doubler Satu rangkaian voltage doubler terdiri dari dua buah dioda dan dua buah kapasitor yang secara teoritis dapat menyearahkan tegangan serta menguatkan tegangan menjadi Parameter Satuan Nilai B C E I I N R P (VJ) P (XTI) M V pf ev A A Ω V E-5 5E Pada gambar 3, diasumsikan gelombang elektromagnetik yang diterima antena merupakan input untuk RF Power

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (01) Gambar. 3. Rangkaian RF Power Harvester dengan software LTSpice IV Harvester yang disimulasikan dengan sumber tegangan (V1) yang merupakan tegangan AC dengan frekuensi.45 GHz. Dioda D1 hingga D1 merupakan model dioda HSMS 86x yang telah disesuaikan parameter simulasinya dengan datasheet. C1 dan C merupakan kapasitor stage pertama, C3 dan C4 adalah kapasitor stage kedua, dan seterusnya. RF Power Harvester disimulasikan dengan 6 tingkat penguatan. Hasil akhir RF Power Harvester ditampilkan pada gambar 4. Substrat untuk RF Power Harvester menggunakan substrat yang sama dengan antena yaitu Rogers RO4360. Gambar. 5. Perancangan single-stub parallel short-circuit untuk integrated rectenna menggunakan Smith Chart Gambar. 4. RF Power Harvester Gambar. 6. Single-stub hasil perancangan IV. INTEGRATED RECTENNA A. Perancangan Matching Network Impedansi input antena yang telah difabrikasi bernilai 49.4+j1 Ω dimana sangat dekat dengan nilai impedansi dari saluran transmisi 50 Ω. Sedangkan impedansi RF Power Harvester yang telah diukur secara terpisah sebelumnya memiliki impedansi Ω. Tantangan selanjutnya dalam perancangan mathing network disini adalah bagaimana mendapatkan impedansi yang sesuai antara saluran transmisi 50 Ω dengan impedansi RF Power Harvester sebagai beban. Perancangan Single-stub paralel open-circuit menggunakan Smith Chart dapat digunakan sebagai teknik untuk menyesuaikan impedansi antara saluran transmisi dengan beban. Untuk merancang single-stub dengan menggunakan Smith Chart, terlebih dulu ditempatkan titik admitansi beban yang telah dinormalisasi ( ). Dengan membuat lingkaran VSWR dari titik tersebut, dapat digambar sebuah segmen garis dari titik tengah ke y untuk diputar vektornya kearah sumber (WTG) hingga didapatkan titik irisan dengan lingkaran unit conductance (y 1+jb) seperti pada gambar 5. Dari perputaran tersebut dapat diperoleh dua nilai d yaitu dan Solusi kedua dari nilai d yaitu 0.04 menghasilkan panjang stub ( ) yaitu untuk opencircuit stub. Hasil tersebut tidak jauh berbeda dengan perhitungan matematis dimana nilai d didapat dan panjang stub ( ) yaitu Stub dirancang agar memiliki karakteristik yang sama dengan saluran transmisi sehingga untuk mendapatkan saluran transmisi yang bernilai 50 Ω, dipilih lebar stub yang sama dengan lebar feed line yaitu.4 mm. Untuk mengimplementasikan matching network, diperlukan dimensi aktual dari single-stub tersebut. Dimensi aktual didapatkan dengan mencari nilai panjang gelombang (λ) menggunakan persamaan [9] : (6) dimana f merupakan frekuensi kerja pada saluran mikrostrip, adalah kecepatan propagasi yang didapat dari : (7) merupakan cepat rambat cahaya di ruang bebas (.998 x 10 m/s) dan adalah konstanta dielektrik efektif yang didapatkan dari persamaan (1). Dengan menggunakan persamaan-persamaan tersebut, didapatkan panjang gelombang (λ) untuk frekuensi kerja.45 GHz adalah 58. mm. Sehingga panjang aktual dari stub mm pada posisi mm. Hasil perancangan integrated rectenna dengan single-stub matching network ditampilkan pada gambar 7.

