Perancangan Radio Frequency High Gain Low Noise Amplifier pada Frekuensi 2,3 GHz untuk Mobile WiMax

JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, SEPTEMBER 2011: 105-110

Perancangan Radio Frequency High Gain Low Noise Amplifier pada Frekuensi 2,3 GHz untuk Mobile WiMax Toto Supriyanto1*, Teguh Firmansyah1, dan Anton Nugroho2 1. Teknik Telekomunikasi, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Jakarta, Depok 16425, Indonesia 2. Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia *

E-mail: [email protected]

Abstrak Dalam artikel ini membahas simulasi dan desain penguat derau rendah atau low noise amplifier (LNA) pada sistem radio frekuensi untuk aplikasi mobile worldwide interoperability for microwave access (WiMax) pada frekuensi 2,3 GHz sesuai dengan standar IEEE 802.16e. Sinyal pada sistem radio frekuensi dipancarkan dalam bentuk gelombang mikro dengan keluaran yang sangat rendah. Oleh karena itu, sistem radio penerima harus mempunyai penguat dengan penguatan yang tinggi dan derau yang serendah-rendahnya. Perangkat penguat ini yang disebut oleh LNA yang terletak pada urutan pertama dalam blok diagram penerima pada sistem radio frekuensi. LNA tersebut dirancang dengan menggunakan mikrostrip. Komponen aktif penyusunnya berupa transistor ATF-34143 produksi Agilent Technologies yang mempunyai gambaran derau (noise figure) yang kecil dan penguatan yang tinggi. Hasil akhir dari simulasi LNA memberikan noise figure sebesar 0,456 dB dan gain sebesar 36,103 dB.

Abstract Design Radio Frequency High Gain Low Noise Amplifier At 2,3 Ghz for Application Mobile WiMax. This article discusses design and simulation of low noise amplifier (LNA) at 2.3 GHz for mobile worldwide interoperability for microwave access (WiMax) based of IEEE 802.16e standard at system of frequency radio. The signal at system of frequency radio transmitted in microwave with very low output. In consequence, the radio receiver system must have lasing with high gain and noise as low as possible. This peripheral to amplify is called by LNA that lie in first sequence in block of frequency radio receiver system diagram. LNA are designed by using microstrip. The active component its formed is transistor ATF-34143 from Agilent Technologies that have low noise figure and high gain. The final result from simulation of LNA for noise figure and gain are 0.456 dB and 36.103 dB. Keywords: gain, LNA, mobile WiMAX, noise figure

rangkaian dalam sistem penerima RF yang digunakan untuk memperkuat sinyal [1-2].

1. Pendahuluan Sistem komunikasi worldwide interoperability for microwave access (WiMax) merupakan teknologi akses nirkabel pita lebar yang memiliki kecepatan akses yang tinggi dengan jangkauan yang luas. Bagian penerima pada sistem WiMax sama halnya dengan sistem penerima radio frequency (RF) yang ditunjukkan pada Gambar 1, salah satunya adalah LNA.

Pada komunikasi nirkabel, LNA harus mampu menerima sinyal yang sangat lemah dari pengirim dan harus mampu memperkuat sinyal tersebut sampai

Sinyal yang diterima dari pengirim lewat melalui antena dan diteruskan masuk ke bandpass filter kemudian diperkuat oleh low noise amplifier (LNA) atau penguat yang berderau rendah. LNA merupakan salah satu blok

Gambar 1. Diagram Blok RF Receiver

105

106

JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, SEPTEMBER 2011: 105-110

Tabel 1. Spesifikasi LNA

Spesifikasi Frekuensi Gain Noise Figure Input dan output return loss Faktor Kestabilan

Nilai 2,3 GHz [3] >10 dB [7] <1 dB [7] <-10 dB [1] >1 [6]

Tabel 2. Library ATF-34143 pada ADS Gambar 2. Blok Rangkaian LNA

Tipe model

Library

S-parameter S-parameter (0,1–3,0 Lib. GHz)

Sub-library Agilent

Nama model sp_hp_ATF34143_5_19990129

beberapa puluh dB agar dapat dicapai level yang cukup untuk diberikan ke perangkat penerima. Oleh karena itu, parameter yang perlu diperhatikan dalam merancang LNA yaitu gain, noise figure, masukan dan keluaran rangkaian penyesuai impedansi, dan kestabilan [3-4]. LNA dirancang pada frekuensi 2,3 GHz sesuai dengan standar IEEE 802.16e untuk aplikasi mobile WiMax. Karena perhatian perancangan LNA tertuju pada noise figure secara keseluruhan pada bagian penerima RF, hampir semua metode didasarkan pada optimasi dari performansi noise dan gain. Performansi noise dari LNA secara langsung berhubungan dengan masukan dan keluaran rangkaian penyesuai (matching). Rangkaian penyesuai biasanya dikenal dengan rangkaian penyesuai impedansi yang dirancang dengan tujuan untuk menyesuaikan masukan supaya daya yang dikirim dapat maksimum sampai ke beban [5-6]. Blok diagram LNA ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 3. Bias ATF-34143 2 Tingkat [7]

