BAB II TINJAUAN TEORITIS

BAB II

TINJAUAN TEORITIS

2.1

LTE (Long Term Evolution)

Long Term Evolution (LTE) adalah sebuah nama yang diberikan kepada suatu proyek

dalam The Third Generation Partnership Project (3GPP). Teknologi Long Term Evolution (LTE) menjawab persoalan tersebut. LTE ini dianggap yang paling siap menuju 4G dibanding

kedua kandidat lainnya yaitu UMB (CDMA) dan Wimax II (Wimax). LTE bukan merupakan standard, tetapi sebuah proyek yang ditargetkan untuk menghasilkan perkembangan baru dari spesifikasi 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Release 8 (Rel-8). Dinamakan

Long Term Evolution karena LTE merupakan evolusi dari spesifikasi teknologi wireless

sebelum-sebelumnya (GSM/EDGE, WCDMA, dan HSPA)[7]. Salah satu perubahan pada LdaTE dibanding teknologi sebelumnya adalah pada lapisan fisiknya, khususnya dalam teknik modulasi dan skema akses jamak. LTE menerapkan teknik

Orthogonal Frequency Division Multiple Access

(OFDMA) untuk downlink

sedangkan untuk uplink menggunakan Single-Carrier FrequencyDivision Multiple Access (SC-FDMA). Untuk itu diperlukan pengkajian mendalam mengenai perkembangan teknologi telekomunikasi ini sehingga dapat dijadikan sebagai komunikasi unggulan yang dapat mengatasi kebutuhan teknologi komunikasi di masa depan. Layanan LTE pertama di dunia dibuka oleh TeliaSonera di dua kota Skandinavia yaitu Stockholm dan Oslo pada 14 Desember 2009 lalu. LTE akan sangat meningkatkan konsumen untuk aplikasi-aplikasi data layanan bergerak dengan waktu respon yang lebih cepat dan throughput yang lebih baik latency turun menjadi 10-20 ms dan kecepatan puncak mencapai 173/58 Mbps (downlink/uplink). Performa yang dibutuhkan untuk memenuhi permintaan bandwidth yang tinggi dan sifat dinamis dari jaringan yang saat ini harus memberikan suara video internet dan layanan data secara efisien. Frekuensi yang direkomendasikan berdasar LTE Ericsson Multimedia seperti pada tabel 1 di bawah ini frekuensi yang dipakai oleh negara-negara sekarang ini yaitu berada pada AWS (US) dengan frekuensi (1170-1755/2110-2155) MHz dengan bandwidth 45 MHz, FDD IMT Extension (2500-2570/2620-2690) MHz dengan bandwidth 70 MHz dan TDD IMT Extension Center Gap (2570-2620) MHz dengan bandwidth 50 MHz. Tabel 1 Rekomendasi Band Frekuensi FDD dan TDD [6]

4

BAB II Tinjauan Teoritis

2.2

Tinjauan pustaka

Realisasi bandpass filter untuk LTE uplink 2500-2570 MHz menggunakan metode

cross couple dengan resonator λ/4, belum pernah dibuat sebagai proyek akhir di Politeknik Negeri Bandung, tetapi ada beberapa proyek yang menggunakan metode yang sama sebelumnya. Beberapa proyek tersebut adalah: 1. R. Regia A. Gumilar dari angkatan Politeknik Negeri Bandung 2008 dengan judul “Realisasi BPF untuk GSM 1800 (1805-1880 MHz) Menggunakan Metode Cross Couple dengan Resonator Slow-Wave Open-Loop”. Proyek ini menggunakan resonator slow wave open loop untuk membuat band pass filter. Dalam kasus ini, filter 𝜆

yang dibuat menggunakan dengan lamda yang digunakan adalah

2

pada jaringan

GSM[3]. 2. Proyek Akhir Adzany Emylia, dari angkatan Politeknik Negeri Bandung 2008, dengan judul “Realisasi BPF untuk GSM 1800 MHz. Proyek dengan menggunakan metode Cross Couple dengan Resonator Stepped Impedance. Dalam kasus ini, filter yang dibuat menggunakan dengan lamda yang digunakan adalah

𝜆 2

untuk jaringan

GSM[4]. 3. Proyek akhir Indah Wijayanti dari Politeknik Negeri Bandung angkatan 2005 yang berjudul “Realisasi Four Pole BPF dengan Resonator Open-Loop Mikrostrip.” Pada proyek akhir ini telah direalisasikan sebuah BPF dengan empat resonator mikrostrip open-loop dengan PCB jenis Taconic RF 35[5].

