RANCANG BANGUN BAND PASS FILTER DENGAN METODE HAIRPIN MENGGUNAKAN SALURAN MIKROSTRIP UNTUK FREKUENSI 2,4-2,5 GHZ Frans Christian Sitompul, Ali Hanafiah Rambe Konsentrasi Teknik Telekomunikasi, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail:
[email protected][email protected]
Abstrak Hairpin Filter adalah salah satu jenis filter yang cukup terkenal yang digunakan untuk frekuensi microwave. Ini dibentuk dari resonator filter edge-couple dengan membalik ujung resonator ke bentuk “U”. Ini akan mengurangi panjang dan meningkatkan aspek rasio secara berarti dari mikrostrip sebagai perbandingan dengan konfigurasi edgecouple. Dalam metode hairpin terdapat saluran yang terkopel dan ada saluran yang tidak terkopel. Tulisan ini mensimulasi dan merancangband pass fliter dengan metode hairpin menggunakan saluran mikrostrip untuk frekuensi 2,4 - 2,5 GHz. Pada simulasi didapatkan filter dapat meloloskan sinyal dengan frekuensi antara 2,4032,533 GHz. Hasil fabrikasi menunjukkan adanya pergeseran frekuensi tengah sebesar 50 MHz dengan nilai return loss = -26,95 dB, insertion loss = -14,7 dB dan VSWR = 1,39. Kata kunci: Bandpassfilter, Hairpin.
impedansi input/output, frekuensi cut-off, kecuraman, lebar pita dan ripple. Filter secara umum dapat dijelaskan pada Gambar 1.
1. Pendahuluan Wifi merupakan jaringan yang sangat vital dalam kehidupan sehari-hari. Wifi telah diaplikasikan pada tiap gadgetdan digunakan pada hampir setiap lapisan masyarakat. Jika kita menganalisa jaringan wifi maka tak akan lepas dari peranan antena dan filter.Hal tersebut berperan penting dalam transfer data pada jaringan tersebut.
Input Vi(t)
FILTER H (s)
Output Vo(t)
Gambar 1 Diagram blokfilter secara umum 2.2 MicrostripLine Mikrostrip adalah suatu saluran transmisi yang terdiri dari strip konduktor dan ground plane yang antara keduanya dipisahkan oleh dielektrik. Mikrostrip pada umumnya digunakan karena lebih mudah dalam pabrikasinya dan losses yang ditimbulkan relatif kecil dan jika dibandingkan pada rangkaian lumped. Bentuk geometri mikrostrip tampak seperti Gambar 2[2].
Hairpin filter merupakan konsep yang dikembangkan dari modifikasi lipatan resonator dari parallel-coupled, half-wavelength resonator filters, dan mempunyai bentuk ”U” sehingga mempunyai struktur yang tersusun rapi. Spesifikasi dari filter yang diinginkan adalah return loss yang kecil, insertion loss mendekati nilai 0 dB.
2. Tinjauan Pustaka 2.1 Filter Filter (tapis) merupakan rangkaian yang di rancang untuk melewatkan atau meloloskan sinyal yang dibangkitkan pada frekuensi tertentu dan memblok atau memperlemah sinyal yang dibangkitkan pada frekuensi yang tidak diinginkan.
Gambar 2 Bentuk geometri saluran mikrostrip Untuk mendapatkan W (lebar saluran resonator) dapat digunakan persamaan 1 sampai 4[2].
Dari tiap kelompok filter yang dibuat, akan diacu parameter filter yaitu frekuensi kerja, -177-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 3/September 2014
ℎ < 2 digunakan Persamaan 1
Untuk dan 2.
=
< 2 ∗ℎ .
= Untuk dan 4.
+
0.23 +
.
(1) (2)
ℎ > 2 digunakan Persamaam 3
= {( − 1) − ln(2 − 1) + .
1) + 0.39 − =
]} ∗ ℎ
[ln( − (3)
Gambar 3 Transformasi edge coupled filter menjadi hairpin filter
(4)
√
3. Perancangan
Kemudian untuk mendapatkan nilai L (panjang saluran resonator) dapat digunakan Persamaan 5 dan 6[2]. =
(
)(
=
)
3.1 Perancangan Dimensi Resonator Hairpin Konstanta dielektrik dan tebal substrat digunakan dalam perhitungan lebar dan panjang saluran resonatorSpesifikasi substrat dijelaskan pada Tabel 1.
