Yana Taryana a, *, Achmad Munir b, Yaya Sulaeman a, dan Dedi a

Transkripsi

1 Pancangan Low Nois Amplifi dngan Tknik Non Simultanous Conjugat atch untuk Aplikasi Rada S-Band Dsign of Low Nois Amplifi Usg Non Simultanous Conjugat atch Tchniqu fo S-Band Rada Application Yana Tayana a, *, Achmad uni b, Yaya Sulaman a, dan Ddi a a Pusat Pnlitian Elktonika dan Tlkomunikasi, Lmbaga Ilmu Pngtahuan Indonsia Komp LIPI Gd, Jl Sangkuiang /54D, Bandung 435, Indonsia b Laboatoium Glombang miko dan Radio Tlkomunikasi Skolah Tknik Elkto dan Infomatika, Institut Tknologi Bandung Jalan Gansha, Bandung 435, Indonsia Abstak Rada mupakan sistm pmanca dan pnima glombang lktomagntik untuk mndtksi, mnguku jaak dan mmbuat pta bnda bnda spti psawat tbang, kapal laut, kndaan bmoto dan fomasi cuaca. Salah satu kndala yang dihadapi pada sistm ada adalah syal pantulan yang mmiliki daya yang ndah shgga kualitas pnimaan mnjadi kuang baik. Untuk mngatasi kndala tsbut dibutuhkan pnguat daya pada sistm pnima yaitu Low Nois Amplifi (LNA). Olh kana itu, tulisan i mmapakan pancangan LNA dngan mnggunakan tknik Non Simultanous Conjugat atch (NSC) untuk aplikasi ada S-Band. Tknik i mmbikan kmudahan dalam mnntukan nilai tad off (TO) untuk nilai ga, nois figu (NF) dan Voltag Standg Wav Ratio (VSWR) yang digkan. Dalam poss pancangannya, pangkat lunak Agilnt Dsign Systm (ADS) digunakan untuk mndapatkan hubungan antaa lgkaan ga, lgkaan NF, lgkaan VSWR, dan lgkaan mismatch facto (). Dai hubungan tsbut dipolh nilai impdansi masukan dan kluaan dai komponn aktif. Dalam tulisan i, LNA diancang dua tgkat untuk mndapatkan pnguatan yang tggi. asg-masg tgkat mnggunakan komponn aktif BJT BFP4 dngan pnguatan diancang sbsa 3,5 db untuk tgkat ptama dan kdua, dan sbsa,98. Sdangkan untuk saluan pnysuai impdansya mnggunakan substat tflon fibglass DiClad57. Hasil simulasi mnunjukkan kaaktistik LNA pada fkunsi 3 GHz yaitu ga sbsa 8,8 db, NF sbsa,8 db, VSWR sbsa,5 dan VSWRout sbsa,. Kata kunci: ga, LNA, Tad off, nois figu, non simultanous conjugat match, VSWR. Abstact Rada is an objct-dtction systm that uss adio wavs to dtm th ang, angl, o vlocity of objcts. It can b usd to dtct aicaft, ships, moto vhicls, and wath fomations. On of th obstacls facg th ada systm is th flctd signal which has a low pow signal so that th cption quality bcoms poo. To solv this obstacl, a Low Nois Amplifi (LNA) is ndd at civ pat of ada. Thfo, this pap is poposd to discusss LNA dsign usg non simultanous conjugat match (NSC) tchniqu fo S-band ada application. This tchniqu povids convninc dtmg th valu of a tad off (TO) btwn ga, nois figu (NF) and voltag standg wav atio (VSWR) dsid. In dsign pocss, th Agilnt Dsign Systm (ADS) softwa is usd to cat a lationship btwn ga cicl, NF cicl, VSWR cicl, and th mismatch facto () cicl. Fom th sult of that lationship, it can b dtmd th put and output impdanc of th activ componnts. In this pap, two stag LNA is dsignd to obta high ga. Th activ componnts of BJT BFP4 typ a usd fo ach stag wh th ga is dsignd as high as 3.5 db fo fist stag and scond stag and is.98. Whilst, th substat of tflon fibglass DiClad57 typ is usd as micostip ls fo matchg impdanc ntwok. Th simulation sults at 3 GHz fquncy cod th ga of 8.8 db, NF of.8 db, VSWR of.5 and VSWRout of.. Kywods: ga, LNA, tad off, nois figu, non simultanous conjugat match, VSWR. I. PENDAHULUAN Rada (Radio Dtction and Rangg) mupakan sistm pmanca dan pnima glombang lktomagntik untuk mndtksi, mnguku jaak dan * Cospondg Autho. yanvis@gmail.com Rcivd: Novmb 9, 5; Rvisd: Novmb 4, 5 Accptd: Dcmb 4, 5 Publishd: Dcmb 3, 5 5 PPET - LIPI All ights svd doi :.43/jt.v mmbuat pta bnda-bnda spti psawat tbang, kapal laut, kndaan bmoto dan fomasi cuaca. Salah satu sistm ada yang dikmbangkan di PPET- LIPI adalah Rada S-band untuk pngawasan pantai. Salah satu kndala yang dihadapi pada sistm ada i adalah syal pantulan yang mmiliki daya yang ndah shgga kualitas pnimaan mnjadi kuang baik. Untuk mngatasi kndala tsbut maka dibutuhkan sbuah pnguat daya pada bagian pnima yaitu Low Nois Amplifi (LNA) [].

