Jurnal... Vol. XX, No. X, Bulan 20XX, XX-XX 1 Perancangan dan Pembuatan Antena Low Profile pada Frekuensi 900 MHz Siska Novita Posma Politeknik Caltex Riau, siska@pcr.ac.id Abstrak Penggunaan energi alternatif untuk saat ini merupakan hal yg sangat penting, dikarenakan makin menipisnya ketersediaan energi di alam. Energi alternatif ini berasal dari potensipotensi alam yang lain, yang dapat diperbaharui, dapat dihasilkan dalam waktu yang singkat, atau juga berasal dari akibat adanya penggunaan potensi alam yang lain sehingga menimbulkan potensi energi sampingan yang dapat digunakan kembali. Salah satu contoh potensi energi yang tidak kita sadari kehadirannya disekitar kita adalah gelombang frekuensi radio atau yang biasa dikenal dengan gelombang RF. Pada penelitian ini dibuat rectifier antenna dengan menggunakan antena mikrostrip rectangular patch yang dapat digunakan untuk menanen energi RF dengan frekuensi 900 MHz dan mengkonversikannya menjadi daya DC, yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi alternatif dari sumber daya yang belum di manfaatkan sehingga dapat menghasilkan catu daya bagi perangkat dengan daya rendah. Dari hasil pengukuran parameter antena hasil perancangan di dapat VSWR dan return loss paling bagus sebesar 1,411 dan -15,611 db pada frekuensi 905 MHz dan memiliki bandwidth sebesar 15 MHz. Kata kunci: antena mikrostrip, rectifier antenna, rectangular patch. Abstract Now, alternative energy usage become important, this thing is caused by decreasingly supply of energy in nature. This alternative energy comes from other nature potencies, renewable, can be produce briefly, or also comes from ect existence of usage of other potency causing side potency energy which can be used again. One of example of potency energy we do not realize is presence around us radio frequency wave or usually recognize as RF wave. This thesis built rectifier antenna by using micro strip rectangular patch antenna which applicable to harvest RF energy in 900 MHz and convert its became power DC energy, which applicable to produce alternative energy from resources it has not been exploited, so it can produce energy for low-power equipment. During antenna measurement, the best VSWR and return loss value are 1,411 and -15,611dB at 905 MHz and has 15 MHz bandwidth. Keywords: microstrip antenna, rectifier antenna, rectangular patch. 1 Pendahuluan Pada masa sekarang dengan semakin banyaknya penggunaan telepon seluler membuat para operator berlomba-lomba memberikan pelayanan yang terbaik kepada para pelanggannya. Pelayanan ini sebagai upaya agar pelanggan tidak mengalami gangguan pada saat melakukan komunikasi, seperti putus hubungan pada saat melakukan pembicaraan, atau tidak adanya sinyal di suatu tempat tertentu. Untuk mengatasi ini, maka para operator berlomba-lomba membangun base station (BTS) di tempat-tempat yang strategis, di sepanjang jalan yang menghubungkan antar kota, hingga di pelosok-pelosok desa. Biasanya di satu tower tidak hanya digunakan oleh base station satu operator saja, tetapi dipakai bersama oleh beberapa operator. BTS-BTS tersebut berfungsi sebagai perantara antar pengguna dengan pengguna lain, dengan cara memancarkan dan menerima gelombang elektromagnetik ke dan dari pengguna dengan berbagai frekuensi sesuai dengan layanan yang dilakukan. BTS ini juga melakukan komunikasi dengan base station controller (BSC) agar komunikasi dapat dilakukan dengan
