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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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, Universitas Sumatera Utara. 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.
Universitas Sumatera Utara
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 Universitas Sumatera Utara.
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.
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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 S11 ............................................................................................. 23 Gambar 2.14 S21 ............................................................................................. 23 Gambar 2.15 S22 dan S12 ................................................................................ 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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Tabel 3.2 Tabel 4.1 Tabel 4.2 Tabel 4.3 Tabel 4.4 Tabel 4.5
Nilai Komponen Phase Shifter dengan Lumped Element Untuk Frekuensi 433 MHz ................................................................. 42 Nilai Komponen High Pass-Low Pass Phase Shifter Untuk Frekuensi 433 MHz .................................................................. 49 Hasil Simulasi Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element Untuk Frekuensi 433 MHz ....................................................... 55 Hasil Simulasi Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element 6 Bit Berdasarkan Urutan Pergeseran Fasa 0° Hingga 360° ....... 57 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit ......................................................................................... 65 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 3 Bit ......................................................................................... 71 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 3 Bit Berdasarkan Urutan Pergeseran Fasa ....................................... 72
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Antena merupakan salah satu komponen penting dalam sistem
telekomunikasi. Sebagai perangkat yang meradiasi dan menerima gelombang elektromagnetik, antena telah mengalami perkembangan yang sangat pesat baik dalam bentuk maupun aplikasinya. Salah satu pengembangan antena adalah smart antenna yang merupakan susunan dari antena yang dikombinasikan dengan pengolahan sinyal. Antena array merupakan antena yang menggunakan beberapa elemen antena individual yang berkerja sama sehingga membentuk suatu antena dengan karakteristik yang berbeda dari antena individualnya. Keunikan antena array ini adalah bahwa pola radiasi dari antena dapat dikendalikan dengan cara mengatur sedemikian rupa fasa arus catu masing-masing elemen antena dan mengatur jarak antar elemennya.
Pada smart antenna, dapat dilakukan perkiraan arah kedatangan sinyal terhadap sinyal terima antena array, kemudian sinyal yang diterima oleh receiver smart antenna tersebut akan dikendalikan fasanya sehingga main beam (pola radiasi maksimum) dapat diarahkan ke penerima yang dimaksud.
Untuk dapat mengatur fasa masing-masing antena array dibutuhkan suatu rangkaian penggeser fasa (phase shifter). Phase shifter adalah suatu rangkaian fungsional yang digunakan untuk menggeser atau menambah fasa dari sinyal yang ditransmisikan sehingga pola radiasi antena dapat diubah secara elektronik tanpa harus mengubah posisinya.
Universitas Sumatera Utara
Pada Tugas Akhir ini, penulis melakukan studi tentang Radio Frequency (RF) phase shifter untuk smart antenna. Dari studi ini diharapkan dapat dianalisis kinerja dari RF phase shifter tersebut dengan bantuan perangkat lunak Advanced Design System (ADS) yang diproduksi oleh Agilent Eesof EDA, sebuah produk dari Agilent Technologies. 1.2 Rumusan Masalah
Adapun rumusan masalah dari Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana rangkaian RF phase shifter? 2. Metode apa saja yang bisa digunakan dalam perancangan RF phase
shifter? 3. Apa parameter yang menentukan kinerja dari RF phase shifter? 4. Bagaimana merancang rangkaian RF phase shifter yang akan dianalisis?
1.3 Tujuan Penulisan Tugas Akhir ini bertujuan untuk melakukan analisis terhadap kinerja RF
phase shifter pada smart antenna, sehingga pola radiasi dari smart antenna dapat diarahkan secara elektronik ke arah yang dimaksud tanpa mengubah posisinya.
1.4 Batasan Masalah Untuk memudahkan pembahasan dalam tulisan ini, maka dibuat
pembatasan masalah sebagai berikut : 1. Hanya membahas smart antenna secara umum. 2. Membahas tentang RF phase shifter.
Universitas Sumatera Utara
3. Phase shifter yang dianalisis adalah phase shifter dengan lumped element dan high pass- low pass phase shifter yang bekerja pada frekuensi 433 MHz.
4. Parameter yang dianalisis phase error, return loss, dan insertion loss. 5. Pengukuran parameter RF phase shifter dilakukan dengan menggunakan
perangkat lunak ADS versi 2011.10.
1.5 Metode Penulisan Metode yang diterapkan dalam penulisan Tugas Akhir ini adalah:
1. Studi literatur Yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik Tugas Akhir ini dari buku-buku referensi yang dimiliki oleh pemilik atau di perpustakaan dan juga artikel-artikel, jurnal, dan lain-lain.
2. Perhitungan Melakukan perhitungan secara analitik dengan menggunakan perumusan ilmiah untuk RF phase shifter yang akan dianalisis.
3. Perancangan dan Analisis Dari hasil perhitungan analitik dengan menggunakan perumusan ilmiah kemudian dilakukan pengukuran RF phase shifter dengan menggunakan perangkat lunak ADS versi 2011.10.
1.6 Sistematika Penulisan Untuk memberikan gambaran mengenai Tugas Akhir ini secara singkat,
maka penulis menyusun sistematika penulisan sebagai berikut:
Universitas Sumatera Utara
BAB I
PENDAHULUAN
Bab ini menguraikan latar belakang, rumusan masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, metodologi penulisan, dan sistematika penulisan.
BAB II
DASAR TEORI
Bab ini berisi penjelasan tentang smart antenna secara umum dan penjelasan mengenai RF phase shifter.
BAB III
PERANCANGAN RF PHASE SHIFTER
Bab ini berisi mengenai perancangan RF phase shifter yang akan dianalisis, yaitu phase shifter dengan lumped element dan high pass-low pass phase shifter.
BAB IV
ANALISIS KINERJA RANGKAIAN RF PHASE SHIFTER
Bab ini membahas mengenai analisis kinerja dari rangkaian phase shifter dengan lumped element dan high pass-low pass phase shifter dengan menggunakan software ADS versi 2011.10.
BAB V
PENUTUP
Bab ini berisikan kesimpulan dan saran dari pembahasan pada babbab sebelumnya.
Universitas Sumatera Utara
BAB II DASAR TEORI
2.1 Pengerian Smart Antenna Istilah smart antenna umumnya mengacu kepada antena array yang
dikombinasikan dengan pengolahan sinyal yang canggih, yang mana desain fisiknya dapat dimodifikasi dengan menambahkan beberapa elemen. Ide utama dari pengembangan smart antenna adalah memaksimumkan gain antena ke arah yang diinginkan dan pada saat yang sama membuat pola radiasi minimum ke arah sinyal yang mengganggu [1].
Pemikiran dasar suatu smart antenna adalah bagaimana membuat pola radiasi antena tidak tetap, tetapi terarah dan mengikuti posisi pemakai (adaptive). Dengan smart antenna maka pemakaian daya dan spektrum akan semakin hemat dan terhindar dari gangguan sinyal-sinyal yang lain [2].
Antena array dirancang sedemikian rupa menjadi suatu sistem antena yang dapat menggeser sinyal sebelum ditransmisikan atau sesudah diterima pada masing-masing elemen sehingga antena mempunyai suatu pengaruh kombinasi. Konsep tersebut dikenal sebagai antena phased array.
Antena phased array digunakan dalam berbagai aplikasi seperti radar dan sistem komunikasi nirkabel. Pada antena ini, berbagai elemen antena ditempatkan secara terpisah dalam satu, dua atau tiga dimensi untuk membentuk suatu pola sorotan antena sehingga kekuatan sinyal ke / dari arah yang dimaksud meningkat dan pancaran ke / dari penerima / sumber yang tidak diinginkan dihilangkan [3]. Tidak seperti antena konvensional yang diputar secara mekanik, arah dan bentuk
Universitas Sumatera Utara
pola radiasi dari antena dapat dikendalikan secara elektronik dengan menggunakan phase shifter.
Gambar 2.1 menampilkan arsitektur umum smart antenna dengan metode phased array menggunakan pergeseran fasa RF [4]. Pada arsitektur ini, sinyal pada masing-masing elemen antena mengalami pergeseran fasa oleh phase shifter dan kemudian sinyal tersebut dikombinasikan dalam wilayah RF.
Gambar 2.1 Diagram Pergeseran Fasa pada Phased Array Antenna 2.2 Tipe Smart Antenna
Secara umum, sistem smart antenna terbagi menjadi dua jenis yaitu switched beam antenna dan adaptive array antenna. Pada dasarnya, kedua jenis smart antenna ini menggunakan prinsip yang sama dalam meningkatkan kualitas dan kinerja dari sistem yaitu dengan meningkatkan gain sampai level masksium ke arah dimana posisi pengguna berbeda. Perbedaan dari kedua sistem ini terletak pada teknik yang digunakan untuk menempatkan main lobe pada arah yang diinginkan. Switched beam antenna menyeleksi pancaran mana yang memberikan
Universitas Sumatera Utara
kualitas sinyal terbaik berdasarkan sejumlah pola pancaran tetap yang dihasilkannya. Sedangkan adaptive array antenna atau antena susun adaptif akan mengarahkan main lobe ke arah pengguna dan secara bersamaan menempatkan null ke arah sumber interferensi setelah terlebih dahulu mendeteksi posisi pengguna dan sumber interferensi [5].
