1. BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALATKRIST ARISTOTELIUS, 101344013 34LAPORAN TUGAS AKHIR TAHUN 2014BAB IIIPERANCANGAN DAN REALISASI ALATPada bab ini akan dibahas mengenai proses perancangan dan realisasi penguat daya RF pada pengirim MS-GSM (890-915 MHz). Penguat daya RF ini menggunakan transistor BJT seri BFG541 produk Phillips Semiconductors yang memiliki data teknis seperti ditunjukan pada spesifikasi berikut ini.3.1 Spesifikasi AlatBerikut ini adalah spesifikasi teknis untuk penguat daya RF yang akan direalisasikan: Frekuensi kerja: 890-915 MHz Bandwidth: 25 MHz Penguatan: sebesar-besarnya Parameter Kestabilan (K) K 13.2 Diagram Blok Penguat RFGambar 31 Blok Diagram Penguat RFDalam realisasi penguat daya RF ini mengacu kepada blok seperti yang ditunjukkan pada gambar 31. Secara keseluruhan penguat daya RF ini terdiri dari dua blok diagram yaitu rangkaian biasing dan rangkaian RF. DC biasing

2. BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALATKRIST ARISTOTELIUS, 101344013 35LAPORAN TUGAS AKHIR TAHUN 2014berfungsi untuk mengeset tegangan dan arus DC pada transistor agar transistor dapat bekerja. Nilai tegangan dan arus tersebut sudah dispesifikasikan pada datasheet transistor yang akan digunakan.Penguat daya RF ini juga menggunakan rangkaian penyesuai impedansi input dan output. Rangkaian matching tersebut berfungsi agar terjadi transfer daya maksimum, yaitu tidak ada daya yang dipantulkan kembali ke sumber sehingga daya input dapat ditransmisikan seluruhnya ke beban. MN 1 adalah matching network input yang berguna menyesuaikan impedansi sumber dengan impedansi input transistor, sedangkan MN 2 adalah matching network output dengan fungsi yang sama dengan MN 1, hanya bedanya berfungsi untuk bagian output.3.3 Proses PerancanganUntuk mempermudah proses realisasi alat diperlukan langkah-langkah perancangan yang sistematis, diantaranya adalah sebagai berikut ini.3.3.1 Pemilihan KomponenDari spesifikasi yang diinginkan diatas, maka komponen aktif yang dipilih adalah transistor jenis BJT tipe BFG541, karena memiliki spesifikasi yang dibutuhkan untuk perancangan dan realisasi RF power amplifier 900 MHz. Hal yang harus diperhatikan adalah noise figure, gain, ketersediaan dan kemudahan pesanan di pasaran. Sesuai dengan pertimbangan diatas, maka transistor yang dipilih adalah BFG541 dengan DC bias VCE = 8 V dan IC = 40 mA. Komponen pasif kapasitor, resistor, dan induktor yang digunakan semuanya bertipe SMD.3.3.2 Gummel Poon Model Transistor BFG541Dalam simulasi kita memerlukan suatu model transistor yang mewakili karakteristik riil dari transistor yang digunakan secara keseluruhan. Pada ADS 2011 setiap transistor dimodelkan dengan metode pemodelan Gummel Poon Model/SPICE model. Gummen Pool model tersebut berisi parameter-parameter elektrikal dari transistor beserta model komponen parasitiknya. Gambar 33 merupakan gummel poon model dari transistor BFG541 3. BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALATKRIST ARISTOTELIUS, 101344013 36LAPORAN TUGAS AKHIR TAHUN 2014Gambar 32 BFG541 BJT Package SymbolGambar 33 BFG541 Gummel Poon ModelGambar 32 adalah BJT package symbol dari transistor BFG51 yang digunakan dalam simulasi. Dalam package symbol tersebut berisi gummel poon model dari transistor BFG541. Dapat dilihat pada gambar 33 terdapat komponen induktor dan kapasistor yang merupakan model parasitic component transistor. Pada gambar 33 juga terdapat beberapa nilai-nilai yang merupakan parameter- parameter elektrikal dari transistor BFG541. 4. BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALATKRIST ARISTOTELIUS, 101344013 37LAPORAN TUGAS AKHIR TAHUN 20143.3.3 Pemilihan PCB dan Saluran TransmisiUntuk memperoleh kualitas transmisi sinyal yang baik dalam rangkaianmaka digunakan PCB dengan tipe Roger 4003C dengan r=3.38 dan tebaldielektrik d=1.524. Konstruksi jalur transmisi yang digunakan adalah saluranmikrostrip. Pada mikrostrip, saluran terdiri dari konduktor strip (line) dan sebuahkonduktor bidang tanah yang dipisahkan oleh medium dielektrik dengankonstanta dielektrik r. Di atas strip adalah udara sehingga jika tanpa shieldingsebagian medan elektromagnetik akan meradiasi, dan sebagian lagi ada yangmasuk kembali ke dalam substrat dielektrik. Jadi ada dua dielektrik yangmelingkupi strip: udara dengan konstanta dielektrik satu dan substrat dengankonstanta dielektrik r 1. Konstruksi saluran mikrostrip ditunjukan oleh gbr.34dWrGambar 34 Konstruksi Saluran Transmisi Mikrostrip3.3.4 Biasing DC BJTDalam perancangan penguat daya RF ini digunakan small signal analysis,maka pada proses perancangan matching akan bertumpu pada analisis Sparameter. Pada umumnya datasheet transistor akan memuat data S parameteryang spesifik untuk setiap nilai DC bias tertentu. Berdasarkan data S parameteryang akan digunakan maka nilai DC bias yang biperlukan untuk transistor antaralain:Ic = 40 mAVce= 8VMetode bias yang digunakan adalah fixed bias dengan feedback path daricollector ke basis transistor. Dari datasheet didapatkan data-data yang digunakandalam perhitungan DC biasing sehingga nilai-nilai Vce dan Ic diatas dapatterpenuhi, yaitu: 5. BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALATKRIST ARISTOTELIUS, 101344013 38LAPORAN TUGAS AKHIR TAHUN 2014=120 (typical)Vbe=0.7 V (silikon)Gambar 35 topologi DC bias yang diterapkan dalam rangkaian penguat:Gambar 35 Topologi Biasing DC TransistorKemudian dilakukan perhitungan biasing dengan menggunakan hukum Ohm untuk mendapatkan nilai komponen RT, Rb, dan Rc pada topologi di atas. Ketiga resistor tersebut akan mengatur jumlah arus yang mengalir dan nilai tegangan pada node tertentu sehingga nilai-nilai Vce dan Ic yang telah dispesifikasikan sebelumnya dapat dicapai. Berikut ini adalah perhitungan biasing yang digunakan pada penguatDitetapkan terlebih dahulu tegangan pada node A yaitu sebesar 12 Volt, Ic = 40mA dan Vce = Vc = 8V Rc= Ib=0.33 mA 6. BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALATKRIST ARISTOTELIUS, 101344013 39LAPORAN TUGAS AKHIR TAHUN 2014Setelah nilai-nilai komponen didapatkan kemudian dilakukan DC Simulation pada ADS 2011 untuk menguji apakah perhitungan bias sudah sesuai dengan desain atau belum.3.3.5 DC Simulation ADS 2011Komponen-komponen yang didapatkan pada hasil perhitungan sebelumnya disubstitusikan ke dalam topologi DC bias (Gambar 35) kemudian dilakukan DC simulation pada ADS 2011 untuk mengecek berapa nilai Ic dan Vce. Berikut ini (gambar 36) hasil simulasi DC simulation ADS 2011Gambar 36 DC Simulation ADS 2011Dari hasil simulasi pada gambar 36 dapat dilihat bahwa nilai yang didapat Ic adalah 43.5 mA sedangkan tegangan Vce sebesar 8.03 V. Nilai-nilai tersebut sudah memenuhi nilai-nilai perancangan yang diinginkan. 7. BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALATKRIST ARISTOTELIUS, 101344013 40LAPORAN TUGAS AKHIR TAHUN 20143.3.6 MikrostripPenguat daya RF ini menggunakan mikrostrip sebagai salurantransmisinya. Jenis PCB yang digunakan adalah Roger 4003C dengan r=3.38 dantebal dielektrik d=1.524. Mikrostrip ini menggunakan impedansi karakteristik 50Ohm. Untuk perhitungannya menggunakan persamaan sebagai berikutDiketahui:r=3.38d=1.524 mmZo=50 Ohm r rZ r rA 0,110,231121600 2 50 3.3837723770 Z xBrJadi lebar jalur untuk 50 adalah sebesar 1.9 mm. 8. BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALATKRIST ARISTOTELIUS, 101344013 41LAPORAN TUGAS AKHIR TAHUN 20143.3.7 Matching NetworkSebuah rangkaian penyesuai impedansi merupakan suatu elemen yang sangat penting agar terjadinya suatu transfer daya maksimum. Untuk perancangan penguat ini, penyesuai impedansi yang digunakan adalah tipe phi.3.3.7.1 S Parameter TransistorDalam perancangan matching network penguat daya RF dengan analisis small signal, parameter S transistor adalah hal pertama yang musti diperhatikan karena hal ini akan menjadi penentu metode perancangan matching. