STUDI TENTANG RADIO FREQUENCY PHASE SHIFTER PADA SMART ANTENNA
Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada
Departemen Teknik Elektro Sub Konsentrasi Teknik Telekomunikasi
Oleh:
DWI PURNAMA SARI NIM : 100402008
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR
STUDI TENTANG RADIO FREQUENCY PHASE SHIFTER PADA SMART ANTENNA
Oleh:
DWI PURNAMA SARI NIM : 100402008
Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk Memperoleh gelar Sarjana Teknik pada
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
Sidang pada Tanggal 20 Bulan Agustus Tahun 2014 di depan penguji : 1. Ketua Penguji : Ir. M. Zulfin, M.T.
2. Anggota Penguji : Suherman, S.T., M.Comp., Ph.D Disetujui Oleh :
Pembimbing Tugas Akhir
(Ir. Arman Sani, M.T.) NIP : 19631128 199103 1 003
Diketahui Oleh :
Ketua Departeman Teknik Elektro Fakultas Teknik USU
ABSTRAK
Antena sebagai salah satu komponen penting dalam sistem telekomunikasi
telah mengalami perkembangan yang sangat pesat. Salah satu pengembangan
antena adalah smart antenna yang merupakan kombinasi antena array dengan
pengolahan sinyal. Pola radiasi antena array dapat dikendalikan dengan mengatur
fasa pada masing-masing elemennya dengan menggunakan phase shifter sehingga
pola radiasinya dapat diubah secara elektronik tanpa harus mengubah posisi
fisiknya.
Pada Tugas Akhir ini dibahas kinerja phase shifter dengan lumped element
dan high pas-low pass phase shifter yang dirancang bekerja pada frekeuensi 433
MHz. Perancangan dilakukan menggunakan perangkat lunak Advance Design
System (ADS) versi 2011.10. Dari hasil simulasi diperoleh bahwa nilai phase
error mendekati 0°, nilai insertion loss mendekati 0 dB, dan nilai return loss
minimum pada frekuensi tengahnya. Hasil tersebut menunjukkan bahwa phase
shifter yang dirancang dapat bekerja dengan baik pada frekuensi yang diinginkan.
Kata kunci: smart antenna, RF phase shifter, phase shifter dengan lumped
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur penulis haturkan kehadirat Allah S.W.T yang telah
memberikan kemampuan dan ketabahan dalam menghadapi cobaan, halangan,
dan rintangan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, serta shalawat beriring
salam penulis sampaikan kepada junjungan ummat Nabi Muhammad S.A.W.
Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu
ayahanda Wagiran C, ST dan ibunda Nursiah yang senantiasa mendukung dan
mendo’akan dari sejak penulis lahir hingga sekarang, serta kakanda Wieka
Marcilinda, S.Kom yang senantiasa mendukung dan memberi semangat kepada
penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini.
Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan
untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di
Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Adapun judul Tugas Akhir ini adalah :
“STUDI TENTANG RADIO FREQUENCY PHASE SHIFTER PADA SMART ANTENNA”
Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya
Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan, dan dukungan
dari berbagai pihak. Untuk itu dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan
terima kasih kepada :
1. Bapak Ir. Arman Sani, MT selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas
2. Bapak Dr. Ali Hanafiah Rambe, ST, MT selaku Penasehat Akademis
penulis, atas bimbingan dan arahannya dalam melayani perkuliahan
selama ini.
3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si dan Bapak Rahmad Fauzi ST, MT
selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara.
4. Ayahanda Wagiran C, ST dan Ibunda Nursiah tercinta yang senantiasa
selalu mendo’akan, memberikan semangat dan segalanya sehingga
penulisan Tugas Akhir ini terselesaikan.
5. Kakakku tersayang Wieka Marcilinda S.Kom yang selalu mendukung dan
memberi semangat. Terima kasih atas perhatian dan do’anya.
6. Bapak Ir. M. Zulfin, MT dan Bapak Suherman, ST, M.Comp., Ph.D selaku
dosen penguji Tugas Akhir, atas masukan dan bantuannya dalam
penyempurnaan Tugas Akhir ini.
7. Seluruh staf pengajar yang telah memberi bekal ilmu kepada penulis dan
seluruh pegawai Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas
Sumatera Utara atas segala bantuannya.
8. Rimbo Gano yang selama ini mendukung dan memberi semangat kepada
penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini. Terima kasih atas perhatian
dan do’anya.
