RANCANG BANGUN DUALBAND QUADRATURE UP-CONVERSION MIXER DENGAN MENGGUNAKAN TEKNIK CURRENT REUSE PADA FREKUENSI 900 DAN 2300 MHz

RANCANG BANGUN DUALBAND QUADRATURE UP-CONVERSION MIXER DENGAN MENGGUNAKAN TEKNIK CURRENT REUSE PADA FREKUENSI 900 DAN 2300 MHz Martin Maurence, Gunawan Wibisono Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok Email : [email protected]

Abstrak

Dalam suatu sistem transceiver, mixer up-conversion berperan penting untuk mentranslasikan frekuensi dari frekuensi baseband menjadi frekuensi radio yang selanjutnya ditransmisikan. Salah satu isu yang penting adalah efisiensi daya dari perangkat yang digunakan. Pada skripsi ini akan diperlihatkan mengenai perancangan dari dual band mixer up-conversion yang bekerja pada frekuensi 900 dan 2.300 MHz. Mixer ini dibuat berdasarkan prinsip double-balanced Gilbert-Cell mixer dengan menggunakan quadrature coupler untuk meningkatkan image rejection pada mixer. Pada desain ini digunakan teknik current reuse untuk meningkatkan gain yang dihasilkan mixer. Dari hasil simulasi dengan menggunakan ADS menunjukkan bahwa pada frekuensi 950 MHz, nilai conversion gain yang dihasilkan sebesar 21,52 dB dan nilai conversion gain pada frekuensi 2.350 MHz adalah sebesar 7,67 dB. Isolasi antar port dibawah -300 dB. Mixer ini menggunakan catu daya sebesar 1V dengan konsumsi arus sebesar 27,7 mA. Hasil fabrikasi menunjukkan bahwa mixer yang dirancang dapat beroperasi pada frekuensi 900 MHz dan frekuensi 2300 MHz dengan isolasi antarport kurang dari -20 dB.

Kata Kunci: current reuse; double balanced; gilbert cell; mixer; quadrature,

DESIGN DUALBAND QUADRATURE UP-CONVERSION MIXER WITH CURRENT REUSE TECHNIQUE FOR FREQUENCY 900 AND 2350 MHZ

Abstract

In a transceiver system, up-conversion mixer plays an important role to translate the baseband frequency to radio frequency so that it can transmitted. One important issue is the power efficiency of the device used. This bachelor thesis presents a design of dual band quadrature up-conversion mixer for frequency 900 and 2,300 MHz. It was based on double-balanced Gilbert-Cell mixer with quadrature coupler to increase image rejection on mixer. Current reuse is designed to improve conversion gain. The post simulation presents that in 0.95 GHz band the conversion

Rancang bangun…, Martin Maurence, FT UI, 2013

gain was 21.52 dB and in 2.35 GHz band the conversion gain was 7.67 dB. Port-to-port isolation is shown below than -300 dB. This mixer was simulated under 1V power supply and it consumed 27.7 mA current. Fabrication results show that the designed mixer which can operate at a frequency of 950 MHz and 2350 MHz frequency with the insulation antarport less than -20 dB. Keywords : current reuse; double balanced; gilbert cell; mixer; quadrature

Pendahuluan

Perkembangan teknologi di bidang telekomunikasi, khususnya di bidang komunikasi nirkabel saat ini sangat pesat [1].Perkembangan teknologi ini mengakibatkan meningkatnya kebutuhan masyarakat untuk mendapatkan informasi yang diinginkan. Hal ini terlihat dari perkembangan teknologi dari generasi pertama (1G) hingga saat ini telah mencapat generasi ke empat (4G) yang memiliki standar yang berbeda. Setiap teknologi memiliki perkembangan dibanding teknologi generasi berikutnya. Perkembangan teknologi ini mengakibatkan terjadinya perkembangan dari perangkat yang digunakan. Hal inilah yang mendorong terjadinya perkembangan pada perangkat RF dengan tujuan untuk meningkatkan kualitas dari perangkat yang dirancang. Salah satu perkembangannya adalah suatu alat yang dapat bekerja pada beberapa teknologi sekaligus. Perangkat RF terdiri atas 2 bagian, yaitu sisi pemancar dan sisi penerima. Perangkat di sisi pemancar diantaranya Filter, Mixer Up Conversion dan Power Amplifier (PA). Sementara perangkat di sisi penerima diantaranya Low Noise Amplifier (LNA), Mixer Down Conversion dan Filter. Pada penelitian ini akan dilakukan perancangan untuk perangkat RF di sisi pemancar yaitu mixer up conversion. Mixer ini berfungsi untuk mentranslasikan frekuensi informasi menjadi frekuensi RF dengan menggunakan frekuensi dari local oscillator. Sinyal yang akan ditransmisikan oleh pemancar harus memiliki kualitas sinyal yang baik. Kualitas sinyal yang baik dipengaruhi oleh beberapa parameter, diantaranya gain yang tinggi, noise figure yang rendah, image rejection yang baik dan linearitas yang tinggi. Dalam perancangan mixer up conversion umumnya menggunakan mixer aktif. Mixer jenis ini memiliki keunggulan pada gain. Akan tetapi, mixer ini memiliki kekurangan karena mixer jenis ini menghasilkan noise figure yang tinggi.