Tri Yulianto (091331030) Laporan Proyek Akhir Tahun 2012

5


Dari studi literatur penulis mendapatkan beberapa ide untuk pengembangan proyek akhir diatas. Penulis akan merealisasikan bandpass filter dengan panjang gelombang λ/4 menggunakan metode cross couple.

2.3

Filter

Filter merupakan suatu perangkat yang berfungsi menyaring sinyal frekuensi yang

masuk ke dalam suatu sistem sehingga dihasilkan respons frekuensi yang diinginkan dan dapat diatur sesuai dengan kebutuhan. Daerah frekuensi dimana filter melewatkan sinyal

disebut daerah passband, sedangkan daerah frekuensi dimana filter meredam sinyal disebut daerah stopband. Batas antara passband dan stopband disebut frekuensi cutoff (fc) yaitu didefinisikan sebagai frekuensi yang responnya turun 3 dB, atau dayanya turun menjadi

setengah dari daya passband. Antara frekuensi cutoff dan frekuensi stop terdapat suatu daerah landai (daerah transisi) yang ditentukan oleh orde filter (jumlah elemen filter). Kegunaan dari filter sangat bermacam-macam diantaranya menghilangkan sinyal yang tidak diinginkan seperti noise atau sinyal yang berdekatan, menghilangkan sinyal pendistorsi yang disebabkan oleh kanal transmisi yang tidak baik atau tidak tepat dalam pengukuran. Karakteristik filter adalah sifat filter dalam mengolah sinyal-sinyal masukan menjadi sinyal keluaran yang diinginkan. Sifat filter yang umum dipakai adalah sifat melewatkan sinyal masukan pada frekuensi tertentu dan meredam sinyal masukan pada frekuensi lainnya. Filter memiliki beberapa karakteristik diantaranya: 1. Bandwidth yaitu lebar bidang frekuensi dari respons frekuensi 3 dB dibawah respons maksimal. 2. Faktor Qualitas yaitu frekuensi tengah dibagi dengan bandwidth, dapat ditulis sebagai berikut :

Q=

f0 f0 = f C 2  f C1 BW

(1)

Dimana semakin besar nilai Q, menunjukkan selektivitas yang tinggi dan sebaliknya semakin kecil nilai Q maka menunjukan selektivitas yang rendah. 3. Insertion Loss yaitu rugi daya yang disebabkan efek resonansi komponen sehingga menyebabkan transfer daya tidak maksimal pada filter.


6


4. Shape Factor atau kecuraman yaitu perbandingan bandwidth antara respons redaman

60dB/40dB terhadap responss pada redaman 3 dB atau cutoff.

2.4

Jenis Filter

Berdasarkan daerah yang dilewatkan dan daerah yang diredam, filter dibagi menjadi

empat jenis, yaitu Low Pass Filter (LPF), High Pass Filter (HPF), Band pass filter (BPF),

dan Band Stop Filter.

1.

Low Pass Filter

Low Pass Filter melewatkan sinyal dengan frekuensi di bawah frekuensi cutoff dan

meredam sinyal dengan frekuensi di atas frekuensi cutoff. Karakteristik Low Pass Filter dapat dilihat pada gambar 1.

Gambar 1 Karakteristik Low Pass Filter

2.

High Pass Filter High Pass Filter melewatkan sinyal di atas frekuensi cutoff dan meredam sinyal

dengan frekuensi di bawah frekuensi cutoff. Karakteristik High Pass Filter dapat dilihat pada gambar 2.


