BAB III SIMULASI DAN PABRIKASI MATCHING IMPEDANCE

Transkripsi

1 BAB III SIMULASI DAN PABRIKASI MATCHING IMPEDANCE 3.1 Umum Pada bab ini akan dirancang suatu matching impedance L network yang bekerja pada frekuensi 2.4 GHz. Dirancang bangun penyesuai impedansi bentuk L network ini bertujuan agar energi yang di tangkap oleh antena ke rectifier dapat di sampaikan dengan optimal agar RF energy harvesting yang dirancang dapat menghasilkan tegangan yang sebesar - besarnya. Software yang digunakan untuk perancangan penyesuai impedansi ini adalah Advanced Design System (ADS) Pada perancangan ini digunakan smitchart untuk membantu dalam menentukan nilai nilai dari komponen komponen yang dibutuhkan. Setelah penyesuai impedansi dirancang disimulator, matching impedance akan difabrikasi sesuai dengan nilai komponen yang didapatkan menggunakan PCB bolong kemudian penyesuai impedansi ini akan disambungkan diantara antena dan rectifier, setelah terhubung kemudian akan diukur tegangan outputnya. Setelah pengukuran selesai akan dilakukan analisis dan dibandingkan dengan penelitian yang sudah pernah dilakukan sebelumnya. 3.2 Perangkat yang Digunakan Perancangan penyesuai impedansi L network untuk RF energy harvesting ini menggunakan software untuk membantu penulis dalam mengetahui nilai dari komponen komponen yang digunakan untuk perancangan. Adapun software yang digunakan adalah Advanced Design System (ADS) Selain software, penulis juga menggunakan perangkat keras untuk perancangan adalah sebagai berikut: 1. Induktor 2. Kapasitor 3. Antena microstrip 4 array 4. Rectifier 16

2 5. Konektor M-Female dan Male 6. Papan PCB bolong 7. Multimeter digital 8. Timah solder 9. Solder dan penghisab timah 10. Laptop Lenovo Z Tang jepit dan tang potong 12. Kabel buaya 13. Kabel telepon 14. Pisau cutter 15. Bor Tangan 3.3 Diagram Alir Penelitian Pengerjaan penyesuai impedansi dimulai dari perancangan dan simulasi, proses perakitan rangkaian kemudian pengukuran dan analisa. Gambar 3.1 merupakan diagram alir dari perancangan penyesuai impedansi ini. 17

3 Mulai Menentukan jenis matching impedance yang digunakan Menentukan nilai impedansi sumber dan impedansi beban Simulasi matching impedance menggunakan software ADS 2011 Apakah hasil simulasi sesuai yang diharapkan? Tidak Ya Pabrikasi rangkaian matching impedance Pengujian untuk sistem RF energy harvesting Nilai tegangan yang dihasilkan Selesai Gambar 3.1 Diagram alir penelitian 18

4 3.4 Simulasi Matching Impedance L Network Simulasi penyesuai impedansi L network ini berfungsi untuk mengetahui nilai dari komponen kapasitor dan induktor yang dapat menghasilkan tegangan output dengan VSWR yaitu < 2 dan mendapatkan tegangan yang sebesar besarnya pada saat pengukuran RF energy harvesting. Tugas akhir ini merupakan bagian dari penelitian utama pendesainan RF energy harvesting. Tahapan pembuatannya adalah sebagai berikut : 1. Langkah awal perancangan yaitu menginputkan nilai impedansi dari antena dan rectifier. Untuk Term1 dimasukkan nilai impedansi dari antena yaitu j*0.2 ohm yang telah dirancang oleh Yaumi Azuira Rangkuti dengan Skripsi yang berjudul Rancang Bangun Antena Microstrip Array 4 Elemen Patch Rectangular pada Frekuensi 2.4 GHz untuk RF Energy Harvesting. Untuk Term2 dimasukkan nilai impedansi dari rectifier yaitu sebesar j57.5 ohm yang telah dirancang oleh Bambang Dian Permana dengan Skripsi yang berjudul Rancang Bangun Rectifier Antena untuk Aplikasi RF Energy Harvesting. Kemudian ubah juga frekuensi pada S-PARAMETERS dengan frekuensi start = 2.2 GHz, stop = 2.6 Ghz dan step = 0.02 GHz seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.2 Gambar 3.2 Nilai komponen komponen penyesuai impedansi 19

