Gambar 2.1. Diagram blog dasar dari RF energy harvesting.

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1 RF Energi Harvesting Pengertian dari energy harvesting merupakan suatu proses dimana energi dari berbagai macam sumber yang ada ditangkap dan dipanen. Sistem energy harvesting ini dapat diaplikasikan untuk catudaya bagi perangkat berkebutuhan daya rendah. Dalam aplikasinya, system energy harvesting dapat digunakan untuk menyuplai perangkat berkebutuhan daya rendah secara kontinyu dikarenakan terdapat banyak sekali sumber energi yang tersedia untuk dipanen. Teknologi energy harvesting adalah teknologi yang diciptakan untuk menghasilkan tenaga listrik melalui proses pemanenan energy yang diperoleh dari lingkungan sekitar yang berupa sinyal RF yang berbentuk gelombang elektromagnetik. Energy yang tadi telah dipanen diubah menjadi energi listrik DC (Direct Current), Gambar 2.1 menunjukkan diagram blog dasar sistem konversi RF DC [3]. Gambar 2.1. Diagram blog dasar dari RF energy harvesting. Pada RF energy harvesting antena adalah kunci utama dari system yang berfungsi untuk menangkap radiasi energi RF, ada beberapa antena yang mencapai kinerja yang baik di gain dan bandwidth seperti antena microstrip, dipole,planar, dan antena uniplanar [4]. 4

2 2.2 Gelombang Elektromagnetik Gelombang didefinisikan sebagai getaran atau gangguan yang merambat. Elektromagnetik adalah gejala listrik yang diakibatkan oleh gerak mekanik magnet. Magnet adalah benda yang dapat menghasilkan gaya tarik atau gaya tolak terhadap benda lain (yang mungkin juga bersifat magnet). Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang mempunyai sifat listrik dan sifat magnet secara bersamaan. Gelombang radio merupakan bagian dari gelombang elektromagnetik pada spektrum frekuensi radio. Transmisi gelombang elektromagnetik di ruang adalah sebagai gelombang transversal. Gelombang elektromagnetik ditemukan oleh Heinrich Hertz.Gelombang dikarakteristikkan oleh panjang gelombang dan frekuensi. Panjang gelombang (λ) memiliki hubungan dengan frekuensi (ƒ) dan kecepatan (ν) yang ditunjukkan pada Persamaan 2.1. λ= c f (2.1) Dimana : λ = panjang gelombang (m) c = cepat rambat cahaya (m/s) ƒ = frekuensi (Hz) 2.3 Antena Antena adalah alat yang berfungsi memancarkan atau menerima gelombang radio dengan kata lain antenna adalah struktur transisi antara ruang bebas dan perangkat pembimbing seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2. Perangkat pembimbing atau saluran transmisi dapat berbentuk garis koaksial atau pipa berlubang (waveguide) dan digunakan untuk mengangkut gelombang elektromagnetik dari pemancar ke penerima [5]. 5

3 Gambar 2.2 Antena sebagai perangkat transisi Antena juga tergolong sebagai Transduser karena dapat mengubah suatu bentuk energi ke bentuk energi lainnya. Kinerja dari suatu antena depengaruhi oleh beberapa parameter, antara lain: Pola Radiasi Pola radiasi adalah penggambaran pancaran energi antena sebagai fungsi koordinasi ruang. Pola radiasi dibentuk dari pancaran medan jauh pada antena. Pancaran energi yang dimaksud adalah intensitas medan listrik. Berdasarkan pola radiasinya, antena dikelompokan menjadi 2 yaitu[6] : 1) Antena terarah (directional antenna), yaitu Antena yang mampu memancarkan atau menerima gelombang elektromagnetik pada arah tertentu saja. 2) Antena tidak terarah (omnidirectional antenna), yaitu antena yang mampu memancarkan atau menerima gelombang elektromagnetik ke segala. 6

