Perancangan dan Pembuatan Rangkaian RF Low Noise Amplifier (LNA)Untuk Payload Nano Satelit Frekuensi 145 MHz Iinusat-01 P Eka Wahyu Lestari 1), Endroyono 2),G. Hendrantoro 3) Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Surabaya 60111 Email : gamantyo@ee.its.ac.id, endroyono@ee.its.ac.id Abstrak - Satelit Iinusat (Indonesian inter university satellite) merupakan satelit yang dirancang oleh mahasiswa dari beberapa universitas yang ada di Indonesia.Iinusat ini terdiri dari 2 sub sistem yaitu ground station dan payload. Pada payload terdapat 3 bagian sitem yaitu RF, modem, dan microcontroller. Ada dua modul yang dibahas dalam paper ini yaitu LNA (low noise amplifier) dan frekuensi downconverter. Kedua modul ini merupakan satu kesatuan dari sistem penerima pada payload komunikasi satelit Iinusat-01. LNA menggunakan IC ADF 7021 dimana di dalamnya terdapat satu kesatuan sebuah receiver yang terdiri dari LNA, Mixer, LO, PLL dan juga rangkaian demodulator, sehingga untuk pembahasan selanjutnya tidak mebahas secara detai masing-masing bagian tersebut tetapi secara global untuk rangkaian RF saja. Untuk parameter IC ADF 7021 memiliki gain minimal adalah 30 db dengan noise figure maksimal 7 db. Supaya desain LNA memenuhi critical desain review satelit Iinusat-01. Untuk teknik pembuatan LNA ini menggunakan simulasi terlebih dahulu menggunakan IC ADF 7021 sehingga bisa mendapatkan design schematic yang sesuai dengan yang kriteria yang telah di berikan untuk payload komunikasi satelit Iinusat-01. IC ADF 7021 ini merupakan IC yang Untuk frekuensi yang digunakan 145 MHz dengan crstal yang di gunakan sebesar 19, 680MHz dengan menggunakan L external sebesar 19,8 nh. Untuk niali gain menggunakan AGC yaitu sebuah sistem automatic gain control dimana dalam blok IC yang digunakan gain tersbut selalu di kontrol sesuai dengan kebutuhan pada alat tersebut. Untuk output berupa sinyal baseband sehingga untuk sistem pengujiannya adalah berupa pengujian internal saja berupa noise figure, bandwidth dan juga parameter-parameter dari sistem konfigurasi IC yang dimana mampu bekerja pada frekuensi 145,9 MHz. Dengan noise figure sebesar 3dB SNR output sebesar 48 db. SNR input sebesar 51 db, dengan bandwidth 30 KHz Kata Kunci LNA, Frekuensi Downconverter, payload komunikasi, AGC, SNR. D I. PENDAHULUAN alam upaya pengembangan system komunikasi satelit pada satelit Iinusat (Indonesia Inter University Satellite - 01) dimana diperlukan sebuah perangkat payload komunikasi. Satelit Iinusat (Indonesian inter university satellite) merupakan satelit yang dirancang oleh mahasiswa dari beberapa universitas yang ada di Indonesia yang bertujuan sebagai pembelajaran untuk teknologi satelit [1]. Payload communication merupakan subsistem dari satelit yang menangani sambungan atau repeater komunikasi antara terminal yang satu ke terminal yang lain di bumi. Terminal tersebut dapat berupa portable equipment, ground station, atau ground station dan TTC&M (Tracking, telemetry, command dan monitoring) [1]. Terdapat 3 bagian penting pada sistem payload communication yang akan dirancang. Bangian pertama adalah RF front end yang menangani proses sinyal pada frekuensi radio sebelum masuk ke modem (gambar 1). Bagian kedua adalah modem yang merupakan bagian yang menangani pengubahan sinyal informasi dari sinyal digital ke sinyal analog agar dapat ditransmisikan melalui berbagai media transmisi ataupun sebaliknya. Bagian ketiga merupakan microcontroller yang mengatur proses coding pada sinyal sebelum ataupun sesudah melewati modem [1]. Gambar 1. Payload Communication. Bagian yang akan dilakukan penelitian adalah pada bagian yang pertama yaitu RF Downlink. Sistem kerja dari RF Downlink adalah sinyal yang diterima dari satelit pada frekuensi 145 Mhz yang daya sinyalnya sangat lemah akan dikuatkan oleh LNA, setelah itu akan di downconverter menjadi intermediate frekuensi. Tujuan penelitian ini untuk mendesain RF downlink