ANALISIS PERANCANGAN PENGUAT DAYA RF SOLID STATE UNTUK SIKLOTRON 13 MeV MENGGUNAKAN PALLET BLF578NXP

Prajitno

ISSN 0216 - 3128

49

ANALISIS PERANCANGAN PENGUAT DAYA RF SOLID STATE UNTUK SIKLOTRON 13 MeV MENGGUNAKAN PALLET BLF578NXP Prajitno Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Jl.Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb, Yogyakarta 55281 Email: [email protected]

ABSTRAK ANALISIS PERANCANGAN PENGUAT DAYA RF SOLID STATE UNTUK SIKLOTRON 13 MeV MENGGUNAKAN PALLET BLF578NXP. Telah dilakukan analisis perancangan penguat daya RF solid state 78 MHz. 10 kWatt yang diharapkan dapat digunakan untuk siklotron proton 13 MeV. Penguat daya RF dirancang menggunakan modul pallet P1500FM49 1600 Watt sebanyak 8 buah, yang masing-masing terdiri dari penguat push-pull menggunakan teknologi LDMOS. Penggabungan modul pallet dilakukan dengan 8way splitter dan combiner yang dirancang menggunakan kabel coaxial. Panjang kabel dihitung menggunakan software AppCad Ver. 3.0.2 buatan Agilent Technologies. Modul pallet akan dioperasikan 80% dari kemampuan daya maksimumnya, sehingga setelah digabungkan diharapkan dapat diperoleh daya RF 10240 Watt. Kata kunci: LDMOS, penguat daya RF, siklotron, pallet

ABSTRACT ANALYSIS OF DESIGN SOLID STATE RF POWER AMPLIFIER FOR 13 MeV CYCLOTRON USING BLF578NXP PALLET. Analysis of design solid state RF power amplifier 78 MHz 10 kWatt has been done, RF power amplifier is expected to be used for 13 MeV proton cyclotron. RF power amplifier was designed using 8 units module pallet P1500FM49 1600 Watt, each of which consists of push-pull amplifier using LDMOS technology. Merging pallet module uses 8-way splitter and combiner using coaxial cable. Length of coaxial cable calculated by AppCad Ver. 3.0.2 software made by Agilent. Pallet module is designed to operate 80% of its maximum power capability, so that after combining 8 pallet module, RF power is expected to be obtained 10240 Watts. Key words: LDMOS, RF power amplifier, cyclotron, pallet

PENDAHULUAN

P

enguat radio frekuensi (RF) berdaya tinggi telah dibangun selama bertahun-tahun menggunakan tabung elektron sedangkan teknologi solid state telah digunakan untuk penguat radio frekuensi daya rendah. Saat ini kinerja dari transistor LDMOS juga memungkinkan menggunakan teknologi solid state untuk penguat radio frekuensi berdaya tinggi(1). Penguat transistor LDMOS bebas dari thermal runaway dan kerusakan sekunder yang mempengaruhi transistor bipolar dan LDMOS tidak memerlukan penggantian berkala seperti tabung vakum. Pada saat ini teknologi solid state untuk penguat RF berkembang sangat cepat dan menjadi populer untuk aplikasi akselerator. Transistor RF Laterally Diffused Metal–Oxide–Semiconductor (LDMOS) adalah merupakan standar teknologi pilihan dalam aplikasi industri karena: kemampuan daya yang sangat bagus, penguatan (gain), efisiensi, linearitas, keandalan dan harga murah. Transistor LDMOS juga devais pilihan dalam aplikasi akselerator dikarenakan persyaratan tambahan yang penting seperti ruggedness dan resistansi termal(2).

