Received  date 2017-11-9, Revised date 2018-4-26, Accepted date 2018-4-30 https://doi.org/10.25077/ jnte.v7n2.498.2018 This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License .

## Antena Wideband Planar Bowtie untuk Pemanenan Energi Gelombang Televisi Elektromagnetik Terestrial

## Hanalde Andre
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Andalas Corresponding author e-mail: hanalde.andre@eng.unand.a.cid
Abstrak —  Proses pemanenan energi elektromagnetik  memiliki dua  aspek penting  yaitu antena  sebagai pengumpul gelombang elektromagnetik dan penyearah. Pada jurnal ini didisain antena bidang kupu-kupu yang  dapat  beroperasi  pada  frekuensi  penyiaran  televisi  terestrial.  Perancangan  antena  dilakukan menggunakan  simulasi  metode  elemen  hingga.  Berdasarkan  hasil  simulasi  didapatakan  bandwitdh fraktional antena untuk nilai return loss dibawah -10 dB sebesar 70,46% dan bandwitdh fraktional antena untuk nilai VSWR dibawah 2 sebesar 75,98. Frekunsi tengah antena didapatkan sebesar 589 MHz.

## Kata Kunci : Pemanenan Energi, Elektromagnetik, Antena, Televisi Terestrial
Abstract —  The  process  of  harvesting  electromagnetic  energy  has  two  important  aspects,  namely  the antenna as a collector of electromagnetic waves and rectifiers. This paper aims to design a planar bowtie antenna that can operate on terrestrial television broadcasting frequency. Design of antennas using finite element simulation method. Based on the simulation result, the bandwitdh fraktional antenna for return loss value below -10 dB is 70,46% and fractionall bandwitdh antenna for VSWR below value 2 is 75,98. The middle frequency of the antenna is 589 MHz.
Keywords : Harvesting Energy, Electromagnetic, Antenna, Terrestrial Television

## Pendahuluan
Penggunaan gelombang elektromagnetik umumnya  digunakan  dalam  media  informasi elektronik  seperti  televisi,  radio,  telepon  seluler, komunikasi nirkabel, satelit dan lain sebagainya. Seluruh  gelombang  elektromagnetik  tersebut umumnya  diradiasikan  memiliki  daya  dengan kerapatan yang rendah.
Frekuensi  yang  digunakan  untuk  siaran televisi  terestrial  berada  pada  band Ultra  High Frequency (UHF) dalam rentang 478 – 806 MHz pada saluran 22 hingga 62. Tidak semua saluran dapat digunakan dalam suatu daerah dikarenakan adanya interferensi untuk saluran yang berdekatan  dan  kebutuhan  saluran  untuk  daerah yang bersebelahan.
Ibukota
provinsi mendapatkan  alokasi  saluran  lebih  banyak dibandingan dengan daerah lain [1]-[2].
Pemanfaatan elektromagenetik sebagai sumber energi listrik telah banyak dikembangkan oleh para peneliti. Hal ini didukung oleh semakin majunya  teknologi  semikonduktor  dan  efisiensi penggunaan  daya  pada  perangkat  teknologi  [3]- [5].  Aplikasi  teknologi  ini  dapat  menyatukan
pengiriman  informasi  dan  energi  ke  perangakat dalam  satu  media  sehingga  meningkatkan efisiensi sistem.
Proses  pemanenan  energi  atau harvesting energy elektromgnetik ditentukan oleh dua aspek penting: antena (pengumpul gelombang elektrogmnetik) dan rectifier (penyearah). Antena yang  akan  digunakan  harus  sesuai  dengan frekuensi gelombang elektromagnetik yang akan dikumpulkan [6]-[8]. Keluaran antena merupakan arus  listrik  dengan  frekuensi  tinggi  yang selanjutnya akan disearahakan dengan menggunakan rectifier .
Salah  satu  jenis  antena  yang  memiliki karakteristik bandwith lebar adalah bentuk kupu- kupu  atau bowtie. Bentuk  antena  ini  merupakan pengembangan dari antena dipole yang memiliki karakteristik  bandwith  sempit  atau narrow [9]- [11].  Jenis  antena  ini  memiliki  parameter  sudut atau flare angle yang mempengaruhi karakteristik bandwitdh antena.

