RANCANG BANGUN RADIATOR UNTUK TRANSMISI ENERGI LISTRIK TANPA KABEL

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN RADIATOR UNTUK TRANSMISI ENERGI LISTRIK TANPA KABEL Atik Charisma 1, Een Taryana 1, M. Reza Hidayat 1, Azwar Mudzakkir 2, Achmad Munir 2 1 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Jenderal Achmad Yani Jl. Terusan Jendral Sudirman, Cimahi, Jawa Barat Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesha No. 10, Kota Bandung, Jawa Barat atikcharisma@gmail.com ABSTRAKS Energi listrik merupakan salah satu kebutuhan penting dalam kehidupan manusia pada saat ini. Hampir semua aktifitas manusia menggunakan energi listrik. Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi di bidang energi listrik sudah semakin maju dan penuh inovasi. Penggunaan kabel sebagai media transmisi energi listrik ke perangkat elektronik dapat digantikan dengan sebuah metode yakni wireless power transfer. Metode ini mentransmisikan energi listrik melalui udara menuju beban tanpa menggunakan kabel. Fokus penelitian ini adalah merancang dan mengimplementasikan antena atau radiator dari mikrostrip sebagai media transmisi energi listrik tanpa kabel yang bekerja pada frekuensi MHz dengan ukuran yang kecil. Perancangan antena menggunakan metode planar inverted F struktur yang mana dengan metode ini dapat menghasilkan design antena dengan ukuran yang lebih kecil. Radiator yang dirancang berhasil diimplementasikan dengan ukuran 240 mm x 240 mm pada frekuensi tengah 13,7 MHz dengan S 11-12,054 db dan VSWR sebesar 1,665. Kata Kunci: Radiator, planar inverted F struktur, WTP 1. PENDAHULUAN Energi listrik merupakan salah satu kebutuhan penting dalam kehidupan manusia pada saat ini. Hampir semua aktifitas manusia menggunakan energi listrik. Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi di bidang energi listrik sudah semakin maju dan penuh inovasi. Inovasi tersebut memberikan banyak kemudahan dan manfaat bagi manusia. Kehidupan manusia yang serba mobile saat ini tidak bisa terlepas dari pentingnya penggunaan perangkat elektronik yang mendukung aktifitas mobilitas mereka seperti smartphone dan laptop. Perangkat elektronik tentunya membutuhkan energi listrik. Rata-rata pengiriman energi listrik ke perangkat elektronik seperti smartphone dan laptop masih menggunakan kabel listrik. Wireless power transfer (WPT) merupakan salah satu energi listrik yang ditransmisikan melalui media udara sehingga energi listrik dapat ditransmisikan dari suatu sumber listrik menuju beban tanpa melalui kabel (Valone 2003). Hal tersebut dapat menyebabkan pengurangan penggunaan kabel sebagai media penyaluran daya karena digantikan oleh wireless power transfer. Beberapa perusahaan smartphone telah menggunakan sistem pengiriman energi listrik tanpa menggunakan kabel. Sistem WPT ini diaplikasikan pada komponen elektronik smartphone yang membutuhkan tegangan yang rendah yakni sekitar 5 V dan 1,5 A. Penelitian tentang wireless power transfer sangat penting dilakukan karena transfer energi listrik menggunakan wireless memiliki kelebihan dibandingkan transfer energi menggunakan kabel salah satunya akan meningkatkan kenyamanan pemakaian peralatan elektronik. Salah satu elemen penting dalam perancangan system transmisi listrik tanpa kabel adalah antena atau radiator sebagai media transmisi. Pada sistem ini juga dibutuhkan VCO dibagian penerima dan bagian pengirim sinyal. VCO berperan sebagai penggetar (pembuat) sinyal untuk transmit maupun receive. VCO Bertugas membagi gelombang yang dihasilkan oleh X-TAL yang bernilai 26 MHz dan dibagi kenilai setengahnya yaitu 13 MHz oleh karena itu pada penelitian ini akan dibahas tentang perancangan radiator menggunakan mikrostrip dengan frekuensi tengah 13,5 MHz. 1.1 Tinjauan Pustaka Wireless power transfer atau dikenal dengan istilah lainnya pengiriman energi listrik