RANCANG BANGUN AMBIENT ELECTROMAGNETIC HARVESTING PADA FREKUENSI TV BROADCASTING UNTUK TRANSFER DAYA NIRKABEL

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN AMBIENT ELECTROMAGNETIC HARVESTING PADA FREKUENSI TV BROADCASTING UNTUK TRANSFER DAYA NIRKABEL Fajar Nurrahman Dosen pembimbing: Eko Setijadi, S.T., M.T., Ph.D. Dr. Ir. Wirawan, DEA

2 LATAR BELAKANG Banyak Sumber EM bebas Pencatuan perangkat berdaya kecil WSN 2

3 PERMASALAHAN Bagaimanakah rancangan antena penerima yang sesuai untuk frekuensi yang digunakan stasiun TV Bagaimanakah rancangan power harvester yang diigunakan dalam ambient electromagnetic system. Bagaimanakah unjuk kerja antena penerima. Bagaimanakah unjuk kerja sistem ambient electromagnetic harvesting 3

4 BATASAN MASALAH Antena penerima yang dibuat adalah Log Periodic Dipole Array Frekuensi kerja antena penerima adalah 470 MHz- 760 MHz. Pada pengukuran di laboratorium, pembangkit sinyal menggunakan sinyal generator sebagai pengganti transmitter TV 4

5 BATASAN MASALAH (CONT D) Pengukuran parameter unjuk kerja dari antena penerima yang dibuat meliputi VSWR, pola radiasi, dan gain Pengukuran parameter-parameter unjuk kerja dari ambient electromagnetic harvester yang dibuat meliputi tegangan keluaran dan arus keluaran 5

6 TUJUAN Mendesain dan membuat prototipe antena penerima yang sesuai dengan frekuensi kerja stasiun TV UHF Mendesain dan membuat prototipe rangkaian power harvester. Memanfaatkan energi gelombang elektromagnetik pada untuk pencatuan daya perangkat berdaya listrik kecil (misal WSN) 6

7 SISTEM AMBIENT ELECTROMAGNETIC HARVESTING 7

8 UHF NO Nama Frekeunsi 1 Extremely Low Frequency (ELF) 3-30 Hz 2 Super Low Frequency (SLF) Hz 3 Ultra Low Frequency (ULF) Hz 4 Very Low Frequency (VLF) 3-30 KHz 5 Low Frequency (LF) Khz 6 Medium Frequency (MF) KHz 7 High Frequency (HF) 3-30 MHz 8 Very High Frequency (VHF) MHz 9 Ultra High Frequency (UHF) Mhz 10 Super High Frequency (SHF) 3-30 GHz 11 Extremely High Frequency (EHF) GHz (Sumber : Kraus, John D, Antennas for All Aplications, McGraw-Hill, New York, 2003) 8

9 KANAL FREKUENSI STASIUN TV DI JAWA TIMUR (SURABAYA) No Nama Kanal Frekuensi (MHz) Alamat Latitude Longitude TRP (KW) 1 Trans TV ANTV TVRI Indosiar RCTI MNC TV SCTV Global TV TV One Metro TV Trans Sambi Sari Prada Indah Jl MayJen Sungkono Bibis Balongsari Jl Darmo Permai Selatan Prada Indah Jl. Raya Darmo Permai III Jl Ahmad Yani Sambi Sari JlDarmo Permai Selatan Jalan Sambi Kerep (sumber : Keputusan Menteri Perhubungan NO: KM. 76 Tahun 2003, google earth, asiawaves.net/indonesia-tv.htm) 9

10 PETA PERSEBARAN STASIUN TV DI SURABAYA 10

11 LOG PERIODIC DIPOLE ARRAY (LPDA) (Sumber gambar : ARRL, Antenna Book : The ultimate reference for amateur radio antennas, transmission lines and propagation, Newington, 2007) 11

12 METODOLOGI 12

13 RANCANG BANGUN ANTENA LPDA (1) 1. Penentuan frekuensi kerja dan operating bandwidth (B) antena 2. Pemilihan nilai τ dan σ 3. Perhitungan nilai cotangen α 4. Perhitungan bandwidth dari daerah aktif (B ar ) 5. Perhitungan bandwidth struktur/array (B s ) 6. Perhitungan panjang boom (L) 7. Perhitungan jumlah elemen dipole (N) 8. Perhitungan panjang tiap elemen (l n ) 9. Perhitungan jarak tiap elemen 10. Perhitungan impedansi karakteristik rata-rata elemen 11. Perbandingan Z a R in 12. Spasi rata-rata relatif 13. Penentuan nilai Z 0 R in 14. Perhitungan impedansi karakteristik saluran feeder (Z 0 ) (Sumber : ARRL, Antenna Book : The ultimate reference for amateur radio antennas, transmission lines and propagation, Newington, 2007) 13

