Pemanenan Energi RF 900 MHz menggunakan
advertisement
Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 27 Juli 2011 ISBN No. Pemanenan Energi RF 900 MHz menggunakan Rectenna untuk Perangkat Mobile Siska Novita Posma 1, Eko Setijadi 2 Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, Indonesia,1,2 [email protected] Abstrak Pemanenan energi RF merupakan salah satu alternatif konversi energi, di mana melalui proses ini dimungkinkan untuk menghasilkan daya listrik yang cukup kecil untuk men-drive rangkaian dalam perangkat elektronik komunikasi wireless. Dalam makalah ini menyajikan perancangan rectenna yang berupa antena mikrostrip 900 MHz untuk memanen energi RF dan bagaimana memaksimalkan daya RF yang sangat kecil agar dapat digunakan pada perangkat low power mobile. Antena mikrostrip yang digunakan adalah rectangular patch, karena paling sederhana dan mudah dalam pencetakannya. Energi RF yang dipanen dengan daya tertentu akan di konversi oleh rangkaian penyearah menjadi daya dc. Sebelum masuk ke rangkaian aplikasi, daya akan dikuatkan dulu oleh rangkaian penguat. Pertama kali akan dilakukan pengukuran daya RF di lapangan, setelah itu baru dilakukan desain rectenna. Pengujian rectenna akan dilakukan dengan mengukur gain antena, VSWR, daya input dan daya output rectenna. Dari parameterparameter tersebut akan diketahui efisiensi dari rectenna. Dari hasil pengujian didapatkan daya paling kecil yang dapat ditangkap yang kemudian dirubah menjadi tegangan DC terdapat pada frekuensi 958,5 MHz sebesar 30,24 nW, sedangkan daya terbesar adalah 8,478 µw pada frekuensi 873,6 MHz. Rangkaian penyearah hasil perancangan dapat mengubah sinyal AC sampai dengan -45 dBm menjadi sinyal DC sebesar 0.001 mV pada beban RL 50 Ω dan 0.061mV pada beban RL 2 kΩ. Daya maksimal didapatkan pada beban 2 kΩ dengan -37.52 menjadi sinyal DC 0.016 mV pada beban 50 Ω dan 0.085 mV pada beban 2 kΩ. Kata kunci: Energy harvesting, antena mikrostrip rectangular patch, rectenna, rangkaian penyearah 1. Pendahuluan Saat ini banyak bermunculan teknologi yang merupakan miniatur perangkat-perangkat wireless dengan daya rendah untuk periode waktu yang fleksibel. Salah satu pendekatan adalah dengan memanen energy dari berbagai sumber daya untuk meningkatkan fungsi baterai atau operasi tanpa baterai. Daya yang tersedia untuk perangkat miniatur biasanya sangat rendah sesuai dengan daya output sumber yang disebabkan oleh perubahan pada lingkungan dan mobilitas rangkaian penerima. Pengaturan daya yang efisien dapat digunakan untuk menjaga output daya yang maksimum. Efisiensi untuk rectenna yang mempunyai level RF 0 dBm pada frekuensi 925 MHz adalah 47% (Visser, 2001) . Teknik energy harvesting muncul sebagai sumber energi yang ramah lingkungan (Vullers, 2008), yang merupakan alternatif yang menjanjikan dengan memanfaatkan sumber energi yang ada. Beberapa energy yang termasuk didalam energy harvesting adalah pemanfaatan energi angin dan tenaga surya. Pengambilan daya dapat disimpan dalam kapasitor, baterai isi ulang, dan lain-lain. Kelemahan teknik energy yang lain timbul karena produk-produk portabel disuplay oleh baterai isi ulang dan akan tetap digunakan sebagai sumber utama untuk jenis produk konsumen. Kelemahan dari baterai adalah kebutuhan untuk mengisi ulang secara berkala. Kelemahan ini dapat diatasi dengan memberikan supply daya secara terus menerus tanpa menggunakan sumber listrik. Aplikasi penting yang lain pada energy harvesting adalah untuk mengidentifikasi identitas sesuatu, yang banyak dikenal dengan