Penelitian ini dilakukan setelah sebelumnya dilakukan studi literatur terhadap beberapa penelitian sebelumnya. Penelitian sebelumnya menggunakan teknologi 0.18 um CMOS dengan teknik direct conversion dengan memakai inti mixer double balanced dimana sinyal input pada port LO dan IF terdiri atas in-phase dan quadrature phase [2]. Hasil dari penelitian ini adalah sebuah mixer yang memiliki konsumsi daya rendah dan bandwidth yang lebar. Akan tetapi rancangan ini menghasilkan conversion gain yang rendah. Pada sisi pemancar, dibutuhkan conversion gain yang baik agar sinyal dapat ditransmisikan dengan baik dan dapat sampai ke sisi penerima dengan kualitas yang lebih baik. Oleh karena itu, dibutuhkan suatu teknik untuk meningkatkan level conversion gain. Pada perancangan mixer [3], dirancang sebuah mixer dimana pada inti mixernya dikombinasikan dengan konfigurasi gain boosting. Perancangan mixer ini terdiri dari 2 buah double balanced Gilbert Cell Mixer dimana inputnya terdiri atas in-phase dan quadrature phase. Hasil perancangan mixer ini menghasilkan conversion gain yang baik akan tetapi memiliki kelemahan pada linearitas dari mixer. Linearitas yang kurang baik ini disebabkan karena penggunaan konfigurasi gain boosting pada daerah transkonduktansi. Pada desain [4], dilakukan perancangan yang memfokuskan pada peningkatan kualitas linearitas dari mixer dengan menggunakan teknik third intermodulation (IMD3) cancellation dimana nilai conversion gain tetap terjaga dengan menggunakan struktur gain boosting. Rangkaian inti mixer terdiri atas double balanced gilbert cell mixer dengan input yang terdiri atas in-phase dan quadrature phase dimana transkonduktansinya menggunakan PMOS. Berdasarkan data hasil simulasi terlihat bahwa pada rancangan ini, linearitas dari mixer menunjukkan hasil yang sangat baik.

Untuk mengefektifkan penggunaan arus pada inti mixer maka dapat digunakan suatu

teknik yang disebut dengan teknik current reuse[5]. Teknik ini dilkukan dengan memanfaatkan arus sisa pada transkonduktansi stage dari rangkaian. Hal ini mengakibatkan peningkatan level conversion gain dari rangkaian. Penggunaan suatu beban pada bagian antar sambungan transkonduktansi dilakukan dengan tujuan untuk meningkatkan linearitas dari rangakaian mixer. Selain itu, untuk meningkatkan image rejection pada mixer, dibutuhkan suatu coupler sehingga tercipta suatu kondisi quadrature modulation. Coupler yang digunakan akan menyebabkan sinyal yang masuk ke mixer akan terdiri fasa in-phase dan quadrature phase dimana pada setiap inputnya baik input sinyal baseband maupun sinyal yang berasal dari local oscillator memiliki perbedaan fasa sebesar 900[6].


Berdasarkan studi literatur, maka akan dirancang sebuah mixer pada sisi pemancar yang menggunakan double balanced gilbert cell sebagai inti mixer dengan menggunakan teknik current reuse untuk meningkatkan gain dan menggunakan quadrature coupler untuk meningkatkan image rejection pada mixer serta dapat bekerja pada 2 frekuensi sekaligus. Penggunaan inti mixer ini dikarenakan gilbert cell memiliki isolasi antar port yang lebih baik sehingga dapat meminimalisir adanya leakage current. Tujuan dari penelitian ini adalah merancang sebuah mixer yang memiliki gain yang tinggi dan image rejection yang baik dengan menggunakan teknik current reuse yang dikombinasikan dengan quadrature coupler dengan inti mixer menggunakan topologi double balanced Gilbert Cell. Mixer ini dapat bekerja pada dua frekuensi resonansi yang berbeda yaitu pada frekuensi 900 dan 2300 MHz dengan menggunakan teknologi Bipolar Junction Transistor (BJT). Mixer ini dirancang dan disimulasikan menggunakan perangkat lunak Advanced Design System (ADS). Mixer kemudian diimplementasikan dalam bentuk fisik.