Oleh karena itu pada makalah ini akan dibahas analisis perancangan penguat daya RF siklotron menggunakan teknologi LDMOS yang banyak digunakan untuk aplikasi broadcast dan industri. LDMOS telah beredar di pasar dalam bentuk modul elektronik yang disebut pallet yang terdiri dari satu atau dua LDMOS. P1500FM49 adalah modul penguat pallet yang dibuat oleh Broadcast Concept Inc. berdasar pada transistor BLF578NXP(3). Apabila daya RF yang diperlukan siklotron proton 13 MeV adalah sebesar 10 kW, maka agar dapat memenuhi kebutuhan tersebut diperlukan modul pallet P1500FM49 sebanyak 8 unit yang digabung menggunakan splitter dan combiner 8way.

TATA KERJA Modul pallet P1500FM49(3) BLF578 NXP adalah tansistor LDMOS berdaya tinggi paling modern yang saat ini tersedia untuk aplikasi industri. Transistor ini dapat dioperasikan berdenyut (pulse) dengan daya 1200W pada tegangan catu 50V. Untuk aplikasi industri transistor LDMOS umumnya dioperasikan

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah - Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2012 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 4 Juli 2012

ISSN 0216 - 3128

50

Prajitno

Tabell 1. Spesifikaasi elektrik modul pallet P11500FM49 Electriccal Specificatioons (T case=225 C, 50 ohm loaded, VS=443 V bias=50 ma) Charaacteristics Min Type Max Unit Fundaamental outpuut power n/a 1500 1600 W Power Input n/a 4.0 5.0 W Input Return Loss -23 dB Power Gain (1500w w output) 24 25 dB Collecctor Efficiencyy 76 78 80 % Collecctor Current (1500w ( outpuut) 43.5 44 45.8 A dc Inserttion Phase varriation (unit too unit) +/-3.5 Degrees Power Gain (unit too unti) +/-0.75 dB F2 Seecond Harmonnic -30dB dB F3 Thhird Harmonicc -25dB dB Transsistor Bias Cuurrent: Factorry set to 50m ma 40 50 60 ma dc @44V V per fet. Adjuusment is not required r secaraa kontinyu, oleh o karena itu dikerjakann pada daya rendah. Padaa rangkaian pallet p P15000FM49 (Gam mbar 1.) LDM MOS diatur untuk u bekerja pada teganggan 43 Voltt yang mem mberikan efi fisiensi tinggii dan unggul dalam keandalan eleektrik. Spesiffikasi elektriik modul pallet p P15000FM49 ditam mpilkan pada Tabel T 1.

• Tegangann catu = 28 Voltts. • Impedansii Input/outputt = 50 ohm ms. • Keluaran daya RF miniimum = 70W W minimum,, tipikal 80W W • Gain = 18dB Gain G (80W) = AB. • Class c tegangann • Membutuhhkan arus 4.00 amps pada catu 28 Volt. a penalaann • Tidak dipperlukan penggaturan bias atau rangkaiann RF.

Penyesuaai imped dansi (5) gelomban ng (λ)

Gambbar 1. Modul pallet P1500F FM49 (4) Mod dul pallet MRF173 M

¼

panjangg

Traansformator impedan nsi dapatt direalisasikaan dengan menyisipk kan salurann transmisi berbeda dengaan karakteristtik impedansii yang sesuaii. Transformaator impedanssi ¼ λ adalahh suatu kompponen yang ddigunakan dalam rekayasaa RF terdiri dari d saluran trransmisi dengan panjang ¼ λ dan termiinasi pada im mpedansi yang g diketahui ZL (Gambar 3). Pannjang gelombbang (λ) daapat dihitungg menggunakkan persamaann:

λ=

300 F( MHz )

Meskipuun ¼ λ secaara teori dapat digunakann untuk penyesuai p im mpedansi kom mpleks, tetapii lebih um mum digunaakan penyesu uai impedansii riil. s dapatt ‐ Beban impedansi kompleks selalu ditransfoormasi ke impedansi riil dengann menambbah komponeen reaktif serri atau shuntt dengan benar. b Padda frekuensi operasi, pan njang elektrikk dari bagiann penyesuai adalah λ/4 namun n untukk frekuensi yang y lain paanjangnya ak kan berbeda,, sehingga peenyesuai yangg sempurna tid dak diperolehh ‐