2 46 Yana Tayana dkk. Untuk mmbikan kualitas pnimaan yang baik pada sistm pnima tsbut, maka LNA yang tpasang haus mmiliki nois figu (NF) yang ndah dan ga yang tggi, aga syal yang ditima dapat diposs pada tgkat slanjutnya []. Untuk mndapatkan ga yang tggi, biasanya sbuah LNA diancang dngan sistm btgkat. Akan ttapi sistm pnguat btgkat mmpunyai kkuangan yaitu dapat mmpngauhi knaikan NF [3]. Untuk mngatasi pmasalahan tsbut, maka haus ditntukan nilai tad off (TO) antaa kbutuhan ga dan NF. Untuk itu, tulisan i mmapakan tntang pancangan LNA dngan mnggunakan tknik non simultanous conjugat match (NSC). untuk aplikasi ada S-Band di mana tknik i mmbikan kmudahan dalam mnntukan nilai TO antaa ga dan NF. Pada dasanya tknik NSC adalah mngkondisikan angkaian dalam kadaan mismatch pada bagian masukan. Bsanya nilai mismatch facto () dapat ditntukan ssuai dngan kbutuhan pancangan. Dngan bantuan pangkat lunak Agilnt Dsign Systm (ADS) dapat dibuat hubungan lgkaan ga dngan lgkaan mismatch yang akan mnunjukkan nilai VSWR dan NF [4], [5]. Gamba mmplihatkan hubungan lgkaan ga dngan lgkaan mismatch yang tjadi pada simulasi komponn aktif BJT BFP 4. Dngan bantuan pangkat lunak ADS, dapat dibuat tiga buah lgkaan ga untuk mnntukan ga yang akan dipilih ssuai dngan kgan pancangan spti yang diplihatkan pada Gamba (a). Ga yang dipilih ditandai dngan m sdangkan NF yang dipilih ditandai dngan m spti ditunjukan pada Gamba (b). Pada saat m dipdahkan maka posisi m akan bubah mngikuti lgkaan ga. Nilai TO yang haus diambil adalah ktika tjadi lgkaan mismatch mmotong lgkaan NF. Dai kjadian i maka dipolh nilai TO antaa ga, NF dan VSWR. Hubungan kdua lgkaan itu mnghasilkan juga nilai kofisin flksi sumb (Г S ), impdansi sumb (Z S ), kofisin flksi bban (Г L ) dan impdansi bban (Z L ). II. TOPOLOGI LNA Tdapat bmacam-macam jnis topologi yang dapat digunakan dalam mancang sbuah LNA. Dalam pancangan i, topologi yang digunakan adalah common mitt (CE), di mana syal put pada basis tansisto BFP4 sdangkan output-nya pada bagian kolktonya. Topologi i dipilih aga syal masukan mndapatkan snsitivitas dan liitas yang baik [6]. Pada Gamba untuk mncapai ga maksimum pada pnguat tgkat ptama haus mmnuhi Г S = Г * dan Г L = Г out * sdangkan pada pnguat tgkat kdua Г S = Г * dan Г L = Г out * [7] - []. Kondisi tsbut sangat sulit dicapai dngan tknik simulatanous conjugat match kana mnuut Psamaan dan, Г dipngauhi olh Г L dan Г out dipngauhi olh Г S. Kjadian i blaku juga untuk pnguat tgkat kdua. Sdangkan pada tknik NSC dapat mnydhanakan phitungan matmatis kana lgkaan ga pada Smith chat mmbikan nilai Z L dan Zs shgga tidak haus mnghitung nilai Г dan Г out. Simbol dan pada Gamba, masg masg RF In (a) (b) Gamba. (a) Lgkaan Ga, (b) Lgkaan Nois Figu dan ismatch. mnunjukkan nilai mismatch facto put pada pnguat tgkat ptama dan nilai mismatch facto put pada pnguat tgkat kdua. Saat tjadi tansf daya maksimum, maka VSWR bnilai satu atya syal daya RF yang basal dai sumb dituskan spnuhnya olh pnguat. Kondisi i dapat dyatakan dngan impdansi mismatch fakto () =. Sbaliknya, apabila angkaian dalam kadaan missmatch, maka syal daya yang dikiim tidak spnuhnya dituskan ttapi ada sbagian daya yang dipantulkan k sumb. Scaa matmatis, kondisi i dapat dyatakan bahwa VSWR >, atau <. Dalam tknik NSC, kondisi missmatch tsbut mupakan ZS = 5 Ω Input acthg Ntwok ГS Г DC Biasg BFP 4 Intstag BFP 4 acthg Ntwok Гout ГL ГS Г Гout Gamba. Topologi LNA Tgkat. Output acthg Ntwok ГL RF Out ZL = 5 Ω ISSN 4-889