2. Metode Penelitian Sebelum melakukan perancangan, maka harus ditentukan terlebih dahulu spesifikasi yang diharapkan. Spesifikasi secara lengkap terlihat pada Tabel 1. Untuk merancang suatu LNA, tahap pertama adalah memilih transistor sesuai spesifikasi yang disyaratkan. Hal yang harus diperhatikan adalah konsumsi daya yang rendah, noise figure, dan gain. Pemilihan transistor di sini dengan bantuan software ADS di mana terdapat library berbagai model transistor yang dapat digunakan untuk merancang LNA. Transistor yang dipilih adalah ATF-34143 dengan DC bias VDS = 4 V dan IDS = 60 mA. Tabel 2 menunjukkan library transistor ATF34143 yang terdapat pada ADS [7-9]. ATF-34143 merupakan pseudomorphic high electron mobility transistor (pHMET) yang memiliki nilai mobilitas elektro yang tinggi dibandingkan dengan jenis FET.

Gambar 4. Hubungan antara Faktor Kestabilan K terhadap Frekuensi pada Bias ATF-34143 2 Tingkat

Berdasarkan data sheet ATF-34143 (Gambar 3 dan 4): VDD = 9 V VDS = 4 V IDS = 60 mA VGS = 0,34 V

107

JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, SEPTEMBER 2011: 105-110

Dengan mengambil nilai IBB = 10 kali Igss maksimum Igss maksimum = 300 µA Dengan demikian IBB = 10 x 300 µA = 3 mA V 0, 34 V = 113, 3 Ω R = GS = 1 I 3 mA BB

R2 = R3 =

(1)

(VDS − VGS ) = ( 4 − 0,34) 3 mA

I BB

(VDD − VDS ) ( 9 − 4 ) = ( I DS + I BB ) ( 60 + 3)

V mA

V

= 1220 Ω

= 79 Ω

(2) (3)

Untuk besarnya kapasitas kapasitor blocking mengacu dari panduan perancangan rangkaian bias transistor pada ADS yaitu mempunyai nilai 1 µF sedangkan induktansi dari RFC sebesar 1 mH [6,9-10]. Bentuk skematik dari rangkaian bias ATF-34143 2 tingkat ditunjukkan pada Gambar 5. Pada frekuensi 2,3 GHz, desain rangkaian matching mengikuti nilai S-parameter di bawah ini: S11 = 0,667∠ − 114,0710

S12 = 0,006∠ 57,252 0 S 21 = 45,040∠ 164,852 0

S 22 = 0,183∠ − 117,671

0

YS =

1 ⎛ 1 − ΓS ⎜ 50 ⎜⎝ 1 + ΓS

Rangkaian penyesuai (matching network) terdiri dari masukan (sumber) dan keluaran (beban) yang dirancang dengan impedansi karekteristik yang berbeda. Besarnya nilai YS dan YL bergantung pada koefisien refleksi sumber ГS dan koefisien refleksi beban ГL. Pada LNA, nilai YS bergantung pada nilai ГS = ГOPT [10-11].

⎞ ⎟⎟ ⎠

dalam bentuk bilangan kompleks YS = 0,0094 − j 0,0156 S

Penentuan nilai admitansi beban YL sama halnya nilai dari koefisien refleksi beban ГL ditentukan oleh Pers. (4). ⎛ ⎞ S S Γ Γ L = ⎜ S22 + 12 21 OPT ⎟ 1 − S11ΓOPT ⎠ ⎝

(4)

(

)(

)(

⎛ 0, 006∠ 57, 2520 45, 040∠ 164,8520 0, 567∠ 83,8970 = ⎜ 0,183∠ − 117, 6710 + ⎜⎜ 1 − 0, 667∠ − 114, 0710 0,567∠ 83,8970 ⎝ = 0,3678∠ 91, 46

(

)(

)

) ⎟⎞

∗

⎟⎟ ⎠

0

1 ⎛ 1 − ΓL ⎜ 50 ⎜⎝ 1 + ΓL

⎞ 1 ⎛ 1 − 0,3678∠ 91,46 0 ⎞ ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎟ 0 ⎟ ⎠ 50 ⎝ 1 + 0,3678∠ 91,46 ⎠ dalam bentuk bilangan kompleks YL = 0,0155 − j 0,0132 S YL =