7


Gambar 2 Karakteristik High Pass Filter

3.

Band Pass Filter

Band Pass Filter memiliki dua buah frekuensi cutoff, yaitu frekuensi cutoff bawah (fc1)

dan frekuensi cutoff atas (fc2) . Band Pass Filter melewatkan sinyal yang berada di antara frekuensi cutoff bawah dan atas, dan meredam sinyal dengan frekuensi di diluar frekuensi cutoff tersebut. Band Pass Filter dapat dibuat dari perpaduan antara Low Pass Filter dan High Pass Filter. Karakteristik Band Pass Filter dapat dilihat pada gambar 3.

Gambar 3 Karakteristik Band Pass Filter

4.

Band Stop Filter Band Stop Filter mempunyai dua buah frekuensi cutoff, karakteristiknya merupakan

kebalikan dari karakteristik Band Pass Filter. Band Stop Filter akan meredam sinyal dengan frekuensi di antara kedua frekuensi cutoff, dan melewatkan sinyal dengan frekuensi di luar band kedua frekuensi cutoff tersebut. Karakteristik bandstop filter dapat dilihat di gambar 4.


8


Gambar 4 Karakteristik Band Stop Filter

2.5

Transformasi Lowpass Filter ke Bandpass Filter

Pada frekuensi rendah, filter dapat dibentuk dari kapasitor dan induktor yang

dirangkai secara seri maupun paralel. Namun, kapasitor dan induktor ini tidak dapat digunakan untuk pembuatan filter pada frekuensi tinggi sehingga prototipe pada frekuensi rendah hanya dapat digunakan untuk memfasilitasi perancangan filter frekuensi tinggi. Semua jenis filter (LPF, HPF, BPF, dan BSF) dapat diperoleh dari LPF prototipe dengan cara mentransformasi respon frekuensinya ke respon yang diinginkan. Perancangan Bandpass Filter dapat menggunakan nilai-nilai komponen dan karakteristik redaman pada LPF prototipe kemudian mentransformasi fungsi frekuensi yang asalnya bentuk LPF menjadi fungsi BPF. Respon Bandpass Filter dengan passband (ω2 - ω1) dan frekuensi stop ωS ditunjukkan oleh persamaan-persamaan berikut ini.

FBW 

 2  1 0

(2)

 0  1   2 1 '   0      c FBW   0  

(3) (4)

Transformasi ke bentuk Bandpass Filter yaitu dengan mengubah induktor seri menjadi rangkaian resonansi seri induktor dan kapasitor, dan kapasitor paralel menjadi rangkaian resonansi induktor dan kapasitor yang terhubung secara paralel.


9


Gambar 5 Transformasi Lowpass Filter ke Bandpass Filter

Nilai untuk induktansi dan kapasitansi dari rangkaian Bandpass Filter pada gambar 5,

dapat dicari dengan menggunakan persamaan (5) dan (6).

gR 0  0  Cs   0 gR 0 Ls 

g  0 R0 R Lp  0 0 g

(5)

Cp 

(6)

dengan: Δ = Fractional Bandwidth ω0 = Frekuensi tengah ω = Frekuensi stop yang diinginkan R0 = resistansi sumber g = nilai elemen ke-n dari prototipe Lowpass Filter

2.6

Rangkaian Resonansi

2.6.1 Resonator Rangkaian resonansi memegang peranan yang sangat penting pada perancangan berbagai perangkat telekomunikasi, seperti filter, osilator, dan penguat, mulai dari frekuensi rendah hingga frekuensi tinggi. Resonator gelombang mikro dapat dimodelkan dengan Tri Yulianto (091331030) Laporan Proyek Akhir Tahun 2012

10


rangkaian resonansi RLC seri atau paralel. Pada keadaan resonansi, impedansi rangkaian

akan bersifat resistif, Zin = R.