Mixer Up-Conversion Mixer adalah devais tiga port yang dibuat dengan tujuan untuk mentranslasikan frekuensi pada sebuah port output ketika dua port lainnya dimasukkan dua sinyal dengan frekuensi berbeda. Proses ini disebut dengan frequency conversion (heterodyning), yang ditemukan pada perangkat telekomunikasi. Satu dari dua frekuensi yang masuk adalah frekuensi yang berasal dari local oscillator (LO), sedangkan frekuensi yang selanjutnya antara gelombang radio (RF) atau gelombang informasi (IF)[7]. Gambar 1 menunjukkan mixer sebagai devais yang terdiri dari 3 port.

Gambar 1. Mixer sebagai devais 3 port [8]


Mixer yang menghasilkan frekuensi gelombang output yang lebih tinggi dari frekuensi gelombang input disebut dengan mixer up conversion. Mixer tersebut adalah mixer yang terdapat pada sisi pemancar (transmitter). Sedangkan mixer yang menghasilkan frekuensi gelombang output yang lebih rendah dari gelombang input disebut dengan mixer down conversion. Mixer ini adalah mixer yang terdapat pada sisi penerima (receiver). Untuk menghilangkan hasil perkalian frekuensi LO dan frekuensi image pada keluaran mixer maka digunakan filter dengan tujuan agar frekuensi image dari RF tidak diikutsertakan dalam proses mixing, namun hal ini tidaklah mudah karena dalam perancangan harus dapat menentukan frekuensi LO dan IF dengan tepat untuk mencegah frekuensi image yang berdekatan dengan frekuensi RF. Metode lain yang digunakan dalam memperkecil pengaruh frekuensi image pada hasil keluaran mixer adalah dengan menggunakan mutli-IF filtering yaitu dengan menambahkan rangkaian filter dengan frekuensi IF yang rendah. Namun metode ini membutuhkan dua mixer dan beberapa phase-shifting networks. Menurut fungsinya mixer dapat diklasifikasikan menjadi mixer up conversion dan mixer down conversion. Pada sistem penerima, mixer melakukan translasi dari frekuensi tinggi RF ke frekuensi rendah IF dengan kata lain frekuensi output lebih rendah dibandingkan frekuensi input. Pada sistem ini port RF sebagai inputan dan port IF sebagai output dimana besar frekuensinya merupakan selisih dari frekuensi RF dan LO. Pada sistem pemancar, mixer melakukan translasi dari frekuensi rendah IF ke frekuensi tinggi RF. Pada saat frekuensi yang diinginkan lebih tinggi dari frekuensi input maka proses tersebut dinamakan up conversion dimana pada sistem ini port IF sebagai input dan port RF sebagai output dan besarnya frekuensi RF merupakan penjumlahan dari frekuensi IF dan LO. Menurut stage transkonduktansinya, mixer

dapat diklasifikasikan menjadi 2 jenis, yaitu

unbalanced mixer dan balanced mixer. Unbalanced mixer merupakan mixer yang paling sederhana dengan noise figure yang paling kecil. Proses pencampuran dilakukan dengan memodulasi peralihan dari driven stage dengan sinyal LO yang besar. Sinyal LO memodulasi peralihan hantaran dari driver stage dengan mengubah-ubah tegangan drain-souce !!" transistor M1. Unbalanced mixer memiliki isolasi port-to-port yang sangat buruk akibat dari struktur yang mereka miliki. Isolasi port-to-port menentukan gangguan fraksi dari sinyal IF yang muncul pada RF. Pada disain mixer, masukan ke port yang berlainan tidak diperkenankan karena dapat menurunkan kinerja Tx dan Rx. Balanced mixer dapat terdiri dari satu balanced


mixer ataupun dua balanced mixer. Mixer yang terdiri atas satu balanced mixer disebut single balanced mixer. Mixer ini terdiri dari satu bagian transkonduktansi dan pasangan switching berbeda. Tegangan RF yang masuk diubah menjadi arus oleh bagian transkonduktansi serta dikuatkan dan multiplikasi dilakukan dalam domain arus. Arus akan dimultiplikasi dengan sinyal LO yang besar. Sehingga,

output-nya adalah penjumlahan dan selisih

komponen

frekuensi. Rangkaian ini memiliki noise figure yang lebih rendah dibandingkan dengan double-balanced mixer karena divais yang berkontribusi menimbulkan noise lebih sedikit digunakan. Mixer yang terdiri atas dua balanced mixer disebut dengan double-balanced mixer yang juga dikenal sebagai Gilbert mixer. Jenis mixer ini cocok untuk aplikasi up-conversion dan juga down-conversion. Mixer ini terdiri dari bagian transkonduktansi yang berbeda dan bagian switching berbeda pula. Akibat dari struktur yang berbeda, baik feed through LO-IF dan RF-IF, pengisolasian meningkat secara signifikan. Bagian transkonduktansi memberikan gain untuk mengkompensasi atenuasi akibat proses switching dan juga untuk mengurangi kontribusi noise dari transistor switching. Transkonduktansi atau proses driver terdiri dari transistor