Langkah berikutnya menentukan rangkaian penyesuai masukan. YS = 0,0094 – j0,0156 S sehingga: untuk

ΓOPT = 0,567 ∠ 83,897 0

⎞ 1 ⎛ 1 − ΓOPT ⎞ ⎟⎟ ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎠ 50 ⎝ 1 + ΓOPT ⎠ 1 ⎛ 1 − 0,567∠83,897 0 = ⎜⎜ 50 ⎝ 1 + 0,567∠83,897 0

λ

4

,

⎛ 1 ⎞ Z 0 = 50⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ (Re )YS ⎠ ⎛ 1 ⎞ = 50⎜ ⎟ ⎝ 0,0094 ⎠ Z 0 = 72,93 Ω

Dengan nilai: Z0 =

Untuk 3 λ , 8

Sehingga ΓS = ΓOPT = 0,567∠ 83,897 . 0

1

(Im)YS

1 0,0156 Z 0 = 64,1026 Ω =

Langkah terakhir menentukan rangkaian penyesuai keluaran. Penentuan nilai impedansi karakteristik untuk rangkaian penyesuai keluaran sama halnya dengan rangkaian penyesuai masukan. YL = 0,0155 – j0,0132 S ⎛ 1 Z 0 = 50⎜⎜ ⎝ (Re )YL

untuk λ , 4

⎛ 1 ⎞ = 50⎜ ⎟ ⎝ 0,0155 ⎠ Z 0 = 56,796 Ω 1 Z0 = (Im)YL

untuk 3 λ , 8 Gambar 5. Skematik Bias ATF-34143 2 Tingkat

⎞ ⎟⎟ ⎠

1 0,0132 Z 0 = 75,75 Ω =

108

JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, SEPTEMBER 2011: 105-110

Bentuk skematik sementara LNA berdasarkan impedansi karakteristik yang berbeda, ditunjukkan oleh Gambar 6. Impedansi karakteristik pada rangkaian penyesuai masukan dan keluaran digunakan untuk menentukan panjang l dan lebar W pada mikrostrip. Bahan mikrostrip yang digunakan adalah duroid (εr = 2,23, h = 0,7874 mm). Konversi nilai Z0 menjadi panjang l dan lebar W dilakukan secara manual dengan perhitungan matematis sesuai dengan persamaan (5) [5,7,10]. ⎧ 8eA (5) ; W h<2 ⎪ 2A W ⎪e − 2 =⎨ ε −1⎧ h ⎪2 ⎡ 0,61⎫⎤ B −1− ln(2B −1) + r ⎨ln(B −1) + 0,39− ⎬⎥ ; W h > 2 ⎪π ⎢⎣ ε ε r ⎭⎦ 2 r ⎩ ⎩

B=

377π

12

⎡ ⎤ εr ⎢ ⎥ 0,1255 ⎢ 1 + 0, 63 ( ε r − 1)(W h ) ⎥ ⎣ ⎦

λ0 εr

λ0 =

3× 10 8 m s f

(7)

; W h ≥ 0, 6

(8)

Panjang mikrostrip l adalah l=λ/4 dan l=3λ/8, sehingga diperoleh besaran mikrostrip sebagai berikut: Untuk nilai Z0 = 72,93 Ω. Maka nilai W1 memenuhi, B=

377 × 3,14

2 × 72,93 × 2,23

Untuk rangkaian masukan saluran 3λ/8 Z0 = 64,1026 Ω W2 = 1,623996468 mm l2 = 35,96551098 mm; Untuk rangkaian keluaran saluran 3λ/8 Z0 = 75,75 Ω W3 = 1,211045376 mm l3 = 36,26771827 mm;

(6)

2Z 0 ε r

λ=

Sehingga secara keseluruhan mngikuti dimensi: Untuk rangkaian masukan saluran λ/4 Z0 = 72,93 Ω W1 = 1,298 mm l1 = 24,14489207 mm;

Untuk rangkaian keluaran saluran λ/4 Z0 = 56,796 Ω W4 = 1,977033945 mm l4 = 29,85121938 mm. Bentuk rangkaian mikrostrip LNA berdasarkan impedansi karakteristik yang berbeda [8,11], ditunjukkan pada Gambar 7. Secara layout terlihat pada Gambar 8.

