STUDI TENTANG RADIO FREQUENCY PHASE SHIFTER PADA SMART ANTENNA

STUDI TENTANG RADIO FREQUENCY PHASE SHIFTER PADA SMART ANTENNA Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro Sub Konsentrasi Teknik Telekomunikasi Oleh: DWI PURNAMA SARI NIM : 100402008 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014

LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR STUDI TENTANG RADIO FREQUENCY PHASE SHIFTER PADA SMART ANTENNA Oleh: DWI PURNAMA SARI NIM : 100402008 Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk Memperoleh gelar Sarjana Teknik pada DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN Sidang pada Tanggal 20 Bulan Agustus Tahun 2014 di depan penguji : 1. Ketua Penguji : Ir. M. Zulfin, M.T. 2. Anggota Penguji : Suherman, S.T., M.Comp., Ph.D Disetujui Oleh : Pembimbing Tugas Akhir (Ir. Arman Sani, M.T.) NIP : 19631128 199103 1 003 Diketahui Oleh : Ketua Departeman Teknik Elektro Fakultas Teknik USU (Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si.) NIP : 19540531 198601 1 002

ABSTRAK Antena sebagai salah satu komponen penting dalam sistem telekomunikasi telah mengalami perkembangan yang sangat pesat. Salah satu pengembangan antena adalah smart antenna yang merupakan kombinasi antena array dengan pengolahan sinyal. Pola radiasi antena array dapat dikendalikan dengan mengatur fasa pada masing-masing elemennya dengan menggunakan phase shifter sehingga pola radiasinya dapat diubah secara elektronik tanpa harus mengubah posisi fisiknya. Pada Tugas Akhir ini dibahas kinerja phase shifter dengan lumped element dan high pas-low pass phase shifter yang dirancang bekerja pada frekeuensi 433 MHz. Perancangan dilakukan menggunakan perangkat lunak Advance Design System (ADS) versi 2011.10. Dari hasil simulasi diperoleh bahwa nilai phase error mendekati 0, nilai insertion loss mendekati 0 db, dan nilai return loss minimum pada frekuensi tengahnya. Hasil tersebut menunjukkan bahwa phase shifter yang dirancang dapat bekerja dengan baik pada frekuensi yang diinginkan. Kata kunci: smart antenna, RF phase shifter, phase shifter dengan lumped element, high pass-low pass phase shifter, phase error, return loss, insertion loss

KATA PENGANTAR Segala puji syukur penulis haturkan kehadirat Allah S.W.T yang telah memberikan kemampuan dan ketabahan dalam menghadapi cobaan, halangan, dan rintangan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, serta shalawat beriring salam penulis sampaikan kepada junjungan ummat Nabi Muhammad S.A.W. Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu ayahanda Wagiran C, ST dan ibunda Nursiah yang senantiasa mendukung dan mendo akan dari sejak penulis lahir hingga sekarang, serta kakanda Wieka Marcilinda, S.Kom yang senantiasa mendukung dan memberi semangat kepada penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini. Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. Adapun judul Tugas Akhir ini adalah : STUDI TENTANG RADIO FREQUENCY PHASE SHIFTER PADA SMART ANTENNA Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan, dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak Ir. Arman Sani, MT selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas nasehat, bimbingan dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

2. Bapak Dr. Ali Hanafiah Rambe, ST, MT selaku Penasehat Akademis penulis, atas bimbingan dan arahannya dalam melayani perkuliahan selama ini. 3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si dan Bapak Rahmad Fauzi ST, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik. 4. Ayahanda Wagiran C, ST dan Ibunda Nursiah tercinta yang senantiasa selalu mendo akan, memberikan semangat dan segalanya sehingga penulisan Tugas Akhir ini terselesaikan. 5. Kakakku tersayang Wieka Marcilinda S.Kom yang selalu mendukung dan memberi semangat. Terima kasih atas perhatian dan do anya. 6. Bapak Ir. M. Zulfin, MT dan Bapak Suherman, ST, M.Comp., Ph.D selaku dosen penguji Tugas Akhir, atas masukan dan bantuannya dalam penyempurnaan Tugas Akhir ini. 7. Seluruh staf pengajar yang telah memberi bekal ilmu kepada penulis dan seluruh pegawai Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara atas segala bantuannya. 8. Rimbo Gano yang selama ini mendukung dan memberi semangat kepada penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini. Terima kasih atas perhatian dan do anya. 9. Teman teman di Teknik Elektro FT-USU, terkhusus angkatan 2010 atas dukungan, do a, suka dan duka selama di bangku perkuliahan. 10. Abang dan kakak senior stambuk 2008 yang selalu membantu, mendukung dan memberi masukan selama menjalani perkuliahan.