4 2.3.2 Keterarahan (Directivity) Keterarahan (Directivity) merupakan penggambaran dari arah pancar atau terima gelombang elektromagnetik dari suatu antena. Jika daya radiasi sama baik pada semua arah atau Pn (θ,φ) = 1 untuk semua θ dan Φ maka ΩA = 4π, sehingga diperoleh D = 1. Nilai tersebut adalah keterarahan untuk sumber isotropis dan merupakan nilai terkecil yang mampu dimiliki antena. Maka ΩA harus selalu sama dengan atau lebih kecil dari 4π, sedangkan keterarahan harus selalu sama atau lebih besar dari 1 [7] Gain Penguatan (gain) merupakan besaran nilai yang menunjukkan adanya penambahan tingkat sinyal dari sinyal masukan menjadi sinyal keluaran. Penguatan bergantung pada keterarahan dan efisiensi. Semakin tinggi keterarahan maka semakin besar pula penguatannya. Seperti yang ditunjukkan pada Persamaan 2.2 [7]. dimana: G = gain antena (Db) G = 10. log 4π.U m P in (db) (2.2) Um = intensitas radiasi antena (watt) Pin = daya input total yang diterima oleh antena (watt) Polarisasi (Polarization) Polarization dapat diartikan sebagai arah rambat dari medan listrik atau penyebaran antena medan listrik. Polarisasi Antena yang dimaksud disini adalah orientasi medan listrik dari gelombang radio yang berhubungan dengan permukaan bumi dan kecocokan struktur fisik antena dengan orientasinya. Mengenali Polarisasi bermanfaat untuk mendapatkan efisiensi maksimum pada transmisi sinyal [7]. 7

5 2.3.5 Impedansi masukan Impedansi masukan adalah perbandingan rasio impedansi pada bagian terminal antena atau perbandingan antara tegangan dan arus listrik pada terminal antena. Impedensi masukan ini bervariasi untuk nilai posisi tertentu. Seperti yang ditunjukkan pada Persamaan 2.3 [7]. Z A = R A + jx A (2.3) dimana: ZA = impedansi antena (Ω) RA = resistansi antena (Ω) XA = reaktansi antena (Ω) VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) VSWR adalah perbandingan antara ampiltudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum ( V max) dengan minimum ( V min). Koefisien refleksi tegangan (Γ) memiliki nilai kompleks, yang merepresentasikan besarnya magnitude dan fasa dari refleksi. Seperti yang ditunjukkan pada Persamaan 2.4 [7]. VSWR = V max = 1+[г] V min 1 [г] (2.4) Return Loss Return loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return loss dapat 8

6 terjadi karena adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedensi masukan beban (antena) seperti Persamaan 2.5[7]. RL = 20 log Γ (2.5) Untuk koefisien pantul dapat dinyatakan dengan Persamaan 2.6: dimana: Γ = V r V i г Vr Vi RL = koefisien pantul = tegangan gelombang pantul (reflected wave) = tegangan gelombang maju (incident wave) = return loss (db) (2.6) Lebar Pita (Bandwidth) Bandwidth antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi antena dengan beberapa karakteristik sesuai dengan standar yang telah ditentukan. Bandwidth dapat dipertimbangkan sebagai range frekuensi, dibagian lain dijadikan sebagai frekuensi tengah dimana karakteristik antena bisa diterima menjadi nilai frekuensi tengah. Untuk antena Broadband, bandwidth dinyatakan sebagai perbandingan frekuensi operasi atas (upper) dengan frekuensi bawah (lower)[5]. Bandwidth antena didefinisikan sebagai range frekuensi antena dengan beberapa karakteristik, sesuai dengan standar yang telah ditentukan. Untuk Broadband antena, lebar bidang dinyatakan sebagai perbandingan frekuensi operasi atas (upper) dengan frekuensi bawah (lower). Sedangkan untuk Narrowband antena, maka lebar bidang antena dinyatakan sebagai persentase dari selisih frekuensi di atas frekuensi tengah dari lebar bidang.untuk persamaan bandwidth dalam persen (Bp) atau sebagai bandwidth rasio (Br). Bandwidth dapat dihitung dengan Persamaan [8]. fu fl B p 100% (2.7) f c f c fu fl (2.8) 2 9