VS

C

Zin

L

R

I

Gambar 6 Rangkaian RLC Seri Zin  R  jL  j

1 C

(7)

Beresonansi jika :

jL  j

0 2 L 

1 C

1 LC →

(8)

0 

1 LC

(9)

I

VS

R

L

C

Yin

Gambar 7 Rangkaian RLC Paralel Yin 

1 1   jC R jL

(10)

Beresonansi jika : j 0 C  j

1 0 L

(11)

Rangkaian resonansi di saluran mikrostrip bisa ZL dalam kondisi short circuit atau open circuit l Z0, , 

Zin

Gambar 8 Rangkaian Resonansi Mikrostrip Tri Yulianto (091331030) Laporan Proyek Akhir Tahun 2012

11


Z in  Z 0

Z L  jZ 0 tan L Z 0  jZ L tan L

(12)

Jika ZL = 0 (short circuit) Zin  jZ 0 tan L; L 

2





(13)

Zin

90˚

0˚

180˚

270˚

360˚

I

II

III

IV

ℓ

λ/4

λ/2

3λ/4

λ

Open Circuiut Short Circuiut

Gambar 9 Grafik Zin terhadap ℓ Dari grafik di atas kita dapat menentukkan untuk bagan I dan bagan III merupakan rangkaian resonator paralel dan untuk bagan II dan IV adalah rangkaian resonator seri. Untuk ZL = ∞ (open circuit) 1 j

Zin 

Z0 tan L ZL

Z0 lim Z0    jZ 0 cot tan L Z0 j tan L ZL    j tan L ZL

(14)

Resonansi terjadi ketika X c= XL diperoleh frekuensi resonansi

f 

1 2

1 LC

(15)

2.6.2 Resonator /4 Pada frekuensi gelombang mikro, elemen-elemen lumped sulit diperoleh sehingga digunakan elemen terdistribusi seperti saluran transmisi dan bumbung gelombang. Saluran transmisi dengan beban ujung terbuka atau ujung tertutup memiliki sifat-sifat resonator seri dan paralel. Pada mikrostrip atau saluran strip lebih mudah perealisasian resonator dengan Tri Yulianto (091331030) Laporan Proyek Akhir Tahun 2012

12


ujung beban terbuka karena tidak memerlukan via/through hole pada PCB sebagai terminasi ujung tertutup (short circuit).

Resonator dapat dibuat dari saluran seperempat panjang gelombang dengan ujung

beban tertutup atau terbuka. Sifat-sifat resonator saluran /4 kebalikan dari resonator /2. Bila pada saluran /2 dengan ujung beban tertutup identik dengan resonantor RLC seri, maka pada saluran /4 akan identik dengan resonator RLC paralel bila ujung bebannya tertutup.

Demikian juga untuk saluran dengan ujung terbuka.

Parameter-parameter resonator saluran /4, kita tuliskan di bawah ini. Faktor kualitas

untuk resonator /4, sama seperti pada resonator /2.

Z 0 l  1 j 2 0l Z R 0 l

Z in 

 C 40 Z 0 L

(16)

1 02C

Interferensi antara gelombang datang dan gelombang pantul pada saluran transmisi yang diterminasi pada beban sembarang (ZL = ZO) membentuk gelombang berdiri, indikasinya di saluran transmisi akan terukur tegangan/arus maksimum dan tegangan/arus minimum di jarak-jarak tertentu.

2.7

Inverter Pada saluran mikrostrip, sangatlah sulit untuk merealisasikan rangkaian filter dengan

menggunakan rangkaian seri dan paralel secara bersamaan. Oleh karena itu, dibutuhkan suatu Inverter yang digunakan untuk mengubah rangkaian Bandpass Filter menjadi rangkaian yang terdiri dari rangkaian resonansi seri atau paralel saja. Terdapat dua jenis inverter yang biasa digunakan pada rangkaian filter mikrostrip, yaitu K-Inverter dan J-Inverter. K-Inverter digunakan untuk mengubah rangkaian filter menjadi rangkaian yang terdiri dari rangkaian induktor seri. Sebaliknya, J-Inverter digunakan untuk merealisasikan rangkaian filter mikrostrip menjadi rangkaian yang hanya terdiri dari kapasitor paralel. Tri Yulianto (091331030) Laporan Proyek Akhir Tahun 2012