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, transistor BFG541 sudah memiliki model yang mewakili karakteristik transistor secara seluruhnya. Pada ADS 2011 kita dapat melakukan pengukuran S parameter dari transistor BFG541 yang telah dimodelkan melalui S Parameters simulation. Gambar 37 set-up simulasi pengukuran S parameter transistor pada ADS 2011Gambar 37 Simulasi Pengukuran S Parameter BFG541Pada simulasi tersebut dapat dilihat bahwa parameter S transistor diukur dengan kondisi transistor diberi bias DC sesuai dengan yang telah dirancang pada langkah sebelumnya. Pengukuran dilakukan dengan sweep frekuensi 800 MHz s.d 1 GHz. Tabel 1 menunjukkan hasil simulasi pengukuran S parameter BFG541 9. BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALATKRIST ARISTOTELIUS, 101344013 42LAPORAN TUGAS AKHIR TAHUN 2014Tabel 1 Hasil Simulasi Pengukuran S Parameter Transistor BFG5413.3.7.2 Kestabilan TransistorSebelum dilakukan perancangan matching impedance, kita perlu memeriksa kestabilan transistor. Hal ini diutamakan karena jika ternyata transistor tidak stabil maka proses simultaneous conjugate matching tidak bisa dilakukan. Kestabilan transistor dapat diketehui nilainya melalui perhitungan manual biasa menggunakan rumus berdasarkan data-data S parameter (S11,S21,S12,S22) pada frekuensi 900 MHz. Akan tetapi ADS 2011 memberikan fasilitas simulasi penghitungan nilai kestabilan transistor yang hasilnya akan sama dengan perhitungan manual biasa menggunakan rumus. Untuk mempersingkat waktu pendesainan penguat maka pemeriksaan kestabilan transistor dilakukan dengan bantuan fasilitas ADS 2011. Gambar 38 adalah simulasi penghitungan nilai kestabilan transistor pada ADS 2011 menggunakan StabFact simulationGambar 38 StabFact Simulation ADS 2011 untuk Menghitung Kestabilan 10. BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALATKRIST ARISTOTELIUS, 101344013 43LAPORAN TUGAS AKHIR TAHUN 2014Hasil simulasi perhitungan kestabilan transistor BFG541 adalah sebagai berikutTabel 2 Hasil Simulasi Perhitungan Kestabilan StabFact ADS 2011Dari tabel 2 hasil simulasi perhitungan disimpulkan bahwa transistor stabil pada frekuensi 890-915 MHz sehingga metode matching simultaneous conjugate matching bisa diterapkan dalam perancangan penguat.Untuk lebih yakin dalam melakukan perancangan, ada baiknya jika kita melakukan perbandingan hasil antara perhitungan simulasi dan perhitungan. Dari datasheet (lihat lampiran I) dengan nilai biasing Vce 8 V dan Ic 40 mA didapatkan data-data S parameter sebagai berikut:S11 = 0,303 162,50S21 = 5,052 74,20S12 = 0,112 70,70S22 = 0,125 -54,30Dengan menggunakan rumus (29) maka didapatsebesar= [(0,303 162,50)( 0,125 -54,30)] [(5,052 74,20)(0,112 70,70)]= 0.533-32.67Sehingga hargaadalah 11. BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALATKRIST ARISTOTELIUS, 101344013 44LAPORAN TUGAS AKHIR TAHUN 2014Dari parameter S yang dihasilkan dari biasing DC, dapat dihitung nilaikestabilan transistor tersebut. Nilai K > 1, artinya transistor stabil.3.3.7.3 Zin dan ZoutLVsZsinK-4 ZLs outbsb1a1 b2a2Gambar 39 Refleksi pada Kutub 4Setelah mendapatkan data S parameter dan kestabilan pada frekuensi kerjatransistor maka tahap selanjutnya adalah menghitung nilai impedansi Zin danZout transistor. Nilai impedansi Zin dan Zout bisa diperoleh melalui perhitunganmanual menggunakan rumus berdasarkan data S parameter (S11,S12,S21,S22)pada frekuensi 900 MHz. Akan tetapi pada software ADS 2011 terdapat fasilitassimulasi untuk menghitung nilai impedansi Zin dan Zout yang nilainya akan samadengan hasil penghitungan manual menggunakan rumus. Untuk mempersingkatwaktu pendesainan penguat maka nilai Zin dan Zout diperoleh melalui bantuanADS 2011. Gambar 40 simulasi untuk memperoleh nilai Zin dan Zout pada ADS2011 menggunakan smZ1 (Simultaneous-Match Input Impedance) dan smZ2(Simultaneous-Match Output Impedance) simulation 12. BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALATKRIST ARISTOTELIUS, 101344013 45LAPORAN TUGAS AKHIR TAHUN 2014Gambar 40 Simulasi Perhitungan Zin & Zout ADS 2011Tabel 3 merupakan hasil simulasi perhitungan nilai impedansi Zin dan Zout transistor BFG541Tabel 3 Hasil Simulasi Perhitungan Zin & Zout ADS 2011Dari hasil simulasi tersebut didapatkan Zin=20.302+j5.214 dan Zout=81.958-j21.141.3.3.7.5 Perancangan Matching Network InputZsource = 50 OhmZin = 20.302+j5.214 OhmSebelum perancangan matching network tipe Phi dilakukan, kita harus memiih resistansi virtual (Rv) yang mana nilainya Rv