BAB II DASAR TEORI 2.1 Gelombang Elektromagnetik - Rancang Bangun Power Harvester Untuk Transfer Daya Wireless Menggunakan Antena Tv Frekuensi 470 - 860 Mhz

BAB II DASAR TEORI

2.1 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) [1].

  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 [1].

  Gelombang dikarakteristikkan oleh panjang gelombang dan frekuensi. Panjang gelombang (λ) memiliki hubungan dengan frekuensi (ƒ) dan kecepatan (ν) yang ditunjukkan pada Persamaan 2.1 [1].

  (2.1) Dimana : λ = panjang gelombang (m) c = cepat rambat cahaya (m/s) ƒ = frekuensi (Hz) Salah satu spektrum frekuensi gelombang elektromagnetik adalah gelombang radio. Pembagian spektrum frekuensi gelombang radio dapat ditunjukkan pada Tabel 2.1 [1].

  Tabel 2.1

  VLF 4 3 – 30 KHz 100 km – 10 km Low Frequency LF 5 30 – 300 KHz 10 km – 1 km

  Extremely High Frequency

  SHF 10 3 – 30 GHz 100 mm – 10 mm

  Super High Frequency

  Frequency UHF 9 300 – 3000 MHz 1 m – 100 mm

  VHF 8 30 – 300 MHz 10 m – 1 m Ultra High

  Very High Frequency

  MF 6 300 – 3000 KHz 1 km – 100 m High Frequency HF 7 3 – 30 MHz 100 m – 10 m

  Medium Frequency

  Very Low Frequency

  Spektrum Frekuensi Gelombang Radio

  ULF 3 300 – 3000 Hz 1000 km – 100 km

  10.000 km-1000 km Ultra Low Frequency

  Frequency SLF 2 30-300 Hz

  10.000 km Super Low

  ELF 1 3-30 Hz 100.000 km -

  Extremely Low Frequency

  ITU Frekuensi (f) Panjang Gelombang (λ)

  Nama Band Singkatan Band

  EHF 11 30 – 300 GHz 10 mm – 1 mm

2.2 Antena

  Antena didefinisikan sebagai suatu perangkat logam (misalnya batang konduktor atau kawat) yang berfungsi meradiasikan atau menerima gelombang radio. Standar IEEE 145-1983 mendefinisikan antena atau aerial sebagai suatu alat yang berfungsi untuk meradiasikan dan menerima gelombang radio. Dengan kata lain antena adalah struktur pengalihan antara ruang bebas dan media pembimbing, seperti yang terlihat pada Gambar 2.1[2]. _{Sumber Antena Transmisi Saluran merambat di ruang} Gelombang yang _bebas

Gambar 2.1 Antena Sebagai Media Transmisi

  Media pembimbing atau saluran transmisi dapat berbentuk suatu kabel coaxial atau pipa kosong/bumbung gelombang (waveguide), dan media pembimbing ini digunakan untuk membawa energi elektromagnetik dari sumber pancaran (transmitter) hingga sampai ke antena, atau dari antena hingga sampai ke perangkat penerima (receiver)[2].

2.2.1 Gain

  Ada dua jenis penguatan (gain) pada antena, yaitu penguatan absolut (absolute gain) sebagai perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropic. Intensitas radiasi yang berhubungan dengan daya yang diradiasikan secara isotropic sama dengan daya yang diterima oleh antena (P in ) dibagi dengan

  4π. Penguatan absolut dapat dihitung dengan [2]: (2.2)

2.2.2 Bandwith

  Bandwidth antena didefinisikan sebagai ”rentang 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[2].

  Untuk persamaan bandwidth dalam persen (B p ) atau sebagai bandwidth rasio (B r ) dinyatakan sebagai[3]:

  f − f _{u l} B = × 100 % _p f _c

  (2.3)

_{u l}

+ f f

  f = _c

  2

  (2.4)

  f _u B = _r f _l

  (2.5) dengan :

  B = bandwidth dalam persen (%) p

  B r = bandwidth rasio f u = jangkauan frekuensi atas (Hz) f = jangkauan frekuensi bawah (Hz) l

2.2.3 VSWR

  VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min). Pada saluran transmisi ada dua komponen

• + gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V0 ) dan tegangan yang direfleksikan
• - (V0 ). Pebandingan tegangan yang direfleksikan dengan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (Γ) [2] :

  (2.6) di mana Z adalah impedansi beban (load) dan Z adalah impedansi saluran.

  L

  Rumus untuk mendari VSWR adalah [2] :

  VSWR = (2.7)

  Kondisi yang baik adalah ketika VSWR bernilai 1, yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun, kondisi ini kenyataannya sulit diperoleh.

  Oleh karena itu, nilai standar VSWR yang diijinkan dalam perancangan antena adalah ≤ 2.