receiver yang bisa terkoneksi dengan modul-modul dari payload komunikasi lainnya. Pada penelitian ini dilakukan pengukuran karakteristik RF, perancangan dan pembuatan modul serta pengujian peralatan. Hasil yang diharapkan berupa komponen modul RF yang terintegrasi dalam payload komunikasi. II. PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI A. Low Noise Amplifier Low Noise Amplifier (LNA) adalah suatu perangkat amplifier yang memperkuat sinyal dari antenna serta menekan noise yang terjadi pada sinyal tersebut. Artinya ketika dilakukan penguatan pada sinyal, tidak diiringi dengan penguatan daya noise. LNA ini sangat penting pada sistem payload nano satelit. Faktor yang mempengarui sebuah LNA adalah gain, noise figure dan OIP 3. Yang terpenting dalam desain adalah noise figure (NF), dimana NF adalah suatu pengukuran degradasi dari SNR yang disebabkan oleh komponen RF dan 1
2 merupakan perbandingan antara signal to noise ratio (SNR) pada input LNA dan signal to noise ratio pada output LNA. Gamabar 3. Blok Diagram Aplikatif PLL. Gambar 2. Blok Diagram Penelitian. Berikut ini adalah tabel paremeter-parameter penentu fungsi kerja yang dibutuhkan oleh sebuah LNA pada payload nano satelit (tabel 1). Tabel 1. Parameter-Parameter LNA. No Parameter Nilai 1 Gain 22dB 2 NF 7 db 3 Bandwidth 10KHz B. Local Oscillator Local oscillator adalah sebuah rangkaian yang membangkitkan frekuensi tertentu. Ada beberapa teknik dalam mendesain rangkaian local oscillator tersebut yaitu teknik VFO (variable frequency oscillator), quard crystal dan teknik PLL (phase locked loop). Setiap fungsi LO harus memberikan sinyal dengan frekuensi yang dinginkan dengan kemampuan tuning frekuensi yang bertahap yang mendukung bandwidth keseluruhan sistem. C. PLL (Phase Local Loop) PLL (Phase Locked Loop) adalah suatu sistem yang memungkinkan suatu sinyal tertentu mengendalikan frekuensi sebuah oscillator dalam sebuah lingkar yang terkunci. Frekuensi oscillator dapat sama besar atau kelipatannya dari frekuensi sinyal tersebut (selanjutnya disebut frekuensi referensi). Kalau frekuensi sinyal berasal dari sebuah oscillator kristal maka frekuensi yang lainnya dapat di jabarkan mempunyai stabilitas yang sama dengan fekuensi kristal. Inilah yang dijadikan dasar dari pesintesis frekuensi atau frequency synthesizer. Kalau frekuensi referensi memiliki nilai ynag berubahubah maka frekuensi loop osilator akan mengikuti perubahan tersebut. Prinsip ini digunakan dalam demodulator FM (Frequency Modulation), FSK (Frequency Shift Keying) dan Tracking Filter. Perancangan dari nilai komponen pembangun LPF sangat menentukan terhadap keluaran PLL (VCO) secara langsung. Ketidak tepatan akan menyebabkan Locking Time berlangsung cukup lama dan ini merupakan indikasi untuk kerja PLL yang kurang baik. Disamping juga bisa menyebabkan terjadinya side-tone yang cukup mengganggu karena akan ikut terbawa bersama gelombang pemodulasi pada penerpan FM. D. Komponen LNA Pada saat pemilihan komponen LNA pada pembuatan payload Nano Satelit ini yang pertama adalah memikirkan berat yang harus dimiliki oleh rangkain dengan karena pada payload dibatasi oleh sebuah massa yang dimiliki oleh nano satelit itu sendiri. Oleh karena itu disini penulis menggunakan sebuah IC yang sudah terintegrasi bersama dengan demodulator, sehingga pada tugas akhir ini menggunakan IC yang kompleks tetapi untuk proses demodulator akan di jelaskan oeh penulis yang lainnya. Disini IC yang akan digunakan adalah ADF 7021 yang penulis dapat dari sebuah suplier luar negeri di Singapura yaitu DIGIKEY. Pada IC ini dilengkapi software yang digunakan untuk merancang daripada komponen yang digunakan untuk PLL, matching impedansi dan juga filter harmonisa. Berikut ini adalah gambar daripada IC yang digunakan di tunjukkan pada gambar 4 untuk blok diagram dari IC akan di gambarkan pada gambar 5 untuk data sheet dari IC ini akan dijelaskan pada tabel 2. Gambar 4. IC ADF 7021.
