OPTIMASI MATCHING RF AMPLIFIER

BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT
KRIST ARISTOTELIUS, 101344013 34
LAPORAN TUGAS AKHIR TAHUN 2014
BAB III
PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT
Pada bab ini akan dibahas mengenai proses perancangan dan realisasi penguat daya RF pada pengirim MS-GSM (890-915 MHz). Penguat daya RF ini menggunakan transistor BJT seri BFG541 produk Phillips Semiconductors yang memiliki data teknis seperti ditunjukan pada spesifikasi berikut ini.
3.1 Spesifikasi Alat
Berikut ini adalah spesifikasi teknis untuk penguat daya RF yang akan direalisasikan:
 Frekuensi kerja: 890-915 MHz
 Bandwidth: 25 MHz
 Penguatan: sebesar-besarnya
 Parameter Kestabilan (K) K ≥ 1
3.2 Diagram Blok Penguat RF
Gambar 31 Blok Diagram Penguat RF
Dalam realisasi penguat daya RF ini mengacu kepada blok seperti yang ditunjukkan pada gambar 31. Secara keseluruhan penguat daya RF ini terdiri dari dua blok diagram yaitu rangkaian biasing dan rangkaian RF. DC biasing

berfungsi untuk mengeset tegangan dan arus DC pada transistor agar transistor dapat bekerja. Nilai tegangan dan arus tersebut sudah dispesifikasikan pada datasheet transistor yang akan digunakan.
Penguat daya RF ini juga menggunakan rangkaian penyesuai impedansi input dan output. Rangkaian matching tersebut berfungsi agar terjadi transfer daya maksimum, yaitu tidak ada daya yang dipantulkan kembali ke sumber sehingga daya input dapat ditransmisikan seluruhnya ke beban. MN 1 adalah matching network input yang berguna menyesuaikan impedansi sumber dengan impedansi input transistor, sedangkan MN 2 adalah matching network output dengan fungsi yang sama dengan MN 1, hanya bedanya berfungsi untuk bagian output.
3.3 Proses Perancangan
Untuk mempermudah proses realisasi alat diperlukan langkah-langkah perancangan yang sistematis, diantaranya adalah sebagai berikut ini.
3.3.1 Pemilihan Komponen
Dari spesifikasi yang diinginkan diatas, maka komponen aktif yang dipilih adalah transistor jenis BJT tipe BFG541, karena memiliki spesifikasi yang dibutuhkan untuk perancangan dan realisasi RF power amplifier 900 MHz. Hal yang harus diperhatikan adalah noise figure, gain, ketersediaan dan kemudahan pesanan di pasaran. Sesuai dengan pertimbangan diatas, maka transistor yang dipilih adalah BFG541 dengan DC bias VCE = 8 V dan IC = 40 mA. Komponen pasif kapasitor, resistor, dan induktor yang digunakan semuanya bertipe SMD.
3.3.2 Gummel Poon Model Transistor BFG541
Dalam simulasi kita memerlukan suatu model transistor yang mewakili karakteristik riil dari transistor yang digunakan secara keseluruhan. Pada ADS 2011 setiap transistor dimodelkan dengan metode pemodelan Gummel Poon Model/SPICE model. Gummen Pool model tersebut berisi parameter-parameter elektrikal dari transistor beserta model komponen parasitiknya. Gambar 33 merupakan gummel poon model dari transistor BFG541

Gambar 32 BFG541 BJT Package Symbol
Gambar 33 BFG541 Gummel Poon Model
Gambar 32 adalah BJT package symbol dari transistor BFG51 yang digunakan dalam simulasi. Dalam package symbol tersebut berisi gummel poon model dari transistor BFG541. Dapat dilihat pada gambar 33 terdapat komponen induktor dan kapasistor yang merupakan model parasitic component transistor. Pada gambar 33 juga terdapat beberapa nilai-nilai yang merupakan parameter- parameter elektrikal dari transistor BFG541.

