Perancangan Radio Frequency High Gain Low Noise Amplifier pada Frekuensi 2,3 GHz untuk Mobile WiMax

Transkripsi

1 JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, EPTEMBER 2: 5- Perancangan Radio Frequency High Gain Low Noise Amplifier pada Frekuensi 2,3 GHz untuk Mobile WiMax Toto upriyanto *, Teguh Firmansyah, dan Anton Nugroho 2. Teknik Telekomunikasi, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Jakarta, Depok 6425, Indonesia 2. Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 6424, Indonesia * totosupr@yahoo.com Abstrak Dalam artikel ini membahas simulasi dan desain penguat derau rendah atau low noise amplifier (LNA) pada sistem radio frekuensi untuk aplikasi mobile worldwide interoperability for microwave access (WiMax) pada frekuensi 2,3 GHz sesuai dengan standar IEEE 82.6e. inyal pada sistem radio frekuensi dipancarkan dalam bentuk gelombang mikro dengan keluaran yang sangat rendah. Oleh karena itu, sistem radio penerima harus mempunyai penguat dengan penguatan yang tinggi dan derau yang serendah-rendahnya. Perangkat penguat ini yang disebut oleh LNA yang terletak pada urutan pertama dalam blok diagram penerima pada sistem radio frekuensi. LNA tersebut dirancang dengan menggunakan mikrostrip. Komponen aktif penyusunnya berupa transistor ATF-3443 produksi Agilent Technologies yang mempunyai gambaran derau (noise figure) yang kecil dan penguatan yang tinggi. Hasil akhir dari simulasi LNA memberikan noise figure sebesar,456 db dan gain sebesar 36,3 db. Abstract Design Radio Frequency High Gain Low Noise Amplifier At 2,3 Ghz for Application Mobile WiMax. This article discusses design and simulation of low noise amplifier (LNA) at 2.3 GHz for mobile worldwide interoperability for microwave access (WiMax) based of IEEE 82.6e standard at system of frequency radio. The signal at system of frequency radio transmitted in microwave with very low output. In consequence, the radio receiver system must have lasing with high gain and noise as low as possible. This peripheral to amplify is called by LNA that lie in first sequence in block of frequency radio receiver system diagram. LNA are designed by using microstrip. The active component its formed is transistor ATF-3443 from Agilent Technologies that have low noise figure and high gain. The final result from simulation of LNA for noise figure and gain are.456 db and 36.3 db. Keywords: gain, LNA, mobile WiMAX, noise figure. Pendahuluan istem komunikasi worldwide interoperability for microwave access (WiMax) merupakan teknologi akses nirkabel pita lebar yang memiliki kecepatan akses yang tinggi dengan jangkauan yang luas. Bagian penerima pada sistem WiMax sama halnya dengan sistem penerima radio frequency (RF) yang ditunjukkan pada Gambar, salah satunya adalah LNA. inyal yang diterima dari pengirim lewat melalui antena dan diteruskan masuk ke bandpass filter kemudian diperkuat oleh low noise amplifier (LNA) atau penguat yang berderau rendah. LNA merupakan salah satu blok rangkaian dalam sistem penerima RF yang digunakan untuk memperkuat sinyal [-2]. Pada komunikasi nirkabel, LNA harus mampu menerima sinyal yang sangat lemah dari pengirim dan harus mampu memperkuat sinyal tersebut sampai Gambar. Diagram Blok RF Receiver 5

2 6 JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, EPTEMBER 2: 5- Tabel. pesifikasi LNA pesifikasi Nilai Frekuensi 2,3 GHz [3] Gain > db [7] Noise Figure < db [7] Input dan output return loss <- db [] Faktor Kestabilan > [6] Tabel 2. Library ATF-3443 pada AD Gambar 2. Blok Rangkaian LNA beberapa puluh db agar dapat dicapai level yang cukup untuk diberikan ke perangkat penerima. Oleh karena itu, parameter yang perlu diperhatikan dalam merancang LNA yaitu gain, noise figure, masukan dan keluaran rangkaian penyesuai impedansi, dan kestabilan [3-4]. Tipe model Library ub-library Nama model -parameter (, 3, GHz) -parameter Lib. Agilent sp_hp_atf- 3443_5_99929 LNA dirancang pada frekuensi 2,3 GHz sesuai dengan standar IEEE 82.6e untuk aplikasi mobile WiMax. Karena perhatian perancangan LNA tertuju pada noise figure secara keseluruhan pada bagian penerima RF, hampir semua metode didasarkan pada optimasi dari performansi noise dan gain. Performansi noise dari LNA secara langsung berhubungan dengan masukan dan keluaran rangkaian penyesuai (matching). Rangkaian penyesuai biasanya dikenal dengan rangkaian penyesuai impedansi yang dirancang dengan tujuan untuk menyesuaikan masukan supaya daya yang dikirim dapat maksimum sampai ke beban [5-6]. Blok diagram LNA ditunjukkan pada Gambar Metode Penelitian Gambar 3. Bias ATF Tingkat [7] ebelum melakukan perancangan, maka harus ditentukan terlebih dahulu spesifikasi yang diharapkan. pesifikasi secara lengkap terlihat pada Tabel. Untuk merancang suatu LNA, tahap pertama adalah memilih transistor sesuai spesifikasi yang disyaratkan. Hal yang harus diperhatikan adalah konsumsi daya yang rendah, noise figure, dan gain. Pemilihan transistor di sini dengan bantuan software AD di mana terdapat library berbagai model transistor yang dapat digunakan untuk merancang LNA. Transistor yang dipilih adalah ATF-3443 dengan DC bias VD 4 V dan ID 6 ma. Tabel 2 menunjukkan library transistor ATF yang terdapat pada AD [7-9]. ATF-3443 merupakan pseudomorphic high electron mobility transistor (phmet) yang memiliki nilai mobilitas elektro yang tinggi dibandingkan dengan jenis FET. Gambar 4. Hubungan antara Faktor Kestabilan K terhadap Frekuensi pada Bias ATF Tingkat Berdasarkan data sheet ATF-3443 (Gambar 3 dan 4): V DD 9 V V D 4 V I D 6 ma V G,34 V

