SEMINAR SKRIPSI AWAL

Nama: Oei, Kurniawan UtomoJoel Patra TirtayasaKurnia SanjayaNIM: 612011004612011010612011052Judul:Modul RF Front End Quad Band untuk Aplikasi GSM/GPS/PCS/DCS/WCDMAJenis: PerancanganBobot: 6 SKSKelompok : Teknik TelekomunikasiUsulan Pembimbing: 1. Ivanna K. Timotius, M.S.2. Eva Yovita Dwi Utami, S.T.

1. TujuanSkripsi ini bertujuan untuk merancang dan membuat modul RF Front End Quad Band untuk aplikasi-aplikasi layanan nirkabel, khususnya untuk jaringan GSM, GPS, PCS, DCS, dan WCDMA. Alat ini didesain untuk menghubungkan antena yang dirancang untuk bekerja pada beberapa frekuensi resonansi ke sebuah diplexer, tapis lolos pita sinyal akustik dan duplexer ke modul front end, yang bertujuan untuk mempermudah penyesuaian hambatan.

2. Latar Belakang2.1. PermasalahanProses komunikasi dilakukan manusia untuk berbagai tujuan, seperti bertukar pikiran, berbagi pengalaman, menyampaikan pendapat, berdiskusi, dan masih banyak lagi. Awalnya, 2 atau lebih manusia yang ingin berkomunikasi harus bertemu secara langsung. Akan tetapi, perkembangan teknologi di bidang komunikasi dari jaman ke jaman telah berhasil menciptakan alat komunikasi yang memungkinkan manusia dapat melakukan komunikasi jarak jauh. Alat komunikasi jarak jauh berkembang dari yang paling sederhana, yaitu merpati pos, telegraf dan kode morse, telepon, pager, internet, hingga telepon genggam yang memiliki berbagai layanan seperti panggilan jarak jauh/voice call, layanan pesan singkat/Short Message Service (SMS), pesan instan/Instant Messaging dan berbagai layanan lainnya.Komunikasi jarak jauh tidak lepas dari proses transmisi data/pesan, baik secara fisik atau non-fisik. Proses transmisi data secara fisik dilakukan lewat media penghantar fisik, misal kawat/kabel, sedangkan proses transmisi data non-fisik dilakukan tanpa menggunakan media fisik apapun/secara nikarbel. Proses transmisi data non-fisik ditransmisikan lewat frekuensi tinggi yang dikenal sebagai Frekuensi Radio/Radio Frequency/RF. Frekuensi radio mencakup frekuensi 3 Kilo Hertz hingga 3000 Giga Hertz (3 Khz-3000 GHz), yang dibagi-bagi dalam berbagai kategori/kelas untuk keperluan-keperluan tertentu, misal frekuensi amat rendah/Extremely low frequency (ELF) (3 Hz-30 Hz), yang digunakan untuk komunikasi kapal selam Amerika Serikat, frekuensi tinggi/High Frequency (3 MHz-30 MHz) yang biasa digunakan untuk komunikasi penerbangan dan masih bayak kategori dengan berbagai macam kegunaan lainnya. Rentang frekuensi di antara 300 MHz hingga 300 GHz (300 MHz-300GHz) juga disebut gelombang mikro/microwave yang biasa digunakan untuk komunikasi antar satelit, telepon genggam, dan lain-lain. Dalam berkomunikasi lewat frekuensi radio, diperlukan modul pemancar dan penerima. Modul bagian ujung awal (front end module) pada modul pengirim dan penerima yang berfungsi untuk mengirimkan dan menerima sinyal dengan frekuensi radio dan gelombang mikro yang multi band lalu merubahnya ke frekuensi tengah/intermediate frequency akan membantu manusia dalam berkomunikasi secara nirkabel. Skripsi ini bertujuan untuk merancang sebuah modul RF Front End Quad Band yang berukuran kecil sehingga akan membuat kegiatan komunikasi menjadi lebih mudah karena ukurannya yang kecil dan lebih efektif karena sifat modul ini yang quad band. Teknologi terbaru dari perkembangan peralatan frekuensi radio telah berhasil mengembangkan System Integration on a Chip (SOC) atau System Integration on a Package (SOP) yang lebih dapat mengurangi ukuran dari modul front end RF dan microwave. Untuk merealisasikan alat pengirim dan penerima/pancarima/transceiver yang multi band, beberapa transceiver RF harus dipadukan dengan struktur berantai.

