Rancang Bangun Antena Mikrostrip Dualband Untuk RF-Energy Harvesting Chapter III V

3

BAB III

PERANCANGAN PABRIKASI DAN PENGUKURAN

3.1

Umum
Skripsi ini dilakukan untuk merancang sebuah antena microstrip dengan

teknik Reactively-loadedmulti-frequency antenna untuk menghasilkan 2
frekuensi kerja (dualbandfrequency) pada frekuensi 2.1 GHz dan 2.4 GHz untuk
aplikasi RF – Energy Harvesting. Teknik pencatuan yang digunakan adalah
teknik pencatuan langsung Direct Microstrip Line dengan inset feed dan offset
feed. Keuntungan dari perancangan antena ini adalah bentuknya yang kecil,
ringan, dan mudah untuk pabrikasi.
Beberapa tahap yang harus dilakukan untuk merancang jenis antena ini
antara lain adalah menentukan jenis substrat dan spesifikasinya, menentukan
dimensi antena, serta menentukan dimensi dari saluran pencatu untuk
menghasilkan kondisi match. Adapun dalam perancangan ini digunakan

software ADS 2016 untuk simulasi.

3.2

Peralatan yang Digunakan
Perangkat yang digunakan adalah :
1.

Laptop untuk menampilkan software yang dipergunakan dalam
perancangan antenna.

2.

Perangkat lunak ADS 2016 untuk proses simulasi antena yang
mau dirancang.

3.

Perangkat lunak TXline untuk menentukan impedansi saluran, dan
perhitungan dimensi saluran mikrostrip

4.

Perangkat lunak Microsoft Visio2007

21
Universitas Sumatera Utara

3.3

Diagram Alir
Digambarkan dalam diagram alir pada Gambar 3.1

MULAI

Frekuensi
kerja 2.1 GHz
dan 2.4 GHz
ᵋr= 4.4
H=1.6 mm

Perancangan
Antena

TIDAK

VSWR ≤ 2

YA

Pabrikasi dan
Implementasi
Harvesting

Grafik
Tegangan
VS
Frekuensi

SELESAI

Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan Antena

3.4

Teknik Pencatuan
Pencatuan yang digunakan pada antena yang dirancang pada skripsi ini

adalah menggunakan teknik pencatuan Direct Microstrip Line dengan inset
feed dan offset feed. Dari teknik pencatuan ini diharapkan antena memiliki
karakteristrik impedansi saluran adalah 50 Ohm. Pada awalnya digunakan
TXline untuk menghasilkan dimensi dari pencatu agar mendapatkan
22
Universitas Sumatera Utara

impedansi 50 Ohm, namun untuk menghasilkan frekuensi kerja dari antena
yang diinginkan maka dilakukan pengaturan besarnya lebar pencatu dan
panjang saluran pencatu. Pengaturan panjang dan lebar dari pencatu ini akan
secara otomatis disesuaikan dengan impedansi matching 50 Ohm saat
simulasi.

3.5

Perancangan Antenna Dualband
Salah satu cara untuk mendapat kanan tena dualband adalah dengan

teknik Reactively-loaded multi-frequency antenna. Pada jenis teknik ini
dilakukan simulasi dengan menggunakan teknik feeding Direct Microstrip
Line dengan inset feed dan offset feed. Substrat yang digunakan adalah FR4
dengan karakteristik seperti tersebut pada sub bab sebelumnya. Setelah
diketahui karakteristik dari substrat yang digunakan, selanjutnya dilakukan
perancangan patch antena dengan terlebih dahulu menghitung dimensi patch
tersebut sesuai formula perhitungan antena pada BAB II. Dari perhitungan
tersebut yang berdasarkan spesifikasi substrat yang akan digunakan, diperoleh
sebagaimana pada Tabel 3.1 dan pada Gambar 3.2.
Tabel 3.1 Nilai Perancangan Antena Awal
Parameter

(mm)

Lsub

77

W

36

(L)

21

Lf

55

Wf

3

L1

14

Slit 1

17.25 x 2

Slit 2

21.3 x 1

Slit 3

20.3 x 1

23
Universitas Sumatera Utara

Gambar 3.2 Rancangan antena awal[8]

3.5.1 Simulasi Antenna
Setelah mengetahui spesifikasi dan bahan substrat yang digunakan, maka
akan dilanjutkan pada tahapan perancangan pada simulator ADS. Adapun
langkah-langkah perancangan antena pada simulator ADS adalah:
1.