3 Filter Harmonisa 8 C35 15,0pF 9 L33 130nH 10 C34 15,0pF 11 C31 12,0pF 12 L32 200nH 13 C33 10,0pF Filter 14 L31 100nH 15 C32 18,0pF TCXO 16 Xtal 19,680MHz Gambar 5. Blok Diagram IC ADF 7021. Tabel 2. Data Sheet IC ADF 7021. No Karakteristik Satuan 1 Frekuensi 80 MHz - 650 MHz 862 MHz 950 MHz 2 Modulation 2FFSK, 3FSK,4FSK, MSK 3 Spectral Shaping Gaussian and ralsed cosine filtering 4 Data Rate 0,05 32,8 Kbps 5 Power Supplay 2,3 V 3,6 V 6 Output Power -16 dbm - 13 dbm 7 Sensitivitas 130 dbm at 100 bps, 2FSK 122 dbm at 1 kbps, 2FSK 113 dbm at 25 kbps, raised cosine 2FSK Tetapi terkadang hasil daripada simulasi dri software ini harus di cek terlebih dahulu dengan menggunakan perhitungan. Untuk komponen-komponen pasif yang ada pada hasil simulasi terkadang juga tidak ada di pasaran sehingga harus di ganti dengan nilai yang mendekati dari nilai komponen yang sudah ditetapkan oleh hasil simulasi software ini. Untuk Hasilnya dapat dilihat pada gambar 6 berikut ini dan untuk komponen-komponen yang di butuhkan dapat dilihat pada tabel 3. E. Design Software Pada perancangan LNA ini akan dirancang untuk menentukan matching impedansi input dari antena, rangkaian filter, filter untuk harmonisa dan juga PLL. Yang pertama di lakukan adalah merancang dengan menggunakan software yang berasal dari IC ADF series, yaitu ADIsimSRD Design Studio. Software ADIsimSRD Design Studio ini akan menentukan komponen-komponen pasif yang terpasang pada rangkaian untuk matching impedansi, filter, filter harmonisa dan juga PLL, sehingga bisa mendapatkan karakteristik sebuah LNA dan rangkaian RF pada receiver sesuai dengan yang diinginkan. Tabel 3. Komponen-Komponen yang Dibutuhkan. No Schematic Nilai Rangkaian PLL 1 C1 470pF 2 C2 6,80nF 3 C3 220pF 4 R1 1000Ω/1kΩ 5 R2 1000Ω/1kΩ Rangkaian Matching 6 L34 150nH 7 C36 15,0pF Gambar 6. Schematic Hasil Design. Berdasarkan rancangan atau design yang telah dibuat di dapatkan gambar spektrum sesuai dengan simulasi dari software ADIsimSRD Design Studio yang ditunjukkan pada gambar 7. Gambar 7. Spectrum pada Simulasi.
