24
Perangkat lunak ini digunakan untuk mengelola data dengan persamaan matematis.
Perangkat keras hardware yang digunakan pada perancangan band pass filter ini adalah:
1. Substrat dielektrik FR4-Epoxy sebagai bahan filter
2. Network analyzer
Alat ini digunakan untuk pengukuran port tunggal melihat frekuensi kerja, mengukur return loss, mengukur bandwidth -10 dB, VSWR dan port ganda
mengukur bandwidth -3 dB 3.
Kabel coaxial 50 ohm 4.
SMA port 50 ohm
3.4 Flow Chart Perancangan Filter
Dalam merancang filter diperlukan tahapan-tahapan untuk membantu dalam proses perancangan.
Perancangan dimulai dengan menentukan spesifikasi BPF. Lalu pemilihan substrat FR4-Epoxy dengan ketebalan 1.6 mm. Substrat ini di pilih karena mudah
di temukan dimana-mana, harganya yang tidak terlalu mahal dan mudah untuk di fabrikasi. Pada proses fabrikasi ada dimensi minimum sebesar 0,2 mm, sehingga
dalam proses perancangan filter tidak boleh ada desain yang kurang dari batas ukuran minimum fabrikasi.
Selanjutnya mulai merancang bandpass filter mikrostrip hairpin. Masing- masing dievaluasi dan disimulasikan menggunakan perangkat lunak AWR
Universitas Sumatera Utara
25
Microwave Office 2004 . Jika belum didapatkan hasil yang sesuai dengan spesifikasi
yang diinginkan, dilakukan tuning sampai di dapat hasil yang diinginkan. Gambar 3.1 merupakan gambar diagram alir flow chart dari perancangan filter:
Mulai
Masukkan nilai spesifikasi substrat FR4,
ɛr=4.4 ; tan =0.02 ; h=1.6mm ;
TanD= 0.02 Masukkan Nilai Impedansi
masukan Zc=20 Ω
Menentukan Dimensi Resonator
Menentukan Jarak Antar Resonator Hairpin
Simulasi Dengan AWR Microwave Office 2004
Hasil Sesuai Spesifikasi
Selesai Atur Panjang Resonator
Hairpin Atur Jarak Antar Resonator
Hairpin Ya
Tidak
Didapatkan nilai W, L1, L2, Sf, S1, dan S2
sesuai harapan
Gambar 3.1 Flowchart perancangan filter
Universitas Sumatera Utara
26
3.5 Perancangan Filter Hairpin
Perancangan simulasi filter hairpin dimulai dengan menentukan rincian yang akan diterapkan pada bandpass filter. Perincian yang ditentukan pada
perancangan simulasi adalah menentukan pada frekuensi mana filter akan berfungsi, yaitu pada frekuensi 2.4-2.5 Ghz dengan bandwidth 100 Mhz. Orde filter
yang di gunakan ada filter ordo 5. Kemudian adalah menentukan jenis substrat yang digunakan pada
perancangan dan fabrikasi. Tabel 3.1 merupakan spesifikasi substrat yang digunakan dalam perancangan dan fabrikasi filter.
Tabel 3.1 Spesifikasi substrat yang digunakan
Jenis Substrat FR4-Epoxy
Konstanta Dielektrik ɛ
r
Dielectric Loss Tangent
tan Ketebalan Substrat h
Loss Tangent TanD
4,4 0,02
1,6 mm 0,02
Parameter-parameter yang berpengaruh pada kinerja filter hairpin adalah panjang, lebar dan slide factor. Parameter-parameter ini akan mempengaruhi
frekuensi kerja, bandwidth, return loss, dan insertion loss dari filter hairpin. Untuk mendapatkan parameter parameter ini dilakukan perhitungan menggunakan rumus,
lalu dilakukan optimasi untuk mendapatkan filter yang sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan. Berikut ini perhitungan dari parameter parameter hairpin.