3 Pancangan Low Nois Amplifi dngan Tknik Non Simultanous Conjugat atch untuk Aplikasi Rada S-Band 47 bagian tpntg untuk mancang angkaian pnysuai impdansi. S out S SSL S L SS S S S () () III. PERANCANGAN Bdasakan Gamba, langkah ptama pancangan sbuah LNA adalah mnntukan angkaian catu daya. Konfiguasi angkaian catu daya untuk pancangan LNA i ditunjukkan olh Gamba 3. Rangaka i diancang dngan tgangan catu daya (V CC ) = 5 Volt, ß =, I C = ma, V BE =,7 Volt dan V CE = Volt. lalui Psamaan 3, 4, dan 5 maka dipolh nilai-nilai sistansi R, R, dan R 3 adalah Ω, 8 Ω, dan 3, KΩ. V CC I C R3 L Ib Ic Vcc R R L (Ib + Ic) C Gamba 3. Rangkaian Catu Daya. ( Ic I b ) R IcR V CE (3) Ic Ib (4) cr VCE IbR3 VBE (5) Langkah slanjutnya adalah mnsimulasikan angkaian catu daya i dngan mnggunakan softwa ADS untuk mmpolh paamt scattg (S) dai tansisto BJT BFP4. Paamt S yang dipolh pada fkunsi 3 GHz adalah: S =,54 6,94 S =,75 48,95 S = 4,4 63,98 S =,5-37,64 Paamt-paamt S i digunakan untuk mnntukan daah kstabilan pnguat mlalui Psamaan 6 dan 7. Pada Gamba, LNA pada tgkat ptama dan kdua diancang dngan kaaktistik yang sama, yaitu ga 3,5 db, NF <,8 db dan VSWR <,5. Dai spsifikasi tsbut maka dipolh nilai Z S = 3,95 j6,65 dan Z L = 36,55 j,7. Nilai-nilai impndansi tsbut diplukan untuk mancang angkaian pnysuai impdansi. Rangkaian i mupakan bagian yang pntg untuk mndapatkan tansf pnguatan yang maksimal. Pnguatan dapat dihitung dngan mmbuat hubungan antaa tanduc ga (G t ) dan opatg Ga (Gp) dngan mismatch facto () scaa matmatis dyatakan olh Psamaan 8 dan 9. Sdangkan hubungan VSWR dngan ditunjukkan olh Psamaan. Psamaan mnunjukkan hubungan dngan NF [7]. L S ( L ) S ( S ) ( ) GT. (8) S ( ) L L S )( S ( ) S ( ) GT. (9) S ( ) G p VSWR () Untuk pnguat btgkat maka nilai NF dapat dipolh dngan mnghitung NF-nya mlalui Psamaan dan, yaitu: F tot F ( F ) () GP F F Fm () Langkah slanjutnya adalah mancang angkaian pnysuai impdansi untuk masg-masg tgkat pnguat. Pada Gamba, tdapat tiga konfiguasi angkaian pnysuai impdansi, yaitu put impdanc matchg ntwok, tstag impdanc matchg ntwok dan output impdanc matchg ntwok []. Nilai-nilai yang dipolh untuk masg masg pnysuai impdansi haus dikonvsi pada nilai dimnsi micostip l mlalui Psamaan 3 dan 4. W.6 B lnb lnb,39 (3) h p di mana, 377p B Z o S (6) S SS S S K S S (7) Dai Psamaan 6 dan 7, maka dipolh nilai =,33-53, dan K =,4. Untuk nilai < dan K >, maka pnguat dalam kadaan stabil tanpa syaat shgga poss pancangan bisa dilanjutkan pada poss bikutnya. di mana, (4),55,63 w h c f A. Input Impdanc atchg Ntwok Sluuh angkaian pnysuai impdansi diancang dngan mnggunakan saluan mikostip dai bahan substat alon tflon fibglass DiClad57 dngan JURNAL ELEKTRONIKA DAN TELEKOUNIKASI, Vol. 5, No., Dsmb 5