2.2.1 Switched Beam Antenna Sistem switched beam antenna merupakan sistem yang menggunakan
teknik yang paling sederhana dimana sistem ini hanya menggunakan fungsi dasar penyambungan antara beberapa antena direksional atau beberapa pola pancaran yang dihasilkan antena susun. Sistem ini akan menyeleksi atau memilih salah satu beam atau pancaran mana yang memiliki daya keluaran yang paling besar [5].
Sistem switched beam terdiri dari beberapa pancaran tetap dengan arah yang belum ditentukan, dimana pancaran yang akan dipilih adalah yang menerima sinyal dengan kualitas yang paling baik dari pengguna. Pancaran yang dihasilkan mempunyai lebar main lobe yang sempit dan side lobe-side lobe yang kecil sehingga sinyal yang datang dari arah selain dari arah yang diinginkan akan diredam. Penggunaan lebar main lobe yang sempit akan mereduksi jumlah sumber interferensi yang tertangkap oleh pola radiasi antena [5].
Pola cakupan switched beam antenna diilustrasikan pada Gambar 2.2 [5]. Perangkat lunak atau perangkat keras yang menggunakan prinsip pengolahan sinyal digital dapat digunakan untuk memilih arah pancaran. Sistem akan secara terus-menerus memindai setiap beam dan kemudian memilih pancaran dalam arah yang berbeda-beda dengan mengubah perubahan fasa dari sinyal yang digunakan untuk mencatu elemen dari antena atau sinyal yang diterima oleh antena [6].
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Pola Cakupan Switched Beam Antenna 2.2.2 Adaptive Array Antenna
Teknologi adaptive array antenna menggunakan berbagai algoritma pengolahan sinyal untuk membedakan sinyal pengguna dengan sinyal interferensi berdasarkan arah kedatangan dari sinyal-sinyal tersebut. Sistem ini akan secara adaptif beradaptasi dengan lingkungan dimana sinyal berada. Berbeda dengan sistem switched beam antenna, sistem adaptive array antenna akan menghasilkan pola pancaran yang tidak tetap dimana pancaran yang dihasilkan dapat diarahkan sesuai dengan arah yang diinginkan [5].
Sistem adaptive array antenna menggunakan algoritma pembentukan pancaran untuk mengarahkan main lobe ke arah pengguna dan secara simultan menempatkan null pada arah sinyal interferensi seperti yang terlihat pada Gambar 2.3 [5]. Dengan demikian, sistem akan dapat membedakan sinyal pengguna dengan sinyal interferensi berdasarkan arahnya.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Pola Cakupan Adaptive Array Antenna Titik tengah main lobe dari pola pancaran pada arah tertentu dapat ditempatkan dengan menggunakan arah kedatangan sinyal pengguna yang sudah diketahui sehingga diperoleh gain maskimum. Arah kedatangan sinyal interferensi digunakan untuk menempatkan null pada arah interferensi. Sistem adaptive array antenna lebih rumit jika dibandingkan dengan switched beam antenna karena sistem ini menggunakan algoritma pengolahan sinyal yang lebih kompleks. Namun sistem ini dapat bereaksi terhadap pergerakan pengguna dan dapat membedakan sinyal pengguna dengan sinyal interferensi berdasarkan arah [6].
2.3 Manfaat Teknologi Smart Antenna Teknologi smart antenna memiliki banyak manfaat, di antaranya [1] :
1. Pengurangan interferensi co-channel Smart antenna memiliki kemampuan agar dapat fokus
memancarkan energi dalam bentuk pola radiasi hanya ke arah yang diinginkan pengguna dan memiliki pola radiasi nulls ke arah yang tidak diinginkan. Oleh karena itu interferensi co-channel dapat diabaikan.
Universitas Sumatera Utara
2. Peningkatan jangkauan / cakupan Penggunaan antena array menimbulkan peningkatan rata-rata
kekuatan sinyal pada penerima, hal ini disebabkan adanya kombinasi koheren dari sinyal yang diterima pada semua elemen antena. Peningkatan kekuatan sinyal tersebut menyebabkan peningkatan jangkauan dan cakupan dari sistem. 3. Peningkatan kapasitas
Smart antenna memungkinkan pengurangan interferensi cochannel, yang menyebabkan peningkatan faktor frekuensi reuse. Hal ini berarti bahwa smart antenna memungkinkan pengguna yang lebih banyak untuk menggunakan spektrum frekuensi yang sama pada saat yang sama dan mengakibatkan peningkatan yang sangat besar dalam kapasitas. 4. Pengurangan daya yang ditransmisikan
Antena konvensional memancarkan energi ke segala arah yang mengakibatkan pemborosan listrik, sementara smart antenna memancarkan energi hanya ke arah yang diinginkan. Oleh karena itu, daya yang diperlukan untuk memancarkan energi berkurang. Pengurangan daya yang ditransmisikan juga menyiratkan pengurangan gangguan terhadap pengguna lain. 5. Kompatibilitas
Teknologi smart antenna dapat diterapkan pada berbagai teknik multiple access seperti TDMA, FDMA, dan CDMA. Hal ini sesuai dengan hampir semua metode modulasi dan bandwidth atau pita frekuensi.
Universitas Sumatera Utara
2.4 Pengertian RF Phase Shifter Phase shifter merupakan suatu perangkat yang sangat penting pada sistem
smart antenna, yang digunakan untuk menggeser atau menambah fasa dari sinyal yang ditransmisikan pada sistem. Jika diaplikasikan ke dalam antena, phase shifter digunakan untuk menggeser atau menambah fasa dari sinyal yang diumpankan ke antena [7].
Phase shifter dapat dikatakan bekerja dengan baik jika memenuhi persyaratan berikut ini [8] :
1. Memiliki jangkauan phase-control yang luas, yaitu hingga 360°. 2. Memiliki ukuran langkah pergeseran fasa yang kecil, misalnya 22,5°. 3. Insertion loss rendah. 4. Setiap state phase shifter memiliki rugi-rugi variasi yang rendah. 5. Daya yang digunakan rendah. 6. Mudah dikendalikan.
2.5 Parameter – Parameter Phase Shifter Parameter – parameter phase shifter digunakan untuk menggambarkan
kinerja dari phase shifter yang akan digunakan. Berikut penjelasan beberapa parameter yang sering digunakan yaitu bandwidth, phase error, return loss dan insertion loss.
2.5.1 Bandwidth Bandwidth operasi dari phase shifter merupakan bagian yang sangat
penting terutama setelah perkembangan aplikasi broadband yang semakin pesat. Bandwidth suatu phase shifter dapat disefinisikan sebagai rentang frekuensi di
Universitas Sumatera Utara
mana kinerja dari phase shifter yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, pola, beamwidth, polarisasi, gain, VSWR, return loss) memenuhi spesifikasi standar [3].
2.5.2 Phase Error Salah satu ciri dari phase shifter yang ideal adalah memiliki nilai
pergeseran fasa yang konstan selama bandwidth operasi. Phase error dapat diartikan sebagai selisih dari nilai pergeseran fasa yang dihasilkan oleh suatu sistem dengan nilai pergeseran fasa yang diinginkan. Nilai phase error digunakan untuk mengetahui seberapa besar kesalahan nilai pergeseran fasa yang dihasilkan oleh suatu sistem.
2.5.3 Return Loss Koefisien refleksi yang biasa disimbolkan dengan Γ, merupakan
perbandingan amplitudo tegangan gelombang ternormalisasi yang dipantulkan terhadap amplitudo tegangan gelombang datang yang dirumuskan oleh Persamaan (2.1) [9].
= ==
(2.1)
Dimana = gelombang yang direfleksikan = gelombang yang dikirim = impedansi karakteristik = impedansi beban Gelombang pantul yang terjadi pada suatu rangkaian dapat mengakibatkan
timbulnya koefisien refleksi. Gelombang pantul merupakan konsekuensi logis dari
Universitas Sumatera Utara
kondisi-kondisi batas untuk tegangan dan arus di daerah ujung saluran transmisi,
atau pada lokasi-lokasi di mana terdapat titik sambungan antara dua saluran yang
berbeda, yang disebut dengan titik-titik diskontinuitas [10].