2.2.4 Antena Array

  Berbagai aplikasi memerlukan karakteristik radiasi yang tidak bisa didapatkan dari suatu element tunggal. Sehingga, sangat memungkinkan untuk mengumpulkan elemen-elemen radiasi tersebut untuk dapat disusun pada suatu susunan (array) elektris dan geometris tertentu sehingga menghasilkan karakteristik radiasi tertentu yang diinginkan.

  Susunan dari array tersebut dapat menambah atau memberikan pancaran maksimum pada suatu arah tertentu, minimum pada arah lainnya, atau sebaliknya seperti yang diinginkan.

  Istilah array maksudnya adalah suatu susunan/konfigurasi tertentu dimana elemen pemancar secara individual terpisah pada jarak tertentu. Susunan Array dapat dilihat pada Gambar 2.2 [2].

Gambar 2.2 Antena Array

  Salah satu model dari antena array adalah antena Yagi-Uda. Yagi-Uda adalah antena yang beroperasi pada rentang frekuensi HF (3-30 MHz), VHF (30-300 MHz) dan UHF (300- 3000 MHz). Antena ini terdiri dari sejumlah elemen dipol linear, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3, dengan salah satu elemen diberikan energi secara langsung dari suatu saluran transmisi dan elemen yang lainnya berfungsi sebagai elemen parasit dengan arus yang terinduksi melalui induktansi bersama[2].

Gambar 2.3 Antena Yagi-Uda

  Antena ini dirancang untuk dapat beroperasi secara khusus sebagai susunan end-fire

  

array dengan cara meletakkan elemen parasit pada berkas depan sebagai pengarah (director) dan

  elemen yang tersisa lainnya sebagai reflektor. Yagi-Uda telah digunakan sebagai antena TV rumah[2].

2.3 Dioda

  Pada power harvester yang akan dirancang dapat digunakan beberapa jenis dioda yaitu dioda Schottky Agilent HSMS-282x atau dioda germanium 1N34. Tipe dioda yang digunakan pada tugas akhir ini adalah dioda Schottky Agilent HSMS-2822 karena Agilent menyebutnya sebagai komponen yang paling bagus untuk aplikasi RF mixer atau rangkaian detektor.

  Keluarga dioda Schottky Agilent HSMS-282x terbagi menjadi beberapa macam dibedakan dengan digit terakhirnya. Digit yang berbeda memiliki datasheet rangkaian yang berbeda pula. Contoh dioda yang sering digunakan HSMS-2820 dapat dilihat pada Gambar 2.4 (a), memiliki 3 pin dengan 2 pada sisi yang sama dan 1 pada sisi yang lain membentuk segitiga, pin ke-3 biasa tidak digunakan. Sedangkan pada Gambar 2.4 (b) dapat dilihat merupakan konfigurasi dari HSMS-2822 yang digunakan pada Tugas Akhir ini. Semua pin terhubung satu sama lain membentuk suatu segitiga. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat langsung pada datasheet rangkaian dioda Schottky Agilent-282x pada Lampiran 1 pada Tugas Akhir ini [4].

  (a)

(b)

Gambar 2.4

  (a) Agilent HSMS-2820 (b) Agilent HSMS-2822

2.4 Kapasitor

  Kondensator atau sering disebut sebagai kapasitor adalah sebuah komponen elektronika pasif yang dapatngan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dariKondensator juga dikenal sebagai "kapasitor", namun kata ilmuwa(dari bahasa Itali condensatore), berkenaan dengan kemampuan alat untuk menyimpan suatu muatan listrik yang tinggi dibanding komponen lainnya [5].

  Kondensator diidentikkan mempunyai dua kaki dan dua kutub yaitdan biasanya berbentuk tabung. Bentuk kondensator dapat dilihat pada Gambar 2.5.

  Gambar 2.5

  Kondensator Sedangkan jenis yang satunya lagi kebanyakan nilai kapasitasnya lebih rendah, tidak mempunyai kutub positif atau negatif pada kakinya, kebanyakan berbentuk bulat pipih berwarna coklat, merah, hijau dan lainnya seperti tablet atau kancing baju [5]. Bentuk kapasitor dapat dilihat pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Kapasitor

2.5 Pelipat-ganda Tegangan (Voltage Multiplier)

  Pelipat-ganda-tegangan adalah dua atau lebih penyearah puncak yang menghasilkan tegangan DC sama dengan perbanyakan puncak tegangan masuk (2Vp, 3Vp, 4Vp, dan seterusnya). Catu daya ini digunakan untuk alat-alat tegangan tinggi/arus rendah seperti CRT (tabung sinar katoda) TV, osiloskop, dan computer display. [4]

Gambar 2.7 menggambarkan sebuah rangkaian 1-stage pelipat dua tegangan. Gelombang

  RF disearahkan pada D2 dan C2 pada setengah siklus positif dan pada D1 dan C1 pada siklus negatif. Tetapi, pada saat setengah siklus positif, tegangan yang disimpan pada kapasitor C1 pada setengah siklus negative di transfer ke C2 sehingga menyebabkan menjadi dua kali dari tegangan yang masuk. Inilah yang menyebabkan rangkaian ini disebut sebagai pelipat ganda tegangan (voltage doubler).