4 48 Yana Tayana dkk. kaaktistik ktbalan (h),6 mm, pmitivitas ( ),5, ktbalan kondukto (t),36 mm dan loss tangnt (tan δ),8. Pnylsaian untuk put impdanc matchg ntwok adalah mmbuat kondisi Z S = Z, di mana Z sbagai impdansi kaaktistik saluan sbsa 5 Ω. Gamba 4 mnggambakan pnylsaian gafis mlalui bantuan Smith chat untuk mnntukan nilai jaak stub dan panjang stub dai angkaian pnysuai impdansi. Pnylsaian gafis i mnghasilkan konfiguasi bupa angkaian stub tunggal paalll dngan jaak stub (l A ) = (,3-,56) λ =,67 λ dan panjang stub (l S ) =,9 λ. Slanjutnya mlalui Psamaan 3 dan 4 maka dipolh l A = 4,65 mm dan l S = 7,56 mm. C. Intstag Impdanc atchg Ntwok Pnylsaian untuk tstag impdanc matchg ntwok dapat dilakukan dngan caa mnysuaikan impdansi Z ln thadap impdansi Z sn spti ditunjukkan pada Gamba 6. Pnylsaian gafis untuk jagan pnysuai impdansi i, yaitu dngan mmbuat lgkaan dngan jai-jai sbsa magnitud dai Z sn shgga mnghasilkan titik D (,73+j,64). Kmudian titik D dibuat lgkaan mngikuti lgkaan sistansi konstan mnuju titik Z ln shgga dihasilkan sbuah kapasitansi si. Bsanya kapasitansi ditntukan olh (-j,4-j,64) = -j,854, slanjutnya nilai aktansi tsbut domalisasi kmbali thadap impdansi 5 Ω shgga dihasilkan -j,854 shgga dipolh kapasitansi si sbsa,4 pf. l S l A A y S Z S Gamba 4. Pnylsaian Gafis Input Impdanc atchg Ntwok. B. Output Impdanc atchg Ntwok Pnylsaiaan pada output impdanc matchg ntwok adalah impdansi (Z ln ) tnomalisasi haus sama dngan impdansi Z O pada sisi output. Dngan caa yang sama dngan pnylsaian put impdanc matchg ntwok maka dipolh pnylsaian gafis yang ditunjukkan olh Gamba 5. Dai Gamba 5 dipolh pnylsaian untuk jaak stub l C =,4 λ + (,5,38) λ =, λ = 4, mm dan untuk panjang stub (l o ) =,6 λ = 4, mm. lo lc C lc Gamba 6. Pnylsaian Gafis untuk Intstag Impdanc atchg Ntwok. IV. KARAKTERISASI DAN PEBAHASAN Poss akhi pancangan mnghasilkan angkaian lngkap LNA spti yang ditunjukkan pada Gamba 7. Rangkaian tsbut dilngkapi dngan RF chok dan DC blockg. RF chok ditunjukkan olh komponn C, C, L, L, C5, C6, L3, dan L4 sdangkan DC blockg ditunjukkan olh C9 dan C. Poss slanjutnya adalah mnsimulasikan angkaian LNA pada Gamba 7 untuk mndapatkan kaaktisasi hasil pancangan. Kaaktisasi hanya dilakukan pada paamt ga, VSWR, VSWRout dan NF kana yang hasilnya diplihatkan olh gafik pada Gamba 8, 9, dan. 3, K R 8, uf 5 pf 5 pf C9 C 5 pf R5 Vcc 5 V 3, K 8, uf 5 pf y ln R R3 C3 C4 R6 R7 C7 C8 Z ln, uf 5 pf C C 8 nh nh, uf 5 pf C5 C6 8 nh nh L3 L4 47pF L L T4 C RF out C 47pF RF C9 T BFP 4 T3 BFP 4 T5 T Gamba 5. Pnylsaian Gafis Output Impdanc atchg Ntwok. Gamba 7. Rangkaian Akhi Hasil Pancangan. ISSN 4-889