2 Siska Novita Posma pengguna lain di luar selnya, dengan cara yang sama, yaitu dengan memancarkan gelombang elektromagnetik. Sehingga dapat dibayangkan bahwa di mana-mana akan banyak berseliweran gelombang elektromagnetik, sebagi akibat penggunaan telepon seluler. Belum lagi adanya gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh perangkat-perangkat yang lain. Banyaknya gelombang elektromagnetik di lingkungan ini, mendorong para peneliti untuk melakukan penelitian tentang bagaimana cara memanfaatkan energi yang terdapat pada gelombang elektromagnetik sebagai catu daya perangkat yang membutuhkan daya rendah. Salah satu perangkat yang dapat digunakan untuk memanen gelombang elektromagnetik ini adalah rectenna. Rectenna merupakan antena yang diintegrasikan dengan rectifier (penyearah). Antena digunakan sebagai penangkap gelombang elektromagnetik dari ruang bebas, sedangkan penyearah digunakan sebagai pengubah sinyal listrik AC menjadi sinyal listrik DC. Biasanya sinyal listrik yang dihasilkan oleh rectenna yang menangkap gelombang elektromagnetik dari ruang bebas ini memunyai daya yang rendah, sehingga daya ini hanya dapat digunakan untuk perangkat yang membutuhkan daya kecil. Visser [1] telah melakukan penelitian dan didapatkan untuk range jarak antara 25 m sampai 100 m dari base station GSM, level kerapatan dayanya adalah 0,1 mw/m2 sampai 1,0 mw/m2. Sedangkan Sun [2] mendapatkan efisiensi konversi RF menjadi DC oleh rectenna sebesar 75% saat daya RF 15 dbm diterima dengan resistansi beban 2 k pada ruang bebas. Pada penelitian ini akan dibuat suatu antena dengan menggunakan antena yang low profile, sehingga mudah diintegrasikan dengan perangkat yang lain. Antena ini digunakan untuk menangkap gelombang elektromagnetik 900 MHz dan nantinya akan diintegrasikan pada rangkaian penyearah untuk dijadikan sinyal listrik DC. 2 Metodologi Pemanenan energi frekuensi radio adalah salah satu upaya untuk memanfaatkan sumber daya yang ada di alam. Sumber energi yang berasal dari frekuensi radio dapat dipanen dengan menggunakan perangkat yang terdiri dari antena dan rangkaian penyearah. Perangkat pemanen energi RF ini yang biasa disebut rectenna, terdiri dari antena mikrostrip dan rangkaian penyearah. Seperti tampak pada Gambar 2.1. BTS Matching Impedance Penyearah Pengali Tegangan Gambar 4 Sistem Pemanen Energi RF. Antena mikrostrip berfungsi sebagai penangkap gelombang elektromagnetik yang kemudian merubahnya menjadi sinyal listrik. Antena harus memiliki frekuensi kerja yang sama dengan sinyal RF yang akan dipanen. Pada penelitian ini frekuensi kerja yang dirancang pada 900 MHz. Rangkaian penyearah berfungsi sebagai perubah sinyal listrik AC menjadi sinyal listrik DC.
Jurnal... Vol. XX, No. X, Bulan 20XX, XX-XX 3 2.1 Perancangan dan Pembuatan Antena Mikrostrip Tahapan pembuatan antena mikrostrip ini adalah merancang dengan menggunakan secara teori untuk menentukan dimensi dari antena mikrostrip. Setelah itu dianalisa secara numeric dengan menggunakan software untuk mengetahui besar parameter-parameternya. Pada tahap terakhir dilakukan optimasi dengan menggunakan software secara numerik. Dalam pembuatan antena mikrostrip, perlu ditentukan dulu bahan yang akan digunakan. Penentuan bahan ini akan menentukan juga dimensi antena mikrostrip yang akan dibuat karena nilai konstanta dielektrik dan tinggi substrat merupakan parameter-parameter yang menjadi dasar dalam perhitungan, selain frekuensi resonansi. Pada penelitian ini digunakan bahan PCB double layer FR4 yang memiliki konstanta dielektrik (ε r ) 4,5 dan tinggi