M1 dan M2 dimana M3, M4, dan M5 membentuk bagian switching. Beban resistif

cocok untuk operasi broadband namun mengurangi tegangan. Untuk output yang besar dan penghematan tegangan, beban resistif

diganti dengan rangkaian LC yang sesuai dengan

frekuensi output mixer. Efek dari hal ini adalah operasi broadband mixer akan terbatas. Mixer menurut daya DC yang digunakan dapat terbagi menjadi mixer pasif dan mixer aktif. Mixer pasif yang juga dikenal sebagai switching mixer memiliki konstruksi sederhana. Mixer ini tidak memerlukan daya DC. Mixer ini memiliki conversion loss yang lebih tinggi dari conversion gain dikarenakan tidak adanya bagian transkonduktans. Mixer pasif memerlukan switching yang baik dengan resistansi mininum untuk mengecilkan conversion loss. Sama halnya, switching harus memiliki resistansi tinggi ketika mati. Satu kekurangan mixer ini adalah butuhnya sinyal drive LO untuk membuat switch on atau off. Transistor MOS merupakan switching yang sangat bagus untuk aplikasi frekuensi tinggi. Ketika transistor MOS on, transistor ini beroperasi dalam daerah triode dan ketika off bekerja pada daerah cut off. Sedangkan mixer aktif terdiri dari 2 proses, proses switching dan proses transkonduktansi serta membutuhkan daya DC statis. Mixer aktif bisa dalam bentuk single-ended maupun double-ended. Mixer aktif yang biasa digunakan adalah mixer Gilbert-cell. Karena rangkaian ini aktif, proses transkonduktansi memberikan voltage gain namun noise figure meningkat.


Karakteristik non-linear pada proses transkonduktansi menurunkan semua linearitas mixer aktif. Untuk mengetahui performa pada mixer, digunakan beberapa parameter. Parameter pada mixer terdiri atas : 1. Conversion Gain/Loss 2. Noise Figure 3. Linearitas 4. Port Isolation 5. Return Loss dan VSWR Pada skripsi ini akan dirancang mixer up-converter yaitu mixer yang berada pada sisi pemancar (transmitter). Mixer ini merupakan mixer dual band yang dapat beroperasi pada 2 frekuensi yang berbeda. Input mixer ini adalah sinyal informasi (IF) dan sinyal yang berasal dari local oscillator (LO). Perancangan mixer ini menggunakan rangkaian quadrature coupler. Rangkaian ini digunakan untuk memisahkan in-phase dan quadrature-phase dari sinyal masukan. Hal ini bertujuan untuk memberikan image rejection dengan mengalikan quadrature-phase sinyal LO dengan sinyal RF. Adapaun rangkaian penyusun dari mixer up conversion, terdiri dari : a.

Inti mixer

b.

Impedance Matching

c.

DC Bias

d.

Balun

e.

Quadrature Coupler

Selain dari yang disebutkan diatas, didalam keseluruhan rangkaian mixer up conversion juga terdapat DC Block. DC Block berfungsi menghalang tegangan DC dari dc bias masuk ke dalam terminal mixer namun tetap bisa melewatkan sinyal dari terminal mixer.

Perancangan dan Hasil Simulasi Alur perancangan pada mixer dapat terlihat pada Gambar 2.


Mulai

Menentukan Spesifikasi Mixer

Melakukan Studi Literatur

Mencari Rangkaian Inti Mixer

Memilih transistor yang optimal

Merancang bagian-bagian Mixer

Merancang inpedance matching pada RF

Frekuensi sesuai dengan spesifikasi ?

Tidak

Melakukan Optimasi Pada Rangkaian

Ya Merancang Quadrature Coupler

Beda Fasa sesuai dengan spesifikasi ?

Tidak

Ya

Hasil simulasi sesuai dengan spesifikasi ?