5 Nois Figu (db) VSWR Ga (db) Pancangan Low Nois Amplifi dngan Tknik Non Simultanous Conjugat atch untuk Aplikasi Rada S-Band Fkunsi (GHz) Gamba 9. Gafik VSWR dan VSWRout Hasil Simulasi Fkunsi (GHz) Gamba 8. Gafik Ga Hasil Simulasi. Gamba 8 mmplihatkan bsanya pnguatan thadap fkunsi. Pnguatan mngalami pnuunan dngan btambahnya fkunsi walaupun nilai pnuunannya tidak tlalu bsa. Atya tknik NSC i mmbikan spon fkunsi sbagai low pass filt dngan pnguatan pada fkunsi tngah (3 GHz) sbsa 8,8 GHz. Bsanya pnguatan yang bbda bda pada stiap spon fkunsi, kmungkan tjadi kana nilai dai substat tflon fibglass Diclad57 bbda-bda pada stiap fkunsi shgga mnybabkan angkaian pnysuai impdansi pada stiap fkunsi bbda-bda pula. Hal i tjadi juga pada hasil simulasi untuk VSWR dan NF. VSWR VSWRout Fkunsi (GHz) Gamba. Gafik Nois Figu Hasil Simulasi. Untuk mndapatkan kaaktistik yang baik maka plu dilakukan pngukuan tlbih dahulu thadap matial substat untuk mndapatkan nilai yang tpat pada stiap fkunsi. Caa i mmbutuhkan waktu dan palatan yang dapat mnguku nilai. Caa lanya adalah dngan mngoptimalisasi angkaian pnysuai impdansi saat poss simulasi dngan mngatu jaak dan panjang stub. KESIPULAN Poss pancangan dan simulasi LNA dua tgkat untuk aplikasi S band tlah dilakukan untuk mndapatkan kaaktisasi ssuai dngan kbutuhan. Hasil simulasi pada fkunsi 3 GHz mmpolh kaaktistik LNA dngan ga sbsa 8,8 db, VSWR dan VSWRout masg masg adalah, dan,5, sdangkan NF sbsa,8 db. Scaa ksluuhan hasil simulasi yang tbaik bada pada ang fkunsi,9-3, GHz. Dai hasil tsbut maka LNA hasil pancangan i mmnuhi kbutuhan sistm ada dan dapat dilanjutkan pada poss alisasi. Pancangan LNA dngan tknik NSC mmbikan kmudahan dalam mnntukan nilai TO, ga, VSWR dan NF. UCAPAN TERIA KASIH Pnulis mngucapkan tima kasih kpada PPET - LIPI atas fasilitas yang tlah digunakan dalam pnlitian i dan DIPA Tmatik atas pndanaan pnlitian. DAFTAR PUSTAKA [] G. Shamila, E. G. Govdan, A novl dsign of low nois f amplifi L-band fo othogonal fquncy division multiplxg, IPCSIT, vol., pp. 76-8,. [] T. Thai, Low nois amplifi dsign fo opatg fquncy of 4. GHz, ECE 445a, Pojct, 7. [3] E. Bhaata, Pnguat daya micowav 6 GHz untuk stasion bumi kcil, Tsis, Bandung, Pogam Pascasajana Elktotknik, Institut Tknologi Bandung, 995. [4] F. K. W. L. (8). Small signal amplifi dsign. [Onl]. Availabl: [5] Y. Tayana,. Wahab, P. Daud, D. ahmud, Studi pancangan pnguat glombang miko dngan tknik simultanous conjugat match dan non simultanous conjugat match, dalam Pocdg IPT-LIPI, 3. [6] H. G. alvo, Psip-psip Elktonika, Jakata, Inonsia: Pnbit Elangga, 98. [7] S. Y. Liao, icowav Cicuit Analysis and Amplifi Dsign, Nw Jsy, USA: Pntic-Hall, Inc.,987. [8] G. Gonzalz, icowav Tansisto Amplifis Analysis and Dsign, Nw Jsy, USA: Pntic-Hall, Inc.,997. [9] D. K. isa, Radio-Fquncy and icowav Cicuits Analysis and Dsign, Nw Yok, USA: John Wily & Sons,. [] D.. Poza, icowav Engg, Blmont, Nw Yok- USA: John Wily & Sons, 998. [] Y. Tayana, A. uni, Y. Sulaman, and S. Hmana, Two stag low nois amplifi 3 GHz usg non simultanous conjugat match tchniqu, Pocdgs of ICRAET, i 4. [] A. B. Ibahim, A. Sallh,. R. Husa, and. J. ohamad, Dsign of Cascod LNA Usg icostip atchg Ntwok fo Wilss Applications, Pocdgs of Intnational Confnc on Imag Pocssg and Elctonics Engg, Dc 3. JURNAL ELEKTRONIKA DAN TELEKOUNIKASI, Vol. 5, No., Dsmb 5