3.3.3 Pemilihan PCB dan Saluran Transmisi
Untuk memperoleh kualitas transmisi sinyal yang baik dalam rangkaian
maka digunakan PCB dengan tipe Roger 4003C dengan r=3.38 dan tebal
dielektrik d=1.524. Konstruksi jalur transmisi yang digunakan adalah saluran
mikrostrip. Pada mikrostrip, saluran terdiri dari konduktor strip (line) dan sebuah
konduktor bidang tanah yang dipisahkan oleh medium dielektrik dengan
konstanta dielektrik r. Di atas strip adalah udara sehingga jika tanpa shielding
sebagian medan elektromagnetik akan meradiasi, dan sebagian lagi ada yang
masuk kembali ke dalam substrat dielektrik. Jadi ada dua dielektrik yang
melingkupi strip: udara dengan konstanta dielektrik satu dan substrat dengan
konstanta dielektrik r  1. Konstruksi saluran mikrostrip ditunjukan oleh gbr.34
d
W
r
Gambar 34 Konstruksi Saluran Transmisi Mikrostrip
3.3.4 Biasing DC BJT
Dalam perancangan penguat daya RF ini digunakan small signal analysis,
maka pada proses perancangan matching akan bertumpu pada analisis S
parameter. Pada umumnya datasheet transistor akan memuat data S parameter
yang spesifik untuk setiap nilai DC bias tertentu. Berdasarkan data S parameter
yang akan digunakan maka nilai DC bias yang biperlukan untuk transistor antara
lain:
Ic = 40 mA
Vce= 8V
Metode bias yang digunakan adalah fixed bias dengan feedback path dari
collector ke basis transistor. Dari datasheet didapatkan data-data yang digunakan
dalam perhitungan DC biasing sehingga nilai-nilai Vce dan Ic diatas dapat
terpenuhi, yaitu:

β=120 (typical)
Vbe=0.7 V (silikon)
Gambar 35 topologi DC bias yang diterapkan dalam rangkaian penguat:
Gambar 35 Topologi Biasing DC Transistor
Kemudian dilakukan perhitungan biasing dengan menggunakan hukum Ohm untuk mendapatkan nilai komponen RT, Rb, dan Rc pada topologi di atas. Ketiga resistor tersebut akan mengatur jumlah arus yang mengalir dan nilai tegangan pada node tertentu sehingga nilai-nilai Vce dan Ic yang telah dispesifikasikan sebelumnya dapat dicapai. Berikut ini adalah perhitungan biasing yang digunakan pada penguat
Ditetapkan terlebih dahulu tegangan pada node A yaitu sebesar 12 Volt, Ic = 40mA dan Vce = Vc = 8V
 Rc=
 Ib=
0.33 mA




Setelah nilai-nilai komponen didapatkan kemudian dilakukan DC Simulation pada ADS 2011 untuk menguji apakah perhitungan bias sudah sesuai dengan desain atau belum.
3.3.5 DC Simulation ADS 2011
Komponen-komponen yang didapatkan pada hasil perhitungan sebelumnya disubstitusikan ke dalam topologi DC bias (Gambar 35) kemudian dilakukan DC simulation pada ADS 2011 untuk mengecek berapa nilai Ic dan Vce. Berikut ini (gambar 36) hasil simulasi DC simulation ADS 2011
Gambar 36 DC Simulation ADS 2011
Dari hasil simulasi pada gambar 36 dapat dilihat bahwa nilai yang didapat Ic adalah 43.5 mA sedangkan tegangan Vce sebesar 8.03 V. Nilai-nilai tersebut sudah memenuhi nilai-nilai perancangan yang diinginkan.

3.3.6 Mikrostrip
Penguat daya RF ini menggunakan mikrostrip sebagai saluran
transmisinya. Jenis PCB yang digunakan adalah Roger 4003C dengan εr=3.38 dan
tebal dielektrik d=1.524. Mikrostrip ini menggunakan impedansi karakteristik 50
Ohm. Untuk perhitungannya menggunakan persamaan sebagai berikut
Diketahui:
εr=3.38
d=1.524 mm
Zo=50 Ohm
 


 








r r
Z r r
A
 
  0,11
0,23
1
1
2
1
60
0
  
2 50 3.38
377
2
377
0 Z x
B
r



Jadi lebar jalur untuk 50 Ω adalah sebesar 1.9 mm.