14 RANCANG BANGUN ANTENA LPDA (2) 1. Penentuan frekuensi kerja dan operating bandwidth (B) antena f l = 470 MHz f u = 760 MHz B = f u f l B = = 1, Pemilihan nilai τ dan σ Rentang nilai τ standar : 0.8 τ 0.98 Dipilih nilai τ = 0.85 σ opt = 0.243τ = (0.85) =

15 RANCANG BANGUN ANTENA LPDA (3) 3. Perhitungan nilai cotangen α Cot α = 4σ 1 τ Cot α = 4(0.1555) = Perhitungan bandwidth dari daerah aktif (B ar ) B ar = (1 - τ) 2 cot α B ar = (1 0.85) 2 x (4.148) = (0.15) 2 x = Perhitungan bandwidth struktur/array (B s ) B s = B x B ar B s = x =

16 RANCANG BANGUN ANTENA LPDA (4) 6. Perhitungan panjang boom (L) L = 1 1 B s cot α x λ max 4 L = = m x x λ max = 300 (v adalah kecepatan cahaya di ruang hampa, 3x10 8 m/s) 470 = m 7. Perhitungan jumlah elemen dipole (N) N = 1 + log B s log 1 τ = 1 + ln B s ln 1 τ = 1 + log log = buah elemen 16

17 RANCANG BANGUN ANTENA LPDA (4) 8. Perhitungan panjang tiap elemen (l n ) l 1 = λ max 2 l 1 = = m Panjang elemen yang lain : l n = τ x l n-1 9. Perhitungan jarak tiap elemen (d n ) d 1-2 d 1-2 = d 1-2 = (l 1 l 2 )cot α x = m 2 Jarak tiap elemen yang lain : d (n-1)-n = τ d (n-2)-(n-1) 17

18 DIMENSI ANTENA Elemen Panjang (l) (cm) Jarak antar elemen (d n-n+1 ) (cm) d d d d d d d

19 HASIL PROTOTIPE ANTENA LPDA 8-ELEMEN 32 cm 50 cm 19

20 RANCANG BANGUN POWER HARVESTING (Sumber : Harrist thesis, University of Pittsburgh) 20

21 RANCANG BANGUN POWER HARVESTING (CONT D) 21

22 RANCANG BANGUN POWER HARVESTING (CONT D) (Tampak atas) (Tampak bawah) 22

23 PENGUKURAN PARAMETER ANTENA Pengukuran VSWR MHz nilai VSWR yang didapat adalah MHz nilai VSWR adalah 1.813, MHz nilai VSWR yang didapat adalah

24 PENGUKURAN PARAMETER ANTENA (CONT D) Pengukuran Pola Radiasi 330⁰ ⁰ 30⁰ 330⁰ ⁰ 30⁰ 270⁰ 300⁰ ⁰ 90⁰ 270⁰ 300⁰ ⁰ 90⁰ 240⁰ 120⁰ 240⁰ 120⁰ 210⁰ 180⁰ 150⁰ 210⁰ 180⁰ 150⁰ Pola radiasi bidang E Pola radiasi bidang H 24 Elemen melintang horizontal Elemen melintang vertikal

25 PENGUKURAN PARAMETER ANTENA (CONT D) gain (dbi) frekuensi kerja LPDA (MHz) Gain maks = dbi Gain min = 5.68 dbi Rata-rata gain = 7 dbi 25

26 PENGUKURAN PARAMETER AMBIENT ELECTROMAGNETIC HARVESTING Pengukuran Tegangan Keluaran a. Pengukuran Tegangan Keluaran Di Lokasi Stasiun Pemancar TVRI b. Pengukuran Tegangan Keluaran Di Lokasi Stasiun Pemancar SCTV c. Pengukuran Tegangan Keluaran Di Lokasi Lab B.301 d. Pengukuran Tegangan Keluaran Di Lokasi Lab B.301 Dengan Pengaruh Signal Generator Pengukuran Arus Keluaran 26