2.2. Kaitan dengan Mayor/MinorUsulan skripsi ini berkaitan dengan mata kuliah Elektronika Telekomunikasi (Elka Telkom), Antena dan Propagasi Gelombang, Sistem Komunikasi, dan Komunikasi Seluler. Elektronika Telekomunikasi sebagai dasar perancangan modul pengirim dan penerima, Antena dan Propagasi Gelombang sebagai dasar pengetahuan akan antena, Sistem Komunikasi dan Komunikasi Seluler sebagai dasar ilmu komunikasi, seperti proses modulasi dan demodulasi.

3. Gambaran Alat3.1. Penjelasan Alat yang Dibuat3.1.1. Gambar Desain Modul RF Front End Quad Band

Gambar 1. Desain Modul Pancarima

Gambar 1 menunjukkan blok diagram dari Modul RF Front End Transceiver Quad Band (QFEM) yang diusulkan. QFEM terdiri dari sebuah diplexer, tapis lolos pita gelombang akustik permukaan, duplexer, 4 penguat yang memiliki derau rendah (Low Noise Amplifier/LNA), 2 penguat daya (Power Amplifier/PA), 4 mixer, dan 4 osilator tegangan terkontrol (Voltage Controlled Oscillator/VCO).

3.1.2. Modul PemancarProses pemaduan diplexer, tapis lolos pita, duplexer dilakukan dengan mengoptimalkan kerja masing-masing bagian alat pada pita-pita frekuensi kerja yang berbeda-beda. Koneksi menggunakan lubang koneksi mempermudah penyesuaian hambatan masukan antara antena kutub tunggal/monpole antenna, diplexer, tapis lolos pita, serta duplexer. Proses koneksi lewat lubang koneksi tidak akan mempengaruhi hambatan masukan dari penguat daya. Transistor yang digunakan adalah transistor yang berdaya tinggi, berefisiensi tinggi dan telah dipadukan dengan pengatur daya sehingga kerja transistor akan tetap stabil meskipun bekerja pada suhu yang tinggi. Transistor yang digunakan untuk penguat daya adalah GaAs HEMT (AVAGO ACPM7331-TR1) untuk WCDMA dan MESFET (RFMD RF3166) untuk lebar pita lainnya.

3.1.3. Modul Penerima

Gambar 2. Desain Modul Penerima dengan penguat berderau rendah

Gambar 2 menunjukkan rangkaian dari modul penerima yang terdiri 4 buah penguat yang memiliki derau rendah/Low Noise Amplifier/LNA yang didesain terpisah untuk meminimalkan ukuran modul, juga rangkaian L-C(induktor dan kapasitor) yang berguna sebagai rangkaian pemilih frekuensi, agar penguatan daya yang dilakukan hanya berfokus pada frekuensi yang diharapkan. Transistor digunakan adalah HJFET (NE3509M04) dan GaAS HEMT (FHX35LG). NE3509MT adalah HJFET (Hetero Junction Field Effect Transistor) yang memiliki gangguan yang sangat rendah untuk pita GSM dan GPS. NE3509M04 mempunyai kanal NEC-N HJ-FET yang didesain untuk pita frekuensi L (1GHz-2GHz) dan S (2 GHz-4 Ghz). FHX35LG adalah FET GaAs Fujitsu yang memiliki gangguan yang rendah untuk pita-pita DCS, PCS, dan WCDMA. Hambatan masukkan penguat berderau rendah telah disesuaikan dengan keluaran dari diplexer, tapis lolos pita, dan duplexer, sedangkan hambatan keluaran dari penguat berderau rendah dioptimalkan agar daya yang dihasilkan maksimal.

3.2. Spesifikasi Alat Spesifikasi dari modul yang kami rancang adalah:1. Modul akan memiliki ukuran yang berdimensi 25 mm x 15 mm x 25 mm.2. Efisiensi penguatan daya untuk pita GSM, DCS, PCS, dan WCDMA lebih dari 20%.3. Penguatan sinyal dengan frekuensi radio pada modul bagian pengirim akan berkisar antara 20 dB sampai 24 dB, dan penguatan pada modul bagian penerima akan berkisar antara 6 dB sampai 10 dB.4. Gangguan yang mengganggu kerja sistem hanya akan berkisar antara -68 dB/Hz hingga -45 dB/Hz.

3.3. Gambaran Cara Menggunakan Alat Modul ini dapat digunakan dengan mengkoneksikan bagian modul front end pengirim ke modul yang berguna untuk mempersiapkan sinyal/data/informasi yang akan kita kirimkan, dan mengkoneksikan bagian modul front end penerima ke modul yang berfungsi memproses data yang sudah dibedakan menurut pita-pita frekuensi nya (GSM, DCS, PCS, atau WCDMA). Modul front end pada pengirim secara otomatis akan memodulasikan sinyal/data/informasi ke sinyal yang memiliki frekuensi radio, lalu mengirimkannya lewat antena, sedangkan modul front end pada penerima akan menerima sinyal radio lewat antena, kemudian sinyal tersebut akan diolah menjadi sinyal dengan frekuensi menengah/Intermediate Frequency (RF) untuk diproses lebih lanjut.