3.3.7 Matching Network
Sebuah rangkaian penyesuai impedansi merupakan suatu elemen yang sangat penting agar terjadinya suatu transfer daya maksimum. Untuk perancangan penguat ini, penyesuai impedansi yang digunakan adalah tipe phi.
3.3.7.1 S Parameter Transistor
Dalam perancangan matching network penguat daya RF dengan analisis small signal, parameter S transistor adalah hal pertama yang musti diperhatikan karena hal ini akan menjadi penentu metode perancangan matching. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, transistor BFG541 sudah memiliki model yang mewakili karakteristik transistor secara seluruhnya. Pada ADS 2011 kita dapat melakukan pengukuran S parameter dari transistor BFG541 yang telah dimodelkan melalui S Parameters simulation. Gambar 37 set-up simulasi pengukuran S parameter transistor pada ADS 2011
Gambar 37 Simulasi Pengukuran S Parameter BFG541
Pada simulasi tersebut dapat dilihat bahwa parameter S transistor diukur dengan kondisi transistor diberi bias DC sesuai dengan yang telah dirancang pada langkah sebelumnya. Pengukuran dilakukan dengan sweep frekuensi 800 MHz s.d 1 GHz. Tabel 1 menunjukkan hasil simulasi pengukuran S parameter BFG541

Tabel 1 Hasil Simulasi Pengukuran S Parameter Transistor BFG541
3.3.7.2 Kestabilan Transistor
Sebelum dilakukan perancangan matching impedance, kita perlu memeriksa kestabilan transistor. Hal ini diutamakan karena jika ternyata transistor tidak stabil maka proses simultaneous conjugate matching tidak bisa dilakukan. Kestabilan transistor dapat diketehui nilainya melalui perhitungan manual biasa menggunakan rumus berdasarkan data-data S parameter (S11,S21,S12,S22) pada frekuensi 900 MHz. Akan tetapi ADS 2011 memberikan fasilitas simulasi penghitungan nilai kestabilan transistor yang hasilnya akan sama dengan perhitungan manual biasa menggunakan rumus. Untuk mempersingkat waktu pendesainan penguat maka pemeriksaan kestabilan transistor dilakukan dengan bantuan fasilitas ADS 2011. Gambar 38 adalah simulasi penghitungan nilai kestabilan transistor pada ADS 2011 menggunakan StabFact simulation
Gambar 38 StabFact Simulation ADS 2011 untuk Menghitung Kestabilan

Hasil simulasi perhitungan kestabilan transistor BFG541 adalah sebagai berikut
Tabel 2 Hasil Simulasi Perhitungan Kestabilan StabFact ADS 2011
Dari tabel 2 hasil simulasi perhitungan disimpulkan bahwa transistor stabil pada frekuensi 890-915 MHz sehingga metode matching simultaneous conjugate matching bisa diterapkan dalam perancangan penguat.
Untuk lebih yakin dalam melakukan perancangan, ada baiknya jika kita melakukan perbandingan hasil antara perhitungan simulasi dan perhitungan. Dari datasheet (lihat lampiran I) dengan nilai biasing Vce 8 V dan Ic 40 mA didapatkan data-data S parameter sebagai berikut:
S11 = 0,303 162,50
S21 = 5,052 74,20
S12 = 0,112 70,70
S22 = 0,125  -54,30
Dengan menggunakan rumus (29) maka didapat
sebesar
= [(0,303 162,50)( 0,125  -54,30)] – [(5,052 74,20)(0,112 70,70)]
= 0.533-32.67
Sehingga harga
adalah