Menyediakan workspace dan library
Menyediakan workspace bertujuan untuk membuat lembar kerja baru yang

terdapat pada simulator dan memberikan nama workspace yang kita inginkan.
Workspace tersebut akan tersimpan pada library yang kita tetapkan. Pembuatan
workspace baru dan penyimpanan pada library pada simulator ADS dapat dilihat
pada Gambar 3.3 dan Gambar 3.4.

24
Universitas Sumatera Utara

Gambar 3.3 Pembuatan Workspace

Gambar 3.4 Penyimpanan Workspace pada Library.
2.

Merancang skema antena pada layout
Setelah tampilan layout simulator ADS terbuka maka kita dapat

merancang antena mikrostrip secara layout sebelum disimulasikan. Rancangan
layout antena mikrostrip dapat dilihat pada Gambar 3.5.

25
Universitas Sumatera Utara

Gambar 3.5 Skema Rancangan Antena Mikrostrip
3.

Pengisian Elektro Magnetik (EM) Simulation Setup
Pada pengisian EM Simulation setup kita dapat menentukan beberapa

parameter penting. Dintaranya adalah pengisian substrat antena, perencanaan
frekuensi yang diinginkan, penentuan port dan lain-lain. Tampilan awal EM

simulation setup dan pengisian substrat antena mikrostrip pada simulator dapat
dilihat pada Gambar 3.6 dan Gambar 3.7.

Gambar 3.6 Tampilan awal EM Simulation Setup
26
Universitas Sumatera Utara

Gambar 3.7 Pengisian Substrat Antena Mikrostrip pada Simulator

3.5.2 Optimalisasi Antenna Dualband
Sama halnya dengan antena mikrostrip yang lain, secara umum untuk
menggeser frekuensi kerja menjadi lebih besar adalah dengan mengecilkan
dimensi patch, dan untuk memperkecilnya adalah dengan memperbesar
dimensinya.

Pada

antena

dualband

ini

akan

dioptimalisasi

dengan

menambahkan groundplane pada patch antena, untuk dapat meradiasikan
antena dan menggeser frekuensi kerja sesuai dengan yang diinginkan
sebagaimana pada Gambar 3. 8 rancangan antena setelah dioptimalisasi.

27
Universitas Sumatera Utara

Lg
Gambar 3.8 Rancangan antena setelah dioptimalisasi
Gambar 3.8 memperlihatkan penambahan groundplane pada rancangan
antena terhadap rancangan awal untuk dapat meradiasikan antena dengan
lebih baik.

3.5.3 Hasil Simulasi Antenna Dualband
Berikut geometri hasil rancangan setelah menglami optimalisasi
ditunjukkan pada Tabel 3.2:
Tabel 3.2Pengaruh perubahan karakterisasi Antena dualband
Parameter

(mm)

Lsub

77

W

36

(L)

21

28
Universitas Sumatera Utara

Lf

55

Wf

3

L1

14

Slit 1

17.25 x 2

Slit 2

21.3 x 1

Slit 3

20.3 x 1

Lg

3.5

Dengan mengetahui beberapa parameter dari antena yang dirancang,
maka dapat membantu mempermudah memperoleh rancangan yang optimal.
Pengamatan pada parameter return loss, VSWR, dan pola radiasi dari hasil
simulasi rancangan antena awal dan setelah dioptimalisasi diberikan pada
Gambar 3.9 sampai denganGambar 3.14.