11. Keluarga Besar Laboratorium Dasar Elektronika FT USU. 12. Keluarga Besar MME-GS yang telah memberikan banyak sekali pembelajaran. 13. Semua pihak yang tidak sempat penulis sebutkan satu per satu. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangan baik dari segi materi maupun penyajiannya. Oleh karena itu saran dan kritik dengan tujuan menyempurnakan dan mengembangkan kajian dalam bidang ini sangat penulis harapkan. Akhir kata penulis berserah diri pada Allah SWT, semoga Tugas Akhir ini bermanfaat bagi pembaca sekalian terutama bagi penulis sendiri. Medan, Agustus 2014 Penulis Dwi Purnama Sari NIM. 100402008

DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... xiii I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Rumusan Masalah... 2 1.3 Tujuan Penulisan... 2 1.4 Batasan Masalah... 2 1.5 Metode Penulisan... 3 1.6 Sistematika Penulisan... 3 II. DASAR TEORI 2.1 Pengertian Smart Antenna... 5 2.2 Tipe Smart Antenna... 6 2.2.1 Switched Beam Antenna... 7 2.2.2 Adaptive Array Antenna... 8 2.3 Manfaat Teknologi Smart Antenna... 9 2.4 Pengertian RF Phase Shifter... 11 2.5 Parameter-Parameter Phase Shifter... 11 2.5.1 Bandwidth... 11

2.5.2 Phase Error... 12 2.5.3 Return Loss... 12 2.5.4 Insertion Loss... 14 2.6 Metode Perancangan RF Phase Shifter... 14 2.6.1 Switched-Line Phase Shifter... 14 2.6.2 Loaded-Line Phase Shifter... 16 2.6.3 Reflection Phase Shifter... 18 2.6.4 High Pass-Low Pass Phase Shifter... 19 2.7 Analisis Phase Shifter dengan Parameter S... 21 2.7.1 Bentuk Umum Parameter S... 21 2.7.2 Parameter S Untuk Rangkaian Π... 25 2.7.3 Parameter S Untuk Rangkaian Τ... 28 2.8 Aplikasi Phase Shifter... 29 III. PERANCANGAN RF PHASE SHIFTER 3.1 Perancangan RF Phase Shifter... 31 3.2 Konfigurasi RF Phase Shifter... 31 3.2.1 Konfigurasi Phase Shifter dengan Lumped Element... 31 3.2.2 Konfigurasi High Pas-Low Pass Phase Shifter... 34 3.3 Proses Perancangan RF Phase Shifter... 36 3.4 Penentuan Nilai Komponen RF Phase Shifter... 37 3.4.1 Penentuan Nilai Komponen Phase Shifter dengan Lumped Element... 37 3.4.2 Penentuan Nilai Komponen High Pass-Low Pass Phase Shifter... 43

IV. ANALISIS KINERJA RANGKAIAN RF PHASE SHIFTER 4.1 Umum... 50 4.2 Analisis Kinerja Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element... 50 4.3 Analisis Kinerja Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter... 60 4.3.1 Analisis Kinerja Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit... 60 4.3.2 Analisis Kinerja Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 3 Bit... 66 V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 74 5.2 Saran... 75 DAFTAR PUSTAKA

