Perancangan dan Pembuatan RF downlink 436,915 MHz untuk Transmitter Satelit Nano IINUSAT-01

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol., No., (202) -6 Perancangan dan Pembuatan RF downlink 436,95 MHz untuk Transmitter Satelit Nano IINUSAT-0 Musmulyadi ), Gamantyo Hendrantoro 2), Ir. Endroyono, DEA 3) ) Mahasiswa Sarjana Bidang Studi Telekomunikasi Multimedia, Teknik Elektro ITS, musmulyadi09@mhs.its.ac.id 2) Dosen Pembimbing Tugas Akhir, Teknik Elektro ITS, Surabaya 60, gamantyo@ee.its.ac.id 3) Dosen pembimbing Tugas Akhir, Teknik Elektro ITS, Surabaya 60, endroyono@ee.its.ac.id Abstrak RF Downlink Satelit ini merupakan suatu RF Downlink yang dapat memancarkan sinyal dari satelit ke Ground Station untuk komunikasi data atau suara yang memiliki dimensi sangat kecil (nano satellite). RF Downlink Satelit terdiri dari berbagai macam modul seperti baseband, PAD (Packet Assembler Disassembler), RF Downlink dan RF Uplink. RF Downlink berfungsi memancarkan sinyal dari satelit hingga ratusan kilometer. Dalam perancangan dan pembuat modul RF Downlink yang bekerja pada frekuensi 435,95MHz dan RF Downlink memiliki 2 bagian utama yaitu upconverter frekuensi dan power amplifier. Upconverter berfungsi menaikan frekuensi menjadi 435,95MHz dari inputan baseband dan power amplifier berfungsi menaikan daya sinyal. Hasil pengujian menunjukan bahwa upconverter mampu menghasilkan frekuensi center 436,95 MHz dengan daya sebesar 7,6dBm. Hasil ini sesuai dengan spesifikasi yang dibutuhkan sebagai Rf downlink untuk payload satelit IINUSAT-0. Kata Kunci : RF Downlink, payload, satelit nano, power Amplifier K I. PENDAHULUAN emajuan teknologi satelit didunia berdampak terhadap mahasiswa-mahasiswa Indonesia yang ikut terpacu untuk turut serta dalam pengembangan satelit mahasiswa pertama di Indonesia yang bernama (Indonesia Inter-University Satellite) IINUSAT-0 []. Diharapkan nantinya satelit ini dapat digunakan sebagai sarana belajar dalam space engineering yang terintegrasi dalam jaringan kerjasama perguruan tinggi, serta dapat dimanfaatkan untuk kepentingan eksperimental komunikasi yang berguna untuk bantuan komunikasi darurat saat bencana, eksperimental early warning system dan informasi perikanan ke daerah nelayan. Untuk mendukung tercapainya teknologi satelit ini maka dibutuhkan sebuah transmitter yang berguna melakukan fungsi mengirim data dari satelit ke stasiun bumi control (GS-C), sehingga dalam kondisi dimanapun dan kapanpun atau dalam keadaan darurat dapat selalu mengirimkan data ke stasiun bumi control (GS-C) dengan baik. RF transmitter terdiri dari berbagai macam modul penyusunnya, salah satunya modul RF Downlink. RF Downlink ini bekerja di frekuensi 436,95 MHz. RF Downlink nantinya akan mencampur sinyal informasi tersebut kedalam frekuensi yang lebih tingi. Modul RF Downlink memperoleh inputan sinyal yang berasal dari baseband dan menghasilkan sinyal frekuensi radio yang telah dimodulasi yang selanjutnya akan dipancarkan melalui antenna keudara bebas. RF Downlink terbagi menjadi 2 tahap yaitu Upconverter dan Power Ampllifier (PA), Up-converter ini berguna untuk menaikkan frekuensi dari IF 0,7 MHz yang berasal dari digital-to-analog converter (DAC) dicampur dengan frekuensi carier yang lebih tinggi dan selanjutnya akan dikuatkan oleh Power Amplifier (PA) [2]. II. METODE PERANCANGAN Pada prinsipnya Phase Lock Loop (PLL) adalah suatu feedback control rangkaian yang terdiri atas phase detector, loop filter dan voltage controlled oscillator (VCO) [5]. Peran utama PLL dipegang oleh phase detector yang bertugas membandingkan phase input signal dari VCO dengan suatu referensi dan sebagai outputnya beda phase. Kemudian voltage pada VCO mengubah frekuensi kearah memperkecil perbedaan antara sinyal referensi dengan sinyal feedback dari VCO. Bila Gambar Diagram Blok Dasar PLL [].