tanpa kabel adalah suatu sistem yang mentransmisikan energi listrik dari suatu sumber menuju beban listrik tanpa melalui kabel (Valone 2003). Transmisi energi listrik tanpa kabel ini berguna jika manusia membutuhkan energi namun di lingkungan sekitar tempat mereka berada tidak ada kabel. Alat pengirim daya listrik tanpa kabel memiliki banyak kegunaan dalam kehidupan sehari-hari, diantaranya : 1. Memberikan sumber listrik tanpa kabel secara langsung, yaitu ketika peralatan elektronik tanpa baterai membutuhkan daya listrik, akan tetapi tidak ada kabel disekitarnya, maka alat pengirim daya listrik tanpa kabel akan berfungsi selama masih berada dalam area jangkauan. 2. Mengisi ulang secara otomatis tanpa kabel, yaitu ketika suatu alat elektronik yang menggunakan baterai yang dapat diisi ulang membutuhkan isi ulang baterai, maka alat ini juga dapat digunakan. Konsep perancangang pengiriman energi listrik terbagi atas dua yakni bagian transmitter dan receiver (Settapong2017). Sinyal microwave ditransmisikan menggunakan sebuah antena di bagian pengirim melalui 381

2 udara. Kemudian penerima mengkonversikan sinyal microwave tersebut ke tegangan AC menggunakan antena di bagian penerima seperti pada gambar 1. Gambar 1. Gambaran umum transmisi sinyal microwave (Settapong, 2017) Antena Mikrostrip Antena dapat dikatakan juga sebagai transduser gelombang terbimbing (pada saluran transmisi fisik) ke gelombang tak terbimbing (pada saluran transmisi non-fisik) atau sebaliknya (Balanis, 2005). Antena merupakan perangkat sistem komunikasi radio yang berfungsi untuk mentransmisikan gelombang elektromagnetik dari media kabel ke udara atau sebaliknya dari udara ke media kabel. Tipe antena menurut pancaran radiasinya dibagi menjadi dua tipe, yaitu (Balanis, 2005) : a. Directional antenna adalah tipe antenna yang memancarkan dan menerima sinyal dari satu atau dua arah saja, keuntungan tipe ini penguatnya lebih besar. b. Omnidirectional antenna adalah tipe antenna yang memancarkan dan menerima sinyak dari segala arah. Antena mikrostrip adalah antena yang memiliki bentuk seperti lempengan tipis. Antena mikrostrip dibuat pada substrat yang terdiri dari tiga lapisan, yaitu conducting patch, dielectric substrate dan groundplane. Lapisan-lapisan pada substrat seperti gambar 2 adalah sebagai berikut: a. Conducting Patch Conducting patch atau patch terletak paling atas dari lapisan substrat antena mikrostrip. Patch terbuat dari bahan konduktor. Pada lapisan ini akan dibentuk menjadi suatu bentuk antena tertentu, seperti lingkaran, rektangular, segitiga, ataupun berbentuk angular ring. b. Dielectric substrate Dielectric substrate adalah lapisan tengah substrat yang berfungsi sebagai media penyalur gelombang elektromagnetik dari catuan menuju daerah dibawah patch. Bagian ini menggunakan bahan dielektrik dengan permitivitas relatif tertentu sesuai dengan kebutuhan perancangan. c. Groundplane Groundplane adalah lapisan paling bawah dari substrat biasanya terbuat dari bahan konduktor yang berfungsi sebagai reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan Gambar 2. Struktur bidang antena mikrostrip (Balanis, 2005) Parameter-parameter antena Antena memiliki beberapa parameter antara lain : A. Return Loss Return loss adalah perbandingan antara daya yang terpantulkan dengan daya masukan. Koefisien refleksi (pantulan) merupakan perbandingan antara tegangan yang dipantulkan terhadap tegangan maju. Antena yang baik akan mempunyai nilai return loss dibawah -10 db, yaitu 90% sinyal dapat diserap, dan 10%-nya terpantulkan kembali. 382