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (01) Gambar. 7. Hasil perancangan integrated rectenna dengan matching network B. Fabrikasi dan Skema Pengukuran Tegangan Integrated rectenna difabrikasi menggunakan substrat yang sama dengan antena dan RF Power Harvester sebelumnya yaitu Rogers RO4360. Pengukuran tegangan dilakukan pada kedua prototipe. Prototipe pertama adalah antena yang disambung dengan RF Power Harvester menggunakan konektor male-to-male adapter, prototipe kedua adalah integrated rectenna. Prototipe kedua alat dapat dilihat pada gambar 8. V. ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN A. Simulasi dan Pengukuran Antena S11-Parameter merupakan nilai yang menunjukkan return loss. Nilai return loss dibawah -10 db dijadikan acuan dalam mencari nilai frekuensi kerja antena. Pada hasil simulasi didapat frekuensi minimum dan maksimum berturut-turut adalah adalah.434 GHz dan.463 GHz dengan nilai S db pada frekuensi tengah.448 GHz. Sedangkan pada hasil pengukuran didapat frekuensi minimum dan maksimum berturut-turut adalah adalah.454 GHz dan.48 GHz dengan nilai S db pada frekuensi tengah.468 GHz. Perbandingan hasil simulasi dengan pengukuran dari S11- Parameter antena ditampilkan pada gambar 10. Gambar. 10. Grafik perbandingan hasil simulasi dengan pengukuran S11- Parameter dari antena Pengukuran VSWR juga dilakukan pada antena dan pada frekuensi.468 GHz didapatkan nilai VSWR Bandwidth antena dapat dihitung dari grafik VSWR tersebut dengan mencari selisih frekuensi atas dengan frekuensi bawah yang memiliki nilai VSWR dibawah sehingga didapat nilai bandwidth sebesar 30 MHz. Gambar. 8. Dua prototipe rectenna Pengukuran daya terima dari antena juga dilakukan untuk mengetahui berapa daya yang masuk ke dalam RF Power Harvester berdasarkan fungsi jarak. Karena daya terima pada integrated rectenna sulit untuk diukur maka diasumsikan bahwa daya terima yang dikonversikan menjadi tegangan searah adalah sama dengan daya terima pada antena terpisah. Skema pengukuran tegangan keluaran dan level daya terima antena berdasarkan fungsi jarak ditampilkan pada gambar 9. Gambar. 11. Grafik hasil pengukuran VSWR dari antena Hasil pengukuran impedansi input dari antena memberikan nilai impedansi yang cukup baik yaitu j1 Ω pada frekuensi.468 GHz. Nilai impedansi tersebut sesuai dengan hasil pengukuran VSWR dimana nilai VSWR paling baik dari antena berada pada frekuensi yang sama, dimana impedansi dari antena mendekati nilai 50 Ω. Gambar. 9. Skema pengukuran level daya terima antena dan tegangan keluaran

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (01) B. Simulasi dan Pengukuran Impedansi RF Power Harvester Simulasi RF Power Harvester dilakukan dengan masukan tegangan sinusoidal frekuensi.45 GHz didapat keluaran tegangan tanpa beban yang searah dan mengalami penguatan hampir 9 kali dari tegangan masukan. Dalam simulasi, nilai kapasitor divariasikan untuk mendapatkan hasil yang paling baik. Grafik hasil simulasi ditampilkan pada gambar 1. Gambar. 