Gambbar 2. Modul pallet MRF173 MRF173 adalah moduul pallet yangg akan digunnakan sebagai masukan dayya RF modul pallet P15000FM49 melallui power spplitter (Gambbar 2). Spesiffikasi elektrikkal dari MRF173 adalah seebagai berikuut:

(1)

Prosiding Perttemuan dan Prresentasi Ilmiah - Penelitian Dasar D Ilmu Pen ngetahuan dan Teknologi Nuk klir 2012 Pus sat Teknologi Akselerator A da an Proses Baha an - BATAN Y Yogyakarta, 4 Juli J 2012

Prajitno

ISSN 0216 - 3128

karena penyesuai ¼ λ mempunyai keterbatasan bandwidth.

Gambar 3. Penyesuai impedansi saluran transmisi λ/4.

51

sehingga idealnya Wilkinson divider memiliki efisiensi 100%. Dari penjelasan di atas dapat diketahui bahwa jenis power divider ini memiliki empat bagian yang berbeda yaitu sebagai berikut: 1. Input port (Port 1) 2. Quarter-wave transformers 3. Isolation resistors (2Zo) 4. Output ports (Port 2 dan Port 3)

Power divider/combiner(6) Power divider/combiner merupakan komponen pasif yang digunakan untuk membagi atau menggabung daya RF, karena baik port input maupun port outputnya sesuai (match), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Dengan kata lain, power divider berfungsi sebagai reciprocal passive device, yang dapat digunakan sebagai power combiner. Dalam membagi daya, sebuah input sinyal dibagi oleh power divider/combiner menjadi dua atau lebih sinyal dengan daya yang lebih kecil, hal ini diakibatkan adanya kerugian yang terjadi.

Gambar 5. Spiltter 2-way Menurut Andrei Grebennikov(6) impedansi input N saluran transmisi yang masing-masing mempunyai impedansi Zo sama, bila dihubungkan secara parallel karakteristik impedansinya adalah: Zo/√N

(2) Oleh karena itu pada masing-masing saluran perlu ditambahkan saluran transmisi λ/4 untuk mengubah impedansi input Zo/√N menjadi impedansi standar Zo. Dalam combiner apabila satu atau lebih modul pallet mengalami gangguan oleh suatu sebab, keluaran daya RF Pout dan efisiensi Uc dari combiner dapat dihitung dengan persamaan:

Pout

(N − M ) =

Nc = Gambar 4. Power divider dan combiner Wilkinson power divider berfungsi membagi sinyal masukan menjadi beberapa sinyal keluaran dengan fasa yang sama. Prinsip utamanya adalah menyediakan isolasi tinggi antar output, dengan membatasi efek dari refleksi sinyal, karena lossless reciprocal, three-port network tidak mempunyai port-port yang secara simultan match. Wilkinson menambahkan sebuah resistor untuk mengupayakan ketiga port keluarannya match dan secara penuh mengisolasi port 2 dari port 3 (Gambar 5) pada frekuensi tengah (fc). Keuntungannya adalah resistor tidak menimbulkan resistive loss pada power divider/combiner,

N

2

P1

Pout M = 1− Pin N

(3) (4)

Keterangan : Pin = (N-M)P1, P1 = keluaran daya RF untuk satu modul pallet N = jumlah port masukan M = jumlah modul pallet yang tidak berfungsi

Kabel Coaxial RFA 1-5/8” RFA 1-5/8” adalah kabel coaxial buatan DRAKA yang digunakan untuk saluran transmisi RF, bentuk fisik seperti ditampilkan pada Gambar 6. Berdasarkan data yang dikeluarkan oleh pabrik, RFA 1-5/8” mempunyai spesifikasi elektrikal sebagai berikut(8) :


ISSN 0216 - 3128

52

Prajitno

G Gambar 6. Beentuk fisik kab bel coaxial RF FA 1-5/8” 1. 2. 3. 4. 5.