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Diagram Pergeseran Fasa pada Phased Array Antenna... 6 Gambar 2.2 Pola Cakupan Switched Beam Antenna... 8 Gambar 2.3 Pola Cakupan Adaptive Array Antenna... 9 Gambar 2.4 Switched-Line Phase Shifter... 15 Gambar 2.5 Phase Shifter dengan Rangkaian Lumped Element yang Setara degan Saluran Transmisi... 16 Gambar 2.6 Loaded-Line Phase Shifter... 17 Gambar 2.7 Reflection Phase Shifter... 18 Gambar 2.8 High Pass-Low Pass Phase Shifter... 19 Gambar 2.9 Model Π dan Τ... 20 Gambar 2.10 Diagram Blok Dengan Dua Port... 22 Gambar 2.11 Gelombang Masuk ke Diagram Blok... 22 Gambar 2.12 Gelombang yang Dipantulkan dan Ditransmisikan... 22 Gambar 2.13 S 11... 23 Gambar 2.14 S 21... 23 Gambar 2.15 S 22 dan S 12... 23 Gambar 2.16 Parameter S Dua Port... 24 Gambar 2.17 Rangkaian Π yang Setara dengan Saluran Transmisi... 25 Gambar 2.18 Jaringan Π... 26 Gambar 2.19 Jaringan Τ... 28 Gambar 3.1 Konfigurasi Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element 32 Gambar 3.2 Pola Cakupan Phase Shifter dengan Lumped Element... 33 Gambar 3.3 Konfigurasi Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element 34

Gambar 3.4 Pola Cakupan High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit... 34 Gambar 3.5 Konfigurasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 3 Bit... 35 Gambar 3.6 Pola Cakupan High Pass-Low Pass Phase Shifter 3 Bit... 36 Gambar 3.7 Diagram Alir Perancangan RF Phase Shifter... 37 Gambar 3.8 Skema Perancangan Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element... 38 Gambar 3.9 Skema Perancangan High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit 43 Gambar 3.10 Skema Perancangan High Pass-Low Pass Phase Shifter 3 Bit 43 Gambar 4.1 Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element yang dirancang menggunakan perangkat lunak ADS... 51 Gambar 4.2 Rangkaian phase shifter dengan lumped element pada keadaan 000001... 52 Gambar 4.3 Hasil Simulasi Perancangan Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element pada Keadaan 000001... 53 Gambar 4.4 Rangkaian phase shifter dengan lumped element pada keadaan 000010... 53 Gambar 4.5 Hasil Simulasi Perancangan Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element pada Keadaan 000010... 54 Gambar 4.6 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit yang dirancang pada Frekuensi 433 MHz... 60 Gambar 4.7 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan 00... 61

Gambar 4.8 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan 00... 61 Gambar 4.9 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan 01... 62 Gambar 4.10 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan 01... 62 Gambar 4.11 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan 10... 63 Gambar 4.12 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan 10... 63 Gambar 4.13 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan 11... 64 Gambar 4.14 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan 11... 64 Gambar 4.15 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 3 Bit yang dirancang pada Frekuensi 433 MHz... 66 Gambar 4.16 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan 100... 67 Gambar 4.17 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan 100... 68 Gambar 4.18 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan 101... 68 Gambar 4.19 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan 101... 69

Gambar 4.20 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan 110... 69 Gambar 4.21 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan 110... 70 Gambar 4.22 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan 111... 70 Gambar 4.23 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan 111... 71

DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Nilai Komponen Phase Shifter dengan Lumped Element Untuk Frekuensi 433 MHz... 42 Tabel 3.2 Nilai Komponen High Pass-Low Pass Phase Shifter Untuk Frekuensi 433 MHz... 49 Tabel 4.1 Hasil Simulasi Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element Untuk Frekuensi 433 MHz... 55 Tabel 4.2 Hasil Simulasi Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element 6 Bit Berdasarkan Urutan Pergeseran Fasa 0 Hingga 360... 57 Tabel 4.3 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit... 65 Tabel 4.4 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 3 Bit... 71 Tabel 4.5 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 3 Bit Berdasarkan Urutan Pergeseran Fasa... 72