27 PENGUKURAN TEGANGAN KELUARAN DI LOKASI STASIUN PEMANCAR TVRI tegangan (mv) waktu (s) Tegangan maks Tegangan min Tegangan rata-rata = 371 mv = 239 mv = mv Tegangan yang dihasilkan mengalami fluktuasi karena proses pengambilan data dilakukan secara bergerak dan posisi arah antena tidak tetap terhadap pemancar 27

28 PENGUKURAN TEGANGAN KELUARAN DI LOKASI STASIUN PEMANCAR SCTV tegangan (mv) ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 Tegangan maks Tegangan min Tegangan rata-rata waktu (ms) = 1766 mv = 1173 mv = mv Tegangan output besar karena lokasi pengukuran dekat beberapa stasiun TV perlakuan yang relatif stabil terhadap perangkat, sehingga loss karena kabel dan konektor yang bergerak dapat dikurangi 28

29 PENGUKURAN TEGANGAN KELUARAN DI LOKASI LAB B tegangan (mv) ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 waktu (s) tegangan maks tegangan min tegangan rata-rata = 591 mv = 136 mv = mv Kondisi perangkat sangat stabil Antena diposisikan maksimal 29

30 PENGUKURAN TEGANGAN KELUARAN DI LOKASI LAB B.301 DENGAN PENGARUH SIGNAL GENERATOR tegangan (mv) waktu (s) Tegangan maks Tegangan min Tegangan rata-rata = 2409 mv = 1324 mv = mv Kondisi perangkat stabil Dekat dengan sumber elektromagnetik 30

31

32 PENGUKURAN ARUS KELUARAN Menggunakan multimeter digital Arus keluaran di pengukuran lab 301 relatif stabil di angka ma 32

33 PERHITUNGAN WAKTU UNTUK MENCATU BATERAI Contoh alat elektronik adalah sensor Mica2 yang digunakan pada penelitian Wireless Sensor Network (WSN). Untuk pencatuannya sensor Mica2 menggunakan baterai NiMH AA 1.2V 1200mAh. I h = I S x 3600 I h I (h) = x3600 = 28.8 mah t = 1200 / 28.8 = jam 41 jam 41 menit 33

34 KESIMPULAN Antena log periodic dipole array yang dibuat dapat digunakan sebagai antena UHF dengan VSWR dan gain 7 dbi. Pengukuran tegangan rata-rata di stasiun TVRI adalah mv, di stasiun SCTV mv, di lab b.301 sebesar mv dan di lab b.301 dengan pengaruh signal generator mv Hasil perbandingan pengukuran di lab b.301 dengan dan tanpa SSG menunjukkan bahwa ambient electromagnetic harvesting menghasilkan tegangan lebih tinggi jika berada dekat sumber elektromagnetik. Perhitungan untuk pencatuan sebuah baterai NiMH AA 1.2 V 1200 mah membutuhkan waktu 41 jam 41 menit 34

35 SARAN Penggunaan antena yang lebih kecil sehingga memudahkan untuk pemakaian dan lebih praktis seperti miniaturized LPDA atau microstrip LPDA Pembuatan rangkaian power harvester yang menghasilkan penguatan yang lebih besar. Proses pengambilan gelombang elektromagnetik harus dilakukan pada kondisi antena dan power harvester yang stabil. 35

36 PUSTAKA [1] Kraus, John D, Antennas for All Aplications, McGraw-Hill, New York, [2] Keputusan Menteri Perhubungan No: KM.76 th 2003, Rencana Induk (Master Plan) Frekuensi Radio Penyelenggaraan Telekomunikasi Khusus untuk Keperluan Televisi Siaran Analog pada Pita Ultra High Frequency (UHF). [3] Balanis, Constantine A, Antenna Theory Third Edition : Analysis and Design, John Wiley & Sons, INC, New York, [4] Isbell, D.E, Log periodic Dipole Arrays, Trans. Antennas Propagat, Vol AP-8, pp , May 1960/ [5] ARRL, Antenna Book : The ultimate reference for amateur radio antennas, transmission lines and propagation, Newington, [6] Carrel, R. L. Analysis and Design of the Log-Periodic Dipole Antenna, Ph.D.Dissertation, Elec. Eng. Dept., University of Illinois, 1961 [7] Harrist, Daniel W, Wireless Battery Charging System Using Radio Frequency Energy Harvesting, University of Pittsburgh, [8] Sample, Alanson dan Smith, Joshua R, Experimental Result with two wireless power transfer systems. [9] Nazar, Muhammad Luqman, dkk, Size Reduction of Log Periodic Dipole Array Antenna, 6th international conference on Emerging Technologies (ICET),

37 TERIMA KASIH