3 Pi Return Loss (db) 10log P 1 20log 1 20log S r 11 (1) Dimana : Γ = koefisien pantul Pr = tegangan gelombang pantul P i = tegangan gelombang maju Jika penyerapan sempurna, maka nilai Γ=0 dan RL = 0 yang berarti bahwa tidak ada daya yang dipantulkan, sedangkan apabila nilai Γ=1 dan RL = ~ maka semua daya akan dipantulkan. B. Koefisien Refleksi Koefisien refleksi merupakan parameter yang sangat dibutuhkan dalam perancangan antena khususnya dalam penggunaan saluran transmisi. Secara harfiah koefisien refleksi didefinisikan sebagai ratio antara amplituda gelombang pantul dan amplituda gelombang langsung medan listrik. Berdasarkan hubungannya dengan impedansi karakteristik saluran transmisi dan impedansi input antena, koefisien refleksi dapat dituliskan dalam persamaan berikut (Balanis, 2005) : Zin Z 0 S11 (2) Zin Z 0 Dimana : Z in = impedansi input yang menjadi sumber Z 0 = impedansi karakteristik Γ = koefisien refleksi C. VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) VSWR didefenisikan sebagai perbandingan rasio antara tegangan rms maksimum dan minimum yang terjadi pada saluran yang tidak match. Nilai VSWR ini dapat dihitung manual dengan menggunakan persamaan (Balanis, 2005). 1 VSWR (3) 1 Besarnya nilai VSWR dipengaruhi oleh perbedaan impedansi saluran transmisi dengan beban yang disebabkan oleh pemasangan konektor yang kurang baik dan tidak matching impedansi input antena dengan saluran feeder. Agar saluran match maka pemasangan konektor harus baik, sehingga diharapakan tidak ada daya yang dipantulkan (Pr = 0) dan memiliki VSWR 2. D. Bandwidth Bandwidth suatu antena didefinisikan pada gambar 3 sebagai rentang frekuensi dimana kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik seperti impedansi masukan, polarisasi, beamwidth, gain, efisiensi, VSWR, koefisien refleksi yang memenuhi spesifikasi standar. Bandwidth antena dapat diketahui melalui persamaan berikut (Balanis, 2005): fu fl BW (%) x100% (4) f c Dimana : f u = frekuensi atas (Hz) f l = frekuensi bawah (Hz) f c = frekuensi tengah (Hz) Pada range frekuensi tersebut, antena diusahakan dapat bekerja dengan efektif agar dapat menerima dan memancarkan gelombang elektromagnetik pada band frekuensi tertentu. E. Planar Inverter F Struktur Planar inverted F struktur dibangun berdasarkan konsep dari monopol antena dengan menggunakan sebuah antena mikrostrip (Waterhouse 2007). Planar inverted F struktur adalah sebuah metode dimana pada mikrostrip 383

4 ditambahkan short pin pada patch. Metode ini memiliki empat bagian utama yaitu patch, groundplane, probe dan short pin. Short pin biasanya ditempatkkan pada patch yang terhubung dengan groundplane seperti pada gambar 3. Metode ini bisa mengefisiensikan dimensi dari radiator. Gambar 3. Ilustrasi planar inverted F struktur 1.2 Metodologi Penelitian Tahap awal penelitian ini digambarkan pada gambar 4 adalah merancang antena atau radiator untuk mentransmisikan sinyal dari udara ke perangkat berdasarkan studi literatur dan penelitian-penelitian sebelumnya. Perancangan antena mikrostrip diawali dengan menentukan frekuensi kerja antena mikrostrip, jenis bahan substrat, ketebalan substrat, nilai konstanta dielektrik lapisan bahan. Setelah parameter tersebut ditentukan, langkah selanjutnya adalah menghitung lebar dan panjang dari patch antena, groundplane dan pencatuan. Ketika semua parameter-parameter antena telah diperoleh maka dilakukanlah simulasi perancangan antena mikrostrip menggunakan CAD berdasarkan parameter tersebut. Jika hasil simulasi sesuai dengan spesifikasi maka akan dibuat realisasi antena mikrostrip akan tetapi jika hasil simulasi tidak sesuai dengan spesifikasi maka perhitungan parameter-parameter antena diulang kembali serta disimulasikan lagi. Antena yang telah dipabrikasi itu kemudian dilakukan pengukuran parameter-parameternya, apakah sesuai dengan spesifikasi perancangan atau tidak. Apabila dalam pengukuran tidak memperoleh hasil yang sesuai dengan spesifikasi maka diperlukan optimasi antena seperti merapatkan substrat, mengurangi timah solder bahkan bisa dilakukan simulasi ulang, dan sebagainya. START Menentukan