4 III. PENGUJIAN MODUL A. Low Noise Amplifier 1) Noise Figure Pada pengujian alat disini menggunakan mode TX karena jika menggunakan mode RX sesuai dengan fungsinya maka tidak bisa terlihat karen keluaran dari rangkaian ini sudah merupan sebuah bentuk sinyal digital baseband yaitu keluaran dari demodulator. Sehingga untuk melihat daripada fungsi kerja dari amplifier maka kita melihat dengan menggunakan mode TX. Sedangkan untuk actual frequencynya menggunakan settingan frekuensi stop daripada yang di inputkan pada spectrum analyzer. Untuk settingan actual frekuensi disini tidak harus menggunkana frekuensi centernya tetapi bisa menggunakan frekuensi start ataupun frekuensi stop dari yang di inputkan pada spectrum analzer. Berikut ini adalah hasil pengujian pada alat yang dibuat terlihat pada spectrum berikut ini. pada noise figure. satelit ini dibuthkan sebesar 10KHz. Untuk design yang telah dilakukan sebesar 10 KHz. Tetapi pada untuk hasil pengukuran yang dilakukan pada alat ini lebih besar dari design yaitu 11 KHz. Seperti yang dilihat pada spectrum gambar 9 berikut ini: Gambar 9. Spectrum Bandwidth. Untuk besarnya bandwidth yang dibuat dapat dilihat dari perhitungan dibawah ini: BW = 145,905 MHz 145,894 MHz BW = 0,011 MHz = 11KHz (4) Date: 7.MAR.9964 15:40:03 Gambar 8. Spectrum Hasil Pengujian Alat. SNR Output = Output Signal Output Noise SNR Output = 8 ( 40) (1) SNR output = 48dB Untuk SNR Input: SNR input = input Signal input Noise SNR input = 69 ( 120) (2) SNR input = 51dB Setelah mendapatkan nilai SNR input dsini dapat dilihat besarnya noise figure di hasilkan pada alat ini yang dapat di hitung menggunakan rumus 1 sebagai berikut: NF = SNR input SNR output NF = 51 48 (3) NF = 3 db Untuk noise figure yang didapat pada alat ini sebesar 3 db. 2) Bandwidth Pada pengukuran Bandwidth disini hal-hal/langkahlangkah ang dilakukan adalah sama sesuai pada pengujian alat Besarnya bandwidth ini lebih besar dari hasil design dan juga yang diharapkan dikarenakan untuk komponen komponen yang terpasang pada rangkaian ada yang tidak sesuai dengan yang ada pada design karena komponenkomponen yang digunakan adalah nilai yang mendekati dari komponen pada design. 3) Gain Untuk pengukuran gain LNA disini tidak dapat dilakukan karena tidak ada kaki IC yang keluar secara langsung sehingga tidak bisa dilakukan pengujian gain pada amplifier tersebut. Untuk konfigurasi yang dilakukan menggunakan software sebagai inputan terdapat sebuah AGC (automatic gain control ) yang berfungsi sebagai control gain secara otomatis pada rangkaian ini. Sistem kerja dari AGC ini adalah jika signalnya yang di terima pada sisi penerima lemah meskipun sudah dikuatkan oleh gain antena maka secara otomatis gain amplifier akan diperbesar sesuai dengan ranges maximum. Sedangkan jika signal yang diterima oleh penerima besar maka AGC akan mengotomatiskan gain yang di berikan adalah normal. Tetapi AGC ini memiliki batasan yang melihat noise figure yang dihasilkan oleh rangkaian tersebut. Disini penulis mendapatkan range gain yang akan di hasilkan oleh IC ADF 7021 yang akan di atur oleh AGC sesuai dengan simulasi design pada bab 3 yaitu sebesar 30dB. B. PLL 1) VCO Adjust frequency Input dari variable pada konfigurasi dapat mempengaruhi bentuk signyal yang di hasilkan oleh alat yang di buat. Seperti