Dari parameter – S yang dihasilkan dari biasing DC, dapat dihitung nilai
kestabilan transistor tersebut. Nilai K > 1, artinya transistor stabil.
3.3.7.3 Zin dan Zout
L
Vs
Zs
in
K-4 ZL
s out
bs
b1
a1 b2
a2
Gambar 39 Refleksi pada Kutub 4
Setelah mendapatkan data S parameter dan kestabilan pada frekuensi kerja
transistor maka tahap selanjutnya adalah menghitung nilai impedansi Zin dan
Zout transistor. Nilai impedansi Zin dan Zout bisa diperoleh melalui perhitungan
manual menggunakan rumus berdasarkan data S parameter (S11,S12,S21,S22)
pada frekuensi 900 MHz. Akan tetapi pada software ADS 2011 terdapat fasilitas
simulasi untuk menghitung nilai impedansi Zin dan Zout yang nilainya akan sama
dengan hasil penghitungan manual menggunakan rumus. Untuk mempersingkat
waktu pendesainan penguat maka nilai Zin dan Zout diperoleh melalui bantuan
ADS 2011. Gambar 40 simulasi untuk memperoleh nilai Zin dan Zout pada ADS
2011 menggunakan smZ1 (Simultaneous-Match Input Impedance) dan smZ2
(Simultaneous-Match Output Impedance) simulation

Gambar 40 Simulasi Perhitungan Zin & Zout ADS 2011
Tabel 3 merupakan hasil simulasi perhitungan nilai impedansi Zin dan Zout transistor BFG541
Tabel 3 Hasil Simulasi Perhitungan Zin & Zout ADS 2011
Dari hasil simulasi tersebut didapatkan Zin=20.302+j5.214 dan Zout=81.958-j21.141.
3.3.7.5 Perancangan Matching Network Input
Zsource = 50 Ohm
Zin = 20.302+j5.214 Ohm
Sebelum perancangan matching network tipe Phi dilakukan, kita harus memiih resistansi virtual (Rv) yang mana nilainya Rv<Rsource<Rin. Pada

perancangan kali ini R yang diambil adalah 5 Ohm (5<20.302<50). Matching network input tipe Phi pada prinsipnya terdiri dari 2 matching network tipe L, yaitu tipe L kiri dan tipe L kanan (gambar 41). Tipe L kanan akan menyesuaikan impedansi Zin ke resistansi virtual, sedangkan tipe L kanan akan menyesuaikan resistasi virtual ke Zsource 50 Ohm.
Gambar 41 Rangkaian Topologi L Ekivalen
Berikut ini akan dijelaskan proses perancangan matching input topologi Phi dengan bantuan software ADS 2011
1. Dengan bantuan Smitch Chart Utility (gambar 42) software ADS 2011 kita lakukan proses matching L kanan untuk menyesuaikan impedansi Zin ke Rv 5 Ohm. Inputkan nilai impedansi Zin ke ZL pada Network Schematic sedangkan nilai Rv diinputkan ke ZS pada Network Schematic

Gambar 42 Smith Chart Utility ADS 2011
2. Gunakan fasilitas Auto 2-Element Match agar proses penyesuaian impedansi secara grafis pada smith chart dilakukan secara otomatis oleh ADS (gambar 43).
Gambar 43 Hasil Simulasi Auto 2 Element Match ADS 2011

3. Gunakan fasilitas Build ADS Circuit untuk membentuk rangkaian topologi L berdasarkan solusi grafis pada smith chart oleh ADS pada langkah sebelumnya. Gambar 44 adalah rangkaian topologi L yang berhasil didapat
Gambar 44 Penyesuai Impedansi Input Tipe L Kanan
4. Dengan bantuan Smitch Chart Utility software ADS 2011 kita lakukan proses matching L kiri untuk menyesuaikan Rv 5 Ohm ke Zsource 50 Ohm. Inputkan nilai Rv 5 Ohm ke ZL pada Network Schematic sedangkan nilai Zsource 50 Ohm diinputkan ke ZS pada Network Schematic

6. Gunakan fasilitas Build ADS Circuit untuk membentuk rangkaian topologi L berdasarkan solusi grafis pada smith chart oleh ADS pada langkah sebelumnya. Gambar 47 rangkaian topologi L yang berhasil didapat
Gambar 47 Penyesuai Impedansi Input Tipe L Kiri

