BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Pertumbuhan pemancar yang pesat membuat semakin padat frekuensi. Hal
ini mempengaruhi pancaran radio dari suatu pemancar ke radio penerima. Pemancar dengan daya kecil yang dipasang di dataran tinggi sudah mencukupi untuk mencapai jarak jangkauan yang jauh. Jarak pancar sangat berbeda ketika pemancar dengan daya yang sama ditempatkan di dataran rendah dan banyak penghalang seperti gedung atau perbukitan. Jarak pancar menjadi semakin dekat karena sinyal gelombang FM dipancarkan secara LOS ( line of sight) [1] [2]. Saat ini untuk meningkatkan jarak pancar di daerah perkotaan yang padat penduduk dan jauh dari perbukitan dengan cara menambah daya dari pemancar. Pemancar radio FM dengan daya yang besar pada saat ini masih diimpor dan harganya sangat mahal. Pemancar radio FM produksi lokal yang berkualitas dengan harga murah sangat dinantikan untuk memenuhi kebutuhan pemancar di dalam negeri. Kebutuhan pemancar ini diantaranya meliputi kebutuhan untuk penggantian pemancar lama yang rusak, sebagai pemancar cadangan, upgrade daya pemancar, dan penggantian pemancar yang boros dalam konsumsi daya listriknya. Dalam sistem telekomunikasi, komponen yang sangat berperan dalam hal ini adalah power amplifier (PA). Fungsi dari power amplifier adalah untuk melipatgandakan daya ouput dari suatu pemancar. Komponen utama power
1
2
amplifier ini dapat menggunakan tabung maupun semikonduktor. RF amplifier menggunakan tabung triode diperkenalkan pertama kali oleh Lee De Forest pada tahun 1906 [3]. Sementara prinsip dasar perangkat menggunakan semikonduktor surface field effect transistor (FET) dipatenkan oleh Julius Edgar Lilienfeld pada 22 Oktober 1925 [4]. Final power amplifier membutuhkan daya paling besar dalam sistem pemancar. Semakin besar daya yang dihasilkan oleh pemancar maka semakin besar pula daya listrik yang digunakan. Pemancar model lama saat ini masih menggunakan vacuum tube (tabung) pada penguat akhirnya. Penggunaan tabung sebagai penguat RF akhir (booster) cenderung lebih praktis dalam sistem skema dan aplikasinya akan tetapi mahalnya harga tabung pemancar juga menjadi pertimbangan. Tabung pemancar dengan daya yang besar juga semakin jarang digunakan oleh umum. Hal ini juga menjadi penyebab tingginya harga sebuah tabung pemancar. Selain itu pemancar radio yang menggunakan tabung sangat boros pemakaian daya listriknya. Masalah utama vacuum tube adalah efisiensi yang rendah sehingga panas yang ditimbulkan lebih tinggi [5]. Kelemahan ini memicu perkembangan penguat RF yang menggunakan teknologi semikonduktor. Dalam perkembangan teknologi, vacuum tube dan bipolar junction transistors (BJTs) digantikan oleh laterally diffused metal oxide semiconductor (LDMOS) [6]. Keunggulan LDMOS diantaranya adalah mempunyai efisiensi tinggi, penguatan (gain) yang tinggi, rendah distorsi intermodulasi, dan panas yang ditimbulkan berkurang [7]. Efisiensi LDMOS sebagai RF solid state power amplifier (SSPA) mencapai 78-
3
79% [8] [9] [10]. Keuntungan lain menggunakan LDMOS sebagai RF power adalah rangkaian lebih sederhana dan mempunyai dimensi ukuran yang lebih kecil [11]. Awal perkembangan pembuatan penguat RF berdaya besar menggunakan transistor sulit dilakukan. Seiring dengan kemajuan teknologi, sistem pararel dengan menggabungkan (combine) beberapa RF power transistor dapat dilakukan [12] [13] [14] [15]. Pemancar radio FM komersial yang digunakan pada saat ini dengan daya antara 1.000 W sampai dengan 20.000 W tergantung dari lokasi dan ijin radionya. Pemancar dengan daya diatas 5.000 W pada umumnya hanya dipakai di ibukota propinsi dan jumlahnya relatif sedikit sedangkan pemancar daya 1.000 W banyak digunakan di luar Jawa. Di pulau Jawa pemancar radio FM komersial pada umumnya menggunakan daya berkisar 3 kW – 5 kW. Hal tersebut diatas yang menjadi dasar pada penelitian ini dipilih penguat RF dengan daya 5.000 W yang bekerja pada frekuensi radio FM komersial 87,5-108 MHz. Hal tersebut di atas yang menjadi acuan dalam pengembangan rangkaian penguat RF berbasis semikonduktor untuk menggantikan penguat RF yang menggunakan vacuum tube. Penguat RF yang dirancang harus mempunyai efisiensi tinggi lebih besar dari 70%, broadband (tanpa tuning) yang bekerja pada frekuensi radio FM komersial 87,5-108 MHz. Daya output 5.000 Watt diperoleh dengan menggabungkan beberapa RF power transistor.