## Tinjauan Pustaka
Karakteristik  antena  sangat  dipengaruhi  oleh bentuk  antena.  Dimensi  antena  akan  sangat berhubungan  dengan  frekuensi  kerja.  Semakin tinggi frekuensi kerja antena maka dimensi antena akan semakin kecil. Hal ini berhubungan dengan panjang  gelombang  elektromagnetik,  sesuai dengan persamaan (1).
𝜆 =   𝑐/𝑓 (1) Dimana, c = kecepatan cahaya (3 x 10 8 m/s) f = frekuensi (hertz) λ = panjang gelomnga (meter)
Antena  kupu-kupu  atau  bowtie  memiliki karakteristik  pita  lebar.  Karaketeristik  pita  lebar ini  dipengaruhi  oleh  sudut  atau  flare  angle. Semakin besar sudut flare angle akan menghasilkan  bandwitdh  yang  lebih  lebar. Parameter lain yang terdapat pada antena bowtie adalah radius dan gap. Kedua parameter ini akan mempengaruhi  karakteristik  frekuensi  tengan antena. Panjang efektif antena didapatkan dengan menjumlahkan kedua radius antena dengan gap.
Pada gambar 1 dapat dilihat rancangan antena bidang  dipole  untuk  frekuensi  siaran  televisi terestrial. Ls adalah panjang substrate. Ws adalah lebar substratr. Ra adalah radius antena. F1 adalah flare angle 1 dan F2 adalah flare angle 2. Dimensi antena dapat dilihat pada tabel 1. Panjang efektif antena  setelah  dijumlahkan  dengan  gap  adalah sebesar  175  mm  dan  lebar  antena  adalah  164,2 mm.  Rasio  panjang  efektif  antena  dengan frekuensi  tengah  antena  adalah  sebesar  34,38%. Nilai ini mendekati sepermepat panjang gelombang frekuensi tengah.
Tabel 1. Dimensi Rancangan Antena Parameter Unit Ls 180 mm Ws 170 mm Ra 85 mm F1 150 0 F2 90 0 Gap 5 mm

## Metoda
Bagian ini akan membahas mengenai langkah – langkah penelitian yang dilakukan.

## 3.1. Software Simulasi
Peracangan antena dilakukan dengan melakukan  simulasi  menggunakan  software Ansys Software (Ansoft) HFSS 15. Metode yang digunakan dalam simulasi adalah metode elemen hingga ( Finite Element Method ). Pada metode ini suatu  objek  dibagi  menjadi  beberapa  bagian dalam  jumlah  yang  terbatas.  Proses  pembagian tersebut  disebut  dengan meshing .  Bentuk geometri antena dapat dilihat pada gambar 2.
Gambar 2. Geometri Simulasi Antena