5 pada pengujian VCO Adjust Frequency disini yaitu untuk mencari frekuensi center yaitu sebesar 145,9 MHz. Tabel 4. VCO Adjust frequency. No Setting Frekuensi 1 0 143,257 MHz 2 1 144, 555 MHz 3 2 145,900 MHz 4 3 146, 289 MHz Data ini adalah karena yang di ambil pada input frekuensi pada konfigurasi dari Pc adalah nilai dari stop band dari setting yang di atur pada spectrum analyzer maka pennulis mensetting ulang pada bagian VCO adjust (center frequency) untuk mendapatkan frekuensi center yang sesuai dengan yang diinginkan sebesar 145,9 MHz. Dengan adanya VCO adjust (Frequency Center) disini inputan tidak harus menggunakan frekuensi center sebagai input tetapi bisa menggunakan frekuensi start dan bisa juga menggunakan frekuensi stop. 2) VCO Bias IC ADF 7021 memiliki frekuensi dual band sehingga IC ini memliki dua model VCO pada frekuensi 80-650 MHz menggunakan external induktor VCO selain itu menggunakan intenal induktor VCO. Pada alat yang penulis buat menggunakan external induktor VCO. Untuk hasil pengujian dapat dilihat pada tabel 5 dan pada gambar grafik pada gambar 10 berikut ini. Tabel 5. VCO Bias Terhadap Frekuensi. No Setting Nilai (ma) Frekuensi (MHz) 1 0 0 Keluar dari gambar 2 1 0,25 141,347 3 2 0,5 141,778 4 3 0,75 142,560 5 4 1 143,900 6 5 1,25 144,304 7 6 1,5 145,104 8 7 1,75 145,900 9 8 2 145,965 10 9 2,25 147,890 11 10 2,5 148,000 12 11 2,75 149,905 13 12 3 Lebih dari 149,905 14 13 3,25 Lebih dari 146,905 15 14 3,5 Lebih dari 146,905 16 15 3,75 Lebih dari 146,905 ma 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 VCO Bias Terhadap frekuensi 0 141 142 143 144 144 145 146 146 148 148 150 Gambar 10. VCO Bias terhadap Perubahan Frekuensi. Grafik di atas adalah merepresentasikan antara Frekuensi Center dengan VCO bias yang diberikan pada rangkaian. Dari sini dapat di analisa bahwa ketika pada rangen frekuensi antara 80-650 MHz menggunakan sebuah extrenal induktor VCO ini, frekuensi center dapat di set oleh internal varactor capasitance yang di kombinasi oleh inductance pada chip external induktor VCO. Sesuai pada rangkaian dalam pada alat tersebut yang terihat pada gamabr 11 di bawah ini: Gambar 11. Proses VCO Bias[2]. Frekuensi Pada rangkaian ini dapat dilihat arus yang masuk ke dalam VCO ini di kombinasikan dengan inductance pada external chip untuk mengatur daripada frekuensi center dimana arus yang di berikan oleh VCO bias ini masuk lalu di combine dan di dapatkan nilai devider yang nantinya di multiplexing yang menuju ke power amplifier untuk di pancarkan. Untuk nilai daripada tuning VCOnya antara 0,2 V samapai 2 V dari sini kita bisa mndapatkan berapa besar nilai dari varactor capasitance. Dari analisa rangkaian ini VCO bias berperan untuk mencenterkan frekuensi sesuai dengan arus yang masuk pada sisi VCO. Pada pengujian alat ini pada saat frekuensi pada posisi center paa 145,9 MHz ini terdapat VCO bias yang diberikan oleh external induktor sebesar 1,75 ma dengan besarnya capasitancenya sebesar 220pF dan L ext sebesar 19,8 nh. 4) Crysral Bias bias merupakan sebuah cristal yang digunakan untuk oscilator. Pada alat ini cristal yang digunakan memiliki nilai sebesar 19,680 MHz. Berikut ini adalah tabel 5 yang berisi hasil pengukuran dengan mengubah parameter-parameter variable pada xtal bias pada gambar 12 adalah box variable paramter yang dirubah.