5 2. Kemudian menambahkan komponen induktor dan kapasitor pada rangkaian dengan menggunakan smitchart. Diketahui pada Gambar 3.3 bahwa impedansi dari antena lebih besar dari impedansi rectifier R L < Z 0. Oleh karena itu terdapat 4 bentuk konfigurasi yang dapat dibentuk seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.3 Gambar 3.3 Bentuk konfigurasi ketika R L < Z 0 Pada Gambar 3.3 diatas terdapat 4 buah bentuk konfigurasi rangkaian tipe L yang berbeda. Maka untuk dapat melihat nilai induktor dan kapasitor yang memiliki nilai VSWR < 2 dilakukanlah simulasi untuk masing - masing konfigurasi rangkaian seperti Bagian a sampai d berikut ini: a. Rangkaian pertama dengan dua kapasitor G a m b a r G a Gambar 3.4 Tampilan Smitchart untuk rangkaian dengan dua kapasitor 20

6 Setelah itu inputkan nilai induktor yang didapatkan dari smitchart ke rangkaian penyesuai impedansi seperti pada Gambar 3.5 Gambar 3.5 Rangkaian penyesuai impedansi menggunakan dua kapasitor Kemudian di simulate dan dapatkan nilai VSWR sebesar dan nilai return loss sebesar db yang ditunjukkan pada Gambar 3.6 Gambar 3.6 Hasil simulasi menggunakan dua kapasitor 21

7 b. Rangkaian kedua dengan dua induktor G a m b a r 3. 7 Gambar 3.7 Tampilan Smitchart dengan dua induktor Kemudian itu inputkan nilai induktor yang didapatkan dari smitchart ke rangkaian penyesuai impedansi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.8 G a m b a r 3. 8 Gambar 3.8 Rangkaian penyesuai impedansi menggunakan rangkaian dengan dua induktor Kemudian disimulate dan didapatkan nilai VSWR sebesar dan nilai returnloss sebesar db yang ditunjukkan pada Gambar

8 Gambar 3.9 Hasil simulasi menggunakan dua induktor c. Rangkaian ketiga dengan induktor dan kapasitor di groundkan Gambar 3.10 Tampilan Smitchart untuk rangkaian dengan induktor dan kapasitor Setelah itu inputkan nilai induktor dan kapasitor yang didapatkan dari smitchart ke rangkaian penyesuai impedansi seperti yang ditunjukkan pada Gambar

9 Gambar 3.11 Rangkaian penyesuai impedansi menggunakan rangkaian ketiga Kemudian disimulate dan didapatkan nilai VSWR sebesar dan nilai return loss sebesar db yang ditunjukkan pada Gambar 3.12 Gambar 3.12 Hasil simulasi menggunakan rangkaian ketiga 24

10 d. Rangkaian empat dengan kapasitor dan induktor di groundkan Gambar 3.13 Tampilan Smitchart untuk rangkaian keempat Setelah itu inputkan nilai induktor dan kapasitor yang didapatkan dari smitchart ke rangkaian penyesuai impedansi Gambar 3.14 Rangkaian penyesuai impedansi menggunakan rangkaian keempat 25

11 Kemudian disimulate didapatkan nilai VSWR sebesar dan nilai return loss sebesar db yang ditunjukkan pada Gambar 3.15 Gambar 3.15 Hasil simulasi menggunakan rangkaian keempat Nilai hasil simulasi dari ke empat rangkaian tersebut selengkapnya akan ditunjukkan pada Tabel 3.1. Tabel 3.1 Hasil simulasi ke empat rangkaian Jenis Rangkaian VSWR Return Loss (db) Rangkaian pertama (C1 = 955 ff dan C2 = -814 ff) Rangkaian kedua (L1 = 4.6 nh dan L2 = 2.23 nh) Rangkaian ketiga (C = 953 ff dan L = 5.38 nh) Rangkaian empat (C = pf dan L = 4.711nH) Dari hasil simulasi ke empat konfigurasi rangkaian tersebut dapat disimpulkan bahwa ke empat rangkaian layak digunakan untuk perancangan penyesuai impedansi tipe L karena semua nya mendapatkan nilai VSWR > 2 dan nilai return loss yang bagus. 26