IInner conducttor : Corrugaated copper tuube, Ø 17.6 mm (0.699 in) O Outer conducctor : Corrugaated copper tuube, Ø 4 mm (1.822 in) 46.3 D Dielectric : Cellular C polyetthylene, Ø 42..0 mm ( (1.65 in) F Frequency = 100 MHz., ATTENUA ATION d dB/100 m = 0.643 0 P Power Ratingg = 17 kW

(9) Kabel coaxial RG-58 R

Kabel coaaxial RG58 C/U (Gambbar 7) adalahh salah satu tiipe kabel yanng umum diguunakan untukk saluran traansmisi RF dengan spesifikasi elektrrikal sebagai berikut b : ‐ Inner conductorr ; ‫ ׎‬0,90 mm m 2 mm ‐ Insulation mateerial : PE, ‫ ׎‬2,95 mpedance : 50 Ω ± 2 Ω ‐ Im

buatan Eaaton Corporaation dengan n spesifikasii elektrikal seebagai berikutt : Input AC Supply 220/2400V, 50/60Hz (nominal) ( 185-2755V full outputt power up too 50°C [1122°F] 90-185V reduced outtput power Power Facttor >0.99 ((50 – 100% ou utput current) Efficiency >96% ppeak >95% ((30 – 100% ou utput power) Output DC Output Voltage Rangge 43 – 57.5V V DC Output (maximum) 2000W @ 48V

Gambbar 7. Bentukk fisik kabel coaxial RG-588

Karaakteristik coaxxial(10)

imped dansi

k kabel Gambar 9. Catu daya sw witching “EAT TON” BIRD Direcctional Coupller(12)

Gambbar 8. Kabel coaxial

Z0 =

138 d log 1 d2 k

(5)

Keterangan : Z0 = karakteristik k i impedansi kabbel coaxial d1 = diameter d dalam m konduktor bagian b luar d2 = diameter d luar konduktor baagian dalam k = Relatif R perm mitivitas (peermittivity) isolasi i a antara kondukktor

Catu u Daya Palllet

(11)

Sesuai denngan spesifikaasi elektrikal modul m pallett P1500FM499, agar dapat mengeluarkan m n daya RF 15500 Watt mem merlukan catuu tegangan 455 Volt dengaan arus 44 Am mpere dan massukan RF 4 Watt. W APR48-ES S Energy Saver Reectifier (Gam mbar 9) adalaah suatu cattu daya swiitching

Gambar 10.. BIRD Directtional Couplerr BIR RD Directioonal Coupleer berfungsii menyensor daya RF yanng teliti untu uk arah majuu (forward) atau arah balik (reflecteed), Alat inii pemasangannnya disisipkaan pada konek ktor flange 1-5/8” keluarran penguat ddaya RF dan kabel coaxiall saluran trannsmisi. Bentuuk fisik BIRD D Directionall Coupler ditaampilkan pada Gambar 10.


ISSN 0216 - 3128

Prajitn no

53

PER RANCANG GAN Poweer Splitter Power spplitter 8-wayy dirancang untuk membbagi keluarann daya RF dari modul pallet MRF1178. Splitter menggunakan m n kabel coaxiaal RG58 deengan panjanng λ/4 yang digunakan seebagai transfformator impeedansi, sepertti ditampilkann pada Gambbar 12. Resistor yang y digunakkan dalam splitter sp adalahh resistor freekuensi tinggii buatan BOU URNS (13) tipe CHF33020CBF (SSeries Powerr RF Termiinations/Resisstors). Bentuuk fisik reesistor frekueensi tinggi, dittampilkan padda Gambar 11.