13


Gambar 10 Inverter (a) Rangkaian induktor seri dengan K-inverter, dan (b) Rangkaian kapasitor paralel dengan J-Inverter Inverter ideal adalah transformator seperempat panjang gelombang. Impedansi dan admitansi pada satu ujung transformator akan diubah ke impedansi dan admitansi ujung yang lain, sebanding dengan kuadrat impedansi dan admitansi karakteristik transformator. Bila impedansi beban berupa kapasitor, maka akan diubah menjadi induktor dan sebaliknya.

(a)

(b) Gambar 11 Prototipe Lowpass Filter dengan Inverter. (a) Rangkaian Induktor Seri, dan (b) Rangkaian Kapasitor Parallel


14


Dengan pemilihan inverter yang benar, seluruh induktor dan kapasitor dapat dipilih

supaya memiliki harga yang sama. Dengan demikian, inverter impedansi dan admitansi memungkinkan kita menggunakan resonator yang identik sepanjang rangkaian filter.

2.8

Mikrostrip Saluran mikrostrip, terdiri dari konduktor strip (line) dan sebuah konduktor bidang

tanah yang dipisahkan oleh medium dielektrik dengan konstanta dielektrik εr. Di atas strip

adalah udara secara keseluruhan, dipandang sebagai sebuah saluran dengan dielektrik hooge yang lebih besar dari satu tapi lebih kecil dari εr. Jika tanpa shieding sebagian medan

elektromagnetik akan meradiasi, dan sebagian lagi ada yang masuk kembali ke dalam

substrat dielektrik. Jadi ada dua dielektrik yang melingkupi strip: udara dengan konstanta dielektrik satu dan substrat dengan konstanta dielektrik r 1. Dengan demikian saluran

mikrostrip, secara keseluruhan, dapat kita pandang sebagai sebuah saluran dengan dielektrik homogen yang lebih besar dari satu tapi lebih kecil dari r. Konstanta dielektrik ini disebut konstanta dielektrik efektif (effective dielektric constant). Pendekatan yang mudah untuk menganalisis karakteristik saluran, adalah dengan mula-mula menganggap medium yang memisahkan kedua konduktor adalah udara. Pada kasus ini bidang tanah bertindak sebagai cermin sehingga kita punya saluran yang lebarnya sama dan berjarak 2d satu sama lain. Kemudian dicari kapasitansi terdistribusi antara kedua saluran ini, kita sebut C0. Konstanta dielektrik efektif adalah perbandingan antara kapasitansi terdistribusi saluran dengan dielektrik terhadap C0. Jadi konstanta dielektrik efektif : 1  e 

C  r C0

(17)

Konstanta dielektrik efektif : 2    1   1   12d  1 2  W   r r    1  0,041   2   W   2  d   e   1 2   r  1  r  1  12d   1  2  W   2

W d 1 W d 1 (18)

Untuk keperluan perancangan, bila diketahui impedansi karakteristik Z0 dan konstanta dielektrik r, lebar strip dapat dicari dari :


15


 8e A  2A W  e  2   r 1 0,61  d 2   ln( B  1)  0,39    B  1  ln( 2 B  1)   2    r  r   

W d 2 W d 2

(19)

Dengan ;

A

B

Z0  r  1  r 1  0,11   0,23     r 1  r  60 2

(20)

377 2Z 0  r

(21)

2.9

Cross Couple

Kopling yang terbentuk dari keempat resonator yang berdekatan tersebut ada 3 macam kopling, yaitu : a) Kopling Elektrik

Gambar 12 Struktur Kopling Elektrik Rumus dari koefisien kopling dari kopling elektrik yaitu:

kE 

f m2  f e2 Cm  C f m2  f e2

(22)

b) Kopling Magnetik

Gambar 13 Struktur Kopling Magnetik Berikut ini adalah nilai dari koefisien kopling magnetik (kM) : Tri Yulianto (091331030) Laporan Proyek Akhir Tahun 2012