## 3.2. Parameter Simulasi
Menentukan  parameter  simulasi  yang  tepat sangat  mempengaruhi  keakuratan  hasil  simulasi. Pada  gambar  3  dapat  dilihat  pengaturan  solusi simulasi. Solusi frekuensi yang digunakan adalah sebesar  639  MHz.  Nilai  ini  didapatkan  dari frekuensi tengah penyiaran televisi terestrial pada
rentang  478  –  806  MHz.  sesuai  dengan perhitungan  berdasarkan  pada  persamaan  (2). Penentuan nilai frekueni tengah ini sangat penting untuk mendapatkan hasil simulasi yang akurat.
𝑓 𝑐 = 𝑓 𝑢 − 𝑓 𝑙 2 (2)
Dimana, fc  = Frekuensi tengah fu  = Frekuensi atas atau tinggi fl  = Frekuensi bawah atau rendah
Jumlah maksimum siklus yang dilakukan dalam pengaturan  nilai  maximum  number  of  passes. Dalam  siklus  tersebut  nilai  maksimum  delta  S ditetapkan sebesar 2% atau 0,02.
Gambar 3. Pengaturan Solusi Simulasi
Gambar  4  menunjukan  pengaturan frequency sweep simulasi  yang  berada  pada  rentang  300 MHz  hingga  1  GHz.  Interval  yang  digunakan sebesar  1  MHz,  maka  didapatkan  jumlah  titik frekuensi yang dihitung sebanyak 701 buah titik. Jenis  interval  yang  digunakan  adalah  linear sehingga  jarak  interval  untuk  setiap  titik  tetap. Jenis sweep adalah discrete sehingga nilai medan radiasi untuk setiap frekuensi dianalisa.
Gambar 4. Pengaturan Frequency Sweep
Simulasi
Pengaturan  daerah  radiasi  antena  dapat dilihat  pada  gambar  5.  Nilai  phi  dimulai  pada  0 derajat  hingga  360  derajat  dengan  interval  10 derajat sedangkan nilai theta dimulai dari 0 derajat hingga  180  derajat  dengan  interval  10  derajat. Pengaturan ini diperlukan untuk melihat karakteritik  pola  radiasi  antena.  Dalam  simulasi medan  radiasi  antena  berbentuk  kotak  dengan dimensi 180 mm X 190 mm x 500 mm. Nilai ini sesuai  dengan  seperempat  panjang  gelombang frekuensi minimum dalam frequency sweep .
Saluran  pencatuan    atau  port  antena  diletakan pada  ujung  antena.  Jenis  port  yang  digunakan adalah lumped port dengan resistansi 50 ohm dan reaktansi  0  ohm.  Pengaturan  port  antena  dapat dilihat  pada  gambar  6.  Nilai  ini  sesuai  dengan nilai  impedansi  konektor  dan  saluran  yang umumnya digunakan.
Gambar 6. Pengaturan Port Antena