Tidak

Ya Analisa Hasil Simulasi Melakukan fabrikasi mixer Analisa Hasil Fabrikasi Selesai

Gambar 2. Diagram Alur Perancangan Mixer Up Conversion Perancangan dual band mixer up conversion menggunakan rangkaian double balanced gilbert cell sebagai rangkaian inti dual band up conversion mixer yang dikombinasikan dengan teknologi current reuse dengan menggunakan transistor jenis bipolar junction transistor (BJT) sebagai komponen aktif. Teknologi current reuse digunakan dengan tujuan untuk meningkatkan efisiensi arus pada rangkaian sehingga dapat meningkatkan gain pada mixer. Pada rangkaian inti mixer digunakan teknik current reuse untuk meningkatkan efisiensi dari arus yang melalui sistem[5].


Struktur dari rangkaian inti mixer ditunjukkan pada Gambar 3. Transistor M31, M32, M33 dan M34 merupakan tail current transistor. Transistor ini bekerja pada keadaan saturasi. Transistor M21, M22, M23 dan M24 adalah transkonduktor dan bekerja pada daerah saturasi[2]. Bagian ini menentukan peningkatan gain dan linearitas pada mixer. Transistor M31-M38 merupakan switch dan bekerja pada keadaan saturasi. VCC

Load RF +

LOI+ M31

M21

LOIM32 M33

M22

LOQ-

LOQ+ M35

LOI+ M34

CURRENT REUSE

RF -

M36

LOQ+ M38

M37

M23

M24

IFI -

IFI +

IFQ -

IFQ +

M11

M12

M13

M14

Gambar 3. Rangkaian Inti Mixer Transistor yang digunakan pada rangkaian inti mixer ini terdiri atas 2 jenis transistor yaitu transistor yang bertipe NPN dan transistor yang bertipe PNP. Transistor NPN yang digunakan adalah transistor keluaran NEC yaitu transistor NESG3031M14A. Pemilihan jenis transistor ini dilakukan karena transistor jenis ini memiliki noise figure yang rendah dan gain yang tinggi[9]. Penjelasan mengenai transistor NESG3031M14A dapat dijelaskan secara terperinci pada datasheet lampiran. Pada bagian transkonduktansi digunakan jenis transistor yang bertipe PNP. Transistor PNP yang digunakan adalah transistor MPSA-55. Penggunaan transistor jenis ini dilakukan untuk menguatkan sinyal RF. Penjelasan terperinci mengenai karakteristik dari transistor MPSA-55 dapat dilihat pada datasheet lampiran. Dengan cara ini, maka arus yang hilang pada sambungan transkonduktansi dapat dihindari. Inti mixer yang dirancang menggunakan topologi double balanced Gilbert cell. Topologi ini dipilih karena memiliki beberapa kelebihan, antara lain port isolation dan conversion gain yang


lebih baik dan menyediakan linearitas yang lebih baik dibandingkan dengan single-balanced. Komponen aktif penyusun inti mixer ini terdiri atas 16 buah transistor dimana transistor M11M14 merupakan tail current transistor yang terdiri atas BJT bertipe NPN. Transistor M21-M24 merupakan transconductance stage yang terdiri atas BJT bertipe PNP. M31-M38 merupakan mixing stage yang terdriri atas transistor bertipe NPN. Untuk beban, digunakan beban yang bersifat reaktif yang pada rangkaian ini menggunakan induktor. Penggunaan beban yang bersifat reaktif dilakukan dengan tujuan untuk meminimalisir noise figure. Hal ini diakibatkan karena noise figure yang dihasilkan oleh komponen resistif lebih tinggi dibandingkan dengan noise figure yang dihasilkan komponen reaktif. Konfigurasi bias yang digunakan dalam perancangan mixer ini adalah konfigurasi fixed-bias. Konfigurasi fixed-bias ini dipilih karena memudahkan untuk menggeser operating point yaitu hanya dengan mengubah besarnya beban pada base. Selain itu, jenis fixed bias ini juga memakai komponen yang lebih sedikit dibandingkan dengan konfigurasi dc bias yang lain, sehingga dapat meminimalisasi noise figure yang ditimbulkan. Jenis balun yang digunakan adalah wire wound transformer. Kelebihan dari jenis transformer ini adalah mampu bekerja hingga frekuensi lebih tinggi dari 2 GHz dan apabila transformer ini diground-kan akan memberikan short-circuit pada sinyal mode genap serta tidak memberikan efek pada sinyal mode ganjil. Rangkaian balun ini telah tersedia dalam library ADS. Rangakaian resonator pada perancangan mixer ini menggunakan prinsip dasar konfigurasi T Prototype third-order Chebysev filter [9],[10]. Rangkaian ini digunakan karena pada rangkaian ini didapatkan respon frekuensi yang paling optimal. Dengan menggunakan konfigurasi ini didapatkan nilai return loss yang baik. Rangkaian resonator ini kemudian akan dilakukan proses matching dengan rangkaian inti mixer, sehingga didapatkan frekuensi resonansi yang match dengan rangkaian inti mixer. Perancangan quadrature coupler pada mixer ini menggunakan coupler dengan konfigurasi branch line coupler [6]. Konfigurasi ini menghasilkan perbedaan fasa sebesar 900 untuk setiap keluarannya. Selain itu, konfigurasi ini juga dipilih karena dapat bekerja pada 2 frekuensi yang berbeda sekaligus. Berdasarkan hasil perancangan quadrature coupler, maka didapatkan besarmya perbedaan fasa pada port IF dan port LO yang dapat ditunjukkan pada Gambar 4.