substrat (h) 1,6 mm. Frekuensi resonansi (f o ) yang dipilih untuk desain ini adalah 900 MHz. Untuk menghitung dimensi antena mikrostrip digunakan persamaan-persamaan sebagai berikut [3]: a. Perhitungan Lebar (W), persamaan (1) W 2 f o c ( r 1) 2 Dengan substitusi nilai f o = 900 Mhz, ε r = 4.5 dan c = 3e8 m/s, diperoleh : W = 0.100503 m = 100.503 mm (1) b. Perhitungan nilai Efektif dielektrik konstan (ε r ), persamaan (2) 1 2 r 1 r 1 h 1 12 2 2 (2) W Dengan nilai ε r = 4.5, h =1.6 mm serta W = 100.503 mm, diperoleh ε r = 5.735. c. Perhitungan Effective length ( L ), persamaan (3) L c (3) 2 f o Substitusi nilai ε r = 5.735, c = 3e8 m/s and f o = 900 MHz, diperoleh L = 0.069595, m = 69.595 mm d. Perhitungan length extension (ΔL ), persamaan (4) : L 0,412h W 0,3 0,264 h W 0,258 0,8 h Substitusi ε r = 4.5, h = 1.6 mm serta W = 100.503 mm, maka diperoleh ΔL = 7.20e(-4), m = 0.720 mm. e. Perhitungan panjang actual patch ( L ), persamaan (5) : L L 2 L (5) Substituting L = 76.71 mm dan ΔL = 0.720 mm, diperoleh L = 0.068155 m = 68.155 mm. (4)
4 Siska Novita Posma f. Perhitungan dimensi groundplane ( L g and W g ) Untuk desain dimensi ground plane menggunakan persamaan di bawah ini: L g = 6h + L W g = 6h + W (7) Dengan substitusi nilai h, L dan W, maka diperoleh : Lg = 77.755 mm Wg = 110.103 mm Nilai-nilai di atas dipakai sebagai acuan untuk merancang antena mikrostrip secara numerik agar dapat dioptimasi menggunakan software. Parameter-parameter yang diukur dalam optimasi ini antara lain nilai-nilai VSWR dan return loss. Dari hasil optimasi didapatkan desain antena dengan dimensi sebagai berikut : L = 77,62 mm, W= 95 mm, L g = 87,22 mm, W g = 104,6 mm. (6) Gambar 5 Hasil Optimasi Antena Mikrostrip Dari Gambar 5 dapat dilihat hasil optimasi antena mikrostrip berbentuk empat persegi panjang (rectangular patch). Bentuk antena ini akan memudahkan antena ini untuk diintegrasikan dengan perangkat yang lain, karena berdimensi kecil. Gambar 3 Nilai VSWR Dari Gambar 3 hasil optimasi, didapatkan nilai VSWR sebesar 1,7 pada frekuensi 900 MHz, yang artinya ini sudah sesuai dengan tujuan perancangan untuk mengaplikasikan antena ini pada frekuensi 900 MHz. Nilai VSWR yang diinginkan adalah di bawah 2.
Jurnal... Vol. XX, No. X, Bulan 20XX, XX-XX 5 Gambar 4 Nilai Return loss Dari Gambar 4, didapatkan nilai return loss antena adalah -12,66 dbm pada frekuensi 900 MHz. Nilai tersebut merupakan nilai yang baik, karena nilai return loss harus bernilai lebih kecil dari -10 dbm. 2.2 Pengujian Antena Mikrostrip Untuk mengetahui keandalan dari antena mikrostrip yang telah dipabrikasi, maka perlu dilakukan pengujian parameter yang penting. Parameter utama dari antena yang harus dipenuhi adalah nilai VSWR dan return loss. Pengukuran VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) dan return loss, ditunjukkan pada Gambar 7. Pada pengukuran ini dapat dilihat nilai VSWR dan return loss pada rentang frekuensi di sekitar frekuensi 900 MHz. Antena microstrip Return Loss, VSWR Network Analyzer Gambar 5 Pengukuran VSWR dan Return loss Nilai VSWR yang diharapkan adalah < dari 2, serta nilai return loss harus lebih kecil dari -10 db. 3 Hasil dan Analisa Nilai VSWR dan return loss yang didapat, akan menunjukkan keandalan dari antena yang dibuat. Apabila terjadi pergeseran frekuensi maka hal ini dapat diperbaiki dengan cara mengganti feedline dengan probe. 3.1 Pengujian Nilai VSWR Pengujian dan analisa VSWR bertujuan untuk mengetahui besarnya nilai VSWR dari antena mikrostrip.