nama RFID (Radio Frequency Identification). Sistem ini membutuhkan supply daya yang kontinyu untuk selalu dapat beroperasi sewaktuwaktu. Penemuan ini pertamakali terjadi pada tahun 1980. RFID adalah aplikasi pertama kali dalam bidang wireless power transmission. Semakin banyaknya perangkat-perangkat mobile yang diaplikasikan pada berbagai bidang saat ini menuntut adanya supply daya yang tidak tergantung pada supply listrik. Selain itu, supply daya seperti ini juga dibutuhkan untuk suatu perangkat yang berada jauh dari sumber listrik PLN, seperti di hutan (misalnya diaplikasikan sebagai supply bagi perangkat sensor kebakaran hutan), di daerah yang jauh dari pemukiman penduduk, dan dapat juga diaplikasikan untuk RFID pada tempat-tempat tertentu dengan aplikasi-aplikasi bisnis atau perekonomian tertentu. Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 27 Juli 2011 ISBN No. Pada makalah ini disajikan perancangan rectenna (rectifier antenna) yang memanfaatkan frekuensi radio 900 MHz yang merupakan frekuensi GSM yang banyak digunakan. Pemanfaatan dari rectenna ini dapat diterapkan pada perangkat yang membutuhkan daya kecil. 2. Perancangan Rectenna Perancangan rectenna dilakukan setelah melakukan pengukuran terlebih dahulu agar didapat data rancangan yang sesuai dengan kondisi riil. 2.1 Pengukuran Daya RF pada Frequency Center 900 MHz Pengukuran daya ini dilakukan di ruang terbuka,dengan tujuan untuk mengetahui pada frekuensi berapa saja dimungkinkan untuk dilakukan pemanenan energy RF pada frequency center 900 MHz. 2.2 Perancangan Antenna Mikrostrip Proses perancangan antena mikrostrip tunggal dilakukan secara bertahap. Perancangan diawali dengan menentukan frekuensi kerja antena mikrostrip, jenis lapisan bahan, nilai konstanta dielektrik lapisan bahan, dan tebal lapisan bahan. Untuk memperoleh bentuk dimensi dan dapat mengetahui beberapa paramater antena mikrostrip yang telah didesain dilakukan simulasi secara numerik. Dalam perancangan terlebih dahulu harus ditentukan beberapa parameter sebagai dasar yang akan digunakan dalam perhitungan, yaitu : • Frekuensi resonansi yang dipilih untuk desain antena ini adalah sekitar 900 MHz. • Bahan dielektrik yang dipilih adalah PCB double layer dengan substrat FR4 yang memiliki konstanta dielektrik 4,5. • Ketinggian substrat dielektrik (h) antena mikrostrip yang akan digunakan adalah 1,6 mm. Tahapan perancangan antenna menggunakan persamaansebagai berikut (Balanis, 2005) : Perhitungan Lebar (W), persamaan (1) W= 2 fo c (ε r + 1) 2 (1) Dengan substitusi nilai fo=900Mhz, εr=4.5 dan c=3e8 m/s, diperoleh : W=100.503mm Perhitungan konstan(εeff), ε eff = nilai Efektif persamaan εr +1 εr −1 ⎡ 2 + 2 h⎤ ⎢1 + 12 W ⎥ ⎣ ⎦ dielektrik (2): − 1 2 (2) Dengan nilai εr = 4.5, h = 1.6mm serta W = 100.503mm, diperoleh : εeff = 5.735 Perhitungan Effective length (Leff) dengan menggunakan persamaan (3): Leff = c 2 f o ε eff (3) Substitusi nilai εeff = 5.735, c=3e8 m/s and fo = 900 MHz, diperoleh : Leff =69.595 mm Perhitungan length extension (ΔL ), persamaan (2-8): (ε eff + 0,3)⎛⎜ W + 0,264 ⎞⎟ ⎠ ⎝h ΔL = 0,412h ⎛W ⎞ (ε eff − 0,258)⎜ + 0,8 ⎟ ⎝h ⎠ (4) Substitusi εr=4.5, h=1.6 mm serta W = 100.503 mm, diperoleh : ΔL = 7.20e-4 m=0.720mm Perhitungan panjang aktual patch (L), persamaan (2-9) : L = Leff − 2ΔL (5) Dengan mengganti Leff=76.71mm dan ΔL= 0.720mm, diperoleh : L = 0.068155 m = 68.155 mm Perhitungan dimensi ground plane (Lg dan Wg ) Untuk desain dimensi ground plane menggunakan persamaan (6) dan (7): ࡸࢍ ൌ ࢎ ࡸ (6) (7) ࢃࢍ ൌ ࢎ ࢃ Dengan substitusi