(5) (6)
Tabel 1 Spesifikasi substrat yang digunakan
2.3FilterHairpin
Jenis Substrat Konstanta Dielektrik (ɛr) DielectricLossTangent (tanδ) Ketebalan Substrat (h) LossTangent (TanD)
Filter ini mempunyai struktur yang tersusun rapi, mempunyai konsep yang ditentukan oleh lipatan-lipatan resonator parallel-coupled, halfwavelength resonator filter yang mempunyai bentuk “U”. Resonator bentuk “U” inilah yang disebut dengan hairpin resonator. Konsekuensinya, desain hairpin menggunakan persamaan dari parallel-coupled, halfwavelength resonator filters untuk merancangnya. Begitu juga, jika dua lengan hairpinresonator dihitung dengan teliti, akan berfungsi sebagai sepasang saluran terkopel[4]. Gambar 3 merupakan struktur dari hairpin filter.
FR4-Epoxy 4,4 0,02 1,6 mm 0,02
Lebar saluran resonator dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 1 dan 2.Nilai W merupakan lebar dari saluran resonator hairpin dan saluran pencatu dan didapat nilai 3,0048 mm (pada simulasi dibulatkan menjadi 3,0 agar mempermudah perancangan). Panjang saluran resonator dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 5-6. Berikut perhitungan panjang resonator.Nilai panjang total resonator hairpin yaitu 33,55 mm yaitu yang dapat di lihat pada gambar di bawah dimana L = L1+L2+Sf.
Metode hairpin merupakan pengembangan dari metode parallel coupled dimana saluran coupled line λ/4 dilipat sebesar L atau ((λ/4)-b) dengan b adalah panjang saluran yang tidak terkopel.
Agar tidak terjadi self coupling ( kopling dalam satu saluran resonator), maka panjang slide factor dibuat 1-3 kali dari lebar saluran resonator hairpin yaitu 5 mm. Pengaruh perubahan slide factor adalah bergesernya frekuensi kerja dari filter dan perubahan insertionloss. -178-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 3/September 2014 Pada Gambar 5 terlihat perubahan frekuensi kerja BPF menjadi 2,455 GHz dan bandwidth 255 Mhz. Untuk frekuensi kerja sudah mendekati spesifikasi filter, tetapi untuk bandwidth masih terlalu besar jika dibandingkan spesifikasi filter sebesar 100 MHz. Oleh karena itu masih dibutuhkan optimasi lebih lanjut agar mendapatkan filter sesuai spesifikasi.
Filterhairpin ini dirancang dengan menggunakan respon chebyshev berorde 5. Perancangan filter dimulai dengan menentukan nilai prototypefilterlowpass berdasarkan tabel chebyshev dengan ripple 0.01 dB.Untuk mengetahui jarak resonator yang sesuai dengan perhitungan koefisien kopling, dilakukan simulasi dengan menggunakan perangkat lunak AWR Microwave Office 2004. Simulasi dilakukan dengan mengamati grafik S21.
3.2 Tuning Perancangan FilterHairpin Pada proses tuningakan di tunjukkan seberapa besar perubahan karakteristik filter pada tiap-tiap parameter yang dioptimasi sehingga didapatkan spesifikasi filter yang diinginkan.
Setelah dilakukan perhitungan untuk parameter-parameter filterhairpin, maka akan dibuat filterhairpin berdasarkan data perhitungan yang telah di buat. Hasil perancangan berdasarkan perhitungan terlihat pada Gambar 4 didapatkan frekuensi tengah filter 2,18 GHz dan bandwidth -3 dB 2,299 GHz – 2,072 GHz =0,227 GHz (227 MHz). Hasil simulasi tidak sesuai dengan spesifikasi filter, yaitu bandwidth 100 MHz dan frekuensi tengah 2,45 GHz.
Sesuai teori akan di optimasi panjang slidefactor sebesar 1-3 kali lebar saluran resonator, yaitu 3-9 mm dengan interval 1 mm ditunjukkan pada Tabel 2. Tabel 2 Perubahan slidefactor terhadap frekuensi filter
Dari hasil simulasi, semakin panjang slidefactor maka frekuensi kerja akan semakin kecil. Panjang slidefactor yang paling mendekati frekuensi kerja 2,45 GHz adalah 4 mm. Perancangan BPF dilanjutkan dengan menggeser frekuensi tengah dari filter dengan merubah panjang resonator hairpindapat dilihat pada Tabel 3.
Gambar 4 Hasil simulasi awal BPF hairpin Kemudian dilakukan simulasi ulang BPF hairpin dengan jarak S1 = 1,15 mm dan S2 = 1,15 mm, L= 13 mm. Hasil simulasi terlihat pada Gambar 5 untuk mengetahui kinerja filter setelah dilakukan perubahan parameternya.