Gambar 11.. Bentuk fisikk resistor frekuensi tinggii buatan BOUR RNS Unntuk menghituung panjang transformatorr impedansi digunakan paket peran ngkat lunakk AppCad Veer. 3.0.2 buaatan Agilent Technologies. T . Dengan meemasukkan pparameter darri spesifikasii elektrikal kabel k coaxial RG-58 diperroleh panjangg kabel λ/4 = 64 cm., seperti ditun njukkan padaa Gambar 13.. 7. Zo=50 0Ω

λ/4

6. 6 Zo=50Ω

λ/4 λ/4

λ/4

λ/4=64Cm 8. Zo=50Ω

Zo/√8=17,68Ω

λ/4

5. Zo=50Ω

50Ω 50Ω 50Ω

4. Zo=50Ω

Z =50Ω

λ/4

50Ω 50Ω 50Ω

3. Zo=50Ω

λ/4 λ/4

2. 2 Zo=50Ω

50Ω 50Ω

1. Zo=50Ω =

Gambar 12. Rancangaan splitter 8-w way

Gambaar 13. Tampilaan hasil perhittungan λ/4 kabbel RG-58 C/U U


ISSN 0216 - 3128

54

Prajitno

Gambaar 14. Tampilaan hasil perhitu ungan λ/4 kabbel RFA 1-5/88”

Pallet P1500FM49

Pallet P1500FM49

Pallet P1500FM49

Palllet

Pallet P1500FM49

BIRD al Directiona Couplerr

RF F Input Pallet P1500FM49

Output 10 kW

Pallet P1500FM49

Pallet P1500FM49

Pallet P1500FM49

Gam mbar 15. Blokk diagram rancangan penguuat daya RF


Prajitn no

ISSN 0216 - 3128

55

Poweer Combineer

KESIMP PULAN

Power coombiner 8-waay dirancang untuk menggabungkan keluaran k dayaa RF yang berasal b dari 8 buah moduul pallet P15000FM49. Com mbiner menggunakan kabbel coaxial tipe RFA 1-5/8” dengaan panjang λ/4 yang digunakan d seebagai transfformator impeedansi. Dengan memasukkann parameter dari spesiffikasi elektrikkal kabel coaxial RFA 1-5/8”, 1 yang terdiri dari: inner diametter, outer diameter, dielekktrikum dan frrekuensi kerjaa, diperoleh paanjang kabel λ/4 = 64 cm., seperti ditunjukkan pada Gambbar 14. Rancangann 8-way power com mbiner menggunakan coaxxial 1-5/8” deengan panjanng λ/4, pada ujung kabell coaxial dippasang 8 buaah Nconneector yang dippasang secaraa parallel dan ujung kabel lainnya dippasang connector flange 1-5/8” sepertti ditampilkann pada Gambarr 16.

Traansistor LDM MOS, splitter dan d combinerr merupakan komponen uttama dari pen nguat daya RF F solid state.. Dengan meenggunakan modul pallett P1500FM499 yang muddah diperoleeh di pasar,, memungkinnkan untuk diaaplikasikan seebagai sumberr tegangan boolak-balik sikklotron 13 MeeV. Daya RF F yang dihasillkan dalam raancangan ini adalah a 10 kW,, namun daaya RF daapat ditingkaatkan sesuaii kebutuhan dengan d menam mbah jumlah modul pallett dan mengggunakan splittter dan com mbiner secaraa bertingkat. Sessuai dengan sspesifikasi elektrikal modull pallet P15000FM49 diopperasikan padaa suhu 25oC,, oleh karenaa itu perlu diirancang pend dingin modull pallet agar saat dioperasikan suhu LDMOS L yangg digunakan tidak t melebihii ketentuan.

DAFTAR R PUSTAK KA 1.

2.