nilai h, L dan W, maka diperoleh : Lg=77.755 mm Wg=110.103 mm 2.3 Perancangan Rangkaian Penyearah (Rectifier) Frekuensi radio adalah sinyal AC, untuk mendapatkan sinyal DC maka digunakan penyearah. Perancangan rangkaian penyearah disesuaikan dengan karakteristik antenna hasil perancangan. Rangkaian penyearah dibuat dengan menggunakan dioda Schottky, karena dioda ini sangat cocok digunakan untuk frekuensi tinggi dan daya input yang rendah. LPF sederhana yang berada di antara antena dan rangkaian penyearah Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 27 Juli 2011 ISBN No. terdiri dari kapasitor dan induktor yang terhubung seri-paralel, kemudian dirangkai dengan rangkaian penyearah seperti ditunjukkan blok diagram pada Gambar 1. LPF ini untuk menghindari harmonisa dari frekuensi lain yang mengurangi level daya RF 900 MHz yang diterima oleh antena. Gambar 1. Blok Diagram Rectenna LPF sederhana pada desain rangkaian rectifier yang telah didesain terdiri dari komponen CM 2 pF dan terdiri dari LM 18 mH, terhubung secara seri-paralel seperti yang di tunjukkan pada gambar diatas. Hal ini akan memungkinkan energi RF beroperasi pada frekuensi sekitar 900 Mhz serta menolak harmonisa yang tidak diinginkan. Dengan demikian harmonisa yang dihasilkan oleh dioda penyearah nonlinear akan ditolak sehingga efisiensi RF-DC akan ditingkatkan. Disisi lain LPF tidak hanya digunakan untuk harmonisa dan penekanan interferensi tetapi juga untuk matching impedansi antara antenna feed dan port masukan pada rangkaian penyearah. Rangkaian rectifier untuk desain rectenna terdiri dari dioda sebagai perangkat penyearah, sebuah kapasitor bypass dan beban tahap 1 yang merupakan voltage doubler. Output tegangan DC dari 2 dioda akan ditambahkan secara seri, dimana tidak hanya meningkatkan nilai keseluruhan sensitivitas untuk jaringan tetapi juga meningkatkan tegangan output DC. Tegangan output dibuat dengan menyimpan muatan kapasitor seri (Cs) selama fase negatif dari sinyal RF melalui dioda paralel. Terakhir RL digunakan untuk memaksimalkan tegangan output DC dan efisiensi konversi RF ke DC dari rectenna tersebut. Sepasang diode schottky (HSMS-282C) dipilih untuk mengkonversi daya RF ke DC, dan dua diode terhubung dalam rangkaian secara parallel yang berlaku seperti penyearah tegangan doubler, dengan sebuah jungtion kapasitor Cs = 0,7 pF. Selain itu tegangan forward maksimum Vf dan tegangan breakdown minimum masing-masing 0,34 V dan 15 V, kemudian kapasitor CF 300 pF dihubungkan parallel dengan beban RL yang digunakan untuk mengefektifkan semua energy RF dan melewatkan daya DC. 3. Hasil Perancangan dan Pembahasan 3.1 Pengukuran Daya RF pada Frequency Center 900 MHz Pengukuran daya RF pada frekuensi center 900 MHz diruang terbuka bertujuan untuk mendapatkan data pada kondisi riil, yang nantinya berguna untuk penentuan nilai komponen pada rangakain rectifier dan voltage doubler. Pada pengukuran ini digunakan antenna log periodic 300 kHz-1000 MHz dengan gain 7,01 dBi. Tabel 1: Hasil Pengukuran Daya RF pada Frequency Center 900 MHz dengan antenna log periodic 7,01 dBi Frekuensi µW 871,0 Mhz 6,641 µW 873,6 Mhz 8,478 µW 875,0 Mhz 4,470 µW 887,1 Mhz 6,033 nW 945,6 Mhz 116,6 nW 958,5 Mhz 30,24 nW Tabel 1 menunjukkan pengukuran daya RF pada frequency center 900 MHz didapatkan hasil bahwa pada frekuensi 873,6 MHz didapatkan daya paling besar yaitu 8,478 µW dan pada frkuensi 887,1 MHz mempunyai daya paling kecil sebesar 6,033 nW. Nilai frekuensi dengan daya paling tinggi yang akan digunakan dalam penentuan nilai komponen pada rangkaian penyearah dan voltage doubler. 