Ketika Γ = 0, maka tidak ada gelombang yang dipantulkan. Hal ini hanya
bisa dicapai jika impedansi beban mempunyai nilai yang sama dengan
impedansi karakteristik saluran transmisi. Pada kondisi tersebut, beban
dikatakan match dengan saluran transmisi karena tidak ada pemantulan dari
gelombang datang. Ketika beban tidak match (missmatch), maka ini berarti bahwa
tidak semua daya yang tersedia dari generator dihantarkan ke beban. Hal ini akan
menimbulkan loss yang disebut dengan return loss (RL) yang dinyatakan dalam
decibel (dB), dapat dirumuskan seperti Persamaan (2.2) [9]. = −20 log| |
(2.2)
Jika Γ = 0 atau kondisi beban dalam keadaan match, maka return loss
bernilai ∞ dB, hal ini berarti bahwa tidak ada daya yang dipantulkan. Jika Γ = 1,
maka return loss bernilai 0 dB, hal ini berarti bahwa semua daya yang dikirimkan
dipantulkan dan terjadi pemantulan total [9]. Umumnya, phase shifter digunakan
dengan komponen lain yang membentuk suatu sistem yang lebih rumit. Nilai
return loss pada phase shifter harus dijaga serendah mungkin agar tidak
menimbulkan berbagai gangguan terhadap fungsi komponen lain yang dapat
berakibat ke seluruh sistem [11].
2.5.4 Insertion Loss
Tidak semua gelombang dapat dipantulkan, sebagian diantaranya
ditransmisikan ke saluran kedua dengan amplitudo tegangan yang diberikan oleh
Universitas Sumatera Utara
koefisien transmisi yang biasa disimbolkan dengan T, yang dapat dirumuskan
oleh Persamaan (2.3) [9]:
=1+ =1+
=
(2.3)
Insertion loss (IL) merupakan koefisien transmisi di antara dua titik pada
sebuah rangkaian listrik yang biasa dinyatakan dalam dB. Insertion loss dapat
juga didefinisikan sebagai loss yang terjadi karena penyisipan komponen pada
saluran transmisi, yang dapat dinyatakan dalam Persamaan (2.4) [9]. Dalam
keadaan ideal, insertion loss bukan merupakan bagian yang diinginkan tetapi
dalam prakteknya tidak mungkin mendapatkan insertion loss bernilai 0 [11].
= −20 log| |
(2.4)
2.6 Metode Perancangan RF Phase Shifter Ada beberapa metode perancangan RF phase shifter yang biasa digunakan,
diantaranya adalah :
2.6.1 Switched-Line Phase Shifter Switched-line phase shifter merupakan phase shifter yang memiliki
konfigurasi paling sederhana. Sinyal yang melewati saluran transmisi dengan panjang tertentu akan mengalami penundaan waktu yang setara dengan pergeseran fasa sinyal tersebut. Saluran transmisi yang digunakan pada switched-line phase shifter terdiri dari saluran referensi dan saluran delay. Pergeseran fasa terjadi dengan men-switch sinyal di antara saluran referensi dan saluran delay yang telah ditentukan pada frekuensi tertentu seperti pada Gambar 2.4 [12].
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.4 Switched-Line Phase Shifter
Nilai pergeseran fasa yang diinginkan dapat dinyatakan dengan Persamaan (2.5)
[13] :
∆ = (−)
(2.5)
Dengan :
Δφ = Pergeseran fasa (°)
β = Konstanta propagasi (rad/m)
l1 = Saluran delay
l2 = Saluran referensi Nilai pergeseran fasa yang dihasilkan tergantung pada panjang fisik
saluran transmisi, frekuensi sinyal, dan kecepatan fasa dari sinyal yang merambat
dalam media saluran transmisi [12]. Phase shifter ini biasanya digunakan untuk
pergeseran fasa sebesar 90° dan 180°. Keuntungan penting dari rangkaian ini
adalah pergeseran fasa yang dihasilkan merupakan fungsi linier dari frekuensi dan
sangat stabil terhadap waktu dan temperatur [14]. Sementara itu, kekurangan dari
phase shifter ini adalah dibutuhkan saluran transmisi yang semakin panjang untuk
menghasilkan waktu tunda yang semakin besar, hal ini dapat mengakibatkan
ukuran yang tidak praktis dan meningkatkan rugi-rugi. Penggunaan dua state
Universitas Sumatera Utara
waktu tunda akan mempunyai atenuasi yang berbeda, hal ini mengakibatkan ketidakseimbangan amplitudo di antara kedua state tersebut [15].
Pada frekuensi rendah, bagian ¼ panjang gelombang dari saluran delay phase shifter dapat diganti dengan rangkaian lumped-element untuk meminimalkan dimensi rangkaian [14]. Konfigurasi phase shifter dengan komponen lumped-element dapat direkomendasikan untuk aplikasi dengan rentang HF (High Frequency) hingga UHF (Ultra High Frequency) seperti pada Gambar 2.5 [16].
Gambar 2.5 Phase Shifter dengan Rangkaian Lumped Element yang Setara dengan Saluran Transmisi
2.6.2 Loaded-Line Phase Shifter Loaded-line phase shifter merupakan jenis phase shifter yang biasa
digunakan untuk menghasilkan pergeseran fasa 22,5° hingga 45°. Setiap bagian dari loaded-line phase shifter terdiri dari saluran transmisi yang pada kedua ujungnya dipasang beban reaktif secara shunt. Dengan mengatur jarak beban reaktif terpisah sekitar ¼ λ, maka refleksi yang dihasilkan oleh beban reaktif tersebut dapat diminimalkan [17]. Rangkaian loaded-line phase shifter diperlihatkan pada Gambar 2.6 [15].
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Loaded-Line Phase Shifter
Nilai pergeseran fasa yang dihasilkan bergantung pada nilai suseptansi
yang dipasang di ujung saluran transmisi, jika suseptansi adalah kapasitif maka
kecepatan fasa berkurang dan jika suseptansi adalah induktif maka kecepatan fasa
bertambah. Phase shifter ini biasa digunakan untuk pita sempit dan bisa
menghasilkan fasa yang konstan terhadap frekuensi [7].
Jaringan yang dihasilkan dapat dianalisis dengan mudah menggunakan matriks
transmisi ABCD sebagaimana yang ditunjukkan pada Persamaan (2.6) [15]:
=1
0 1
∙
0
0∙
1
0 1
=
−
(
)−
(2.6)
Pergeseran fasa antara dua state dapat dihitung menggunakan Persamaan (2.7)
[15]:
∆ =2
−
(2.7)
Adapun kelebihan dari loaded-line phase shifter adalah phase shifter ini dapat menghasilkan fasa yang konstan terhadap frekuensi pada pita sempit, mempunyai rangkaian yang cukup sederhana, dan insertion loss rendah. Kekurangan dari phase shifter ini terletak pada keterbatasan pergeseran fasa, yaitu maksimal hanya sekitar 45°. Jika nilai pergeseran fasa semakin besar, maka nilai insertion loss akan semakin meningkat [17].
Universitas Sumatera Utara
2.6.3 Reflection Phase Shifter Rangkaian reflection phase shifter terdiri dari sebuah quadrature coupler
dan sepasang beban reflektif sebagaimana yang ditunjukkan pada Gambar 2.7 [8]. Sinyal input yang melalui quadrature coupler dibagi menjadi dua buah sinyal output dengan perbedaan fasa sebesar 90°, kemudian sinyal tersebut dipantulkan oleh sepasang beban reflektif dan bergabung dalam fasa pada keluaran phase shifter. Pergeseran fasa bergantung pada variasi nilai impedansi beban reflektif [8].
Gambar 2.7 Reflection Phase Shifter Koefisien pantul dapat dinyatakan dengan Persamaan (2.8) [8]:
=
(2.8)
Jika bervariasi dari
hingga
Persamaan (2.9) [8]:
∆ =2
, maka pergeseran fasa dicapai dengan
− (2.9)
Kelebihan dari reflection phase shifter adalah rangkaian ini dapat digunakan untuk menghasilkasn pergeseran sesuai dengan yang diinginkan, baik besar maupun kecil. Sedangkan kekurangan dari phase shifter ini adalah pemrograman koefisian refleksi membawa variasi fasa dan amplitudo dari sinyal
Universitas Sumatera Utara
yang dipantulkan, hal ini mengakibatkan rugi-rugi dalam variasi yang besar terhadap pengaturan fasa yang berbeda. Quadrature coupler berbasis silikon onchip dapat menghasilkan insertion loss yang tinggi pada gelombang mikro [8].
2.6.4 High Pass-Low Pass Phase Shifter Sesuai dengan namanya, phase shifter ini terdiri dari dua buah filter, yaitu
high pass filter dan low pass filter. Induktor yang dipasang shunt dan kapasitor yang dipasang seri membentuk high pass filter sementara low pass filter dibentuk oleh induktor yang dipasang seri dan kapasitor yang dipasang shunt yang memberikan fasa delay [11]. Gambar 2.8 mengilustrasikan rangkaian high passlow pass phase shifter [12].