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol., No., (202) -6 2 loop menjadi locked, maka control voltage berada pada posisi dimana frekuensi rata-rata sinyal feedback tepat sama dengan frekuensi referensi. Kesuksesan perancangan suatu PLL sebagian besar ditentukan oleh perancangan loop filter yang baik. Hal ini disebabkan pada saat terjadi perbedaan fase, phase detector akan mengeluarkan perbedaan voltage yang berubah-ubah naik turun. Loop filter harus mampu menahan goyangan voltage tersebut sehingga perubahan voltage yang masuk ke VCO menjadi mulus. Sinyal RF yang dikirim masih lemah maka dibutuhkan penguatan daya atau power amplifier agar dapat ditransmisikan ke penerima, power amplifier seperti yang ditunjukan Gambar 2. Perancangan suatu pemancar tidak hanya terdiri dari blok PA, tetapi juga terdiri dari berbagai blokblok lainnya yang meliputi osilator, mixer, lowlevel amplifier, filter, matching network, VCO (Voltage Control Oscilator) dan combiner. Namun dari berbagai blok tersebut sebenarnya hanya tersusun dari 2 bagian utama yaitu PLL frequency synthesizer dan PA. Penempatan dan pengaturan dari susunan bangunan blok-blok ini dikenal dengan arsitektur suatu pemancar. Antena UHF dan VHF Final Amplifier Buffer&Driver Amplifier PLL Frequency Synthesizer Power Amplifier Upconverter Frekuensi RF downlink 436,95 MHz RF uplink Modulator 9600bps Demodulator 200 bps PAD (AX.25+FX.25) Gambar 3. Blok Sistem RF Payload Satelit Nano Gambar 2 Topologi Dasar Single-ended PA [] PA adalah komponen elektronika yang digunakan untuk menguatkan sinyal dimana parameter yang digunakan adalah tegangan dan daya tanpa mengubah nilai frekuensi. G db = 20 log Vout Vin G db = 0 log Pout Pin Topologi dasar dari suatu single-ended PA (gambar 2) yang meliputi perangkat aktif, kaki DC dan output filter atau jaringan matching impedansi [3]. rangkaian ini sangat tepat pada perancangan ini karena memiliki linearitas relatif lebih kecil, effisiensi tinggi, distorsi relatif besar dan disipasi daya yang dihasilkan relatif rendah. Linearitas sangat erat hubungannya dengan besar distorsi yang terjadi pada kaki transistor, sedangkan efisiensi menentukan besar catu daya yang dibutuhkan untuk memperoleh keluaran daya tertentu. Oleh karena itu linearitas dan efisiensi merupakan faktor yang sangat penting dalam melakukan perancangan PA. III. PERANCANGAN RF DOWNLINK () (2) A. PLL frequency synthesizer Pada tahap ini memiliki beberapa bagian utama sebagai penyusun Up-converter yaitu Local Oscilator (LO), Voltage Controlled Oscilator (VCO), Phase Lock Loop (PLL) dan Regulator Tegangan untuk Upconverter. Bagian LO, VCO dan PLL nantinya dikumpulkan dalam blok rangkaian sedangkan regulator akan dipisahkan sendiri dengan blok terpisah [3]. Desain rangkaian diatas diperoleh dari suatu Up-converter frekuensi dari transceiver IC ADF 7020 dengan berbagai modifikasi rangkaian yang dilakukan seperti melakukan pergantian crystal sebagai pembangkit frekuensinya dengan crystal,0952 MHz yang memiliki tingkat kestabilan frekuensi sangat tinggi, beda halnya dengan crystalcrystal yang ada dipasaran yang sering digunakan untuk mikroprosesor dan perangkat-perangkat lainnya. Modifkasi lainnya terdapat pada programmable divider yang diatur dengan logika bit sedemikian rupa agar menghasilkan keluaran frekuensi sesuai dengan yang diinginkan. Gambar 4. Rangkaian Main Blok Upconverter Frekuensi [2].