Gambar 4. Perbedaan fasa pada perancangan mixer Hasil simulasi dari perancangan mixer dualband ini secara umum dapat ditunjukkan pada Tabel 1. Tabel 1. Hasil simulasi mixer dualband Parameter

950 MHz

2350 MHz

Conversion Gain (dB)

21,516

7,668

Return Loss (dB)

-16,886

-24,148

VSWR

1,334

1,132

Port Isolation IF-LO (dB)

<-300

<-300

Port Isolation IF-RF (dB)

<-300

<-300

Port Isolation LO-RF (dB)

<-300

<-300

Noise Figure (DSB) (dB)

32,053

34,044

Noise Figure (SSB) (dB)

32,226

34,345

P1dB (dBm)

- 24,164

- 40,581

IIP3 (dBm)

- 14,561

- 30,961

OIP3 (dBm)

6,955

- 23,293

Voltage Supply (V)

1

1


Berdasarkan hasil simulasi rancangan multiband mixer yang ditunjukkan oleh Tabel 1, maka untuk spesifikasi rancangan yang ditentukan sudah tercapai untuk nilai conversion gain, return loss, isolation, VSWR dan besarnya voltage supply. Namun untuk nilai noise figure pada hasil simulasi masih belum menunjukkan nilai yang optimal untuk simulasi perangkat multiband mixer, hal ini diakibatkan adanya komponen pasif pada rangkaian simulasi memberikan noise yang besarnya dipengaruhi oleh nilai komponen tersebut Perbandingan dari parameter mixer hasil simulasi perancangan [2],[11] dan [8] dengan hasil simulasi perancangan dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Perbandingan hasil rancangan mixer dengan [2].[11] dan [8] Parameter Teknologi Frekuensi IF (MHz) Return Loss (dB) Isolasi Antar Port (dB) Conversion Gain (dB) Noise Figure (dB) P1dB (dBm) IIP3 (dBm) OIP3 (dBm) Voltage Supply(V)

Hasil [2] 2,4 GHz 0,18 um CMOS 1 -

Hasil [13] 5,25 GHz 90 nm CMOS 2.700 -

-

> 19,3

< 300

16,2 18,5 -20,7 -11,1 5,1 1,8

0 -13 -4 -4 0,6

6,222

Hasil [8] 2,2 GHz 2,5 GHz

Hasil Perancangan 0,9 GHz

HBT

BJT

100 -23,054 -23,135

100 -16,886

140 -24,148

< 300

< 300

< 300

5,231

21,516 32,053 -24,164 -14,561 6,955

7,668 34,044 -40,581 -30,961 -23,293

-72,192 -13,892 -7,670

2,3 GHz

-79,300 -13,638 -8,470 3,7

1

Berdasarkan Tabel 2 dapat dilihat untuk simulasi perancangan mendapatkan hasil yang lebih baik dibandingkan dengan perancangan [2], [11] dan [8] untuk beberapa parameter diantaranya nilai conversion gain yang diperoleh simulasi hasil perancangan lebih baik dari [2], [11] dan [8] meskipun menggunakan teknologi BJT dengan menggunakan tegangan catu sebesar 1V. Selain itu, untuk nilai isolasi antar port pada mixer hasil perancangan mampu menghasilkan sinyal leakage yang lebih sedikit dibandingkan dengan dengan perancangan [2] dan [11]. Namun untuk hasil noise figure perancangan masih kurang optimal hal ini dibandingkan dengan jurnal [2],


untuk jurnal [11] mampu mendapatkan noise figure sebesar 18,5 dB, sedangkan untuk hasil perancangan masih sebesar 32,053 dB dan 34,044 dB. Secara umum, hasil dari rancangan ini menunjukkan hasil yang baik dan dapat bersaing dengan perancangan mixer yang menggunakan teknologi CMOS.