1. Grafik hasil simulasi RF Power Harvester Pengukuran impedansi RF Power Harvester diperlukan untuk perancangan matching network pada integrated rectenna. Didapatkan hasil pengukuran impedansi RF Power Harvester sebesar.3-j53.7 Ω pada frekuensi kerja antena.468 GHz seperti yang ditampilkan pada gambar 13. D. Hasil Pengukuran Tegangan Tabel 3. Hasil pengukuran level daya terima pada frekuensi.47 GHz Jarak dari pemancar Level Daya Terima 0 cm -6 dbm 30 cm -7 dbm 40 cm -11 dbm 50 cm -16 dbm 60 cm -58 dbm 70 cm -16 dbm 80 cm -16 dbm 90 cm -19 dbm 100 cm -19 dbm 110 cm -18 dbm 10 cm -3 dbm 130 cm -5 dbm 140 cm -6 dbm 150 cm -1 dbm Pada pengukuran tegangan keluaran RF Power Harvester didapatkan tegangan maksimum berada dikisaran nilai 3 volt untuk jarak 0 cm dari access point dan untuk jarak lebih dari 40 cm, tegangan yang didapat kurang dari 1 volt. Sedangkan pada pengukuran tegangan keluaran integrated rectenna didapatkan nilai maksimum yang dapat terbaca pada pengukuran adalah 5 volt untuk jarak 0 cm dan bernilai dibawah 1 volt pada jarak lebih dari 60 cm. Perbandingan ratarata tegangan yang diperoleh berdasarkan fungsi jarak ditampilkan pada gambar 14. Gambar. 13. Grafik hasil pengukuran impedansi RF Power Harvester C. Pengukuran Level Daya Untuk mengetahui level daya yang diterima antena dari suatu pemancar perlu dilakukan pengukuran dengan spectrum analyzer. Dalam kasus ini pemancar yang digunakan adalah radiolink yang difungsikan sebagai access point. Hasil pengukuran ditampilkan pada tabel 3. Dalam pengukuran level daya terima, access point diatur untuk bekerja pada kanal 1 agar sesuai dengan frekuensi kerja antena penerima. Daya pancar maksimum dari pemancar adalah 5 dbm. Pada jarak yang ditentukan, level daya terima cenderung fluktuatif. Data pada tabel 3 merupakan daya maksimum yang diterima antena pada frekuensi.47 GHz. Pada tabel 3, level daya terima antena cenderung turun berbanding terbalik dengan kenaikan jarak namun pada jarak tertentu terdapat ketidak linieran. Hal tersebut dapat disebabkan akibat daya yang dipancarkan dari access point berfluktuasi yang mempengaruhi daya terima pada antena. Kecenderungan penurunan level daya terjadi akibat loss yang semakin besar, berbanding terbalik dengan jarak. Gambar. 14. Perbandingan tegangan keluaran rata-rata berdasarkan jarak Pada gambar 14 dapat dilihat bahwa konversi tegangan searah dari integrated rectenna lebih tinggi dari tegangan yang didapat dari RF Power Harvester yang disambung ke antena menggunakan konektor. Perbedaan tersebut dapat disebabkan karena loss konektor diantara RF Power Harvester dan antena, serta penambahan matching network pada integrated rectenna. Daya yang dihasilkan dari integrated rectenna dapat dihitung dengan membagi kuadrat tegangan yang dihasilkan dengan hambatan dalam dari integrated rectenna. Hasil pengukuran hambatan dalam sebesar 1.1 MΩ didapatkan tegangan keluaran sebesar 5 volt. sehingga daya yang dihasilkan adalah.73 μwatt. Akibat hambatan dalam yang besar, arus yang dihasilkan menjadi sangat kecil yaitu 4.55 μa. Hambatan dalam yang besar disebabkan oleh penggunaan dioda dan kapasitor secara multistage.