7 f u Br (2.9) fl dengan : Bp = bandwidth dalam persen (%) Br fu fl = bandwidth rasio = jangkauan frekuensi atas (Hz) = jangkauan frekuensi bawah Ada beberapa jenis bandwidth di antaranya : 1. Impedance bandwidth, yaitu rentang frekuensi dimana patch antena berada pada keadaan matching dengan saluran pencatu. Hal ini terjadi karena impedansi dari elemen antena bervariasi nilainya tergantung dari nilai frekuensi. Nilai matching ini dapat dilihat dari return loss dan VSWR. Nilai return loss dan VSWR yang masih dianggap baik adalah kurang dari -9,54dB. 2. Pattern bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana bandwidth, sidelobe, atau gain, yang bervariasi menurut frekuensi memenuhi nilai tertentu. Nilai tersebut harus ditentukan pada awal perancangan antena agar nilai bandwidth dapat dicari. 3. Polarization atau axial ratio bandwidth adalah rentang frekuensi dimana polarisasi (linier atau melingkar) masih terjadi. Nilai axial ratio untuk polarisasi melingkar adalah kurang dari 3 db. 2.4 Matching Impedance ( Penyesuai Impedansi ) Perancangan suatu saluran transmisi tidak terlepas dari penyesuaian impedansi (impedance matching). Suatu jalur atau saluran transmisi dikatakan matched apabila karakteristik impedansi Z 0 = Z L, atau dengan kata lain tidak ada refleksi yang terjadi pada ujung saluran beban. Z 0 merupakan karakteristik impedansi suatu saluran transmisi dan biasanya bernilai 50 ohm, Z L merupakan impedansi beban. Beban dapat berupa antena atau rangkaian lain yang mempunyai 10

8 impedansi ekivalen Z L. Karena kegunaan utama saluran transmisi adalah untuk mentransfer daya secara sempurna, maka beban yang matched sangat diperlukan. Pada banyak sekali aplikasi, diinginkan kondisi tak adanya refleksi pada sambungan saluran transmisi. Oleh sebab itu untuk mengeliminasi refleksi akibat perbedaan impedansi beban dengan impedansi gelombang, dipakai teknik penyamaan/penyesuaian impedansi (impedance matching techniques). Prinsip kerjanya adalah menyisipkan sebuah rangkaian matching di antara beban dan saluran transmisi yang akan dipasangkan seperti pada Gambar 2.3[6]. Gambar 2.3 Prinsip teknik rangkaian matching L Matching Network Untuk meningkatkan efisiensi konversi, sirkuit yang dirancang harus beresonansi pada frekuensi yang ditargetkan. Rangkaian yang cocok dirancang agar sesuai dengan impedansi rangkaian pengali dengan antena standar 50 Ω secara berurutan untuk memungkinkan transfer daya maksimum dari antena ke sirkuit. L Matching Network dapat ditunjukan pada Gambar 2.4[9]. (a) (b) Gambar 2.4 L matching konfigurasi (a) Z in kurang dari Z L (B) Z in lebih besar dari Z L 11