3 JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, EPTEMBER 2: 5-7 Dengan mengambil nilai I BB kali Igss maksimum Igss maksimum 3 µa Dengan demikian I BB x 3 µa 3 ma V,34 V R G 3,3 Ω () I 3 ma BB ( V V ) ( ) D G 4,34 V R 2 22 Ω (2) I BB 3 ma ( VDD VD ) ( I I ) D BB ( ) 9 4 V R3 79 Ω ma (3) Untuk besarnya kapasitas kapasitor blocking mengacu dari panduan perancangan rangkaian bias transistor pada AD yaitu mempunyai nilai µf sedangkan induktansi dari RFC sebesar mh [6,9-]. Bentuk skematik dari rangkaian bias ATF tingkat ditunjukkan pada Gambar 5. Pada frekuensi 2,3 GHz, desain rangkaian matching mengikuti nilai -parameter di bawah ini:,667 4, 7 2,6 57, ,4 64, ,83 7, 67,567 83,897 Γ OPT Rangkaian penyesuai (matching network) terdiri dari masukan (sumber) dan keluaran (beban) yang dirancang dengan impedansi karekteristik yang berbeda. Besarnya nilai Y dan Y L bergantung pada koefisien refleksi sumber Г dan koefisien refleksi beban Г L. Pada LNA, nilai Y bergantung pada nilai Г Г OPT [-]. ehingga Γ Γ,567 83,897 OPT. Gambar 5. kematik Bias ATF Tingkat Γ ΓOPT Y Γ + ΓOPT,567 83,897 5,567 83,897 + dalam bentuk bilangan kompleks Y,94 j,56 Penentuan nilai admitansi beban Y L sama halnya nilai dari koefisien refleksi beban Г L ditentukan oleh Pers. (4). 22ΓOPT Γ L 22 + ΓOPT,83 7,67 +,3678 9, 46 ΓL,3678 9,46 YL 5 L 5,3678 9,46 + Γ + dalam bentuk bilangan kompleks Y,55 j,32 L (4) (,6 57, 252 )( 45,4 64,852 )(,567 83,897 ) (,667 4,7 )(,567 83,897 ) Langkah berikutnya menentukan rangkaian penyesuai masukan. Y,94 j,56 sehingga: untuk λ, 4 Dengan nilai: Untuk 3 λ, 8 5 Re Y 5,94 72,93 Ω Im Y,56 64,26 Ω Langkah terakhir menentukan rangkaian penyesuai keluaran. Penentuan nilai impedansi karakteristik untuk rangkaian penyesuai keluaran sama halnya dengan rangkaian penyesuai masukan. Y L,55 j,32 5 Re YL untuk λ, 4 5,55 56,796 Ω ( Im) YL untuk 3 λ, 8,32 75,75 Ω