4. Gambaran Tugas4.1. Cara Penyelesaian4.1.1. Diagram Kotak Modul yang Dirancang

Memodulasikan sinyal awal dengan frekuensi tinggiMemperkuat sinyal dengan penguat dayaSinyal/data/informasi yang akan dikirimSinyal termodulasiMengirimkan sinyal yang telah termodulasi lewat antenaMelewatkan sinyal ke filter, diplexer, dan duplexer untuk menentukan kategori pita frekuensiSinyal dengan frekuensi tinggi diterima antenaMemperkuat sinyal dengan penguat berdistorsi rendahSinyal dengan frekuensi tertentuSinyal siap diproses

Gambar 4. Diagram alur proses penerimaanGambar 3. Diagram alur proses pengiriman

4.1.2. Cara Kerja Fungsional Modul yang DirancangModul front end ada 2 macam, yaitu modul front end pengirim dan modul front end penerima. Duplexer dalam modul ini berfungsi untuk melakukan multiplexing/pemisahan antara 2 bagian, yaitu pengirim dan penerima dengan pita dasar WCDMA (2150 MHz-2230 MHz), sedangkan diplexer adalah duplexer yang dapat melakukan multiplexing ke banyak bagian, yaitu pancarima dengan pita dasar GSM (870 MHz-910MHz), serta pancarima dengan pita dasar PCS (1920 MHz-2000 MHz). Karena bangian pancarima dengan pita GSM dan PCS dipisahkan menggunakan 1 buah diplexer, maka untuk pancarima pita GSM dilakukan pemilihan frekuensi dengan tapis lolos rendah karena frekuensi GSM yang lebih rendah dari frekuensi PCS. Tapis pita lolos pada modul ini berfungsi untuk melakukan pemilihan frekuensi penerima untuk pita dasar GPS (1571 MHz-1580 MHz) yang memiliki lebar pita lebih rendah dari lebar pita WCDMA dan lebih tinggi dari lebar pita frekuensi GSM dan PCS.Pada bagian pengirim, terdapat mixer dengan osilator tegangan terkontrol yang berfungsi untuk memodulasikan sinyal/data/informasi (berpita GSM/PCS/WCDMA) yang ingin kita kirimkan ke sinyal dengan frekuensi tinggi, yaitu frekuensi radio/gelombang mikro. Lalu terdapat sebuah penguat daya pada masing-masing bagian pengirim untuk memperkuat sinyal yang telah termodulasi. Setelah termodulasi dan diperkuat, barulah sinyal dikirimkan dengan antena. Antena yang digunakan adalah antena yang telah dirancang untuk dapat bekerja pada beberapa frekuensi resonansi/multi resonance antenna. Pada bagian pengirim, jika terdapat sinyal/data yang ditangkap oleh antena, maka sinyal akan dilewatkan ke bagian diplexer, tapis pita lolos, dan duplexer untuk menentukan kategori sinyal yang diterima, apakah sinyal berada pada pita dasar GSM/PCS/GPS/WCDMA. Sinyal dengan frekuensi GSM hanya akan dapat melewati tapis lolos rendah dan tidak akan dapat melewati tapis lolos pita, dan begitu pula sinyal dengan pita dasar PCS/GPS/WCDMA yang hanya akan dapat melewati alat yang telah dipekerjakan pada masing-masing pita frekuensi. Jadi, sinyal akan diketahui berada pada pita dasar apa setelah melewati diplexer, tapis lolos pita, dan duplexer. Lalu, terdapat penguat berderau rendah, yang berfungsi untuk memperkuat sinyal/data tersebut, dan memperlemah gangguan karena proses pengiriman. Setelah diperkuat, sinyal tersebut akan melewati sebuah mixer dan osilator tegangan terkontrol untuk dipindahkan ke frekuensi tengah/intermediate frequency untuk diproses lebih lanjut.4.1.3. Perincian Tugas1. Mempelajari teori dan cara kerja masing-masing modul secara lebih mendalam2. Mempelajari modul front end yang sudah pernah dibuat dan membandingkannya dengan modul front end yang akan dibuat.3. Melakukan uji coba alat untuk masing-masing modul maupun secara keseluruhan kemudian mencatat hasilnya.4. Menganalisa hasil uji coba alat lalu membandingkannya dengan teori yang ada dan Modul front end yang sudah pernah dibuat.5. Mendokumentasikan tugas akhir.