## Hasil dan Pembahasan
Antena  yang  telah  dirancang  memiliki bandwitdh  dengan  nilai  RL  dibawah  -10  dB sebesar  415  MHz.  Bandwitdh  tersebut  berada dalam  rentang  429,8  Mhz  hingga  844,8  MHz. Fractional  bandwith  dapat  dihitung  dengan menggunakan persamaan (3)
𝐵 𝑓 = 𝑓 𝑢 − 𝑓 𝑙 𝑓 𝑐 𝑥 100% (3)
Dimana,
B f =  Fraktional Bandwitdh f u =  Frekuensi Tinggi f l =  Frekuensi Rendah f c =  Frekuensi Tengah
Berdasarkan perhitungan menggunakan persamaan, fraktional bandwith antena didapatkan sebesar 70,46 %. Dengan menggunakan perhitungan yang sama didapatkan fraktional  bandwitdh  untuk  nilai  VSWR  dengan nilai  di  bawah  2  sebesar  75,98%.  Bandwitdh tersebut  terletak  pada  frekuensi  412,9  MHz hingga  860,4  MHz,  frekuensi  tengah  yang didapatkan  sama  dengan  nilai  yang  didapatkan pada perhitungan return loss.
Hasil  simulasi  nilai  return  loss  antena  dapat dilihat pada gambar 7. Nilai minimum return loss didapatkan  pada  frekuensi  589  MHz  sebesar  - 24,3288  dB.  Untuk  nilai  VSWR  terbaik  adalah 1,1294  pada  frekuensi  yang  sama  dengan  nilai minimum  return  loss.  Hasil  simulasi  nili VSWR antena dapat dilihat pada gambar 8. Dibandingkan dengan  lebar  efektif  antena  sebesar  170  mm didapatkan  hubungan  antara  panjang  gelombang frekuensi  tengah  antena  dengan  lebar  efektif antena sebesar 0,288.
Pada  Gambar  9  dapat  dilihat  hasil  simulasi gain  rancangan  antena.  Gain  antena  merupakan perbandingan  daya  yang  diterima  atau  dikirim suatu antena dengan antena isotropik. Berdasarkan  hasil  simulasi  antena  didapatkan gain  antena  pada  frekuensi  kerja  minimum  pada frekuensi  429,8  Mhz  sebesar  -3,26  dB  dan  pada frekuensi  kerja  maksimum  pada  frekuensi  844,8 Mhz sebesar 0,751 dB.
Gambar 7. Hasil Simulasi Return Loss Antena
Gambar 8. Hasil Simulasi VSWR Antena
Gambar 9. Hasil Simulasi Gain Rancangan Antena
Antena memiliki pola radiasi yang
menunjukan sebaran pancaran gelombang elektromagnetik  yang  diterima  tau  dikirimkan. Pola  radiasi  adalah  penggambaran  pancaran energi  antena  sebagai  fungsi  koordinasi  ruang. Pola  radiasi  dibentuk  dari  pancaran  medan  jauh pada  antena.  Pancaran  yang  dimaksud  adalah intesitas  medan  listrik.  Pada  gambar  10  dapat dilihat  hasil  simulasi  pola  radiasi  rancangan antena  dalam  bentuk  tiga  dimensi.  Pola  radiasi yang  didapatkan  rancangan  antena  sama  dengan pola radiasi yang dimiliki oleh antena dipole yaitu pola radiasi yang bersifat omnidirectional.
Gambar 10. Hasil Simulasi Pola Radiasi Rancangan Antena dalam 3D
Distibusi  medan  listrik  rancangan  antena sesuai  dengan  hasil  simulasi  dapat  dilihat  pada gambar  11.  Dari  gambar  dapat  dilihat  medan listrik  yang  dihasilkan  antena  lebih  besar  pada ujung  antena  yang  dekat  dengan  saluran pencatuan  dan  bagian  sebelah  kiri  antena memiliki intensitas yang lebih besar dibandingkan  dengan  sisi  antena  sebelah  kanan. Bagian  antena  dengan  medan  listrik  tinggi memiliki nilai mendekati 200 V/m.
Gambar 11. Hasil Simulasi Distribusi Medan Listrik Rancangan Antena
Pada  gambar  12  dapat  dilihat  hasil  simulasi distribusi  arus  rancangan  antena.  pola  distribusi arus  pada  rancangan  antena  terpusat  pada  ujung antena dekat dengan saluran pencatuan. Intensitas arus pada daeah tersebut mencapai 10 A/m.
Gambar 12. Gambar . Hasil Simulasi Distribusi Arus Rancangan Antena Pola  radiasi  rancangan  antena  berdasarkan simulasi dapat dilihat pada gambar 12 untuk pola radiasi penguatan ( gain ) dan gambar 13 untu pola radiasi  keterarahan  ( directivity )  antena.  Hasil simulasi tersebut didapatkan untuk frekuensi 639 Mhz  dengan  sudut  phi  sebesar  90  derajat.  Hasil simulasi  menunjukan  pola  radiasi  antena  bentuk pola radiasi dalam sudut theta. Jenis pola radiasi yang  dihasilkan  sama  dengan  pola  radiasi  yang dihasilkan  antena  dipole.  Hal  ini  dikaren rancangan  antena  adalh  pengembangan  antena dipole.
Gambar 12. Hasil Simulasi Pola Radiasi Gain Antena

## Gambar 13. Hasil Simulasi Pola Radiasi Directivity Antena

## Kesimpulan
Rancangan  antena  mampu  beroperasi  pada frekuensi  penyiaran  televisi  terestrial.  Frekuensi kerja  antena  berada  pada  frekuensi  429,8  MHz hingga 844,8 Mhz untuk performansi nilai return loss  dibawah  -10  dB.  Untuk  performansi  antena dengan  nilai  VSWR  dibawah  dua  didapatkan rentang frekuensi kerja antena yang sedikit lebih besar pada rentang 421,9 MHz hingga 860,4 Mhz. Pola  radiasi  yang  disahilkan  rancangan  antena memiliki  jenis  yang  sama  dengan  pola  radiasi antena  dipole  yaitu omnidirectional .  Distribusi medan  listrik  dan  kerapatan  arus  antena berdasarkan  simulasi  memiliki  intensitas  yang tinggi pada ujung antena.