7. Tahap terakhir pembentukan matching impedance input topologi Phi adalah menyatukan kedua matching tipe L yang telah didapatkan sebelumnya. Gambar 48 merupakan rangkaian matching impedance input tipe phi yang berhasil dirancang
Gambar 48 Penyesuai Impedansi Input Topologi Phi
3.3.7.6 Perancangan Matching Network Output
Zload = 50 Ohm
Zout = 81.958-j21.141 Ohm
Sebelum perancangan matching network tipe phi dilakukan, kita harus memiih resistansi virtual (Rv) yang mana nilainya Rv<Rload<Rout. Pada perancangan kali ini R yang diambil adalah 8 Ohm (8<50<81.958). Matching network input tipe phi pada prinsipnya terdiri dari 2 matching network tipe L, yaitu tipe L kiri dan tipe L kanan. Tipe L kiri akan menyesuaikan impedansi Zout ke resistansi virtual, sedangkan tipe L kanan akan menyesuaikan resistasi virtual ke Zload (Gambar 49).

Gambar 49 Rangkaian Topologi L Ekivalen
Berikut ini akan dijelaskan proses perancangan matching output dengan bantuan software ADS 2011
1. Dengan bantuan Smitch Chart Utility software ADS 2011 kita lakukan proses matching L kiri untuk menyesuaikan impedansi Zout ke Rv 8 Ohm. Inputkan nilai impedansi Zout ke ZL pada Network Schematic sedangkan nilai Rv diinputkan ke ZS pada Network Schematic

2. Gunakan fasilitas Auto 2-Element Match agar proses penyesuaian impedansi secara grafis pada smith chart dilakukan secara otomatis oleh ADS (gambar 51)
Gambar 52 Penyesuai Impedansi Output Tipe L Kiri

4. Dengan bantuan Smitch Chart Utility software ADS 2011 kita lakukan proses matching L kanan untuk menyesuaikan Rv 8 Ohm ke Zload 50 Ohm. Inputkan nilai Rv 8 Ohm ke ZL pada Network Schematic sedangkan nilai Zload 50 Ohm diinputkan ke ZS pada Network Schematic

Gambar 55 Penyesuai Impedansi Output Tipe L Kanan
7. Tahap terakhir pembentukan matching impedance output tipe phi adalah menyatukan kedua matching tipe L yang telah didapatkan sebelumnya. Gambar 56 rangkaian matching impedance output tipe phi yang berhasil dirancang

Gambar 56 Penyesuai Impedansi Output Topologi Phi
3.4 Diagram Skematik Rangkaian
Gambar 57 merupakan diagram skematik rangkaian penguat secara keseluruhan yang terdiri dari transistor, bias DC, RF Choke, DC Block, matching network input, dan matching network output.

Gambar 57 Diagram Skematik Rangkaian Penguat Keseluruhan
3.5 Simulasi ADS 2011
Sebelum direalisasikan, penguat daya RF ini disimulasikan terlebih dahulu menggunakan software ADS 2011 untuk mengetahui gambaran nilai gain penguat, VSWR, Kestabilan, dan parameter-parameter lainnya. Hal ini dilakukan untuk mengecek bilamana terjadi kesalahan dalam pendesainan rangkaian penguat.
Gambar 58 Tampilan Schematic Simulation ADS 2011

Pada simulasi ini digunakan model transistor BFG541 yang di-download langsung dari situs nxp serta memiliki versi paling baru. Semua komponen pasif yang digunakan diset ideal dan jalur tidak meredam.
3.5.1 Simulasi Gain
(a)
(b)
Gambar 59 Grafik Hasil Simulasi Gain (Pin: Biru|Pout: Merah)

Gambar 59 menunjukkan hasil simulasi Gain rangkaian penguat daya RF yang telah dirancang pada ADS 2011. Gambar 59a menunjukkan hasil simulasi pada frekuensi 890-915 MHz sedangkan gambar 59b pada frekuensi 600 MHz-1.1 GHz. Dapat dilihat bahwa penguat menghasilkan penguatan 13 dB pada frekuensi 900 MHz.
3.5.2 Simulasi VSWR
Gambar 60 Hasil Simulasi Pengukuran VSWR ADS 2011
Hasil simulasi pengukuran VSWR (gambar 60) tersebut menunjukkan bahwa nilai VSWR1 input dan VSWR2 output penguat cukup baik (nilai mendekati 1).
3.5.3 Simulasi Kestabilan
Tabel 4 Hasil Simulasi Perhitungan Kestabilan StabFact ADS 2011