Gambar 2.8 High Pass-Low Pass Phase Shifter Pergeseran fasa disebabkan oleh perbedaan respon fasa yang terjadi pada high pass filter dan low pass filter, yang dapat diperoleh dengan men-switch antara dua rangkaian filter tersebut seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.8. Nilai pergeseran fasa yang dihasilkan bergantung kepada nilai komponen L dan C yang terdapat pada kedua rangkaian filter tersebut. Kedua filter tersebut dapat dirancang dengan menggunakan model T atau Π seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2.9 [15].
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.9 Model Π dan T
Nilai setiap komponen yang terdapat pada Gambar 2.7 dapat dihitung sebagai
berikut [15]:
1. Low-pass dengan model Π (Gambar 2.7a) dengan pergeseran fasa -90° < φ
< 0° :
= ||
(2.10)
= | /|
(2.11)
2. High-pass dengan model Π (Gambar 2.7a) dengan pergeseran fasa 0° < φ
< 90° :
= | /|
(2.12)
= ||
(2.13)
3. Low-pass dengan model T (Gambar 2.7a) dengan pergeseran fasa -90° < φ < 0° :
Universitas Sumatera Utara
= | /|
(2.14)
= ||
(2.15)
4. High-pass dengan model T (Gambar 2.7a) dengan pergeseran fasa 0° < φ
< 90° :
= ||
(2.16)
= | /|
(2.17)
Phase shifter ini dapat menghasilkan pergeseran fasa hingga 180° dan mampu menyediakan pergeseran fasa mendekati konstan dalam rentang frekuensi yang lebar. Keuntungan lain dari rangkaian ini adalah memiliki tata letak yang compact karena lumped-element biasanya digunakan sebagai saluran delay. Hal ini merupakan pertimbangan yang cukup penting bagi frekuensi rendah mengingat saluran transmisi delay bisa menjadi sangat besar [17].
2.7 Analisis Phase Shifter dengan Parameter S Analisis kinerja dari rangkaian phase shifter yang dibahas pada Tugas
Akhir ini dilakukan dengan menggunakan parameter S. Penjelasan mengenai parameter S akan diuraikan sebagai berikut.
2.7.1 Bentuk Umum Parameter S Parameter S merupakan metode yang berguna untuk merepresentasikan
sebuah rangkaian sebagai diagram blok. Karakteristik eksternal dari diagram blok ini dapat diprediksi tanpa perlu mengetahui isi dari diagram blok tersebut, yang bisa saja berupa resistor, saluran transmisi, atau rangkaian terintegrasi. Jaringan
Universitas Sumatera Utara
diagram blok mempunyai sejumlah port (terminal sepasang saluran) [10]. Umumnya, parameter S diterapkan pada frekuensi RF dan gelombang mikro dan dapat digunakan untuk menyatakan VSWR, gain, return loss, koefisien transmisi dan koefisien pantul. Parameter S dapat dihitung dengan mudah menggunakan perangkat lunak Agilent ADS [17]. Gambar 2.10 merupakan jaringan sederhana dengan dua port [10].
Gambar 2.10 Diagram Blok Dengan Dua Port
Parameter S diukur dengan mengirimkan sebuah sinyal dengan satu frekuensi ke dalam jaringan atau diagram blok dan mendeteksi gelombang yang keluar dari setiap port seperti yang terlihat pada Gambar 2.10. Daya, tegangan dan arus dapat dianggap berupa gelombang berjalan pada dua buah arah [10].
Port 1
Port 2
Gelombang datang Black box
Gambar 2.11 Gelombang Masuk ke Diagram Blok
Untuk gelombang datang pada port 1, sebagian dari sinyal ini memantul kembali keluar dari port tersebut dan sebagian lagi keluar dari port lainnya seperti yang terlihat pada Gambar 2.12 [10].
Gambar 2.12 Gelombang yang Dipantulkan dan Ditransmisikan
Universitas Sumatera Utara
S11 menunjukkan sinyal yang dipantulkan pada port 1 untuk sinyal yang datang dari port 1. S11 merupakan perbandingan antara dua buah gelombang b1/a1 seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.13 [10].
Gambar 2.13 S11 S21 menunjukkan sinyal yang keluar pada port 2 untuk sinyal yang datang dari port 1. S21 merupakan perbandingan antara dua gelombang b2/a1 seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.14 [10].
Gambar 2.14 S21 S22 menunjukkan sinyal yang keluar pada port 2 untuk sinyal yang datang dari port 2. Dari gambar 2.15 dapat dilihat bahwa S22 merupakan perbandingan antara dua gelombang b2/a2. S12 menunjukkan sinyal yang keluar pada port 1 untuk sinyal yang datang dari port 2. Dari gambar 2.15, S12 merupakan perbandingan antara dua gelombang b1/a2 [10].
Gambar 2.15 S22 dan S12
Universitas Sumatera Utara
Gelombang yang ditransmisikan dan dipantulkan akan berubah amplitudo dan fasanya dibandingkan dengan gelombang datang. Umumnya gelombang yang ditransmisikan dan dipantulkan akan mempunyai frekuensi yang sama dengan gelombang datang. Parameter S merupakan bilangan kompleks (mempunyai besar dan sudut), karena besar dan fasa dari sinyal masukan akan diubah oleh jaringan [10].
Parameter S bergantung kepada jaringan dan impedansi karakteristik dari sumber dan beban yang digunakan untuk mengukurnya, serta pada frekuensi pengukurannya. Parameter S akan berubah jika jaringan, frekuensi, impedansi beban dan impedansi sumber diubah. Gambar 2.16 memperlihatkan representasi matematis dari parameter S dua port [10].
Zs Vs
Port 1
V1+ V1-
[S]
Z0
Port 2
V2V2+
Z0
ZL
Gambar 2.16 Parameter S Dua Port =+ =+
(2.18) (2.19)
= (2.20)
[ ] = [ ][ ] = | =0
(2.21) (2.22)
= | =0
(2.23)
Universitas Sumatera Utara
= | =0 = | =0
(2.24) (2.25)
2.7.2 Parameter S Untuk Rangkaian Π Pada frekuensi rendah, rangkaian Π dapat digunakan untuk menggantikan
saluran transmisi untuk meminimalkan dimensi. Dengan mengatur nilai setiap komponen dengan benar, maka akan diperoleh nilai pergeseran fasa yang diinginkan. Gambar 2.17 memperlihatkan rangkaian Π yang direkomendasikan menggantikan saluran transmisi untuk aplikasi dengan rentang HF (High Frequency) hingga UHF (Ultra High Frequency) [18].
Gambar 2.17 Rangkaian Π yang Setara dengan Saluran Transmisi
Persamaan (2.26) merupakan persamaan untuk parameter ABCD dari lumped element yang setara dengan parameter saluran transmisi [18].
1
01 10
1
1
1=
/
(2.26)
Persamaan (2.26) dapat disederhanakan menjadi Persamaan (2.27) [18].
1+ (2 + ) 1 +
=
/
(2.27)
Universitas Sumatera Utara
Dengan pertimbangan bahwa induktor adalah elemen seri dan kapasitor adalah elemen paralel, maka diperoleh Persamaan (2.28). Jaringan Π diperlihatkan pada Gambar 2.18 yang disintesis reverse untuk dapat menghitung parameter S [18].
1+ (2 +
) 1+
=/
(2.28)
Dimana
= panjang saluran transmisi dalam radian
= impedansi karakteristik
Y = admitansi
Z = impedansi dari rangkaian Π
Gambar 2.18 Jaringan Π Dari Gambar 2.18, diperoleh Persamaan (2.29) [18].
=( + ) − =− +( + )
Universitas Sumatera Utara
=
(+ −
)
− (+
)
(2.29)
Dengan pertimbangan bahwa dan sebagai kapasitor paralel dan sebagai induktor seri, maka diperoleh Persamaan (2.30) dan (2.31) [18]:
= =/
(2.30)
Dan,
= 1⁄
(2.31)
Sehingga, elemen matriks dari admitansi dari parameter jaringan lumped dapat dituliskan dalam Persamaan (2.32) [18]:
= = 1−
= =1
= (2.32)
Parameter S untuk rangkaian Π juga dapat diperoleh langsung dari parameter Y sebagaimana yang ditunjukkan pada Persamaan (2.33) dan (2.34) [18].
=(
)( ∆
)
(2.33)
=( ∆ )
(2.34)
Universitas Sumatera Utara
Setelah disederhanakan, maka diperoleh dan dalam bentuk L dan C sebagaimana yang ditunjukkan pada Persamaan (2.35) dan (2.36) [18].
1−
=2 1− 2
1 1
(2.35)
=(
)(
)
(2.