4 8 JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, EPTEMBER 2: 5- Bentuk skematik sementara LNA berdasarkan impedansi karakteristik yang berbeda, ditunjukkan oleh Gambar 6. Impedansi karakteristik pada rangkaian penyesuai masukan dan keluaran digunakan untuk menentukan panjang l dan lebar W pada mikrostrip. Bahan mikrostrip yang digunakan adalah duroid (ε r 2,23, h,7874 mm). Konversi nilai menjadi panjang l dan lebar W dilakukan secara manual dengan perhitungan matematis sesuai dengan persamaan (5) [5,7,]. A 8e (5) 2A W e 2 h 2 B ln 2 π 377π B 2 ε r εr ( B ) + ln( B ) ε 2 r ; W h < 2,6 +,39 ; W h > 2 εr λ ε r λ ; W h,6,255 εr +,63( εr )( W h) 8 3 m s λ f 2 (6) (7) (8) Panjang mikrostrip l adalah lλ/4 dan l3λ/8, sehingga diperoleh besaran mikrostrip sebagai berikut: Untuk nilai 72,93 Ω. Maka nilai W memenuhi, 377 3,4 B 5, ,93 2,23 Berdasarkan persamaan (5) W 2 5,4348 ln h 3,4 W, h W,298 mm 2,23 2 2,23 ( 2 5,4348 ) + ln( 5,4348 ),6 +,39 2,23 Mencari l : Berdasarkan persamaan (8), pada frekuensi 2,3 GHz 8 3 m s λ 3,4 mm 2,3 GHz ehingga secara keseluruhan mngikuti dimensi: Untuk rangkaian masukan saluran λ/4 72,93 Ω W,298 mm l 24, mm; Untuk rangkaian masukan saluran 3λ/8 64,26 Ω W2, mm l2 35, mm; Untuk rangkaian keluaran saluran 3λ/8 75,75 Ω W3, mm l3 36, mm; Untuk rangkaian keluaran saluran λ/4 56,796 Ω W4, mm l4 29, mm. Bentuk rangkaian mikrostrip LNA berdasarkan impedansi karakteristik yang berbeda [8,], ditunjukkan pada Gambar 7. ecara layout terlihat pada Gambar 8. Gambar 7. Rangkaian Mikrostrip LNA Berdasarkan persamaan (7) 3,4 mm λ 2,23 +,63 λ 96, mm l λ 24, mm 4 2,23 ( 2,23 )(, ),255 2 Gambar 6. kematik LNA dengan Impedansi Karakteristik yang Berbeda Gambar 8. Layout LNA

5 JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, EPTEMBER 2: Hasil dan Pembahasan Pada hasil simulasi dan optimasi LNA dengan optimasi circuit dengan software AD [], maka akan terlihat hasil seperti pada Gambar 9. Pada Gambar 9 terlihat bahwa LNA memiliki nilai gain yang lebih besar dari spesifikasi yang diharapkan, nilai gain-nya mencapai 36, db. ementara itu, pada Gambar terlihat bahwa LNA memiliki nilai noise yang sangat rendah, yang mencapai,465 db. Gambar dan 2 memperlihatkan nilai input return loss dan output retrun loss yang mencapai kondisi yang diharapkan yaitu kurang dari - db. Gambar 9. Hubungan antara 2 (Gain) dan 2 (Refleksi) terhadap Frekuensi Gambar. Hubungan antara Noise Figure dan Noise Figure Minimum terhadap Frekuensi pada LNA Gambar. Hubungan antara Input Return Loss ( ) terhadap Frekuensi pada LNA Gambar 2. Hubungan antara Output Return Loss ( 22 ) terhadap Frekuensi pada LNA setelah Optimasi 4. impulan Dari hasil penelitian ini dapat diambil beberapa kesimpulan bahwa pemilihan transistor ATF-3443 berdasarkan pada performansi noise yang rendah dan gain yang tinggi yang disusun menjadi 2 tingkat menyebabkan gain meningkat, noise figure mengecil dan transistor menjadi lebih stabil. Perlakuan optimasi menggunakan software AD pada input dan output open-circuited stub LNA mempengaruhi noise figure, gain, dan return loss. Hasil dari optimasi input dan output open-circuited stub LNA yaitu noise figure sebesar,456 db, gain sebesar 36,3 db, serta input dan output return loss sebesar -23,892 db dan -4,929 db. Daftar Acuan [].B. Dharmpatre, Thesis Master, Technology Electronics and Telecommunication Engineering, Govt. College of Engineering, Pune, India, 26. [2] G. Gonzales, Microwave Transistor Amplifiers Analysis and Design, Prentice-Hall, New Jersey, 997, p.56. [3] J. He, J.. Yang, Y. Kim., A.. Kim, Proceedings of the 26 IEEE International on Behavioral Modeling and imulation Workshop, Athens, 26, p.38. [4] W. Indrian, Analisis Qo WiMax IEEE 82.6e, Learning Center Institut Teknologi Telkom, _repository&itemid34&taskdetail&nim6 86, 28. [5].Y. Liao, Microwave Devices and Circuits, Prentice-Hall, New Jersey, 99, p.542. [6] D.M. Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & ons Inc., New York, p.72. [7] Anon., Practical Noise-Figure Measurement and Analysis for Low-Noise Amplifier Designs, Agilent Technologies, com/litweb/pdf/598-96e.pdf, 2. [8] L. Lascari, Design Techniques for First Pass RF Board Design, Agilent EEsof EDA, Agilent

6 JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, EPTEMBER 2: 5- Technologies, litweb/pdf/ en.pdf, 28. [9] V.R. Aitha, M.K. Imam, Master s Thesis in Electrical Engineering, chool of Information cience, Computer and Electrical Engineering, Halmstad University, weden, 27. [] Anon., RF, RFIC & Microwave Theory, Design, [] H. Varma, N. Kunder, K. Daruwalla K., Low Noise Amplifier Design Project [EB/OL], ELE 79 Microwave Transistor Amplifier, A.pdf, 27.