Universitas Sumatera Utara
27
3.5.1 Perancangan Dimensi Resonator Hairpin
Dengan menggunakan spesifikasi substrat FR4-Epoxy pada tabel 3.1, maka dapat dihitung dimensi filter panjang dan lebar salurannya. Konstanta dielektrik
dan tebal substrat digunakan dalam perhitungan lebar dan panjang saluran resonator.
3.5.1.1 Lebar Saluran Resonator
Lebar saluran resonator dapat dihitung dengan menggunaka Persamaan 2.12 dan 2.13. Berikut perhitungan lebar saluran resonator dengan nilai konstanta
dielektrik 4,4 dan tebal substrat 1.65 mm, Z
c
bernilai 50 ohm.
= {
� − }
.
+ � −
� + { . + .
� }
= {
, − }
,
+ , −
, + { . + ,
, } = ,
ℎ = ℯ
ℯ − = ℯ
,
ℯ
,
− = , Karena Wh 2 maka dengan Persamaan 2.12 dapat digunakan dengan
ketebalan h = 1,6 mm, maka lebar saluran resonator adalah
= ℎ ∗ ℎ = , ∗ . = ,
Nilai W tersebut merupakan lebar dari saluran resonator hairpin dan saluran pencatu. Nilai 3,0048 pada simulasi dibulatkan menjadi 3,0 agar mempermudah
perancangan digunakan agar matching pada proses pengukuran menggunakan
Universitas Sumatera Utara
28
SMA port 50 ohm. Gambar 3.2 adalah ilustrasi rancangan lebar resonator dan lebar pencatu.
W Wr
Gambar 3.2 Ilustrasi rancangan lebar resonator dan lebar pencatu
3.5.1.2 Panjang Saluran Resonator
Panjang saluran resonator dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.17-2.19. Berikut perhitungan panjang resonator.
�
ℯ
= � +
+ � −
√ +
ℎ
= . +
+ , −
√ +
, = ,
= �
= � ∗ , ∗
∗ =
,
−
= �
√�
ℯ
�
Universitas Sumatera Utara
29
Dikarenakan filter dengan resonator hairpin menggunakan saluran dengan panjang setengah panjang gelombang maka Ø = 180
o
. Kemudian dapat dicari panjang saluran untuk masing frekuensi kerja.
= �
√ , ∗ ,
= , =
.
Nilai panjang total resonator hairpin yaitu 33,55 mm yaitu yang dapat di lihat pada gambar di bawah dimana L = L
1
+L
2
+S
f
L1 L2
Sf
Gambar 3.3 Ilustrasi rancangan panjang resonator hairpin Ilustrasi rancangan saluran resonator dapat dilihat pada gambar 3.2. Dari
ilustrasi tersebut, dapat dilihat saluran resonator dibelokkan sehingga panjangnya dibagi menjadi tiga bagian L
1
dan L
2
disertai dengan saluran yang menghubungkan keduanya atau disebut juga dengan slide factor S
f
. Agar tidak terjadi self coupling kopling dalam satu saluran resonator,
maka panjang slide factor dibuat 1-3 kali dari lebar saluran resonator hairpin yaitu
Universitas Sumatera Utara
30
5 mm. Pengaruh perubahan slide factor adalah bergesernya frekuensi kerja dari filter
dan perubahan insertion loss. Semakin panjang slide factor maka frekuensi kerja dari filter akan semakin kecil dengan insertion loss semakin baik mendekati
0, sedangkan semakin pendek slide factor maka frekuensi akan semakin tinggi dengan insertion loss semakin kecil.