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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, Universitas Sumatera Utara. 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.
Universitas Sumatera Utara
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 Universitas Sumatera Utara.
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.
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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 S11 ............................................................................................. 23 Gambar 2.14 S21 ............................................................................................. 23 Gambar 2.15 S22 dan S12 ................................................................................ 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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Tabel 3.2 Tabel 4.1 Tabel 4.2 Tabel 4.3 Tabel 4.4 Tabel 4.5
Nilai Komponen Phase Shifter dengan Lumped Element Untuk Frekuensi 433 MHz ................................................................. 42 Nilai Komponen High Pass-Low Pass Phase Shifter Untuk Frekuensi 433 MHz .................................................................. 49 Hasil Simulasi Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element Untuk Frekuensi 433 MHz ....................................................... 55 Hasil Simulasi Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element 6 Bit Berdasarkan Urutan Pergeseran Fasa 0° Hingga 360° ....... 57 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit ......................................................................................... 65 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 3 Bit ......................................................................................... 71 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 3 Bit Berdasarkan Urutan Pergeseran Fasa ....................................... 72
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Antena merupakan salah satu komponen penting dalam sistem
telekomunikasi. Sebagai perangkat yang meradiasi dan menerima gelombang elektromagnetik, antena telah mengalami perkembangan yang sangat pesat baik dalam bentuk maupun aplikasinya. Salah satu pengembangan antena adalah smart antenna yang merupakan susunan dari antena yang dikombinasikan dengan pengolahan sinyal. Antena array merupakan antena yang menggunakan beberapa elemen antena individual yang berkerja sama sehingga membentuk suatu antena dengan karakteristik yang berbeda dari antena individualnya. Keunikan antena array ini adalah bahwa pola radiasi dari antena dapat dikendalikan dengan cara mengatur sedemikian rupa fasa arus catu masing-masing elemen antena dan mengatur jarak antar elemennya.
Pada smart antenna, dapat dilakukan perkiraan arah kedatangan sinyal terhadap sinyal terima antena array, kemudian sinyal yang diterima oleh receiver smart antenna tersebut akan dikendalikan fasanya sehingga main beam (pola radiasi maksimum) dapat diarahkan ke penerima yang dimaksud.
Untuk dapat mengatur fasa masing-masing antena array dibutuhkan suatu rangkaian penggeser fasa (phase shifter). Phase shifter adalah suatu rangkaian fungsional yang digunakan untuk menggeser atau menambah fasa dari sinyal yang ditransmisikan sehingga pola radiasi antena dapat diubah secara elektronik tanpa harus mengubah posisinya.
Universitas Sumatera Utara
Pada Tugas Akhir ini, penulis melakukan studi tentang Radio Frequency (RF) phase shifter untuk smart antenna. Dari studi ini diharapkan dapat dianalisis kinerja dari RF phase shifter tersebut dengan bantuan perangkat lunak Advanced Design System (ADS) yang diproduksi oleh Agilent Eesof EDA, sebuah produk dari Agilent Technologies. 1.2 Rumusan Masalah
Adapun rumusan masalah dari Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana rangkaian RF phase shifter? 2. Metode apa saja yang bisa digunakan dalam perancangan RF phase
shifter? 3. Apa parameter yang menentukan kinerja dari RF phase shifter? 4. Bagaimana merancang rangkaian RF phase shifter yang akan dianalisis?
1.3 Tujuan Penulisan Tugas Akhir ini bertujuan untuk melakukan analisis terhadap kinerja RF
phase shifter pada smart antenna, sehingga pola radiasi dari smart antenna dapat diarahkan secara elektronik ke arah yang dimaksud tanpa mengubah posisinya.
1.4 Batasan Masalah Untuk memudahkan pembahasan dalam tulisan ini, maka dibuat
pembatasan masalah sebagai berikut : 1. Hanya membahas smart antenna secara umum. 2. Membahas tentang RF phase shifter.
Universitas Sumatera Utara
3. Phase shifter yang dianalisis adalah phase shifter dengan lumped element dan high pass- low pass phase shifter yang bekerja pada frekuensi 433 MHz.
4. Parameter yang dianalisis phase error, return loss, dan insertion loss. 5. Pengukuran parameter RF phase shifter dilakukan dengan menggunakan
perangkat lunak ADS versi 2011.10.
1.5 Metode Penulisan Metode yang diterapkan dalam penulisan Tugas Akhir ini adalah:
1. Studi literatur Yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik Tugas Akhir ini dari buku-buku referensi yang dimiliki oleh pemilik atau di perpustakaan dan juga artikel-artikel, jurnal, dan lain-lain.
2. Perhitungan Melakukan perhitungan secara analitik dengan menggunakan perumusan ilmiah untuk RF phase shifter yang akan dianalisis.
3. Perancangan dan Analisis Dari hasil perhitungan analitik dengan menggunakan perumusan ilmiah kemudian dilakukan pengukuran RF phase shifter dengan menggunakan perangkat lunak ADS versi 2011.10.
1.6 Sistematika Penulisan Untuk memberikan gambaran mengenai Tugas Akhir ini secara singkat,
maka penulis menyusun sistematika penulisan sebagai berikut:
Universitas Sumatera Utara
BAB I
PENDAHULUAN
Bab ini menguraikan latar belakang, rumusan masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, metodologi penulisan, dan sistematika penulisan.
BAB II
DASAR TEORI
Bab ini berisi penjelasan tentang smart antenna secara umum dan penjelasan mengenai RF phase shifter.
BAB III
PERANCANGAN RF PHASE SHIFTER
Bab ini berisi mengenai perancangan RF phase shifter yang akan dianalisis, yaitu phase shifter dengan lumped element dan high pass-low pass phase shifter.
BAB IV
ANALISIS KINERJA RANGKAIAN RF PHASE SHIFTER
Bab ini membahas mengenai analisis kinerja dari rangkaian phase shifter dengan lumped element dan high pass-low pass phase shifter dengan menggunakan software ADS versi 2011.10.
BAB V
PENUTUP
Bab ini berisikan kesimpulan dan saran dari pembahasan pada babbab sebelumnya.
Universitas Sumatera Utara
BAB II DASAR TEORI
2.1 Pengerian Smart Antenna Istilah smart antenna umumnya mengacu kepada antena array yang
dikombinasikan dengan pengolahan sinyal yang canggih, yang mana desain fisiknya dapat dimodifikasi dengan menambahkan beberapa elemen. Ide utama dari pengembangan smart antenna adalah memaksimumkan gain antena ke arah yang diinginkan dan pada saat yang sama membuat pola radiasi minimum ke arah sinyal yang mengganggu [1].
Pemikiran dasar suatu smart antenna adalah bagaimana membuat pola radiasi antena tidak tetap, tetapi terarah dan mengikuti posisi pemakai (adaptive). Dengan smart antenna maka pemakaian daya dan spektrum akan semakin hemat dan terhindar dari gangguan sinyal-sinyal yang lain [2].
Antena array dirancang sedemikian rupa menjadi suatu sistem antena yang dapat menggeser sinyal sebelum ditransmisikan atau sesudah diterima pada masing-masing elemen sehingga antena mempunyai suatu pengaruh kombinasi. Konsep tersebut dikenal sebagai antena phased array.
Antena phased array digunakan dalam berbagai aplikasi seperti radar dan sistem komunikasi nirkabel. Pada antena ini, berbagai elemen antena ditempatkan secara terpisah dalam satu, dua atau tiga dimensi untuk membentuk suatu pola sorotan antena sehingga kekuatan sinyal ke / dari arah yang dimaksud meningkat dan pancaran ke / dari penerima / sumber yang tidak diinginkan dihilangkan [3]. Tidak seperti antena konvensional yang diputar secara mekanik, arah dan bentuk
Universitas Sumatera Utara
pola radiasi dari antena dapat dikendalikan secara elektronik dengan menggunakan phase shifter.
Gambar 2.1 menampilkan arsitektur umum smart antenna dengan metode phased array menggunakan pergeseran fasa RF [4]. Pada arsitektur ini, sinyal pada masing-masing elemen antena mengalami pergeseran fasa oleh phase shifter dan kemudian sinyal tersebut dikombinasikan dalam wilayah RF.
Gambar 2.1 Diagram Pergeseran Fasa pada Phased Array Antenna 2.2 Tipe Smart Antenna
Secara umum, sistem smart antenna terbagi menjadi dua jenis yaitu switched beam antenna dan adaptive array antenna. Pada dasarnya, kedua jenis smart antenna ini menggunakan prinsip yang sama dalam meningkatkan kualitas dan kinerja dari sistem yaitu dengan meningkatkan gain sampai level masksium ke arah dimana posisi pengguna berbeda. Perbedaan dari kedua sistem ini terletak pada teknik yang digunakan untuk menempatkan main lobe pada arah yang diinginkan. Switched beam antenna menyeleksi pancaran mana yang memberikan
Universitas Sumatera Utara
kualitas sinyal terbaik berdasarkan sejumlah pola pancaran tetap yang dihasilkannya. Sedangkan adaptive array antenna atau antena susun adaptif akan mengarahkan main lobe ke arah pengguna dan secara bersamaan menempatkan null ke arah sumber interferensi setelah terlebih dahulu mendeteksi posisi pengguna dan sumber interferensi [5].