4.2. Tahapan Kerja1. Mengumpulkan semua komponen elektronika yang dibutuhkan untuk membuat modul.2. Mengelompokkan komponen menjadi komponen pengirim dan penerima, lalu melakukan proses soldering komponen pada PCB sesuai dengan bagian-bagiannya.3. Mengkoneksikan bagian pengirim dan penerima lewat lubang koneksi agar menjadi suatu modul utuh.4. Melakukan pengujian pada antena. Pengujian yang dilakukan adalah pengujian pola radiasi antena untuk proses pengiriman. Pengujian akan dilakukan dalam ruangan anti gema berukuran 5,5 meter x 5,5 meter x 5 meter dan menggunakan alat uji Agilent E8362B PNA dan MIDAS versi 5.06.5. Melakukan pengujian efisiensi penguatan daya pada masing-masing pita dasar.6. Melakukan pengukuran penguatan puncak/amplitudo sinyal dengan frekuensi radio dan tegangan bias yang diperlukan oleh osilator tegangan terkontrol agar penguatannya maksimal.7. Menganalisa hasil-hasil pengujian dan membandingkannya dengan teori-teori tentang komunikasi yang berkaitan, dan membandingkan kinerja modul yang diusulkan dengan modul front end yang telah dibuat sebelumnya dan telah beredar di pasaran.8. Mendokumentasikan tugas akhir.

4.3.

4.3. Jadwal KerjaBerikut adalah jadwal kerja yang menunjukkan urutan pengerjaan tugas akhir ini dari awal sampai akhir : Bulan ke Kegiatan123456789

1*

2**

3**

4**

5***

6***

7******

8*********

5. Cara Evaluasi5.1. Kriteria KeberhasilanPerancangan dapat dikatakan berhasil apabila hal-hal berikut terpenuhi:1. Dapat merealisasikan alat yang dirancang.2. Dapat memenuhi spesifikasi yang telah ditentukan.3. Dapat menjelaskan secara ilmiah apabila ada spesifikasi alat yang tidak terpenuhi.

5.2.USULAN PEMBIMBINGUntuk menyelesaikan tugas akhir ini diusulkan pembimbing yang akan membantu penyusunan tugas akhir ini yaitu sebagai berikut :1. Nama : Ivanna K. Timotius, M.S. Sebagai : Pembimbing I2. Nama : Eva Yovita Dwi Utami, S.T.Sebagai : Pembimbing II

5.3.Sarana Penunjang dan Kepustakaan[1] K. Chun, S. Kang, Y. Jang, Y. E. Kim, J. Lee, I. S. Song, J. H. Yi, B. H. Kim, and H. C. Kim, 2x2 MIMO, multi-mode, wideband transceiver system for worldwide m-WiMax(IEEE 802.16E) / WLAN (IEEE802.11N) Applications, Transducers11, Beijing, China, June 5-9, 2011, pp. 827 831[2] Y. Park, R. Mukhopadgyay, A. Wakejima, K. Lim, C. H. Lee, and J. Laskar, Ultar-Wideband (UWB) RF front-end module implementation for multi-band OFDM system, Microwave symposium Digest, 2005, pp. 1871 1874[3] C. C. Weng, C. F. Chang, and S. J. Chung, Development of a compact low temperature co-fired ceramic antenna front-end module, IEEE transcations on microwave theory and techniques, vol.56, No. 11, Novemeber 2008, pp. 2483 - 2492[4] J. I. Ryu, S. H. Park, D. Kim, and J. C. Kim, An embedded Wi-Fi frontend-module in printed-circuit-board by employing printed lines, Electronic Components and Technology Conference, 2011 IEEE 61st, pp. 1822 - 1827[5] P. H. Wu, S. M. Wang and M. W. Lee, Wi-Fi/WiMAX dual mode RF MMIC front-end module, IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, 2009, pp. 289-292[6] W. T. Chen, C. S. Chen, C. H. Tsai, K. C. Chin, and S. J. Lai A mobile WiMAX RF front-end module with integrated passive components and novel material, IEEE 2nd Electronics System integration Technology conference, UK, 2008, pp. 181-186[7] S. Baek and Y. Jee, Compact integrated monopole antenna with CPWfed meander resonators, Electronics Letters, pp. 79 80, January, 2011.[8] K. Lee and Y. Jee, Multiresonance Coplanar Waveguide-Fed Monopole Antennas with Meander Strips for GSM/GPS/PCS/DCS/WCDMA Application, Microw. Opt. Tech. Lett, vol. 53, no. 10, Oct. 2011, pp. 2438 2441.

Menyetujui,

Pembimbing I Pembimbing IIIvanna K. Timotius, M.S. Eva Yovita Dwi Utami, S.T

4