9 Untuk menjaga kerugian di sirkuit seminimal mungkin, matching L diterapkan karena hanya memiliki dua elemen disejajarkan pada rangkaian pencocokan seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4. Konfigurasi pada Gambar 2.4 (a) adalah untuk input Impedansi (Z in ) lebih rendah dari impedansi beban (Z L ) dan Gambar 2.4 (b) adalah untuk Z in lebih besar dari Z L. Elemen ja dan jb di rangkaian merupakan komponen reaktif, bisa jadi induktor atau kapasitor T Matching Network Penyesuai impedansi yang sering dipakai yaitu bentuk L, bentuk Pi dan bentuk T dikarenakan bentuk dari rangkaiannya yang sederhana, bandwidth, kelayakan manufaktur, dan kemudahan penyetelan. Sebenarnya ada 3 tipe dalam penyesuaian impedansi, salah satunya adalah LC Matching dan terbagi lagi ke dalam beberapa tipe lagi yaitu bentuk L, bentuk T, bentuk Pi, dan bentuk Q dimana, induktor dan kapasitor digunakan untuk menghasilkan transformasi impedansinya. LC Matching merupakan penyesuaian impedansi yang mudah dalam penyetelan sesuai dengan variasi perangkat yang kita inginkan apakah ingin bandpass, lowpass, ataupun highpass. T Matching Network ditunjukkan pada Gambar 2.5[10]. Gambar 2.5 T Matching Network Gambar 2.5 merupakan penyesuai impedansi bentuk Low Pass T Network dimana, sangat bagus digunakan untuk penyesuai impedansi keluaran untuk sebuah power amplifier stage, dimana amplifiernya disambungkan dengan sebuah antena. Rangkaian T Matching memiliki rangkaian induktor sebagai elemen yang terhubung ke perangkat yang akan menghasilkan rangkaian terbuka ke arus 12

10 harmonisa kedua, arus yang dihasilkan berkurang melalui transistor dan menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi [10] PI Matching Network Pi Matching Network sangat berguna untuk mencocokkan sumber impedansi hingga 50 beban. Pi Matching Network biasanya digunakan pada amplifier katup. Gambar 2.6 menunjukkan jaringan Pi yang digunakan untuk penyesuaian impedansi[10]. Gambar 2.6 Pi Matching Network Untuk mendapatkan nilai komponen, pertama-tama dengan menentukan nilai impedansi sumber dan menentukan nilai impedansi beban dan dimatchingkan dengan menggunakan bantuan smitchat [10]. 2.5 Smith Chart Smith Chart adalah alat grafis yang canggih yang dapat memecahkan masalah saluran transmisi, salah satu aplikasi yang lebih sederhana adalah untuk menentukan impedansi feed-point dari sebuah antena berdasarkan pengukuran impedansi pada input dari panjang jalur transmisi, dengan menggunakan bagan smith chart pengukuran impedansi dapat dilakukan dengan menempatkan antena disebuah tiang atau empat yang tinggi, dan tidak perlu untuk memotong garis ke kelipatan yang tepat dari setengah panjang gelombang. Smith Chart dapat digunakan untuk tujuan lain juga, seperti desain rangkaian penyesuai impedansi dengan bantuan smith chart seorang pemula dapat dengan mudah memcahkan 13

11 masalah yang ingin inginkan yang berhubungan dengan elektronikas atau teknik listrik. Smitchart ditunjukkan pada Gambar 2.7[11]. Gambar 2.7 Smith chart. 2.6 Advanced Design System (ADS) Advanced Design System atau biasa disebut ADS merupakan perangkat lunak yang paling terkemuka di dunia untuk bidang desain elektronik pada bidang RF, microwave, dan aplikasi digital berkecepatan tinggi. Karena interface nya yang kuat dan mudah digunakan, menyebabkan ADS menjadi teknologi yang paling inovatif dan sukses secara komersial. Banyak perusahaan besar yang bergerak dalam bidang telekomunikasi dan jaringan menggunakan X-parameters dan 3D EM simulators yang ada pada software ini untuk simulasi WIMAX, LTE, multi-gigabit per second data links, radar, dan aplikasi satelit. 14

12 Adapun kemampuan atau keunggulan dari aplikasi ADS ini adalah sebagai berikut: 1. Kemampuan untuk langsung membuat S-Paramater model dari layout PCB Allegro. 2. Untuk mencampur teknologi pemodelan dalam simulasi tunggal, misalnya pada Touchstone, IBIS, dan HSPICE. 3. Library komponen yang khusus untuk pemodelan aplikasi frekuensi tinggi. 4. Kemampuan untuk dengan cepat menganalisa ciri kanal, dan dapat menjalan jutaan bit data dalam hanya beberapa menit. 15