Gambar 3.9 Grafik return loss hasil rancangan awal antena dualband

29
Universitas Sumatera Utara

Gambar 3.10 Grafik return loss hasil rancangan antena dualband setelah
optimalisasi

Gambar 3.11 Hasil Simulasi VSWR rancangan awal antena dualband

30
Universitas Sumatera Utara

Gambar 3.12 Hasil Simulasi VSWR rancangan antena dualband setelah
optimalisasi

Gambar 3.13 Hasil Simulasi Pola Radiasi antena dualband 2.1GHz

31
Universitas Sumatera Utara

Gambar 3.14 Hasil Simulasi Pola Radiasi antena dualband2,4 GHz
Dari hasil simulasi yang telah dilakukan kita dapat melihat perubahan
yang terjadi antara rancangan antena awal dengan rancangan antena yang
dioptimalisai sebagaimana pada Tabel 3.3.
Tabel 3.3 Perbandingan parameter rancangan antena awal dengan rancangan
antena optimalisasi.

Parameter Antena

Rancangan Awal
Antena

Rancangan Antena
Setelah Optimalisasi

2.1 GHz

2.4 GHz

2.1 GHz

2.4 GHz

Return Loss(dB)

-19,668

-2,758

-15,624

-26,041

VSWR

1,232

6,351

1,397

1,105

Dari Tabel 3.3 dapat kita bahwa hasil simulasi yang optimum didapatkan
dengan melakukan optimalisasi pada antena dengan menambahkan grounplane
pada rancangan awal antena, dimana hasilnya dapat bekerja pada frekuensi kerja
yang kita inginkan.

32
Universitas Sumatera Utara

4

BAB IV

PENGUKURAN DAN ANALISIS HASIL

4.1

Umum
Setelah dilakukan perancangan antena dan mensimulasikannya dengan

software pendukung seperti yang telah disebutkan pada bab 3, maka langkah
selanjutnya yang dilakukan adalah melakukan pabrikasi pada rancangan yang
telah

dibuat. Satelah antena yang telah dirancang dipabrikasi maka langkah

selanjutnya yang dilakukan adalah mengukur antena tersebut. Adapun
pengukuran yang dilakukan untuk mengetahui parameter-parameter dari
antena yang telah dirancang dan difabrikasi pada skripsi ini adalah
pengukuran port tunggal, pengukuran return loss. Berikut adalah antena hasil
pabrikasi sebagaimana pada Gambar 4.1.

(a)

(b)

Gambar 4.1 Antena Hasil Pabrikasi (a) tampak depan; (b) tampak belakang
Pabrikasi antena pada Gambar 4.1 ini dilakukan untuk antena dualband,
yakni antena dualband modifikasi dengan penambahan slot pada bagian patch
nya.
33
Universitas Sumatera Utara

4.2

Pengukuran Antena
Pada proses pengukuran port tunggal ini, parameter-parameter dari

antena yang dapat diukur adalah return loss. Pengukuran yang dilakukan
menggunakan network analyzer dengan format S11. Gambar konfigurasi dari
pengukuran port tunggal ini dapat dilihat pada Gambar 4.2

Gambar 4.2 Konfigurasi Pengukuran Port Tunggal
Dari pengukuran yang dilakukan didapatlah nilai return loss yang terjadi
sebagaimana pada Gambar 4.3 dan Gambar 4.4

Gambar 4.3 Grafik Return Loss Antena Hasil Pengukuran

34
Universitas Sumatera Utara

Return Loss
5
0
-5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

-10
-15
-20
-25
-30

Gambar 4.4 Grafik Return Loss Antena Hasil Pengukuran dalam Ms.Excel
Dari pengukuran yang dilakukan terhadap antena dualband ini didapatkan
dua buah frekuensi resonansi, yakni pada frekuensi 2.191 GHz, dan 2.433 GHz.
Kedua buah frekuensi resonansi yang diharapkan sudah sesuai dengan
frekuensi yang diharapkan dengan return loss dibawah -9,54dB.