2.2.1 Switched Beam Antenna Sistem switched beam antenna merupakan sistem yang menggunakan
teknik yang paling sederhana dimana sistem ini hanya menggunakan fungsi dasar penyambungan antara beberapa antena direksional atau beberapa pola pancaran yang dihasilkan antena susun. Sistem ini akan menyeleksi atau memilih salah satu beam atau pancaran mana yang memiliki daya keluaran yang paling besar [5].
Sistem switched beam terdiri dari beberapa pancaran tetap dengan arah yang belum ditentukan, dimana pancaran yang akan dipilih adalah yang menerima sinyal dengan kualitas yang paling baik dari pengguna. Pancaran yang dihasilkan mempunyai lebar main lobe yang sempit dan side lobe-side lobe yang kecil sehingga sinyal yang datang dari arah selain dari arah yang diinginkan akan diredam. Penggunaan lebar main lobe yang sempit akan mereduksi jumlah sumber interferensi yang tertangkap oleh pola radiasi antena [5].
Pola cakupan switched beam antenna diilustrasikan pada Gambar 2.2 [5]. Perangkat lunak atau perangkat keras yang menggunakan prinsip pengolahan sinyal digital dapat digunakan untuk memilih arah pancaran. Sistem akan secara terus-menerus memindai setiap beam dan kemudian memilih pancaran dalam arah yang berbeda-beda dengan mengubah perubahan fasa dari sinyal yang digunakan untuk mencatu elemen dari antena atau sinyal yang diterima oleh antena [6].
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Pola Cakupan Switched Beam Antenna 2.2.2 Adaptive Array Antenna
Teknologi adaptive array antenna menggunakan berbagai algoritma pengolahan sinyal untuk membedakan sinyal pengguna dengan sinyal interferensi berdasarkan arah kedatangan dari sinyal-sinyal tersebut. Sistem ini akan secara adaptif beradaptasi dengan lingkungan dimana sinyal berada. Berbeda dengan sistem switched beam antenna, sistem adaptive array antenna akan menghasilkan pola pancaran yang tidak tetap dimana pancaran yang dihasilkan dapat diarahkan sesuai dengan arah yang diinginkan [5].
Sistem adaptive array antenna menggunakan algoritma pembentukan pancaran untuk mengarahkan main lobe ke arah pengguna dan secara simultan menempatkan null pada arah sinyal interferensi seperti yang terlihat pada Gambar 2.3 [5]. Dengan demikian, sistem akan dapat membedakan sinyal pengguna dengan sinyal interferensi berdasarkan arahnya.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Pola Cakupan Adaptive Array Antenna Titik tengah main lobe dari pola pancaran pada arah tertentu dapat ditempatkan dengan menggunakan arah kedatangan sinyal pengguna yang sudah diketahui sehingga diperoleh gain maskimum. Arah kedatangan sinyal interferensi digunakan untuk menempatkan null pada arah interferensi. Sistem adaptive array antenna lebih rumit jika dibandingkan dengan switched beam antenna karena sistem ini menggunakan algoritma pengolahan sinyal yang lebih kompleks. Namun sistem ini dapat bereaksi terhadap pergerakan pengguna dan dapat membedakan sinyal pengguna dengan sinyal interferensi berdasarkan arah [6].
2.3 Manfaat Teknologi Smart Antenna Teknologi smart antenna memiliki banyak manfaat, di antaranya [1] :
1. Pengurangan interferensi co-channel Smart antenna memiliki kemampuan agar dapat fokus
memancarkan energi dalam bentuk pola radiasi hanya ke arah yang diinginkan pengguna dan memiliki pola radiasi nulls ke arah yang tidak diinginkan. Oleh karena itu interferensi co-channel dapat diabaikan.
Universitas Sumatera Utara
2. Peningkatan jangkauan / cakupan Penggunaan antena array menimbulkan peningkatan rata-rata
kekuatan sinyal pada penerima, hal ini disebabkan adanya kombinasi koheren dari sinyal yang diterima pada semua elemen antena. Peningkatan kekuatan sinyal tersebut menyebabkan peningkatan jangkauan dan cakupan dari sistem. 3. Peningkatan kapasitas
Smart antenna memungkinkan pengurangan interferensi cochannel, yang menyebabkan peningkatan faktor frekuensi reuse. Hal ini berarti bahwa smart antenna memungkinkan pengguna yang lebih banyak untuk menggunakan spektrum frekuensi yang sama pada saat yang sama dan mengakibatkan peningkatan yang sangat besar dalam kapasitas. 4. Pengurangan daya yang ditransmisikan
Antena konvensional memancarkan energi ke segala arah yang mengakibatkan pemborosan listrik, sementara smart antenna memancarkan energi hanya ke arah yang diinginkan. Oleh karena itu, daya yang diperlukan untuk memancarkan energi berkurang. Pengurangan daya yang ditransmisikan juga menyiratkan pengurangan gangguan terhadap pengguna lain. 5. Kompatibilitas
Teknologi smart antenna dapat diterapkan pada berbagai teknik multiple access seperti TDMA, FDMA, dan CDMA. Hal ini sesuai dengan hampir semua metode modulasi dan bandwidth atau pita frekuensi.
Universitas Sumatera Utara
2.4 Pengertian RF Phase Shifter Phase shifter merupakan suatu perangkat yang sangat penting pada sistem
smart antenna, yang digunakan untuk menggeser atau menambah fasa dari sinyal yang ditransmisikan pada sistem. Jika diaplikasikan ke dalam antena, phase shifter digunakan untuk menggeser atau menambah fasa dari sinyal yang diumpankan ke antena [7].
Phase shifter dapat dikatakan bekerja dengan baik jika memenuhi persyaratan berikut ini [8] :
1. Memiliki jangkauan phase-control yang luas, yaitu hingga 360°. 2. Memiliki ukuran langkah pergeseran fasa yang kecil, misalnya 22,5°. 3. Insertion loss rendah. 4. Setiap state phase shifter memiliki rugi-rugi variasi yang rendah. 5. Daya yang digunakan rendah. 6. Mudah dikendalikan.
2.5 Parameter – Parameter Phase Shifter Parameter – parameter phase shifter digunakan untuk menggambarkan
kinerja dari phase shifter yang akan digunakan. Berikut penjelasan beberapa parameter yang sering digunakan yaitu bandwidth, phase error, return loss dan insertion loss.
2.5.1 Bandwidth Bandwidth operasi dari phase shifter merupakan bagian yang sangat
penting terutama setelah perkembangan aplikasi broadband yang semakin pesat. Bandwidth suatu phase shifter dapat disefinisikan sebagai rentang frekuensi di
Universitas Sumatera Utara
mana kinerja dari phase shifter yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, pola, beamwidth, polarisasi, gain, VSWR, return loss) memenuhi spesifikasi standar [3].
2.5.2 Phase Error Salah satu ciri dari phase shifter yang ideal adalah memiliki nilai
pergeseran fasa yang konstan selama bandwidth operasi. Phase error dapat diartikan sebagai selisih dari nilai pergeseran fasa yang dihasilkan oleh suatu sistem dengan nilai pergeseran fasa yang diinginkan. Nilai phase error digunakan untuk mengetahui seberapa besar kesalahan nilai pergeseran fasa yang dihasilkan oleh suatu sistem.
2.5.3 Return Loss Koefisien refleksi yang biasa disimbolkan dengan Γ, merupakan
perbandingan amplitudo tegangan gelombang ternormalisasi yang dipantulkan terhadap amplitudo tegangan gelombang datang yang dirumuskan oleh Persamaan (2.1) [9].
= ==
(2.1)
Dimana = gelombang yang direfleksikan = gelombang yang dikirim = impedansi karakteristik = impedansi beban Gelombang pantul yang terjadi pada suatu rangkaian dapat mengakibatkan
timbulnya koefisien refleksi. Gelombang pantul merupakan konsekuensi logis dari
Universitas Sumatera Utara
kondisi-kondisi batas untuk tegangan dan arus di daerah ujung saluran transmisi,
atau pada lokasi-lokasi di mana terdapat titik sambungan antara dua saluran yang
berbeda, yang disebut dengan titik-titik diskontinuitas [10].