3.2 Hasil Simulasi Antenna Mikrostrip Dengan menggunakan simulasi numerik didapatkan hasil dan bentuk dimensi dari antena yang telah dibuat. Hasil simulasi didapatkan dengan cara memasukkan nilai-nilai perhitungan secara teori untuk mendapatkan bentuk dimensinya. Gambar 2. Tampilan Antena Mikrostrip Hasil Simulasi Numerik Pada desain ini, antena dibuat dengan frekuensi kerja 900 MHz dan diperoleh hasil seperti Gambar 2. Sedangkan bentuk pola radiasi dapat dilihat seperti Gambar 3. Gambar 4 merupakan dimensi polar dari gain antena dari hasil simulasi Se eminar Nasional Pascasarjana X XI – ITS, Surabayya 27 Juli 2011 ISBN No. numerikk. Gambar 5 adalah polarissasi dari hasil simulassi secara numerrik. Pada peengujian rangkkaian penyearrah ini dapat dilihat bahwa ranggkaian penyyearah hasil perancanngan dapat meengubah sinyaal AC sampai dengan -45.25 dBm menjadi m sinyal DC sebesar 0.001 mV m pada bebaan RL 50 Ω dan d 0.061mV pada beeban RL 2 kΩ. D Daya maksimaal didapatkan pada beeban 2 kΩ denngan -37.52 menjadi m sinyal DC 0.016 mV pada bbeban 50 Ω daan 0.085 mV ban 2 kΩ. pada beb Tablle 2: Tegangan Keeluaran Rangkaian Penyearah Gambarr 3. Pola Radiasi Antenna Hasil Sim mulasi Numerik Gambar 4. Dimensi Gain Gambar 5. Bentuk polarrisasi circular darri hasil simulasi numerik 3.2 Hassil Pengujian Rangkaian R Peenyearah Proses pengujian rang gkaian penyearrah dilakukan da rangkaian dengan memberikan masukan pad penyearrah daya RF yang berasall dari Signal Source Generator (SSG) dan pengukuran C pada keluarran rangkaian tegangaan output DC penyearrah. Pengujiann rangkain penyearah p ini dilakukkan dengan memberikan maasukan sinyal RF dengan level daya d -37,52 dBm d sampai dengan -45 dBm daan dengan meengubah-ubah R L. bebanR Tabel 2 menunjukkann hasil pengujiian rangkaian penyearrah dengan memberikan sumber RF mengguunakan SSG. Tegangan T DC yang terukur semakinn besar ketika nilai beban yaang diberikan semakinn besar. Vout Raangkaian Penyearrah (mV) Daya n Masukan (dBm) RL=50Ω RL=510Ω RL=1kΩ RL=2kΩ -45.255 -44.566 -43.41 -42.255 -41.866 -40.31 -39.144 -38.566 -37.522 0.001 0.002 0.004 0.005 0.006 0.008 0.01 0.012 0.016 0.016 0.018 0.022 0.023 0.026 0.028 0.031 0.037 0.041 0.0 035 0.0 036 0.0 037 0.0 039 0.0 043 0.0 045 0.0 047 0.0 048 0.0 053 0.061 0.062 0.063 0.065 0.069 0.073 0.074 0.075 0.085 4. Kesim mpulan Dari haasil perancangaan didapatkan daya paling kecil yang y dapat dditangkap yanng kemudian dirubah menjadi teggangan DC teerdapat pada n dan pada frekuenssi 958,5 MHz sebesar 30,24 nW 873,6 MHz M didapatkaan daya palingg besar yaitu 8,478 µw. µ Hasil sim mulasi perancaangan antena microstrrip mempunyyai bentuk pola p radiasi seperti yang diharapkkan. Rangkaiaan penyearah hasil peerancangan daapat mengubahh sinyal AC sampai dengan -45 dBm menjadii sinyal DC sebesar 0.001 mV ppada beban RL 50 Ω dan 0.061mV V pada beban RL 2 kΩ. Daaya maksimal didapatkkan pada bebban 2 kΩ deengan -37.52 menjadii sinyal DC 0.016 mV pada beban 50 Ω dan 0.0885 mV pada beeban 2 kΩ. 5. Pusta aka Visser. Hubregt J, (2001). Ambiennt RF Energy SM and WL LAN Power Scaavenging: GS Den nsity Measurements. Proceeedings of the 38th h European Microwave Conference p.72 21-724, Vullers.. Ruud J.M, V Visser. Huib J, J (2008). RF Harrvesting Usingg Antenna Structures S on Foil. Proceeding of PowerM MEMS p.2092122, Japan, 2008 Balanis,, Constantine, Antenna Theory Analysis andd Design, Johnn Wiley & Sonns, Hoboken, NJ, USA, 3rd edittion, 2005.