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (01) E. Pengujian pada Display Elektronik Telah dilakukan pengujian untuk pencatuan daya nirkabel pada kalkulator seperti yang tampak pada gambar 15 dimana LCD kalkulator dapat menyala pada jarak 15 cm sedangkan pada jarak 0 cm LCD mulai redup, dan off pada jarak lebih dari 0 cm. Dapat dihitung daya yang ditransfer ke kalkulator dengan membagi kuadrat tegangan yang dihasilkan dengan hambatan dalam dari kalkulator didapatkan nilai.48 μwatt. Gambar. 15. Uji transfer daya nirkabel pada kalkulator Pengujian juga dilakukan pada pada sensor temperatur dan kelembaban seperti pada gambar 16, LCD tidak dapat menyala pada jarak 0 cm. Ketika access point dicoba untuk didekatkan pada jarak kurang dari 10 cm, LCD dapat menyala namun dengan tidak stabil (kondisi on-off). Dengan melihat pada tabel 4 dapat disimpulkan bahwa arus yang disupply dari rectenna ke sensor temperatur bernilai kurang dari 6 μa. Gambar. 16. Uji transfer daya nirkabel pada sensor temperatur dan kelembaban Tabel 4. Spesifikasi alat yang digunakan untuk pengujian Spesifikasi Resistansi Arus Display** Alat* Terukur Teoritis Kalkulator CITIZEN 1.5 Volt Button 908 kω 1.65 μa LCD ON SLD100N HTC-1 Temperature and Humidity Meter Cell Battery 1.5 Volt AAA Battery 51 kω 6 μa LCD OFF *Baterai dan solar cell dilepas dari alat **dicatu menggunakan integrated rectenna pada jarak 0 cm dari access point. Rancangan multistage pada RF Power Harvester selain dapat mengalikan tegangan ternyata juga menyebabkan hambatan dalam menjadi sangat besar sehingga arus yang dihasilkan sangat kecil. Didapatkan tegangan keluaran maksimum yang terukur pada integrated rectenna sebesar 5 volt dengan daya yang dihasilkan sebesar.73 μwatt. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada kedua orang tua penulis, ayahanda Indrayana dan ibunda Fatmawati, serta kepada Bapak Eko Setijadi, ST.,MT.,Ph.D dan Bapak Dr.Ir. Wirawan, DEA selaku dosen pembimbing. Selain itu penulis juga mengucapkan terima kasih kepada rekan-rekan bidang studi telekomunikasi multimedia 010 dan rekan-rekan lab B301, B304 dan B306 yang telah banyak membantu dalam penelitian. Tidak lupa juga terima kasih diucapkan pada Rogers Corporation USA yang telah membantu menyediakan sample material pada penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA [1] Paing, T., Morroni, J., Dolgov, A., Shin J., Brannan, J., Zane, R., Popvic, Z., Wirelessly-Powered Wireless Sensor Platform, Proceeding of the 37th European Microwave Conference, Munich, Germany, October 007. [] Cissandyanto, Desain Antena Patch Panel Polarisasi Sirkular untuk Harvesting Elektromagnetik pada Frekuensi.4 GHz, Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS. [3] Shrestha, S., Noh, S.K. and Choi, D.Y., Comparative Study of Antenna Designs for RF Energy Harvesting, Hindawi Publishing Corporation, International Journal of Antennas and Propagation, Volume 013. [4] Rivière, S., Douyère, A., Alicalapa, F. and Lan Sun Luk, J.D., Study of Complete WPT System for WSN Applications at Low Power Level, Electronics Letters, Institution of Engineering and Technology, University of la Reunion, Saint-Denis, France, 010, Vol. 46, Issue 8, pp , April 15, 010. [5] Balanis, C.A., Antenna Theory Third Edition : Analysis and Design, John Wiley & Sons, INC [6] Tamvada, R.T., Kumari, U.R., High Efficiency Rectenna for RF Energy Harvesting, International Journal of Systems, Algorithms & Applications, Volume 3, Issue ICRASE13, May 013. [7] Devi, K.K.A., Din, N.Md. and Chakrabarty, C.K., Optimization of the Voltage Doubler Stages in an RF-DC Convertor Module for Energy Harvesting, Scientific Research Publishing, July, 01. [8] Avago Technologies, HSMS-86x Series Surface Mount Microwave Schottky Detector Diodes Data Sheet <URL: [9] Ludwig, R. and Bretchko, P., RF Circuit Design Theory and Application, Prentice Hall, 000. VI. KESIMPULAN Penggunaan integrated rectenna dapat diterapkan untuk pencatuan daya nirkabel pada perangkat elektronik berdaya rendah. Rancangan rectenna yang terintegrasi dapat meningkatkan transfer daya serta mengurangi rugi-rugi akibat konektor. Dari hasil analisis data pengukuran tegangan dapat disimpulkan bahwa semakin dekat rectenna dengan pemancar, maka hasil tegangan keluaran yang dihasilkan juga semakin tinggi. Hasil tegangan keluaran dari perangkat integrated rectenna tersebut telah mampu mencatu daya pada sebuah kalkulator.