Ketika Γ = 0, maka tidak ada gelombang yang dipantulkan. Hal ini hanya
bisa dicapai jika impedansi beban mempunyai nilai yang sama dengan
impedansi karakteristik saluran transmisi. Pada kondisi tersebut, beban
dikatakan match dengan saluran transmisi karena tidak ada pemantulan dari
gelombang datang. Ketika beban tidak match (missmatch), maka ini berarti bahwa
tidak semua daya yang tersedia dari generator dihantarkan ke beban. Hal ini akan
menimbulkan loss yang disebut dengan return loss (RL) yang dinyatakan dalam
decibel (dB), dapat dirumuskan seperti Persamaan (2.2) [9]. = −20 log| |
(2.2)
Jika Γ = 0 atau kondisi beban dalam keadaan match, maka return loss
bernilai ∞ dB, hal ini berarti bahwa tidak ada daya yang dipantulkan. Jika Γ = 1,
maka return loss bernilai 0 dB, hal ini berarti bahwa semua daya yang dikirimkan
dipantulkan dan terjadi pemantulan total [9]. Umumnya, phase shifter digunakan
dengan komponen lain yang membentuk suatu sistem yang lebih rumit. Nilai
return loss pada phase shifter harus dijaga serendah mungkin agar tidak
menimbulkan berbagai gangguan terhadap fungsi komponen lain yang dapat
berakibat ke seluruh sistem [11].
2.5.4 Insertion Loss
Tidak semua gelombang dapat dipantulkan, sebagian diantaranya
ditransmisikan ke saluran kedua dengan amplitudo tegangan yang diberikan oleh
Universitas Sumatera Utara
koefisien transmisi yang biasa disimbolkan dengan T, yang dapat dirumuskan
oleh Persamaan (2.3) [9]:
=1+ =1+
=
(2.3)
Insertion loss (IL) merupakan koefisien transmisi di antara dua titik pada
sebuah rangkaian listrik yang biasa dinyatakan dalam dB. Insertion loss dapat
juga didefinisikan sebagai loss yang terjadi karena penyisipan komponen pada
saluran transmisi, yang dapat dinyatakan dalam Persamaan (2.4) [9]. Dalam
keadaan ideal, insertion loss bukan merupakan bagian yang diinginkan tetapi
dalam prakteknya tidak mungkin mendapatkan insertion loss bernilai 0 [11].
= −20 log| |
(2.4)
2.6 Metode Perancangan RF Phase Shifter Ada beberapa metode perancangan RF phase shifter yang biasa digunakan,
diantaranya adalah :
2.6.1 Switched-Line Phase Shifter Switched-line phase shifter merupakan phase shifter yang memiliki
konfigurasi paling sederhana. Sinyal yang melewati saluran transmisi dengan panjang tertentu akan mengalami penundaan waktu yang setara dengan pergeseran fasa sinyal tersebut. Saluran transmisi yang digunakan pada switched-line phase shifter terdiri dari saluran referensi dan saluran delay. Pergeseran fasa terjadi dengan men-switch sinyal di antara saluran referensi dan saluran delay yang telah ditentukan pada frekuensi tertentu seperti pada Gambar 2.4 [12].
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.4 Switched-Line Phase Shifter
Nilai pergeseran fasa yang diinginkan dapat dinyatakan dengan Persamaan (2.5)
[13] :
∆ = (−)
(2.5)
Dengan :
Δφ = Pergeseran fasa (°)
β = Konstanta propagasi (rad/m)
l1 = Saluran delay
l2 = Saluran referensi Nilai pergeseran fasa yang dihasilkan tergantung pada panjang fisik
saluran transmisi, frekuensi sinyal, dan kecepatan fasa dari sinyal yang merambat
dalam media saluran transmisi [12]. Phase shifter ini biasanya digunakan untuk
pergeseran fasa sebesar 90° dan 180°. Keuntungan penting dari rangkaian ini
adalah pergeseran fasa yang dihasilkan merupakan fungsi linier dari frekuensi dan
sangat stabil terhadap waktu dan temperatur [14]. Sementara itu, kekurangan dari
phase shifter ini adalah dibutuhkan saluran transmisi yang semakin panjang untuk
menghasilkan waktu tunda yang semakin besar, hal ini dapat mengakibatkan
ukuran yang tidak praktis dan meningkatkan rugi-rugi. Penggunaan dua state
Universitas Sumatera Utara
waktu tunda akan mempunyai atenuasi yang berbeda, hal ini mengakibatkan ketidakseimbangan amplitudo di antara kedua state tersebut [15].
Pada frekuensi rendah, bagian ¼ panjang gelombang dari saluran delay phase shifter dapat diganti dengan rangkaian lumped-element untuk meminimalkan dimensi rangkaian [14]. Konfigurasi phase shifter dengan komponen lumped-element dapat direkomendasikan untuk aplikasi dengan rentang HF (High Frequency) hingga UHF (Ultra High Frequency) seperti pada Gambar 2.5 [16].
Gambar 2.5 Phase Shifter dengan Rangkaian Lumped Element yang Setara dengan Saluran Transmisi
2.6.2 Loaded-Line Phase Shifter Loaded-line phase shifter merupakan jenis phase shifter yang biasa
digunakan untuk menghasilkan pergeseran fasa 22,5° hingga 45°. Setiap bagian dari loaded-line phase shifter terdiri dari saluran transmisi yang pada kedua ujungnya dipasang beban reaktif secara shunt. Dengan mengatur jarak beban reaktif terpisah sekitar ¼ λ, maka refleksi yang dihasilkan oleh beban reaktif tersebut dapat diminimalkan [17]. Rangkaian loaded-line phase shifter diperlihatkan pada Gambar 2.6 [15].
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Loaded-Line Phase Shifter
Nilai pergeseran fasa yang dihasilkan bergantung pada nilai suseptansi
yang dipasang di ujung saluran transmisi, jika suseptansi adalah kapasitif maka
kecepatan fasa berkurang dan jika suseptansi adalah induktif maka kecepatan fasa
bertambah. Phase shifter ini biasa digunakan untuk pita sempit dan bisa
menghasilkan fasa yang konstan terhadap frekuensi [7].
Jaringan yang dihasilkan dapat dianalisis dengan mudah menggunakan matriks
transmisi ABCD sebagaimana yang ditunjukkan pada Persamaan (2.6) [15]:
=1
0 1
∙
0
0∙
1
0 1
=
−
(
)−
(2.6)
Pergeseran fasa antara dua state dapat dihitung menggunakan Persamaan (2.7)
[15]:
∆ =2
−
(2.7)
Adapun kelebihan dari loaded-line phase shifter adalah phase shifter ini dapat menghasilkan fasa yang konstan terhadap frekuensi pada pita sempit, mempunyai rangkaian yang cukup sederhana, dan insertion loss rendah. Kekurangan dari phase shifter ini terletak pada keterbatasan pergeseran fasa, yaitu maksimal hanya sekitar 45°. Jika nilai pergeseran fasa semakin besar, maka nilai insertion loss akan semakin meningkat [17].
Universitas Sumatera Utara
2.6.3 Reflection Phase Shifter Rangkaian reflection phase shifter terdiri dari sebuah quadrature coupler
dan sepasang beban reflektif sebagaimana yang ditunjukkan pada Gambar 2.7 [8]. Sinyal input yang melalui quadrature coupler dibagi menjadi dua buah sinyal output dengan perbedaan fasa sebesar 90°, kemudian sinyal tersebut dipantulkan oleh sepasang beban reflektif dan bergabung dalam fasa pada keluaran phase shifter. Pergeseran fasa bergantung pada variasi nilai impedansi beban reflektif [8].
Gambar 2.7 Reflection Phase Shifter Koefisien pantul dapat dinyatakan dengan Persamaan (2.8) [8]:
=
(2.8)
Jika bervariasi dari
hingga
Persamaan (2.9) [8]:
∆ =2
, maka pergeseran fasa dicapai dengan
− (2.9)
Kelebihan dari reflection phase shifter adalah rangkaian ini dapat digunakan untuk menghasilkasn pergeseran sesuai dengan yang diinginkan, baik besar maupun kecil. Sedangkan kekurangan dari phase shifter ini adalah pemrograman koefisian refleksi membawa variasi fasa dan amplitudo dari sinyal
Universitas Sumatera Utara
yang dipantulkan, hal ini mengakibatkan rugi-rugi dalam variasi yang besar terhadap pengaturan fasa yang berbeda. Quadrature coupler berbasis silikon onchip dapat menghasilkan insertion loss yang tinggi pada gelombang mikro [8].
2.6.4 High Pass-Low Pass Phase Shifter Sesuai dengan namanya, phase shifter ini terdiri dari dua buah filter, yaitu
high pass filter dan low pass filter. Induktor yang dipasang shunt dan kapasitor yang dipasang seri membentuk high pass filter sementara low pass filter dibentuk oleh induktor yang dipasang seri dan kapasitor yang dipasang shunt yang memberikan fasa delay [11]. Gambar 2.8 mengilustrasikan rangkaian high passlow pass phase shifter [12].