3.5.1.3 Perancangan Jarak Antar Resonator
Filter hairpin ini dirancang dengan menggunakan respon chebyshev berorde
5. Perancangan filter dimulai dengan menentukan nilai prototype filter lowpass berdasarkan tabel chebyshev dengan ripple 0.01 dB. Nilai koefisien kopling yang
didapat digunakan untuk mencari jarak antara resonator hairpin. Untuk orde 5 dan ripple
0,01 dB, respon frekuesni tersebut memiliki parameter seperti yang terdapat pada Tabel 2.1 sebagai berikut:
g1 = 0,7653 g2 = 1,3049
g3 = 1,5773 g4 = 1,3049
g5 = 0,7563 g6 = 1
Berdasarkan nilai parameter di atas, koefisien kopling antar resonator dapat ditentukan dengan perhitungan pada Persamaan 2.21:
= �
√ ∗
+
� =
= ,
Universitas Sumatera Utara
31
= ,
√ , ∗ ,
= , =
= ,
√ , ∗ ,
= , =
= ,
√ , = ,
Untuk mengetahui jarak resonator yang sesuai dengan perhitungan koefisien kopling, dilakukan simulasi dengan menggunakan perangkat lunak AWR
Microwave Office 2004 . Simulasi dilakukan dengan mengamati grafik S
21
. Pada perancangan ini menggunakan hairpin ordo lima, jadi ada S1 untuk jarak resonator
hairpin 1 dan 2, serta resonator hairpin 4 dan 5, lalu ada S2 untuk jarak resonator
hairpin 2 dan 3, serta resonator hairpin 3 dan 4. Penempatannya terlihat seperti
Gambar 3.4.
S1 S2
S2 S1
Gambar 3.4 Ilustrasi rancangan jarak antar resonator hairpin Dari gambar di atas terlihat ada jarak S1 dan S2. Jarak antar resonator akan
berpengaruh pada bandwidth dan frekuensi kerja dari filter. Sesuai perhitungan di atas, diketahui nilai kopling. Besarnya koefisien kopling dapat diketahui dengan
melihat parameter S
21
-nya. Pada gambar diperlihatkan bagaimana cara mendapat
Universitas Sumatera Utara
32
nilai K dari grafik S
21
. Besarnya koefisien kopling didapatkan dengan menggunakan persamaan. Hasil tersebut dicocokkan dengan nilai K yang
diinginkan. Nilai K didapat dari perhitungan adalah 0,0408 untuk K
12
dan 0,0286 untuk K
34
. Lalu nilai perhitungan dengan melihat parameter S
21
dilakukan untuk mendapat nilai seperti rumus.
3.5.1.4 Simulasi dan Analisa BPF Hairpin
Setelah dilakukan perhitungan untuk parameter-parameter filter hairpin, maka akan dibuat filter hairpin berdasarkan data perhitungan yang telah di buat.
Filter hairpin ini dibuat berdasakan perhitungan panjang, lebar, dan jarak antar
resonator. Panjang L1 seperti Gambar 3.3 adalah 14,5 mm, lebar saluran resonator adalah 3 mm, lebar saluran pencatu adalah 3 mm jarak S1 adalah 1 mm dan jarak
S2 adalah 1 mm. Hasil simulasi dari filter terlihat seperti gambar di bawah ini.
Gambar 3.5 Hasil simulasi awal BPF hairpin
Universitas Sumatera Utara
33
Hasil perancangan berdasarkan perhitungan terlihat pada Gambar 3.5 didapatkan frekuensi tengah filter 2,18 GHz dan bandwidth -3 dB 2,299 GHz
– 2,072 GHz =0,227 GHz 227 MHz. Hasil simulasi tidak sesuai dengan spesifikasi
filter, yaitu bandwidth 100 MHz dan frekuensi tengah 2,45 GHz. Untuk frekuensi tengah dapat di geser dengan menambah atau mengurangi panjang saluran
resonator hairpin dan untuk bandwidth filter optimasi yang bisa dilakukan adalah dengan merubah jarak antar resonator, semakin jauh jarak antar resonator maka
semakin kecil koefisien kopling dan semakin kecil bandwidth dari filter. Kemudian dilakukan simulasi ulang BPF hairpin dengan jarak S1 = 1,15
mm dan S2 = 1,15 mm, L= 13 mm. Hasil simulasi terlihat pada gambar di bawah ini untuk mengetahui kinerja filter setelah dilakukan perubahan parameternya
Gambar 3.6 Hasil simulasi ulang BPF hairpin
Universitas Sumatera Utara
34
Pada Gambar 3.6 terlihat perubahan frekuensi kerja BPF menjadi 2,455 GHz dan bandwidth 255 Mhz setelah dikurangi panjang resonator hairpin dan
dirubah jarak antar resonatornya. Untuk frekuensi kerja sudah mendekati spesifikasi filter, tetapi untuk bandwidth masih terlalu besar jika dibandingkan
spesifikasi filter sebesar 100 MHz. Oleh karena itu masih dibutuhkan optimasi lebih lanjut agar mendapatkan filter sesuai spesifikasi.