Tabel 3 Hasil simulasi pengaruh perubahan jarak ukuran resonator terhadap frekuensi
Dari hasil simulasi, terlihat pengaruh perubahan panjang resonator terhadap frekuensi kerja dari filter. Semakin panjang resonator maka frekuensi kerja dari filterakan semakin Gambar 5 Hasil simulasi ulang BPF hairpin -179-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 3/September 2014
kecil. Panjang resonator yang paling mendekati frekuensi kerja 2,45 GHz adalah 30 mm.
3.4 Dimensi Perancangan BPF Hairpin Berdasarkan dari hasil simulasi maka didapatkan gambar seperti Gambar 6, dimensi dan bentuk dari perancangan filterditunjukkan pada Tabel 6.
Setelah dilakukan optimasi pada panjang saluran resonator, tahap selanjutnya optimasi pada jarak antara saluran resonator hairpin. Seperti pada perubahan panjang resonator, optimasi dilakukan dalam beberapa tahap perubahan dan dilihat dari grafik perubahannya. Panjang S2 ditetapkan sebesar 2 mm, agar mendapatkan koefisien kopling yang kuat. Tabel 4 merupakan perubahan jarak S1 terhadap bandwidth dan frekuensi kerja.
Wr L1
L4
W
L3 L2 S1
S2
S2
S1
b
Gambar 6 Desain akhir perancangan BPF hairpin Tabel 6 Ukuran BPF hairpin
Tabel 4 Pengaruh jarak S1 terhadap bandwidth dan frekuensi
3.5 Hasil Simulasi Gambar 7 menunjukkan grafik scattering S11, pada grafik tersebut terlihat pada frekuensi kerja filter 2,45 GHz dengan returnloss sebesar 18,34dB , bandwidth -10 dB pada frekuensi 2,407-2,531 GHz.
Dari proses optimasi ditentukan nilai S1 sebesar 1,15 mm agar frekuensi tengah lebih mendekati 2,45 Ghz. Selanjutnya dilakukan optimasi dengan mengubah nilai dari S2 dengan nilai S1 tetap yaitu 1,15 mm seperti pada Tabel 5.
Gambar 7 menunjukkan grafik scattering S21, pada grafik tersebut terlihat bandwidth -3 dB sebesar 130 MHz . Frekuensi cutoff pada -3 dB terletak pada frekuensi 2,405 GHz pada highpassfilter-nya dan frekuensi 2,533 GHz pada lowpassfilter-nya. Hasil simulasi menunjukkan insertionloss pada 2,45 GHz yaitu sebesar 0.647 dB.
Tabel 5 Pengaruh jarak S2 terhadap frekuensi kerja
Dari hasil optimasi didapatkan nilai S1 adalah 1,15 mm dan S2 adalah 1,85 mm. Pada jarak tersebut didapatkan parameter parameter filter yang bisa mendekati target yaitu bandwidth 130 Mhz dan frekuensi 2,45 GHz. 3.3 Perancangan Pencatu pada Filter Saluran pencatu yang digunakan berupa tap. Tap rancang sebesar 16,7 mm dan lebar 3 mm. Nilai tersebut dapat dihitung menggunakan subprogramTXLine pada AWR Microwave Office 2004 dan memasukkan parameterparameter yang dibutuhkan.
Gambar 7 Hasil simulasi akhir S Parameter
4. Pengukuran Dan Analisis 4.1 Hasil Pengukuran
-180-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 3/September 2014
Setelah dilakukan perancangan dengan simulasi maka dilakukan fabrikasi sesuai dengan simulasi, yang ditunjukkan pada Gambar 8.
Gambar 8 Filter yang telah difabrikasi Gambar 9 Hasil pengukuran Insertion Loss Pada pengukuran VSWR menggunakan Network Analyzer, didapatkan nilai VSWR pada frekuensi 2,4 GHz sebesar 2,1, pada frekuensi 2,45 GHz sebesar 1,39, dan pada frekuensi 2,5 sebesar 1,16.
4.4 Analisis Hasil Pengukuran Perbandingan antara simulasi dengan pengukuran menunjukkan adanya perbedaan yang signifikan. Hal ini dapat diakibatkan kesalahan fabrikasi yang telah dilakukan, rugirugi konektor, dan perbedaan parameterparameter dari bahan FR4 dari simulasi dan kenyataannya. Perbandingan return loss ditunjukkan pada Gambar 10.
4.2 Hasil Pengukuran S11 (Return Loss) Hasil pengukuran dari BPF ditunjukkan pada Gambar 9, yaitu bahwa bandpassfilter menunjukkan hasil yang agak berbeda dengan hasil simulasi, frekuensi tengah bergeser sebesar 50 MHz. Pada grafik terlihat returnloss sebesar 26,95 dB pada frekuensi 2,5 GHz.