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol., No., (202) -6 3 Suatu Local Oscilator (LO) yang berupa crystal,0952 MHz membangkitkan gelombang sinus dengan frekuensi,0952 MHz yang mempunyai tingkat kestabilan tinggi. Setelah gelombang dibangkitkan maka frekuensi,0952 MHz tersebut akan dimultiplier agar sesuai dengan frekuensi RF 436,95MHz. B. PA (Power Amplifier) [2]. f out = Multiplexing,0952 MHz f out = 436,95MHz Multiplexing = 436,95MHz,0952 MHz = 39,3787 kali f out = 39,3787,0952 MHz = 436,95MHz Perangcangan RF pada frekuensi 436,95 MHz, dengan banwidth 30 KHz, maka dibutuhkan sebuah Low Pass Filter (LPF) [5], komponen aktif IC ADF 7020 dengan kombinasi komponen resistor dan kapasitor seperti pada gambar 3. Gambar 5. Low pass Filter F c = 2πRC (3) Dimana F c = 436,95MHz R = 220 Ω Dengan menggunakan Persamaan 3, dapat mencari nilai kapasitansi (C) sebagai berikut : 436,93 x0 6 = C = 2π x 220x C 2π x 220x 436,95 x0 6 C =,6557 x 0-2 C =,66 pf Gambar 6. Blok diagram IC ADF7020 [2]. Pada perancangan PA desain ini akan menggunakan blok rangakaian yang menyatu dengan RF ADF7020. Spesifikasi dari driver Amplifier pada IC ADF7020 yang di rancang dapat dilihat pada table. Table. spesifikasi driver Amplifier No Parameter Satuan. Vcc 2,3 3,6 Volt DC 2. Frekuensi 80MHz 650 MHz 3 Daya input -0 dbm

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol., No., (202) -6 4 Tabel 2. Spesifikasi Anggaran Berat [3]. Element Weight Iinusat- 0 PayLoad M PL = 5-2.5kg 50% Mdry Spacecraft M ss 5.5kg Subsystem Attitude control Comment 25% M Dry M gnc kg Perbandin gan dari satelit pembandi ng OBDH M OBDH 0.5kg Perbandin gn dari satelit pembandi ng Thermal M Th = 2-0.5kg 5% M Dry 5% M Dry Power M Ep.5kg Perbandin gn dari satelit pembandi ng Structure & Mechanisms M Sam = 8-2% of M inj Margin M Mar = 5-25% of weight base on design maturity Spacecraft dry weight M Dry = M PL + M ss +M Mar 2kg 2kg 0kg 0 % dari M ijn Diambil 25% Adapter M adapt 2kg Asumsi C. Penyesuaian impedansi dimana : L = 8 (nh) C = 4,7(pF) Z L = 50 Ω Setelah mengetahui nilai induktansi dari induktor, kemudian menentukan nilai impedansi induktor adalah : Z L = 2πfL (4) Z L = 2π x0 6 Hz. 8x0 9 H Z L = 49,4Ω 50 Ω Untuk menentukan nilai impedansi pada C : Z C = 2πfC Z C = 2π.436,95x0 6 Hz. 5,6x0 2 H Z C = 0,0538 Z C = 65,048Ω 65 Ω (5) Untuk menentukan nilai impedansi input dapat dirumuskan sebagai berikut : Zin = (ZL// ZC ) + ZL (6) Zin = (50// 65) + 49,4 Zin = 28, ,4 Zin = 77,67 Ω Z C sebesar 65 Ω. Jadi C adalah sebagai berikut : Z C = 2πf C 65 Ω = 2. 3,4. 436,95x0 6.C C = 2. 3,4. 436,95x (7) Rs L C ZL C =,784 x 0 C C = 5,604 x 0-2 F = 5,604 pf Gambar 7. Desain Iterasi Penyesuai Impedansi Penyesuai impedansi dibuat untuk menyesuaikan impedansi rangkaian. gambar 7. Dalam perancangan ini juga di simulasikan dengan software, yang diberikan oleh analog devices ADIsimSRD Design Studio [2], dengan hasil simulasi sebagai berikut :