  Hal yang paling menarik dari rangkaian ini adalah kita dapat menggabungkannya secara seri seperti kita menggabungkan baterai secara seri untuk mendapat tegangan output yang lebih besar. Anggap digunakan baterai dengan tegangan Vo yang memiliki tahanan dalam Ro. Ketika dihubungkan secara seri pada sebanyak n buah dan dihubungkan pada beban R tegangan

  L,

  keluaran akan seperti Persamaan 2.8, (2.8)

  Dari Persamaan 3.1, dapat dilihat bahwa Vo, Ro dan R L adalah sebuah nilai konstanta maka nilai tegangan output berbanding lurus dengan jumlah nilai n, dimana semakin besar n yang dihubungkan secara seri akan menghasilkan tegangan keluaran yang lebih besar [4].

2.6 Power Harvester

  Power harvester merupakan suatu alat yang digunakan untuk memanen kembali energi yang berada pada alam ini dan mengubahnya menjadi energi listrik. Biasanya rangkaian pada

  power harvester ini terdiri dari rangkaian penyearah dan rangkaian pelipat ganda tegangan.

2.6.1 Jumlah Stage

  Jumlah stage, yang ditunjukan pada Gambar 2.8 merupakan sistem yang paling berpengaruh pada tegangan keluaran. Kapasitansi pada stage dan ujung rangkaian mempengaruhi kecepatan dari respon transient dan kestabilan dari sinyal keluaran.

  Gambar 2.8

  2-stage Rangkaian Pelipat Dua Tegangan

  2.6.2 Kapasitor Stage Kapasitor stage pada Gambar 2.9 merupakan parameter yang sulit untuk ditentukan.

  Kadang hanya dengan mengganti nilai kapasitor stage sedikit saja dapat memberikan perubahan yang sangat drastis pada tegangan keluaran. Kapasitor stage ini merupakan parameter yang sangat sensitif karena jika ingin mengubahnya maka harus menyolder ulang seluruh kapasitor yang ada pada rangkaian.

Gambar 2.9 Kapasitor Stage

2.6.3 Kapasitor Output

  Variabel yang paling sedikit memberikan efek pada sistem yang akan dirancang ini adalah kapasitor output yang ditunjukkan pada Gambar 2.10. Nilai dari kapasitor ini hanya mempengaruhi kecepatan dari respon transient. Semakin besar nilai kapasitor output yang digunakan, maka semakin lambat rise time tegangan. Jadi penggunaan kapasitor output yang semakin kecil adalah yang terbaik, atau kalau bisa tanpa menggunakan kapasitor. Tetapi jika tanpa kapasitor, output sinyal yang dihasilkan bukan berupa sinyal DC yang bagus melainkan sinyal AC offset, atau sinyal DC dengan ripple.

  Gambar 2.10

  Rangkaian Pelipat Ganda Tegangan dengan Kapasitor Output

2.7 Voltage Gain

  Secara umum untuk menggambarkan gain tegangan dari sebuah penguat dengan satuan sekian desibel, ini tidak benar-benar digunakan secara akurat untuk setiap unit. Hal ini boleh saja menggunakan desibel untuk membandingkan output dari sebuah penguat pada frekuensi yang berbeda, karena semua pengukuran daya output atau tegangan diambil dengan impedansi yang sama (beban penguat), tetapi saat menjelaskan gain tegangan (antara input dan output) dari sebuah penguat, input dan output tegangan sedang dikembangkan di seluruh impedansi sangat berbeda. Namun hal ini boleh diterima secara luas juga menjelaskan gain tegangan dalam desibel.

  Adapun Persamaan 2.9 dibawah merupakan perbandingan rumus perbandingan tegangan dalam decibel dan pada Gambar 2.11 merupakan grafik perbandingan tegangan dengan level tegangan (dalam dB).

  (2.9)

Gambar 2.11 Grafik Perbandingan Tegangan dengan Level Tegangan (dalam dB)

2.8 Advanced Design System (ADS) 2009

  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.

  Adapun kemampuan atau keunggulan dari aplikasi ADS ini adalah sebagai berikut: 1. Kemampuan untuk langsung membuat S-Paramater model dari layout PCB Allegro.

  2. Kemampuan 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 cirri kanal, dan dapat menjalan jutaan bit data dalam hanya beberapa menit.

  Adapun tampilan dari Advanced Design System 2009 terlihat pada Gambar 2.12 dan informasi lebih lanjut mengenai software Advanced Design System 2009 ini dapat dilihat pada Lampiran 2 pada Tugas Akhir ini.