Spesifikasi Antena Tidak Hasil Simulasi Sesuai dengan Spesifikasi, return loss, VSWR, frekuensi Frekuensi Bahan : FR4 h, Ԑr,t Ya Realisasi Prototipe Antena Menentukan Dimensi Patch : Lebar : Wp Panjang : Lp Pengukuran Menentukan Dimensi : Space between turn : P Diameter : Di Tidak Menentukan Dimensi Pencatuan : Lebar : Wf Panjang : Lf Hasil Pengukuran Sesuai dengan Spesifikasi END Ya Simulasi Menggunakan CAD Gambar 4. Diagram alir rancangan penelitian 2. PEMBAHASAN 2.1 Perancangan Radiator Penelitian ini menggunakan metode planar inverted F struktur dengan pola melingkar. Planar inverted F struktur adalah sebuah metode di mana pada mikrostrip ditambahkan sebuah short pin di patch. Planar inverted 384

5 F struktur memiliki empat bagian utama yakni patch, groundplane, probe, dan short pin. Short pin biasanya ditempatkan pada patch yang terhubung dengan groundplane. Langkah pertama perancangan radiator yakni menghitung parameter-parameter circle-spiral shape menggunakan bahan dielectric eproxy FR4 pada frekuensi 13,5 MHz. Hasil perhitungan parameter terdapat pada tabel 1. Tabel 1. Parameter perancangan radiator Parameter Nilai (mm) Di 10 P 1,5 W 3,2 L 6,332 N 19 Gambar 5. Ilustrasi spiral planar Gambar 6. Perancangan radiator menggunakan planar inverted F struktur Short pin dengan diameter 2 mm ditempatkan pada ujung tengah bagian radiator. Posisi probe berada pada koordinat x = -20 dan y = 94. Struktur dari planr inverted F strukutur terlihat pada gambar 5 dan 6. Hasil simulasi yang seharusnya pada frekuensi 13,5 MHz bergeser di frekuensi 10,25 MHz dengan nilai S 11-15,0162 db terlihat pada gambar 7. Gambar 7. Hasil simulasi radiator 13.5 MHz dengan planar inverted F struktur 385

6 4.3 Optimasi Planar Inverted F Strukur Optimasi Planar Inverted F Strukur dengan Mengubah Jumlah Lilitan Optimasi performa dengan mengubah jumlah lilitan pada radiator sehingga akan panjang dari radiator juga akan berubah secara otomatis. Setiap perubahan dari jumlah lilitan akan terjadi pergeseran frekuensi. Dengan jumlah lilitan sebanyak 22,5 di lokasi probe x = -20 dan y = 94 pada frekuensi 13,5 MHz diperoleh S 11 sebesar - 14,1203 db seperti tampak pada gambar 8. Gambar 8. Optimasi planar inverted F strukur dengan mengubah jumlah lilitan Optimasi Planar Inverted F Strukur dengan Mengubah Lokasi Probe Tujuan dari planar inverted F struktur untuk mendapatkan posisi probe yang cocok dengan radiator. Optimasi dilakukan sebanyak 5 kali dengan hasil terbaik pada koordinat x = 52 dan y = 99 dengan S 11 sebesar - 37,73 db seperti pada gambar 9. Gambar 9. Optimasi planar inverted F strukur dengan mengubah lokasi probe 5.1 Hasil Pengukuran Frekuensi dan S11 Spesifikasi antena atau radiator yang dirancang bekerja pada frekuensi 13,5 MHz dengan S 11 < -10 db. Pada saat simulasi dilakukan optimasi dengan dua cara yaitu menambah lilitan dan menggeser lokasi probe. Penambahan jumlah lilitan hingga 22 lilitan ternyata tidak terlalu mempengaruhi nilai S 11 yakni sekitar -15 db. Nilai ini tentunya sudah memenuhi syarat minimum dari perancangan antena atau radiator namun belum maksimal. Oleh karena itu dilakukan lagi optimasi dengan menggeser lokasi probe yaitu pada posisi x = 52 dan y = 99. Nilai S 11 pada frekuensi 13,5 MHz mencapai -37,63 db. Berdasarkan hasil simulasi yang telah dioptimasi, maka peneliti mengimplementasikan antena pada papan PCB berbahan substrate eproxy FR4. Hasil simulasi ini terlebih dahulu dipindahkan ke dalam bentuk corel draw agar bisa dicetak. 386