Gambar 2.8 High Pass-Low Pass Phase Shifter Pergeseran fasa disebabkan oleh perbedaan respon fasa yang terjadi pada high pass filter dan low pass filter, yang dapat diperoleh dengan men-switch antara dua rangkaian filter tersebut seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.8. Nilai pergeseran fasa yang dihasilkan bergantung kepada nilai komponen L dan C yang terdapat pada kedua rangkaian filter tersebut. Kedua filter tersebut dapat dirancang dengan menggunakan model T atau Π seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2.9 [15].
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.9 Model Π dan T
Nilai setiap komponen yang terdapat pada Gambar 2.7 dapat dihitung sebagai
berikut [15]:
1. Low-pass dengan model Π (Gambar 2.7a) dengan pergeseran fasa -90° < φ
< 0° :
= ||
(2.10)
= | /|
(2.11)
2. High-pass dengan model Π (Gambar 2.7a) dengan pergeseran fasa 0° < φ
< 90° :
= | /|
(2.12)
= ||
(2.13)
3. Low-pass dengan model T (Gambar 2.7a) dengan pergeseran fasa -90° < φ < 0° :
Universitas Sumatera Utara
= | /|
(2.14)
= ||
(2.15)
4. High-pass dengan model T (Gambar 2.7a) dengan pergeseran fasa 0° < φ
< 90° :
= ||
(2.16)
= | /|
(2.17)
Phase shifter ini dapat menghasilkan pergeseran fasa hingga 180° dan mampu menyediakan pergeseran fasa mendekati konstan dalam rentang frekuensi yang lebar. Keuntungan lain dari rangkaian ini adalah memiliki tata letak yang compact karena lumped-element biasanya digunakan sebagai saluran delay. Hal ini merupakan pertimbangan yang cukup penting bagi frekuensi rendah mengingat saluran transmisi delay bisa menjadi sangat besar [17].
2.7 Analisis Phase Shifter dengan Parameter S Analisis kinerja dari rangkaian phase shifter yang dibahas pada Tugas
Akhir ini dilakukan dengan menggunakan parameter S. Penjelasan mengenai parameter S akan diuraikan sebagai berikut.
2.7.1 Bentuk Umum Parameter S Parameter S merupakan metode yang berguna untuk merepresentasikan
sebuah rangkaian sebagai diagram blok. Karakteristik eksternal dari diagram blok ini dapat diprediksi tanpa perlu mengetahui isi dari diagram blok tersebut, yang bisa saja berupa resistor, saluran transmisi, atau rangkaian terintegrasi. Jaringan
Universitas Sumatera Utara
diagram blok mempunyai sejumlah port (terminal sepasang saluran) [10]. Umumnya, parameter S diterapkan pada frekuensi RF dan gelombang mikro dan dapat digunakan untuk menyatakan VSWR, gain, return loss, koefisien transmisi dan koefisien pantul. Parameter S dapat dihitung dengan mudah menggunakan perangkat lunak Agilent ADS [17]. Gambar 2.10 merupakan jaringan sederhana dengan dua port [10].
Gambar 2.10 Diagram Blok Dengan Dua Port
Parameter S diukur dengan mengirimkan sebuah sinyal dengan satu frekuensi ke dalam jaringan atau diagram blok dan mendeteksi gelombang yang keluar dari setiap port seperti yang terlihat pada Gambar 2.10. Daya, tegangan dan arus dapat dianggap berupa gelombang berjalan pada dua buah arah [10].
Port 1
Port 2
Gelombang datang Black box
Gambar 2.11 Gelombang Masuk ke Diagram Blok
Untuk gelombang datang pada port 1, sebagian dari sinyal ini memantul kembali keluar dari port tersebut dan sebagian lagi keluar dari port lainnya seperti yang terlihat pada Gambar 2.12 [10].
Gambar 2.12 Gelombang yang Dipantulkan dan Ditransmisikan
Universitas Sumatera Utara
S11 menunjukkan sinyal yang dipantulkan pada port 1 untuk sinyal yang datang dari port 1. S11 merupakan perbandingan antara dua buah gelombang b1/a1 seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.13 [10].
Gambar 2.13 S11 S21 menunjukkan sinyal yang keluar pada port 2 untuk sinyal yang datang dari port 1. S21 merupakan perbandingan antara dua gelombang b2/a1 seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.14 [10].
Gambar 2.14 S21 S22 menunjukkan sinyal yang keluar pada port 2 untuk sinyal yang datang dari port 2. Dari gambar 2.15 dapat dilihat bahwa S22 merupakan perbandingan antara dua gelombang b2/a2. S12 menunjukkan sinyal yang keluar pada port 1 untuk sinyal yang datang dari port 2. Dari gambar 2.15, S12 merupakan perbandingan antara dua gelombang b1/a2 [10].
Gambar 2.15 S22 dan S12
Universitas Sumatera Utara
Gelombang yang ditransmisikan dan dipantulkan akan berubah amplitudo dan fasanya dibandingkan dengan gelombang datang. Umumnya gelombang yang ditransmisikan dan dipantulkan akan mempunyai frekuensi yang sama dengan gelombang datang. Parameter S merupakan bilangan kompleks (mempunyai besar dan sudut), karena besar dan fasa dari sinyal masukan akan diubah oleh jaringan [10].
Parameter S bergantung kepada jaringan dan impedansi karakteristik dari sumber dan beban yang digunakan untuk mengukurnya, serta pada frekuensi pengukurannya. Parameter S akan berubah jika jaringan, frekuensi, impedansi beban dan impedansi sumber diubah. Gambar 2.16 memperlihatkan representasi matematis dari parameter S dua port [10].
Zs Vs
Port 1
V1+ V1-
[S]
Z0
Port 2
V2V2+
Z0
ZL
Gambar 2.16 Parameter S Dua Port =+ =+
(2.18) (2.19)
= (2.20)
[ ] = [ ][ ] = | =0
(2.21) (2.22)
= | =0
(2.23)
Universitas Sumatera Utara
= | =0 = | =0
(2.24) (2.25)
2.7.2 Parameter S Untuk Rangkaian Π Pada frekuensi rendah, rangkaian Π dapat digunakan untuk menggantikan
saluran transmisi untuk meminimalkan dimensi. Dengan mengatur nilai setiap komponen dengan benar, maka akan diperoleh nilai pergeseran fasa yang diinginkan. Gambar 2.17 memperlihatkan rangkaian Π yang direkomendasikan menggantikan saluran transmisi untuk aplikasi dengan rentang HF (High Frequency) hingga UHF (Ultra High Frequency) [18].
Gambar 2.17 Rangkaian Π yang Setara dengan Saluran Transmisi
Persamaan (2.26) merupakan persamaan untuk parameter ABCD dari lumped element yang setara dengan parameter saluran transmisi [18].
1
01 10
1
1
1=
/
(2.26)
Persamaan (2.26) dapat disederhanakan menjadi Persamaan (2.27) [18].
1+ (2 + ) 1 +
=
/
(2.27)
Universitas Sumatera Utara
Dengan pertimbangan bahwa induktor adalah elemen seri dan kapasitor adalah elemen paralel, maka diperoleh Persamaan (2.28). Jaringan Π diperlihatkan pada Gambar 2.18 yang disintesis reverse untuk dapat menghitung parameter S [18].
1+ (2 +
) 1+
=/
(2.28)
Dimana
= panjang saluran transmisi dalam radian
= impedansi karakteristik
Y = admitansi
Z = impedansi dari rangkaian Π
Gambar 2.18 Jaringan Π Dari Gambar 2.18, diperoleh Persamaan (2.29) [18].
=( + ) − =− +( + )
Universitas Sumatera Utara
=
(+ −
)
− (+
)
(2.29)
Dengan pertimbangan bahwa dan sebagai kapasitor paralel dan sebagai induktor seri, maka diperoleh Persamaan (2.30) dan (2.31) [18]:
= =/
(2.30)
Dan,
= 1⁄
(2.31)
Sehingga, elemen matriks dari admitansi dari parameter jaringan lumped dapat dituliskan dalam Persamaan (2.32) [18]:
= = 1−
= =1
= (2.32)
Parameter S untuk rangkaian Π juga dapat diperoleh langsung dari parameter Y sebagaimana yang ditunjukkan pada Persamaan (2.33) dan (2.34) [18].
=(
)( ∆
)
(2.33)
=( ∆ )
(2.34)
Universitas Sumatera Utara
Setelah disederhanakan, maka diperoleh dan dalam bentuk L dan C sebagaimana yang ditunjukkan pada Persamaan (2.35) dan (2.36) [18].
1−
=2 1− 2
1 1
(2.35)
=(
)(
)
(2.