Fabrikasi pada Mixer Pada bagian ini akan dibahas mengenai proses fabrikasi pada mixer dengan menggunakan komponen surface mount device (SMD). Komponen ini berukuran sangat kecil dan umumnya digunakan untuk mendesain perangkat integrated circuit (IC). Perancangan PCB dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Altium Designer. Substrat yang dipakai adalah FR-4 karena substrat ini banyak tersedia sehingga memudahkan dalam proses fabrikasinya. Akan tetapi, bahan ini memiliki kelemahan pada karakteristik elektriknya. Dalam melakukan perancangan PCB, perlu diperhatikan beberapa hal, diantaranya adalah lebar line yang menghubungkan komponen, penentuan via yang menghubungkan layer atas dan layer bawah dan penentuan besar footprint yang digunakan. Gambar 5 menunjukkan tampilan 2D PCB pada perangkat lunak Altium Designer.

Gambar 5. Tampilan 2D PCB yang dirancang Mixer yang dirancang ini terdiri atas 2 buah layer. Mixer ini dirancang pada coplanar PCB. Pada layer bagian atas, dibentuk sebuah ground plane untuk menghindari adanya sinyal yang keluar dari line yang mempengaruhi line lain. PCB yang dirancang memiliki panjang 11,42


cm dan lebar 6,18 cm. Setiap port pada mixer tersambung dengan konektor jenis Sub Miniature Version A (SMA). Sementara untuk catu daya digunakan terminal block. Pengukuran return loss pada mixer dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui mixer yang dirancang dapat beroperasi pada frekuensi yang diinginkan. Pengukuran ini dilakukan dengan menggunakan Network Analyzer (NA) yang berada di Departemen Teknik Elektro. Berdasarkan hasil pengukuran yang telah dilakukan dapat terlihat bahwa mixer yang telah dirancang telah berhasil bekerja pada frekuensi 900 dan 2.300 MHz dengan frekuensi tengah 950 dan 2.350 MHz. Dari hasil pengukuran didapat beresonansi pada frekuensi tengah 950 MHz dengan nilai return loss sebesar -27,6 dB dan pada frekuensi 2.350 MHz dengan return loss sebesar -12.8 dB. Gambar 6 menunjukkan hasil pengukuran return loss dari mixer 0 -‐5

Retun Loss (dB)

-‐10 -‐15 -‐20 -‐25 -‐30 0.5

1

1.5

2

Frekuensi (GHz)

2.5

3 Simulasi Realitas

Gambar 6. Hasil pengukuran return loss Pengukuran port isolation dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui seberapa besar daya yang masuk dari suatu port ke port lain. Pengukuran ini dilakukan dengan menggunakan Network Analyzer (NA) yang terdapat di Departemen Teknik Elektro. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa secara umum isolasi antar port menunjukkan hasil dibawah -20 dB. Gambar 7 menunjukkan hasil pengukuran Port Isolation pada mixer


0

Port IsolaFon (dB)

-‐20 -‐40 -‐60

IF-‐LO LO-‐RF IF-‐RF

-‐80

-‐100 0.5

1

1.5

2

Frekuensi (GHz)

2.5

3

Gambar 7. Hasil pengukuran Port Isolation Berdasarkan hasil pengukuran, terlihat bahwa mixer yang telah dirancang dapat bekerja sesuai dengan frekuensi kerja pada perancangan. Akan tetapi, terdapat beberapa faktor yang menyebabkan terjadinya penyimpangan antara hasil fabrikasi dengan hasil simulasi. Hal ini dapat berupa adanya resistansi tambahan yang diakibatkan oleh adanya pengaruh skin effect dan juga adanya induktansi dan kapasitansi pada jalur PCB. Berdasarkan faktor-faktor tersebut dapat disimpulkan bahwa pada suatu saluran transmisi terdapat perubahan nilai resistansi, induktansi dan kapasitansi yang diakibatkan karena penggunaan frekuensi tinggi. Hal ini, mengakibatkan terjadinya perbedaan antara hasil pengukuran dan hasil simulasi yang dilakukan berdasarkan kondisi ideal. Adanya kapasitansi dan induktansi tambahan ini dapat menyebabkan suatu coupling pada rangkaian. Selain itu, lebar line pada PCB yang terlalu kecil dapat mempengaruhi sinyal yang melalui line tersebut. Oleh karena itu, untuk melakukan desain PCB untuk frekuensi dibutuhkan lebar line yang cukup agar sinyal yang melalui saluran tidak mengalami degradasi. Hal lain yang dapat mempengaruhi adalah adanya beberapa via. Via adalah suatu titik yang menghubungkan antara layer pada bagian atas dan layer pada bagian bawah. Via ini dapat menimbulkan Electromagnetic Interference (EMI) yang dapat mempengaruhi kualitas sinyal pada saluran. Pada waktu proses soldering juga perlu diperhatikan panasnya uap yang digunakan agar tidak membakar komponen yang digunakan.