3.6 Tuning Perancangan Filter Hairpin
Pada tuning perancangan ini akan diambil data dari beberapa simulasi yang dilakukan pada perangkat lunak. Pada proses tuning akan di tunjukkan seberapa
besar perubahan karakteristik filter pada tiap-tiap parameter yang dioptimasi sehingga didapatkan spesifikasi filter yang diinginkan.
3.6.1 Tuning Panjang Slide Factor
Pada teori sebelumnya diketahui bahwa perubahan panjang slide factor mempengaruhi kopling pada filter hairpin sehingga secara tidak langsung
mempengaruhi frekuensi tengah, dari optimasi berikut ini akan dicari berapa panjang slide factor yang paling mendekati spesifikasi filter yang diinginkan, sesuai
teori akan di optimasi panjang slide factor sebesar 1-3 kali lebar saluran resonator, yaitu 3-9 mm dengan interval 1 mm.
Universitas Sumatera Utara
35
Tabel 3.2 Perubahan slide factor terhadap frekuensi filter
Slide factor b mm Panjang L
1
mm Total panjang resonator
2L
1
+b mm Frekuensi
GHz 3
4 5
6 7
8 9
13 13
13 13
13 13
13 29
30 31
32 33
34 35
2,57 2,475
2,395 2,32
2,255 2,19
2,135 Dari hasil simulasi, terlihat pengaruh perubahan panjang slide factor
terhadap frekuensi kerja dari filter. Semakin panjang slide factor maka frekuensi kerja akan semakin kecil. Gambar 3.7 menunjukkan bahwa panjang slide factor
yang paling mendekati frekuensi kerja 2,45 GHz adalah 4 mm.
Gambar 3.7 Grafik panjang slide factor terhadap frekuensi kerja
0.5 1
1.5 2
2.5 3
3 4
5 6
7 8
9 Fre
ku e
n si
G H
z
Panjang slide factor mm
Universitas Sumatera Utara
36
3.6.2 Tuning Panjang Saluran Resonator Hairpin
Perancangan BPF dilanjutkan dengan menggeser frekuensi tengah dari filter dengan merubah panjang resonator hairpin. Panjang resonator hairpin sesuai
perhitungan adalah 33,55 mm. Tabel 3.3 Hasil simulasi pengaruh perubahan jarak ukuran resonator terhadap
frekuensi Slide Factor b
mm Panjang L
1
mm Total panjang resonator
2L
1
+b mm Frekuensi
GHz 4
4 4
4 4
12 13
14 15
16 28
30 32
34 36
2,63 2,475
2,34 2,22
2,12 Dari tabel di atas kita bisa melihat grafik pengaruh panjang saluran
resonator seperti yang terdapat pada Gambar 3.8
Gambar 3.8 Grafik panjang resonator terhadap frekuensi kerja
0.5 1
1.5 2
2.5 3
28 30
32 34
36 Fre
ku e
n si
G H
z
Total panjang resonator mm
Universitas Sumatera Utara
37
Dari hasil simulasi, terlihat pengaruh perubahan panjang resonator terhadap frekuensi kerja dari filter. Semakin panjang resonator maka frekuensi kerja dari
filter akan semakin kecil. Panjang resonator yang paling mendekati frekuensi kerja
2,45 GHz adalah 30 mm.