7 Gambar 10. Hasil pengukuran S11 Return loss disebabkan karena adanya diskontinuitas antara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban (antena). Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas (mismatched), besarnya return loss bervariasi tergantunng dari frekuensi. Nilai untuk return loss yang baik ialah dibawah -10 db, yang mana nilai gelombang yang direfleksikan tidak terlalu besar dibandingkan dengan gelombang yang dikirimkan atau dengan kata lain, saluran transmisi sudah matching. Nilai return loss ini dapat menjadi acuan untuk melihat apakah antena sudah dapat bekerja pada frekuensi yang diharapkan atau tidak (Yulindon, Firdaus, 2008) Hasil pengukuran pada gambar 10 yakni S 11 di frekuensi 13,5 MHz adalah -4,679 db yang berbeda dengan hasil simulasi sebesar -37,73 db. Akan tetapi pada frekuensi 13,7 MHz diperoleh S 11 sebesar -12,054 db dimana terjadi pergeseran frekuensi sebesar 0,2 MHz antara perancangan dengan hasil pengukuran. Hal ini terjadi karena pada saat memindahkan gambar dari file simulasi ke corel draw terjadi sedikit kesalahan. Posisi short pin pada antena yang telah dicetak berbeda dengan simulasi karena pada saat membuat file corel draw, posisi dari short pin tidak dicerminkan. Posisi yang berbeda tentunya mempengaruhi nilai dari hasil pengukuran antena. Akan tetapi hal ini dapat disiasati yaitu dengan menyolder short pin sesuai dengan gambar pada simulasi. Namun hasil yang diperoleh belum maksimal karena dapat juga dipengaruhi oleh solder yang kurang baik. 5.2 Pengukuran VSWR Hasil VSWR pada gambar 11 terlihat bahwa pada frekuensi 13,5 MHz VSWR yang terukur sebesar 3,118 yang mana nilai tersebut di atas persyaratan yang seharusnya. VSWR adalah perbandingan antara gelombang datang dengan gelombang pantul. Semakin tinggi nilai VSWR berarti kinerja dari antena tersebut semakin tidak baik atau gelombang yang terinterferensi semakin besar oleh karena itu nilai VSWR 2. Sama halnya dengan pengukuran S 11, nilai VSWR yang terbaik pada pengukuran berada pada frekuensi 13,7 MHz y,ng juga terjadi pergeseran frekuensi sebesar 0,2 MHz. pada frekuensi ini, nilai VSWR sebesar 1,665 yang telah memenuhi persyaratan spesifikasi perancangan antena. Gambar 11. Hasil pengukuran VSWR 3. KESIMPULAN Hasil perancangan antena atau radiator secara simulasi sukses dilakukan pada frekuensi 13,5 MHz dengan melakukan optimasi. Akan tetapi hasil pengukuran radiator yang telah dicetak terjadi pergeseran frekuensi yakni sebesar 0,2 MHz sehingga diperoleh hasil yang optimal pada frekuensi 13,7 MHz. Hasil ini dapat terlihat pada S 11 yang telah memenuhi syarat minimum < - 10 db yakni -12,054 db. Sedangkan hasil pengukuran VSWR juga terjadi pergeseran frekuensi yakni pada frekuensi 13,7 MHZ dengan nilai VSWR sebesar 1,

8 PUSTAKA Balanis, A. C., Antenna Theory: Analysis and Design, 3rd Edition. New York: John Wiley and Sons, Inc. Hoboken, New Jersey. Biswas, Md M, Vault, Design a Prototype of Wireless Power Transmission System Using RF/Microwave and Performance Analysis of Implementation. IACSIT International Jurnal of Engineering Technology. Vol. 4, No.1. Malisuwan, Settapong Design of Antennas for Rectenna System if Wireless Power Transfer in the LTE/WLAN Frequency Band, Journal of Clean Energy Technologies, Vol 5. Munir, Achmad. Ni Wayan Dessy Eka Rahayu & Biru Tutur Ranum Radiator of Wireless Power Charging for Mobile Device and Its Efficiency Characterization, IEEE International Telecommunications Energy Conference (INTELEC). Singla, Neeraj Wireless Charging of Mobile Phone Using Microwaves or Radio Frequency Signals, International Journal of Advanced Research in Computer Science & Technology (IJARCST). Soljac, Marin., André, Kurs., Aristeidis, Karalis., Robert, Moffatt.,J, D, Joannopoulos, & Peter, Fisher Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances. SCIENCE Journal, Vol 317. (hal 83-86). Cambridge, Massachusetts, United States. Thomas, F, Valone Tesla s Wireless Energy For the 21st Centur. ExtraOrdinary Technology Volume 1, Issue 4. Waterhouse, R, Printed Antennas for Wireless Communications. John Wiley & Sons Yulindon, Firdaus, Teori Dan Perencanaan Antena. Politeknik Negeri Padang,