Flow Chart Perancangan Filter Perancangan Pencatu pada Filter

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