3.6.3 Tuning Jarak Resonator Hairpin
Setelah dilakukan optimasi pada panjang saluran resonator, tahap selanjutnya optimasi pada jarak antara saluran resonator hairpin. Seperti pada
perubahan panjang resonator, optimasi dilakukan dalam beberapa tahap perubahan dan dilihat dari grafik perubahannya. Panjang S2 ditetapkan sebesar 2 mm, agar
mendapatkan koefisien kopling yang kuat. Di bawah ini merupakan tabel perubahan jarak S1 terhadap bandwidth dan frekuensi kerja.
Tabel 3.4 Pengaruh jarak S1 terhadap bandwidth dan frekuensi Jarak antar resonator S1
Bandwidth MHz Frekuensi GHz
0,9 1
1,1 1,15
1,3 1,4
1,5 135
135 134
134 135
199 199
2,48 2,48
2,48 2,48
2,4 2,4
2,395 Dari grafik menunjukkan hasil simulasi antara jarak antar resonator
terhadap frekuensi filter. Pada saat jarak S1 bertambah maka frekuensi akan
Universitas Sumatera Utara
38
semakin kecil, sedangkan respon frekuensi semakin besar. Dari proses optimasi ditentukan nilai S1 sebesar 1,15 mm agar frekuensi tengah lebih mendekati 2,45
Ghz.
Gambar 3.9 Pengaruh jarak S1 terhadap frekuensi Selanjutnya dilakukan optimasi dengan mengubah nilai dari S2 dengan nilai
S1 tetap yaitu 1,15 mm. Tabel 3.5 Pengaruh jarak S2 terhadap frekuensi kerja
Jarak antar resonator S2 Bandwidth MHz
Frekuensi GHz 1,5
1,7 1,85
2 2,15
2,3 190
190 130
130 130
100 2,46
2,46 2,45
2,455 2,455
2,455
2.34 2.36
2.38 2.4
2.42 2.44
2.46 2.48
2.5
0.9 1
1.1 1.2
1.3 1.4
1.5 Fre
ku e
n si
G H
z
Jarak S1 mm
Universitas Sumatera Utara
39
Dari grafik terlihat hasil simulasi antara jarak antar resonator terhadap frekuensi filter. Pada jarak S2 bertambah maka bandwidth dan respon frekuensi
semakin kecil. Dari proses optimasi didapatkan nilai S2 paling baik adalah sebesar 1,85 mm dengan frekuensi kerja 2,45 GHz dan bandwidth 130 Mhz.
Gambar 3.10 Grafik perubahan jarak S2 terhadap bandwidth Dari hasil optimasi didapatkan nilai S1 adalah 1,15 mm dan S2 adalah 1,85
mm. Pada jarak tersebut didapatkan parameter parameter filter yang bisa mendekati target yaitu bandwidth 130 Mhz dan frekuensi 2,45 GHz.
3.7 Perancangan Pencatu pada Filter
Pada saat pengukuran pencatu pada filter akan dihubungkan dengan konektor SMA 50 ohm. Dengan demikian dalam perancangan pencatu filter
mikrostrip perlu impedansi masukan Zin 50 ohm. Untuk mendapatkan nilai impedansi saluran pencatu 50 ohm, dapat dilakukan dengan mencari lebar saluran
mikrostrip.
2.444 2.446
2.448 2.45
2.452 2.454
2.456 2.458
2.46 2.462
1.55 1.7
1.85 2
2.15 2.3
Fre ku
e n
si G
H z
Jarak S2 mm
Universitas Sumatera Utara
40
Gambar 3.11 Perancangan pencatu pada filter Saluran pencatu yang digunakan berupa tap. Tap rancang sebesar 16,7 mm
dan lebar 3 mm. Nilai tersebut dapat dihitung menggunakan subprogram TXLine pada AWR Microwave Office 2004 dan memasukkan parameter-parameter yang
dibutuhkan, maka secara otomatis akan megetahui nilai lebar impedansi 50 ohm. Cuplikan subprogram terdapat pada Gambar 3.10.
3.8 Dimensi Perancangan BPF Hairpin