6 µa 40 30 20 10 0 Cristal Bias Terhadap Frekuensi 143 144 145 146 Gambar 12. Grafik frekuensi VS Xtal Bias. Frekuensi Pada cristal bias ini arus bias yang masuk ke dalam oscilator memberikan fungsi cristal ini bekerja lebih cepat. Pada kasus alat yang dibuat ini arus bias yang inputkan kedalam oscilator ini sebesar 35 µa yaitu pada posisi maximum. Untuk oscillatornya menggunakan 0,8 V dengan sebuah coupling sebesar 22pF pada rangkaian ini. Dengan keadaan ini maka untuk OSC 1 akan di groundkan. Oscillator ini dapat bekerja pada saat di onkan oleh sebuah power up atau disini yang masuk adalah cristal bias yang berisi arus. Jikaarus yang diberikan disini lebih besar maka frekuensi yang di dapat semakain kecil karena merupakan titik awal cristal oscilator tersebut bekerja. Pada cristal bias ini memiliki sistem coreksi error yang terdapat pada N counter section pada saat konfigurasi frekuensi dan PFD. Untuk koreksi error disini dilakukan secara otomatis. Untuk bisa mendapatkan nilai error yang kecil maka seharusnya nilai cristal lebih kecil, sehingga counter yang didapat sesuai tanpa ada error. REFERENSI [1] IINUSAT-01. Laporan Primery Design Reviewer,2011 [2] Datasheet ADF 7021 [3] Application Note 5294 : Low Noise Amplifier 2300 GHz Amplifier, Avago Technologies. [4] Application Note 5328 : 3,5 GHz WiMAX Low Noise Amplifier for CPE and BTS Application Using ATF- 551M4. Avago Technologies. [5] Bahl, Inder, Lumped Elements for RF and Microwave Circuits. Norwood : Artech House, Inc, 2003. [6] Banerjee, Bhaskar., Power Amplifier-1, EE7V82, Advanced RF IC Design [7] Burghartz, Joachim N., RF Circuit Design Aspect of Spiral Inductors on Silicon, IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 33, no.12, Desember. 1998. [8] Yue, C. P. dan W, S. Simon, Design Strategy of On- Chip Inductors for Highly Integrated RF Systems, Invited Papper. [9] C.P Yue dan S. Simon W, Physical Modeling of Spiral Inductor on Silicon. IEEE Transaction on electron devices, vol.47, no. 3, Maret 2000 [10] Agilent ATF-55143 Low Noise Enhancement Mode Pseudomorphic HEMT in a Surface Mount Plastic Package, Datasheet, Agilent Technologies. IV. KESIMPULAN Payload communication Terdapat 3 bagian penting yaitu rangkaian RF, modem, dan microcontroller. Pada bagian RF terdiri dari LNA, dan downconverter yang terdiri dari PLLdan LO. Untuk bagian LNA ini telah sesuai dengan hasil yang diharapkan yaitu meliputi signal to noise rasio (SNR) output berdasarkan pengukuran yang di dapat sebesar 48 db. Signal to noise rasio (SNR) input berdasarkan pengukuran didapat sebesar 51dB, sehingga besar noise figure yang dihasilkan oleh alat yang dibuat sebesar 3 db. Untuk nilai gain menggunakan AGC (Automatic Gain Control) yang secara otomatis mengontrol gain sesuai dengan kebutuhan dari sistem penerima itu sendiri. Besarnya bandwidth yang di dapat sebesar 9 KHz. Hasil ini melebihi bandwidth yang di tentukan oleh spesifikasi dari receiver satelit nano. Untuk VCO menggunakan external induktor yang dimana akan di combinasi dengan external induktor tersebut dengan menggunakan Varactor capasitance yang di combine dengan capasitive resistance. Semua nya akan di atur oleh sebuah arus yang disebut VCO bias. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis Paramita Eka Wahyu Lestari mengucapkan terima kasih kepada Direktorat Pendidikan Tinggi, Kementrian Pendidikan dan Kebudayaan Indonesia yang telah memberikan dukungan finansial melalui PKM-KC tahun 2011-2012 dan penelitian strategi nasional 2012.