Hasil pengukuran (tabel 4) menunjukkan penguat stabil pada frekuensi kerjanya (Stabfact ≥ 1).
3.5.4 Simulasi Pengukuran S11 dan S22 (dB)
Gambar 61 Hasil Simulasi Pengukuran S11 dan S22 ADS 2011
S11(dB) menunjukkan return loss sedangkan S22(dB) menunjukkan return loss output. Hasil simulasi pengukuran (gambar 61) tersebut menunjukkan nilai return loss input dan output sudah cukup baik (≤-20dB). Frekuensi pengukuran 600 MHz-1.1 GHz.
3.6 Implementasi Alat
Implementasi dari rangkaian penguat daya RF ini terdiri dari implementasi perangkat keras dan implementasi mekanik. Setelah desain selesai, maka hasil desain tersebut diimplementasikan dalam bentuk yang lebih baik.
Dalam implementasi perangkat keras ini ada beberapa tahapan yang dilakukan, yaitu :
1. Pembuatan Lay Out PCB
Setelah mendesain amplifier, selanjutkan membuat lay out PCB untuk rangkaian amplifier. Pembuatan lay out PCB menggunakan bantuan

software Altium 13.1. Ukuran dan desain dari lay out PCB rangkaian amplifier tersebut berdasarkan jumlah komponen dan bentuk footprint dari masing-masing komponen yang digunakan dan diletakkan. Gambar 62 adalah hasil lay out PCB rangkaian amplifier yang dibuat.
Gambar 62 Lay Out PCB Rangkaian Amplifier
2. Pencetakan PCB dan Penyolderan
Untuk proses pencetakan PCB tersebut, penulis menggunakan jasa cetak PCB Multikarya. PCB yang dibuat menggunakan double layer, dimana bagian atas (top layer) adalah garis jalur dan penempatan komponen dan bagian bawah (bottom layer) adalah bagian grounding, yang dihubungkan dengan through hole yang terdapat pada setiap kaki komponen yang terhubung ke ground.
Peletakan komponen dibuat serapat mungkin, dikarenakan untuk menghindari berubahnya frekuensi atau besarnya jumlah redaman yang ditimbulkan dari bahan PCB tersebut. Bahan PCB yang digunakan adalah Rogers RO4003C. Komponen yang digunakan adalah Komponen Surface

Mount, yang diharapkan memiliki toleransi yang baik, karena bekerja pada frekuensi tinggi.
Setelah jalur PCB selesai dibuat, maka dilakukan pengecekan jalur. Pengecekan ini dibagi menjadi dua tahap, yaitu sebelum menjadi PCB dan sesudah menjadi PCB. Hal ini dimaksudkan untuk menghindari terjadinya kesalahan-kesalahan jalur yang dapat merusak kinerja komponen yang akan dipasang.
Penyolderan dilakukan dengan solder biasa. Karena penyolderan dilakukan pada permukaan PCB maka dibutuhkan ketelitian dan kesebaran, sehingga timah yang menempel tidak menggumpal dan rangkaian tetap kelihatan rapi.
Realisasi alat dilengkapi juga dengan heatsink yang ukurannya disesuaikan dengan kebutuhan. Heatsink juga pada realisasi penguat daya RF ini sangat dibutuhkan untuk menyalurkan panas karena disipasi daya.
Gambar 63 Rangkaian Amplifier setelah dipasang Komponennya

OPTIMASI MATCHING RF AMPLIFIER

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to OPTIMASI MATCHING RF AMPLIFIER

Similar to OPTIMASI MATCHING RF AMPLIFIER (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (6)

OPTIMASI MATCHING RF AMPLIFIER