16


kM 

f e2  f m2 Lm  L f e2  f m2

(23)

c) Kopling Mixed

Gambar 14 Struktur Kopling Mixed

Nilai dari koefisien kopling mixed (kB) adalah :

f e2  f m2 CL' m  LC ' m kB  2  2 f e  f m LC  L' m C ' m

2.10

(24)

Filter dengan Single Pair of Transmission Zeros Transmission zeros adalah salah satu tipe filter yang dapat direalisasikan dengan

kopling silang sepasang resonator yang tidak berdekatan pada filter Chebyshev standar. Metoda sintesis berdasarkan pada prototipe lowpass filter diperlihatkan pada gambar dibawah ini.

Gambar 15 Prototipe Lowpass Filter untuk Sintesis Filter Dimana kotak-kotak persegi menggambarkan admitansi ideal dengan admitansi karakteristik J. Sintesis dimulai dengan perhitungan nilai-nilai elemen untuk filter Chebyshev.

(i = 1, 2, ...,m), m = n / 2


17


2 sin

g1



 2n

(2i  1) (2i  3) sin 2n 2n g i g i 1  2 2 (i  1)   sin n 1 1   sinh  sinh 1  n    4 sin

S

 1 

2





(25)

2

J m  1/ S

J m 1  0

Untuk memasukan transmission zeros pada Ω = ±Ωa dibutuhkan nilai Jm-1 dengan rumus berikut. menggunakan

J m1

 J 'm ( a g m ) 2  J ' m

2

(26)

Untuk mempertahankan return loss pada midband perlu mengubah nilai Jm yang disesuaikan, yaitu dengan

J 'm 

Jm 1  J m J m1

(27)

Dimana J’m diartikan sebagai perbaikan nilai Jm. Pada persamaan sebelumnya dijelaskan hal tersebut dengan nilai awal untuk Jm dan Jm-1 yang diberikan pada persamaan (27) tidak ada elemen asli filter Chebyshev yang diubah. Metode di bawah ini sangat sederhana, tetapi sangat berguna pada beberapa kasus dalam merancang filter selektif. Tetapi bermasalah di ketidakakurasian, dan dapat tetap menurun untuk selektivitas filter yang sangat tinggi. Pada hal tersebut dibutuhkan perpindahan attenuation pole ke frekuensi cut-off pada passband dan ini mengharuskan menggunakan prosedur sintesis yang lebih akurat. Salah satu alternatif adalah menggunakan set-set data akurat untuk perancangan yang di tabulasikan pada tabel berikut. Tabel 2 Nilai-nilai Elemen untuk Prototipe Four-Pole (RL = -20dB)


18


Dimana nilai frekuensi atenuasi pole Ωa mencover cukup besar untuk merancang bandpass filter dengan selektivitas tinggi. Untuk membuat lebih selektif dibutuhkan nilai Ωa

yang besar, nilai-nilai elemen dapat diperoleh dengan menggunakan prosedur sintesis dibawah ini,

g1 ( a )  1.22147  0.35543. a  0.18337. a  0.0447. a  0.00425. a 2

3

4

g 2 ( a )  7.22106  9.48678. a  5.89032. a  1.65776. a  0.17723. a

4

J1 ( a )  4.30192  6.26745. a  3.67345. a  0.9936. a  0.10317. a

4

2

(28)

3

2

3

J 2 ( a )  8.17573  11.36315. a  6.96223. a  1.94244. a  0.20636. a 2

3

4

n = 4 dan 1.8 ≤  a ≤ 2.4 Parameter-parameter untuk merancang bandpass filter antara lain koefisien kopling dan faktor kualitas eksternal. Diperlihatkan pada gambar struktur kopling umum

Gambar 16 Struktur Kopling Umum Bandpass Filter dengan Single Pair of Finite-Frequency Zero


19

BAB II TINJAUAN TEORITIS

Recommend Documents