6 Siska Novita Posma Gambar 6 Grafik VSWR hasil pengukuran Gambar 8 merupakan hasil pengukuran VSWR dari frekuensi 890 MHz hingga 950 MHz. Dari hasil pengukuran, didapatkan bahwa pada frekuensi 905 MHz mempunyai nilai VSWR paling kecil sebesar 1.411. Pada frekuensi inilah antena mempunyai respon yang paling optimum. Nilai ini bergeser dari nilai simulasi antena hasil perancangan sebesar 1,7 pada frekuensi 900 MHz. Hal ini dapat disebabkan pada proses pencetakan antena, di mana pergeseran dalam orde 0,01 mm dimensi antenanya akan mempengaruhi frekuensi resonansinya. Pada Gambar 8 memperlihatkan grafik VSWR terhadap frekuensi, dimana daerah frekuensi kerja untuk VSWR 2 antara 900 MHz 915 MHz. Besar bandwidth VSWR yang diproleh adalah : Secara teori, nilai VSWR yang ideal bernilai 1, sehingga daya yang diradiasikan terkirim sempurna tanpa ada yang dipantulkan balik ke transmiter. 3.2 Pengujian Return loss Pengujian return loss mempunyai tujuan yang sama pada pengujian VSWR, yaitu untuk melihat pada frekuensi berapa antena beroperasi optimal. Gambar 7 Grafik Return loss Hasil Pengukuran Gambar 7 menunjukkan hasil pengukuran return loss antena hasil perancangan. Pada frekuensi 905 MHz didapatkan nilai return loss paling kecil sebesar -15,611 db, yang berarti pada frekuensi ini antena bekerja paling optimal sesuai dengan hasil pengukuran
Jurnal... Vol. XX, No. X, Bulan 20XX, XX-XX 7 VSWR. Nilai return loss pada frekuensi 900 MHz adalah sebesar -10,581 db, hal ini tidak sama dengan perancangan yaitu sebesar -12,66 db pada frekuensi 900 MHz. Adanya perubahan nilai return loss ini disebabkan pergeseran dimensi antena saat pabrikasi, tidak matchnya saluran penghubung antena dengan alat ukur dan adanya komponen parasitik yang muncul. 4 Kesimpulan Antena mikrostrip mempunyai dimensi yang sederhana, sehingga mudah diintegrasikan dengan perangkat yang lain. Pada penelitian ini didapatkan nilai VSWR paling bagus sebesar 1,411 pada frekuensi 905 MHz, sedangkan nilai VSWR pada perancangan adalah 1,7 pada frekuensi 900 MHz. Nilai return loss paling kecil sebesar -15,611 db pada frekuensi 905 MHz, berbeda dengan pada perancangan, yaitu sebesar -12,66 pada frekuensi 900 MHz. Dari kedua nilai parameter di atas, terlihat bahwa nilai parameter-parameter yang didaptkan lebih bagus daripada perancangan, hanya saja frekuensinya bergeser. Sedangkan pada frekuensi rancangan, hasil yang didapat pada pabrikasi lebih jelek daripada perancangan. Faktor-faktor yang menyebabkan hal tersebut adalah karena adanya pergeseran dimensi pada saat pabrikasi antena. 4 DAFTAR PUSTAKA [1] Visser, H.J. dan Reniers, A.C.F., Ambient RF Energy Scavenging : GSM and WLAN Power Density Measurements, Proceedings of the 38 th European Microwave Conference, 2008. [2] Sun, J. dan Chen, R., Wireless Power Transmission with Circularly Polarized Rectenna, Microwave Journal, 2011. [3] Balanis, C.A., Antenna Theory, Analysis and Design 2 nd edition, John Wiley & Sons, Hoboken, 1997.