Gambar 10 Perbandinganreturn loss hasil simulasi dan pengukuran Gambar 8 Hasil pengukuran Returrn Loss Hasil pengukuran di atas memang sering terjadi, bisa diakibatkan losses kabel koaksial pada networkanalyzer, rugi-rugi konektor, dan perbedaan parameter-parameter dari bahan FR4 yang digunakan dengan parameter yang tertera pada simulasi. Perbandingan insertion loss juga ditunjukkan pada Gambar 11.
4.3 Hasil Pengukuran S21 (Insertion Loss) Hasil pengukuran bandpassfilter ditunjukkan pada Gambar 9,menunjukkan hasil yang berbeda dengan yang diharapkan. Pada grafik menunjukkan bahwa hasil pengukuran S21 insertionloss berada pada -14,7 dB pada frekuensi 2,5 GHz sedangkan pada simulasi insertionloss bernilai -0.647 pada frekuensi 2,45 Ghz.
-181-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 3/September 2014 2. VSWR BPF didapatkan kurang dari 2 yaitu 1,284 pada hasil simulasi dan sebesar 1,395 pada hasil hasil pengukuran, keduanya berada pada frekuensi 2,45 GHz. 3. Insertionloss BPF untuk aplikasi wifi yang didapatkan pada simulasi kurang dari -0,1 dB, yaitu -0.647 dB. 4. Returnloss BPF untuk aplikasi wifi yang didapatkan pada simulasi yaitu -18,34 dB. 5. Insertionloss BPF hasil pengukuran berada pada -14,7 dB pada frekuensi 2,5 GHz, Returnloss hasil pengukuran menunjukkan nilai -26,95 pada frekuensi 2,5 GHz. 6. Hasil pengukuran BPF hairpin hasil fabrikasi menunjukkan ketidaksesuaian dibandingkan dengan hasil simulasi dengan menggunakan perangkat lunak AWR Microwave Office 2004, karena dipengaruhi faktor-faktor eksternal pada saat pengukuran.
Gambar 11 Perbandingan insertion loss hasil simulasi dengan pengukuran Berdasarkan hasil pengukuran, terlihat masih banyak terjadi ketidaksesuaian antara hasil pengukuran dengan hasil simulasi. Perhitungan persen error yang dilakukan pada pergeseran frekuensi tengah dari 2,45 GHz menjadi 2,5 GHz. %
DAFTAR PUSTAKA
|2.5 − 2.45| = × 100% = 2% 2.5 %
[1] Clayton, George dan SteveWinder,”Operational Amplifiers”,Penerbit Erlangga, Jakarta, 2005 [2] Alaydrus, Mudrik,”Saluran Transmisi Telekomunikasi”,Graha Ilmu,Yogyakarta,2009 [3] Fauzi, Yusuf,”Rancang BangunBand Pass Filter untuk Aplikasi Radar X-Band Menggunakan Resonator Mikrostrip Hairpin dengan MenggunakanOpen Stub danSquare Groove”, Perpustakaan Universitas Indonesia, Jakarta, 2012 [4]Hutomo, Bambang,”AntenaPropagasi”, Pusat Pengambangan Bahan Ajar Umb, kk.mercubuana.ac.id/files/14056-3641142272167.doc, diakses pada 17 Juli 2013. 1.24 [5] http://pt.slideshare.net/ampas03/materisparameter diakses pada 18 juli 2013
=
|−15.27 − (−18.34)| × 100% = 20.1% −15.27 %
=
|−14.7 − (−0.647)| × 100% = 95.5% −14.7 Perhitungan %error frekuensi tengah tidak terlalu menjadi masalah, hanya saja nilai insertion loss sangat berbeda jauh antara simulasi dengan perancangan. Jika diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari hal ini masih sangat rendah kualitasnya. Jika kita melihat grafik pada Gambar 10 dan Gambar 11, bentuk grafik sudah menunjukkan respon bahwa filter yang dirancang sudah dapat mengikuti bentuk grafik pada simulasi, hanya saja pada perancangan, insertionloss masih terlalu jauh dari yang diharapkan.
5. Kesimpulan Berdasarkan hasil simulasi dan perancangan yang sudah dilakukan dapat di ambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Bandwidthfilter -3 dB dari puncak grafik pada simulasi menunjukkan berada pada frekuensi 2,405 GHz - 2,533 GHz, yaitu dengan bandwidth 133 MHz. -182-
copyright @ DTE FT USU