Kesimpulan Berdasarkan hasil simulasi perancangan quadrature dualband up-conversion mixer pada frekuensi tengah 950 MHz dan 2,35 GHz dengan menggunakan perangkat lunak Advance Design System (ADS) dapat disimpulkan bahwa : 1. Mixer yang dirancang dengan menggunakan teknik current reuse dapat bekerja pada 2 frekuensi yang berbeda yaitu pada frekuensi 950 MHz dan 2.350 MHz dan memiliki conversion gain yang tinggi yaitu sebesar 21,516 dan 7,668. 2. Mixer yang dirancang memenuhi spesifikasi yang diingikan yakni dapat bekerja pada frekuensi tengah 950 MHz didapat return loss sebesar -16,668 dB dengan nilai conversion gain 21,516 dB, noise figure sebesar 32,503 dB dengan IIP3 sebesar -14,561 dBm. Sementara pada frekuensi tengah 2.350 MHz didapat return loss sebesar -24,148 dB dengan conversion gain sebesar 7,688 dB, noise figure sebesar 34,044 dB dengan IIP3 sebesar -30,961 dBm. Mixer memiliki port isolation <-50 dB. 3. Hasil pengukuran dari fabrikasi mixer menunjukkan bahwa mixer bekerja pada frekuensi tengah 950 MHz dengan return loss sebesar -27,6 dB dan 2.350 MHz dengan return loss sebesar -12,6 dB 4. Keterbaruan yang didapat dari hasil perancangan diantara adalah : a. Frekuensi yang dapat diakomodasi 2 pita frekuensi (dual band). b. Power consumption yang didapat lebih kecil untuk teknologi BJT. Penggunaan struktur inti mixer yang dikombinasikan dengan topologi current reuse untuk menghasilkan gain yang tinggi dan konfigurasi dari quadrature coupler yang menghasilkan quadrature mixer yang memiliki image rejection tinggi.

Daftar Referensi [1] [2]

[3]

www. xl.co.id diakses 20 Mei 2013 Sang-Gug Lee. “A CMOS direct-conversion I/Q up-mixer block for ultra-wideband system,” The 7th International Conference on Advanced Communication Technology, 2005, pp.230-232. Wu Chenjian dan Lhi Zhiquin. “A 0.18µ m CMOS Up-Conversion Mixer for Wireless Sensor Networks Application,” Institute of RF- & OE-ICs, Southeast University, Nanjing 210096. China. 2011.


[4]

Chang-Hsi Wu, Wei-Chen Chen dan Kuan-Lin Liu. “A High Linearity Up-Conversion Mixer with IMD3 Cancellation and gm3-Boosting for 802.11a Application,” Department of Electronic Engineering Lunghwa University of Science and Technology. Taouyuan. Taiwan. 2012. [5] Mei-Ling Yeh,Sheng-Hing Kuo,Wan-Rone Liou, “A Low Voltage 5GHz Quadrature UpConversion Mixer for Wireless Transmitter,”International Conference on Communications, Circuits and Systems, 2006. [6] Gary Breed, “Transmission Line And Lumped Element Quadrature Couplers,” High Frequency Electronic, Summit Technical Media, LLC, 2009. [7] Parmonangan Manalu, “Perancangan Concurrent Down Converter Multiband Mixer Pada Frekuensi 900 MHz, 2.1 GHz, 2.3 GHz dan 2.6 GHz dengan Teknologi CMOS 0.18-µm”, Skripsi, Universitas Indonesia, 2012. [8] Muhammad Machbub,” Perancangan Mixer Untuk Mobile WiMax pada Pita Frekuensi 2,3 GHz dan 2,6 GHz Menggunakan Heterojunction Bipolar Transistor”, Tesis, Universitas Indonesia, 2011 [9] Sung P.Lim and Jae Y.Patk ,”Compact WiMAX Filter with Three Independent Transition Zeros Using PCB Embedded Passive Technology,” IEEE , IMS 2009. [10] Seong J. Cheon, Sung P. Lim, and Jae Y. Park. “3- to 5-GHz Ultra-Compact Bandpass Filter With Independent Transmission Zeros Using PCB Embedding Passive Technology”. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology. 2012. [11] Giuseppina Sapone dan Giuseppe Palmisano.” A 1.5-V 0.25-µm CMOS Current Reuse Up-Converter for 3-5 GHz Low-Power WPANs,” Università di Catania, Facoltà di Ingegneria Proceedings of the 2nd European Microwave Integrated Circuits Conference Catania, Italy. 2007.


RANCANG BANGUN DUALBAND QUADRATURE UP-CONVERSION MIXER DENGAN MENGGUNAKAN TEKNIK CURRENT REUSE PADA FREKUENSI 900 DAN 2300 MHz

Recommend Documents