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol., No., (202) Spectrum Analyzer IV. PENGUJIAN RF DOWNLINK 0 Conducted Power (dbm) Frequency (khz) Gambar 8. Bentuk simulasi sinyal spectrum Analyzer Perancangan RF downlink 436,95 MHz secara keseluruhan skematik dan layout PCB menggunakan software Eagle versi 5., untuk sekematik dapat dilihat pada Gambar 9. Gambar 0. Diagram Blok Pengukuran RF downlink MHz [2]. Pengujian terakhir dilakukan dengan pengujian keseluruhan sistem yang terdiri dari transmitter MHz, Baseband (Modulator FSK 9600Hz), kemudian diamati apakah telah terintegrasi dengan baik dan mampu melakukan uji komunikasi dengan suatu receiver. Konsep pengukuran dapat dilihat pada Gambar 0. Hasil pengukuran dapat dilihat pada gambar. pada frekuensi MHz. R B W 3 0 k H z M a r k e r [ T ] V B W 0 0 k H z 7. 6 d B m R e f 2 5 d B m A t t 6 0 d B S W T 2. 5 m s M H z 20 UNCAL A AP 0 SGL CLRWR DB C e n t e r M H z 0 0 k H z / S p a n M H z Gambar 9. RF downlink 436,95 MHz Date: 7.MAR :3:0 Gambar. Sinyal daya output pada frekuensi 436,95MHz

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol., No., (202) -6 6 Sedangkan hasil pengukuran daya maksimum terdapat pada frekuensi 436,9428 MHz seperti yang ditunjukan pada gambar 2. Daya output pada frekuensi center 7,6 (dbm) = 7,6 0 log - (mw) R B W k H z M a r k e r [ T ] = 5,2 mw R e f 2 5 d B m A t t 6 0 d B V B W M H z S W T 2. 5 m s d B m M H z Gain Amplifier = 0 log 5,2 0, 20 UNCAL AP 0 A = 7,6 db CLRWR DB V. KESIMPULAN Berdasarkan hasil pengukuran dan analisa kinerja perangkat RF Downlink 436,95 MHz dengan daya 7,6dBm dapat bekerja sesuai dengan frekuensi yang diharapkan, tetapi daya output maksimum sebesar 8,60dBm pada frekuensi 436,9428 MHz, ini belum termasuk gain antenna. karena daya output belum sesuai dengan Payload satelit Nano dibutuhkan penguat tambahan. -70 C e n t e r M H z M H z / S p a n 0 M H z Perangkat RF Downlink 436,95 MHz ini dapat digunakan untuk payload satelit, serta module praktikum di laboratorium. Date: 7.MAR :7:0 Gambar 2. Daya maksimum pada frekuensi 436,9428MHz Dengan menggeser frekuensi sedikit-sedikit maka daya maksimum 8,62dBm terdapat pada frekuensi 436,9428MHz. Seperti yang di tunjukan pada tabel. Tabel Hasil Pengukuran No Frekuensi Daya input (dbm) Daya output (dbm) 436, , , , , , , ,92-0 8, 6 436, , ,95-0 7, ,98-0 6, ,92-0 6, , ,20 436, , , ,08 UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih Musmulyadi, ucapkan kepada Direktorat Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan dan Kebudayaan Republik Indonesia yang telah memberikan dukungan finansial melalui PKM Karsa Cipta tahun 202 dan Penelitian Srategi Nasional 202. REFERENSI [] Reinhold L, Pavel B. RF Circuit Design Theory and Applications. United States of America: Prentice Hall; 2000 [2] Data sheet IC ADF http//:www. analogdevices.com [3] Team INSPIRE.200. Tentang INSPIRE (Indonesian Nano Satellite Platform Initiative for Research and Education). ttp//: Date : December 26, 20 [4] Browick, Chris and John Blyler. RF Circuit Design 2 nd Edition. USA: Newnes; 2008.