4.3

Pengukuran Implementasi RF-Energy Harvesting
Pada proses ini dilakukan pengukuran antena yang telah dipabrikasi tersebut

dapat digunakan untuk aplikasi Rf-Energi Harvesting. Parameter – parameter
yang ditinjau pada proses ini adalah besar nilai energi yang dapat dipanen oleh
antena tersebut terhadap aplikasi Rf – Energi Harvesting. Adapun data
pengukuran yang dianalisis terhadap pemanenan energi tersebut hanya dengan
menggunakan rangkain Matching, sebagaimana yang akan dianalisis pada bagian
sub-bab 4.3.1.

4.3.1 Pengukuran Dengan Menggunakan Matching Impedance
Setelah dilakukan pabrikasi antena maka dilakukan pengukuran antena
untuk aplikasi Rf-energy Harvesting, untuk dapat melakukan pemanenan energi,
maka antena tersebut dihubungkan dengan rangkaian matching impedance yang
telah dirancang oleh Muhammad Sawaluddin Nasution dengan judul Skripsi
Rancang Bangun Matching Impedance Pi Network Pada Frekuensi 2100 MHz

35
Universitas Sumatera Utara

Untuk Rf – Energy Harvesting seperti pada Gambar 4.4(a) dan Fauziah Al
Humaira dengan judul Skripsi Rancang Bangun Matching Impedance L Network
untuk Rf – Energy Harvesting Pada Frekuensi 2.4 GHz seperti pada Gambar
4.4(b).

(a)

(b)

Gambar 4.5 Pengukuran Antena untuk Rf-energy Harvesting dengan
Matching Impedance (a) 2.1 GHz, (b) 2.4 GHz

Dari pengukuran yang dilakukan terhadap implementasi Rf-energy
Harvesting inidari pemasangan antenna hingga pada rangkaian match
didapatkan nilai tegangan yang dipanen sebesar 8 mV, yakni pada frekuensi
2.1 GHz dan 2,4 GHz. Adapun hasil simulasi dan pengukuran yang telah
dilakukan pada rangkaian Rf – energy Harvesting sebagaimana dapat dilihat
pada Tabel 4.2, nilai tegangan yang dipanen oleh rancangan Antena
Dualband.

36
Universitas Sumatera Utara

Tabel 4.1 Hasil pengukuran Rf – energi Harvesting
Frekuensi Kerja
antena Dualband (GHz)

2.1 dan 2.4

Nilai Tegangan (mV)
Dengan Matching

Dengan Matching

2.1 GHz

2.4 GHz

13

8

Dari tabel 4.1 dapat kita lihat bahwa energi yang dipanen oleh antena
dualband belum terlalu besar untuk dapat digunakan, hal ini dikarenakan
pada proses fabrikasi ada beberapa faktor yang mempengaruhi yakni solderan
port dengan pencatu antena, dan faktor lain pada rangkaian matching yang
tidak digunakan sesuai dengan perhitungan impedansi antena dualband
tersebut, sehingga di dapat hasil yang dipanen tidak seperti yang di harapkan.

37
Universitas Sumatera Utara

5

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1

Kesimpulan
Adapun kesimpulan yang didapatkan oleh penulis pada penelitian yang

dilakukan adalah sebagai berikut :
1.

Antena yang dirancang adalah antenna dualband yang dapat
digunakan untuk aplikasi Rf – energy Harvesting.

2.

Analisa yang dilakukan pada antena dualband adalah dengan
memenuhi nilai return losssebesar -15.39 dB dan -23.24 dB untuk
frekuensi 2.191 GHz dan 2.433 GHz untuk masing – masing frekuensi
secara berurutan.

3.

Nilai pengukuran pabrikasi dan pengukuran untuk implementasi rf –
energi harvesting mendapatkan nilai yang dipanen berupa tegangan
sebesar 13 mV dan 8 mV.

5.2

Saran
1.

Perancangan antena yang dilakukan dapat disimulasikan dengan
software lain untuk mendapatkan nilai dualband yang lebih bagus.

2.

Dapat melakukan perancangan antena mikrostrip dengan band yang
lebih untuk aplikasi Rf-energi Harvesting.

3.

Rangkaian matching yang digunakan sebaiknya disesuaikan antara
impedansi antena dan impedansirectifier.

38
Universitas Sumatera Utara