## Ucapan Terima Kasih (Acknowledgement)
Penelitian  ini  didukung  oleh  Dana  Penelitian Dosen Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas  Andalas  dengan  nomor  kontrak 097/UN.16.09.D/PL/2017

## Daftar Pustaka
[1] Andre,  Hanalde.,  “Analisa  Path  Loss Spektrum Frekuensi UHF Untuk Penyiaran TV  Terestrial  Kota  Padang”.  Jurnal Nasional Teknik Elektro (JNTE) Universitas  Andalas  (UNAND),  Vol:  6, No. 1, Maret 2017. [2] P. SANJOY, "Digital Video Distribution in Broadband"  in  Television  Mobile  and
Converged  Networks:  Trends  Challenges and Solutions, Wiley, pp. 384, 2010. [3] Changjiang  Deng;  et.al.,  ”A  Wideband Isotropic  Radiated  Planar  Antenna  Using Sequential Rotated L-Shaped Monopoles,” IEEE  Transactions  on  Antennas  and Propagation,  vol.62,  no.3,  pp.1461,1464, March 2014 [4] Vincetti, L.; Maini, M.; Pinotti, E.; Larcher, L.;  Scorcioni,  S.;  Bertacchini,  A.;  Grossi, D.;  Tacchini,  A.,  ”Broadband  printed antenna  for  radio  frequency  energy harvesting,”  ICEAA,  2012  ,  vol.,  no., pp.814,816, 2-7 Sept. 2012 [5] Scorcioni, S.; Larcher, L.; Bertacchini, A.; Vincetti, L.; Maini, M., ”An integrated RF energy  harvester  for  UHF  wireless powering  applications,”  IEEE  Wireless
Power  Transfer  (WPT),  2013  ,  vol.,  no.,
pp.92,95, 15-16 May 2013
[6] Shoichi  Kitazawa,  Hiroshi  Ban,  and Kiyoshi  Kobayashi,  “Energy  harvesting from  ambient  RF  sources”,  Proc.  2012 IEEE  MTT-S  Int.  Microw.  Workshop Series  on  Innovative  Wireless  Power Transmission: Technologies, Systems, and Applications, THU-B-2, pp. 39–42, Kyoto, Japan, May 2012.
[7] Shoichi  Kitazawa,  Hirokazu  Kamoda, Hiroshi Ban, Naoya Kukutsu, and Kiyoshi Kobayashi,  “Energy  Harvesting  from Broadcasting and Cellular Radio Sources”, IEICE Technical Recport, WPT2013–16, pp. 49–54, November 2013 (in Japanese).
[8] V.  Marian,  B.  Allard,  C.  Vollaire  and  J. Verdier,  “Strategy  for  Microwave  Energy Harvesting  From  Ambient  Field  or  a Feeding Source”, in IEEE Transactions on
Power  Electronics,  vol.  27,  no.  11,  pp. 4481–4491, Nov. 2012.
[9] Andre, Hanalde., Khayam, Umar., “Antena Kupu-kupu  sebagai    sensor  Ultra  High Frekuensi (UHF) untuk Mendeteksi Partial
Discharge pada Gas Insulation Substation”.
Jurnal  Nasional  Teknik  Elektro  (JNTE) Universitas  Andalas  (UNAND),  Vol:  2, No. 2, September 2013.
[10] R.  Persico,  N.  Romano,  F.  Soldovieri,
"Design Of A Balun For A Bowtie Antenna
Inreconfigurable Ground Penetrating Adarsystems", Progress In Electromagnetics Research [C], vol. 18, pp. 123-135, 2011.
[11] H.  Andre,  U.  Khayam,  "Design  of  New Shape  Printed  Bowtie  Antena  for  Ultra
High  Frequency  Partial  Discharge  Sensor in Gas-Insulated Substations”, IEEE, 2013

## Biodata Penulis
Hanalde Andre, menyelesaikan S1 di  Teknik Elektro Universitas Andalas  pada  tahun  2011, S2 Teknik Elektro double degree UNAND - ITB tahun  2013.  Sekarang  sebagai  dosen  di  Jurusan Teknik  Elektro  Fakultas  Teknik  Universitas Andalas. Bidang keahlian adalah teknik telekomunikasi