12 Dapat dilihat pada Tabel 3.1 bahwa nilai VSWR dan return loss pada rangkaian dua dan rangkaian tiga memiliki nilai yang sama. Namun dalam pabrikasi hanya digunakan satu rangkaian yaitu rangkaian ketiga dengan nilai kapasitor sebesar 953 ff dan induktor sebesar 5.38 nh. Pemilihan rangkaian ketiga bertujuan untuk efesiensi pada pabrikasi, dimana komponen yang digunakan lebih sedikit namun memiliki nilai yang sama dengan rangkaian dua. Nilai dari komponen kapasitor dan induktor pada matching impedance ini sangat berpengaruh terhadap nilai output yang akan dihasilkan sistem RF Power Harvesting. 3.5 Pabrikasi Matching Impedance L Network Perancangan matching impedance ini dilakukan setelah terlebih dahulu melakukan simulasi pada software ADS. Setelah mendapatkan nilai - nilai dari komponen yang diperlukan maka perancangan dapat dilakukan. Rancangan matching impedance ini akan di cetak pada printed circuit board (PCB). Dipasaran kapasitor dengan nilai seperti di atas tidak tersedia, untuk menanggulanginya maka penulis menggenapkan nilainya dari 953 ff menjadi 1 pf. Induktor dengan nilai 5 nh tidak tersedia nilai yang tersedia yang paling kecil didapat di pasaran 15 nh. Untuk menanggulanginya induktor 15 nh diparalelkan dengan cara sebagai berikut: Perhitungan Nilai Induktor: 1 L total = 1 L L L 3 1 = 1 L total = 3 L total 15 L total = 15 3 L total = 5 nh 27

13 Berikut pada Gambar 3.16 merupakan tampilan pabrikasi dari matching impedance L network yang dirancang untuk sistem RF Energy Harvesting pada skripsi ini. (a) (b) Gambar 3.16 (a) tampilan depan penyesuai impedansi tipe L (b) tampilan belakang penyesuai impedansi tipe L 28

14 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Umum Pada bab ini akan dibahas kinerja dari matching impedance L network pada RF energy harvesting yang diharapkan pada pengukuran mendapatkan hasil keluaran tegangan yang sebesar besarnya. Setelah melakukan simulasi maka dilakukan pabrikasi dan pengukuran langsung dengan menghubungkan matching impedance tersebut dengan antena dan rectifier. Pengukuran dilakukan di dua tempat yaitu pada Laboratorium Sistem Komunikasi Radio Universitas Sumatera Utara dan Pusat Sistem Informasi (PSI). Kemudian untuk mengetahui kinerja dari matching impedance yang dirancang maka akan dilakukan dua pengukuran yaitu ketika sistem RF energy harvesting dipasang dengan penyesuai impedansi dan ketika tidak dipasangkan penyesuai impedansi. 4.2 Hasil Pengukuran Matching Impedance Terhadap Sistem RF Energy Harvesting Setelah dirancang di papan PCB matching impedance tersebut maka akan dilakukan pengujian terhadap RF energy harvesting langsung kelapangan. Pada pengujian ini akan diuji kinerja dari matching impedance terhadap sistem RF energy harvesting. Uji coba ini akan dilakukan pada 2 tempat yaitu Laboratorium Sistem Komunikasi Radio dan Pusat Sistem Informasi (PSI). Pengukuran pertama dilakukan pada hari Jumat 21 Juli 2017 pada pukul WIB. Penyesuai impedansi yang digunakan pada sistem RF energy harvesting ini adalah tipe L. Penyesuai impedansi ini di sambungkan di antara antena array 4 patch dan rectifier.dari pengukuran tersebut didapatkan tegangan keluaran terbesar yang di hasilkan ketika belum menggunakan penyesuai impedansi adalah 8 mv dengan rise time selama 4 sampai 5 menit. Kemudian tegangan yang dihasilkan ketika sudah memasang penyesuai impedansi yaitu sebesar 16 mv pada rise time yang sama. Hasil pengukuran pada laboratorium 29