= 5,4348

Berdasarkan persamaan (5) W1 2 ⎡ 2,23 − 1 ⎧ 0,61 ⎫⎤ = ⎨ln (5,4348 − 1) + 0,39 − ⎬⎥ ⎢5,4348 − 1 − ln (2 × 5,4348 − 1) + h 3,14 ⎣ 2 × 2,23 ⎩ 2,23 ⎭⎦ W1 = 1,64847222 h W1 = 1,298 mm

Mencari l1: Berdasarkan persamaan (8), pada frekuensi 2,3 GHz λ0 =

3 × 10 8 m s = 130,4 mm 2,3 GHz

Gambar 7. Rangkaian Mikrostrip LNA

Berdasarkan persamaan (7) ⎤ 130,4 mm ⎡ 2,23 λ= ⎢ 0 ,1255 ⎥ 2,23 ⎣1 + 0,63(2,23 − 1)(1,64847222 ) ⎦

1

2

λ = 96,57956827 mm l1 = λ = 24,14489207 mm 4

Gambar 6. Skematik LNA dengan Impedansi Karakteristik yang Berbeda

Gambar 8. Layout LNA

JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, SEPTEMBER 2011: 105-110

109

3. Hasil dan Pembahasan Pada hasil simulasi dan optimasi LNA dengan optimasi circuit dengan software ADS [11], maka akan terlihat hasil seperti pada Gambar 9. Pada Gambar 9 terlihat bahwa LNA memiliki nilai gain yang lebih besar dari spesifikasi yang diharapkan, nilai gain-nya mencapai 36,1 dB. Sementara itu, pada Gambar 10 terlihat bahwa LNA memiliki nilai noise yang sangat rendah, yang mencapai 0,465 dB. Gambar 11 dan 12 memperlihatkan nilai input return loss dan output retrun loss yang mencapai kondisi yang diharapkan yaitu kurang dari -10 dB.

Gambar 9. Hubungan antara S21 (Gain) dan S12 (Refleksi) terhadap Frekuensi

Gambar 12. Hubungan antara Output Return Loss (S22) terhadap Frekuensi pada LNA setelah Optimasi

4. Simpulan Dari hasil penelitian ini dapat diambil beberapa kesimpulan bahwa pemilihan transistor ATF-34143 berdasarkan pada performansi noise yang rendah dan gain yang tinggi yang disusun menjadi 2 tingkat menyebabkan gain meningkat, noise figure mengecil dan transistor menjadi lebih stabil. Perlakuan optimasi menggunakan software ADS pada input dan output open-circuited stub LNA mempengaruhi noise figure, gain, dan return loss. Hasil dari optimasi input dan output open-circuited stub LNA yaitu noise figure sebesar 0,456 dB, gain sebesar 36,103 dB, serta input dan output return loss sebesar -23,892 dB dan -14,929 dB.

Daftar Acuan

Gambar 10. Hubungan antara Noise Figure dan Noise Figure Minimum terhadap Frekuensi pada LNA

Gambar 11. Hubungan antara Input Return Loss (S11) terhadap Frekuensi pada LNA

[1] S.B. Dharmpatre, Thesis Master, Technology Electronics and Telecommunication Engineering, Govt. College of Engineering, Pune, India, 2006. [2] G. Gonzales, Microwave Transistor Amplifiers Analysis and Design, Prentice-Hall, New Jersey, 1997, p.506. [3] J. He, J.S. Yang, Y. Kim., A.S. Kim, Proceedings of the 2006 IEEE International on Behavioral Modeling and Simulation Workshop, Athens, 2006, p.138. [4] W. Indrian, Analisis QoS WiMax IEEE 802.16e, Learning Center Institut Teknologi Telkom, http://digilib.ittelkom.ac.id/index.php?option=com _repository&Itemid=34&task=detail&nim=11106 8006, 2008. [5] S.Y. Liao, Microwave Devices and Circuits, Prentice-Hall, New Jersey, 1990, p.542. [6] D.M. Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons Inc., New York, p.720. [7] Anon., Practical Noise-Figure Measurement and Analysis for Low-Noise Amplifier Designs, Agilent Technologies, http://cp.literature.agilent. com/litweb/pdf/5980-1916E.pdf, 2000. [8] L. Lascari, Design Techniques for First Pass RF Board Design, Agilent EEsof EDA, Agilent

110

JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, SEPTEMBER 2011: 105-110

Technologies, http://cp.literature.agilent.com/ litweb/pdf/5989-9583EN.pdf, 2008. [9] V.R. Aitha, M.K. Imam, Master’s Thesis in Electrical Engineering, School of Information Science, Computer and Electrical Engineering, Halmstad University, Sweden, 2007.

[10] Anon., RF, RFIC & Microwave Theory, Design, http://www.odyseus.nildram.co.uk/, 2003. [11] H. Varma, N. Kunder, K. Daruwalla K., Low Noise Amplifier Design Project [EB/OL], ELE 791 Microwave Transistor Amplifier, http://web.syr.edu/~nkunder/Nisha%20Projects/LN A.pdf, 2007.