4
1.1.1 Perumusan Masalah Peningkatan kebutuhan FM SSPA yang hemat energi dengan harga ekonomis sangat diharapkan oleh konsumen pada saat ini. Harga FM SSPA 5 kW impor sangat mahal. Meskipun harganya mahal, perusahaan dalam negeri belum ada yang memproduksi sendiri walaupun kebutuhan peralatan ini terus meningkat. Optimalisasi FM SSPA pada penelitian sebelumnya dimungkinkan untuk mendapatkan performance yang lebih baik ditinjau dari segi efisiensi, broadband, harga, dan dimensi ukurannya. Akan tetapi sampai sekarang belum ada yang menjelaskan secara detil tentang bagaimana cara menggabungkan 1 kW FM SSPA menjadi 5.000 W dan material apa saja yang dipakai. Penelitian ini dimaksudkan untuk membuat 5.000 W FM SSPA yang mempunyai efisiensi tinggi dengan harga ekonomis. Daya 5 kW diperoleh dengan menggabungkan beberapa power amplifier dengan menggunakan mikrostrip. Harga ekonomis didapatkan dari pemilihan komponen yang lebih ekonomis tetapi mempunyai kualitas yang sama, produksi dilakukan di lokal, dan memangkas biaya impor yang besar. 1.1.2 Keaslian Penelitian High power solid state power amplifier (SSPA) yang bekerja pada high frequency (HF) 2-50 MHz semakin populer. Rancangan ini telah menggunakan RF power FET dengan sumber tegangan 50 V. Dimensi ukuran rangkaian yang dihasilkan dari perancangan ini cukup kompak sehingga tidak memerlukan ruang yang besar [11].
5
Teknologi LDMOS generasi ke-6 dari NXP Semiconductor yang bekerja pada tegangan 50 V dapat mengeluarkan daya keluaran 1.200 W CW di band FM dan VHF. Efisiensi lebih tinggi diperoleh dengan menurunkan target daya keluarannya. Transistor ini merupakan jenis push-pull transistor dimana tiap satu buah kemasan transistor terdiri dari dua transistor yang berdiri sendiri satu sama lainnya. Gate transistor ini dilindungi oleh dioda ElectroStatic Discharge (ESD). Rancangan 1kW FM power amplifier ini sangat kompak dengan dimensi 50.8 mm x 101.6 mm. FM SSPA ini memakai LDMOS BLF578 dengan RF input kurang lebih 3 W menghasilkan daya output 1.000 W [8]. Freescale Semiconductor mendemonstrasikan 1100W CW output power FM SSPA yang mempunyai efisiensi tinggi hingga 79% (drain efficiency) menggunakan MRFE6VP61K25H dengan bahan PCB Arlon TC-350. Power amplifier ini dengan RF in 3,5 W dapat menghasilkan RF out 1100 W [9]. Penelitian ini membuat FM solid state power amplifier (SSPA) dengan menggabungkan beberapa penelitian tersebut diatas. Optimalisasi untuk mendapatkan efisiensi lebih baik dilakukan dengan cara tala secara manual maupun optimalisasi dengan perangkat lunak. RF keluaran lebih besar beberapa kali lipat (5.000 W) didapatkan dengan menggabungkan beberapa buah power amplifier dengan
metode Wilkinson maupun Gysel power combiner yang
diterapkan pada PCB dengan metode microstripline [12] [13]. 1.1.3
Manfaat Penelitian Hasil penelitian ini dapat menunjukkan kinerja (performance) dari FM
SSPA sehingga dapat dijadikan acuan sebagai solusi pengganti dari FM power
6
amplifier yang menggunakan vacuum tube saat ini. Dilihat dari segi efisiensi, pemangkasan biaya pemakaian listrik dan pemborosan energi dapat dikurangi. 1.2
Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah membuat FM SSPA 5.000 W dengan
harga yang lebih murah dan mempunyai efisiensi tinggi (lebih besar dari 70%). Proses perakitan dan perancangan FM power amplifier dilakukan di dalam negeri maka bisa memangkas harga sampai dengan 70% dari harga peralatan impor sejenis. Hal ini menjadi solusi yang baik untuk memenuhi kebutuhan FM SSPA berdaya besar di dalam negeri, lebih ekonomis, dan dapat membuka lapangan kerja baru untuk proses produksinya. 1.3 Batasan Masalah Penelitan ini dibatasi oleh beberapa hal sebagai berikut : a.
Tidak melakukan pengujian bahan penelitian yang digunakan tetapi hanya berdasarkan datasheet dari pembuatnya.
b.
Hanya merancang FM SSPA pada bagian penguat akhirnya saja (final amplifier). Frekuensi kerja dibatasi pada frekuensi FM radio komersial yaitu 87,5-108 MHz.
c. Daya RF out yang dihasilkan dibatasi sampai dengan 5.000 W d. Parameter power amplifier yang berkualitas dibatasi pada pengukuran nilai efisiensi dari SSPA yang dibuat.
7
1.4 Sistematika Penulisan Sistematika penulisan tesis ini sebagai berikut : Bab I Pendahuluan, yaitu berisi latar belakang penelitian ini, rumusan masalah yang diajukan, keaslian penelitian, manfaat penelitian, tujuan penelitian, batasan masalah, hipotesis dan sistematika dari penulisan tesis ini. Bab II Tinjauan Pustaka, berisi kajian pustaka yaitu tentang penelitianpenelitian yang terkait dengan tesis ini dan landasan teori yang mendasari tesis ini. Bab III Cara penelitian, berisi tentang bahan dan alat yang di gunakan dalam penelitian ini dan metode yang digunakan dalam penelitian ini. Bab IV Hasil Penelitian dan Pembahasan, berisi tentang hasil penelitian yang telah di lakukan dan pembahasannya. Bab V Kesimpulan, berisi kesimpulan terhadap penelitian yang telah di lakukan. Daftar Pustaka, berisi paper dan makalah yang di sitasi dalam penulisan tesis ini.