15 Sistem Komunikasi Radio akan ditunjukkan pada Gambar 4.1 dan Gambar 4.2 Gambar 4.1 Tegangan keluaran sebelum memakai matching impedance 30

16 Gambar 4.2 Tegangan keluaran sesudah memakai matching impedance Pengukuran kedua dilakukan pada hari Senin 24 Juli 2017 pada pukul WIB dengan jarak sekitar 25 meter dari sumber. Penyesuai impedansi yang digunakan pada sistem RF energy harvesting ini adalah tipe L. Penyesuai impedansi ini di sambungkan di antara antena array 4 patch dan rectifier. Dari pengukuran tersebut didapatkan tegangan keluaran terbesar yang di hasilkan ketika sebelum menggunakan penyesuai impedansi adalah 11 mv dengan rise time selama 4 sampai 5 menit. Kemudian tegangan yang dihasilkan ketika sudah memasang penyesuai impedansi yaitu sebesar 38 mv pada rise time yang sama. Hasil pengukuran pada Pusat Sistem Informasi (PSI) akan ditunjukkan pada Gambar 4.3 dan Gambar

17 Gambar 4.3 Tegangan keluaran sebelum memakai matching impedance Gambar 4.4 Tegangan keluaran sesudah memakai matching impedance 32

18 4.3 Analisis Hasil Pengukuran Setelah dilakukannya pengukuran RF energy harvesting di dua tempat yang berbeda dengan mencoba tanpa matching impedance dan dengan memasang matching impedance seperti yang ada pada Gambar 4.1 sampai Gambar 4.4 dapat kita lihat hasil energi yang dipanen yaitu berupa tegangan sesuai dengan Tabel 4.1 berikut: Tabel 4.1 Hasil Pengukuran RF Energy Harvesting Lokasi Pengukuran Laboratorium Sistem Komunikasi Radio USU Pusat Sistem Informasi (PSI) Pengukuran Tanpa Dengan matching (mv) matching(mv) Dari hasil pengukuran yang sudah dilakukan dapat kita lihat pada Tabel 4.1 bahwa rangkaian matching impedance L network yang dipasangkan untuk RF energy harvesting sangat berpengaruh terhadap pemanenan energi dibandingkan dengan tanpa memakai matching impedance. Pada data tersebut mempunyai nilai perbandingan yang sangat signifikan antara tanpa matching dan dengan memakai matching dimana tegangan yang didapatkan ketika memasang matching impedance adalah sebesar 2 kali lebih besar dari tanpa matching impedance pada pengukuran yang dilakukan di Laboratorium Komunikasi Radio USU dan 3 kali lebih besar dari tanpa matching impedance pada pengukuran Pusat Sistem Informasi (PSI) USU. Hal ini menunjukkan bahwa rangkaian penyesuai impedansi untuk RF energy harvesting sangat diperlukan untuk mendukung pemanenan energi agar tegangan yang dihasilkan semakin besar. 33

19 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Kesimpulan yang didapatkan dari penelitian yang telah dilakukan adalah: 1. Matching impedance L network telah berhasil dirancang menggunakan simulator ADS dengan nilai komponen kapasitor sebesar 953 ff dan induktor sebesar 5.38 nh. 2. Hasil pengukuran nilai tegangan tertinggi untuk RF energy harvesting pada frekuensi 2.4 GHz tanpa menggunakan matching impedance adalah 11mV dan dengan menggunakan matching impedance adalah 38 mv. 3. Dari hasil pengukuran dapat di simpulkan bahwa matching impedance yang dirancang bekerja dengan baik, terbukti dengan menggunakan matching impedance nilai tegangan yang dihasilkan semakin besar. 4. Hasil pengukuran tegangan keluaran sangat dipengaruhi tempat dimana pengukuran dilakukan serta jarak dari sumber pemancar 5.2 Saran Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, saran yang diharapkan pada peneliti selanjutnya adalah: 1. Memperhatikan faktor yang mempengaruhi hasil dari pengukuran seperti cuaca, waktu, tempat dan alat ukur yang digunakan. 2. Memakai perhitungan yang lebih akurat dapat dilakukan lebih lanjut. 3. Pemanfaatan sinyal RF sebagai sumber energi alternatif masih butuh penelitian lebih lanjut. 34