3. 4. 5. Gambbar 16. Rancanngan 8-way coombiner

Pengguat Daya RF R 10 kWaatt Penguat daya d RF diranncang mengguunakan satu set s yang terdirri dari delapann modul pallet yang dihubbungkan secarra paralel denngan sebuah power p combiiner 8-way. Setiap moodul harus dapat membberikan daya RF minimall 1280 W, dengan d minim mum power gain sebesarr 24 dB. Dengan D memppertimbangkann kerugian daaya yang bersuumber dari kabel dan combiner, diharapkan dapat diperooleh daya RF F total sebessar 10 kW. Modul M tambaahan digunaakan sebagaai penguat awal, sebeluum dipisahkaan oleh spllitter daya 8-way. 8 Diagrram blok ditunnjukkan pada Gambar G 15. Untuk mendapattkan efi fisiensi pengggabungan yanng baik, keserragaman ampplitudo sinyall output darri modul pallet yang beerbeda diperllukan. Mengennai fase, persyyaratan tidak terlalu t ketat: perhitungan sederhana menunjukkan bahwa, b dalam m kasus terbuuruk, pergeserran fase 20 derajat d membberikan kerugiian pada dayaa keluaran1,5% %(7).

6.

7.

8. 9.

F. SCA ARPA DKK.,, A 2.5 Kw, Low L Cost 3522 Mhz Solid State Amplifier For F Cw Andd Pulsedd Operation, P Proceeding of EPAC, Paris,, Francee (2002) MARC CO DI GIA ACOMO, Sollid State Rff Ampliifiers For A Accelerator Applications,, Proceeedings of P PAC09, Van ncouver, BC,, Canadda (2009) P15000FM49, Palllet Amplifiier Module,, Broadccast Conceptts Inc., 1170 00 NW 1022 Road Suite S 4 Medleey FL 33178 USA U (2010) MRF173, Pallet Am mplifier Modu ule, Broadcastt Conceepts Inc., 117000 NW 102 Road Suite 4 Medleey FL 33178 U USA (2010) IULIA AN ROSU, Impedancee Matching,, http://w www.qsl.net/vva3iul/ diund duh 02 Aprill 2012 ANDR REI GRE EBENNIKOV V, Powerr Combiiners, Impeddance Transformers andd Directional, High Frequency Electronicss (2008)) F. SCA ARPA, A. FA ACCO, D. ZE ENERE, Highh Powerr, Solid-State R Rf Amplifier Developmentt For Thhe Eurisol Prooton Driver, Proceedings P off EPAC C, Edinburgh, S Scotland (200 06) RFA 1-5/8” 1 Coaxiaal Cable, DRA AKA Cableteqq (2006)) DATA A SHEET, “C Coaxial Cable RG58 C/U”,, http://w www.rfpart.coom, diundu uh 2 Aprill

2012 10. TONY Y R. KUPHAL LDT, “Lesson ns In Electricc Circuitts, Volume II – AC”, Sixth S Editionn (2007)) 11. EATO ON®, “APR R48-ES Energy Saverr Rectifi fier”, Eaton Coorporation (20 009) 12. BIRD TECHNOLO OGIES GROU UP, “Generall Cataloog 2008”, w www.bird-tech hnologies.com m diunduuh 05 Maret 2012.


ISSN 0216 - 3128

56

13. BOURNS, “CHF3020CBF Series Power RF Terminations/Resistors”, Rev.09/09, (2003)

TANYAJAWAB Silakhudin − Bagaimana penggunaan transistor solid state (sebagai pengganti transistor tabun) dalam kemampuan untuk memproduksi komponenkomponen di bagian hulu dari akibat power yang balik dari arah hilir akibat spark yang berlebihan pada del

Prajitno

Prajitno • Perkembangan teknologi transistor memungkinkan penggunaan LDMOS untuk aplikasi pada siklotron karena di dalam LDMOS sudah dirancang produksi terhadap daya yang dipantulkan balik ke sumber sampai dengan 1 : 13 (SWR). Selain itu LDMOS sudah banyak digunakan untuk mengganti sumber RF dari tabung elektron siklotron di banyak negara.


ANALISIS PERANCANGAN PENGUAT DAYA RF SOLID STATE UNTUK SIKLOTRON 13 MeV MENGGUNAKAN PALLET BLF578NXP

Recommend Documents