9. Teman – teman di Teknik Elektro FT-USU, terkhusus angkatan 2010 atas
dukungan, do’a, suka dan duka selama di bangku perkuliahan.
10. Abang dan kakak senior stambuk 2008 yang selalu membantu, mendukung
11. Keluarga Besar Laboratorium Dasar Elektronika FT USU.
12. Keluarga Besar MME-GS yang telah memberikan banyak sekali
pembelajaran.
13. Semua pihak yang tidak sempat penulis sebutkan satu per satu.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangan baik
dari segi materi maupun penyajiannya. Oleh karena itu saran dan kritik dengan
tujuan menyempurnakan dan mengembangkan kajian dalam bidang ini sangat
penulis harapkan.
Akhir kata penulis berserah diri pada Allah SWT, semoga Tugas Akhir ini
bermanfaat bagi pembaca sekalian terutama bagi penulis sendiri.
Medan, Agustus 2014
Penulis
2.5.2 Phase Error ... 12
3.4.1 Penentuan Nilai Komponen Phase Shifter dengan Lumped Element ... 37
IV. ANALISIS KINERJA RANGKAIAN RF PHASE SHIFTER
4.1 Umum ... 50
4.2 Analisis Kinerja Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped
Element ... 50
4.3 Analisis Kinerja Rangkaian High Pass-Low Pass Phase
Shifter ... 60
4.3.1 Analisis Kinerja Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter
2 Bit ... 60
4.3.2 Analisis Kinerja Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter
3 Bit ... 66
V. KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan... 74
5.2 Saran ... 75
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Diagram Pergeseran Fasa pada Phased Array Antenna ... 6
Gambar 2.2 Pola Cakupan Switched Beam Antenna ... 8
Gambar 2.3 Pola Cakupan Adaptive Array Antenna ... 9
Gambar 2.4 Switched-Line Phase Shifter ... 15
Gambar 2.5 Phase Shifter dengan Rangkaian Lumped Element yang Setara degan Saluran Transmisi ... 16
Gambar 2.12 Gelombang yang Dipantulkan dan Ditransmisikan ... 22
Gambar 2.13 S11 ... 23
Gambar 2.14 S21 ... 23
Gambar 2.15 S22 dan S12 ... 23
Gambar 2.16 Parameter S Dua Port ... 24
Gambar 2.17 Rangkaian Π yang Setara dengan Saluran Transmisi... 25
Gambar 2.18 Jaringan Π ... 26
Gambar 2.19 Jaringan Τ ... 28
Gambar 3.1 Konfigurasi Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element 32 Gambar 3.2 Pola Cakupan Phase Shifter dengan Lumped Element ... 33
Gambar 3.4 Pola Cakupan High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit ... 34
Gambar 3.5 Konfigurasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 3
Bit ... 35
Gambar 3.6 Pola Cakupan High Pass-Low Pass Phase Shifter 3 Bit ... 36
Gambar 3.7 Diagram Alir Perancangan RF Phase Shifter ... 37
Gambar 3.8 Skema Perancangan Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped
Element ... 38
Gambar 3.9 Skema Perancangan High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit 43
Gambar 3.10 Skema Perancangan High Pass-Low Pass Phase Shifter 3 Bit 43
Gambar 4.1 Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element yang dirancang
menggunakan perangkat lunak ADS ... 51
Gambar 4.2 Rangkaian phase shifter dengan lumped element pada keadaan
000001 ... 52
Gambar 4.3 Hasil Simulasi Perancangan Rangkaian Phase Shifter dengan
Lumped Element pada Keadaan 000001... 53
Gambar 4.4 Rangkaian phase shifter dengan lumped element pada keadaan
000010 ... 53
Gambar 4.5 Hasil Simulasi Perancangan Rangkaian Phase Shifter dengan
Lumped Element pada Keadaan 000010... 54
Gambar 4.6 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit yang dirancang
pada Frekuensi 433 MHz... 60
Gambar 4.7 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan
Gambar 4.8 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada
Keadaan 00 ... 61
Gambar 4.9 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan
01 ... 62
Gambar 4.10 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada
Keadaan 01 ... 62
Gambar 4.11 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan
10 ... 63
Gambar 4.12 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada
Keadaan 10 ... 63
Gambar 4.13 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan
11 ... 64
Gambar 4.14 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada
Keadaan 11 ... 64
Gambar 4.15 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 3 Bit yang dirancang
pada Frekuensi 433 MHz ... 66
Gambar 4.16 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan
100 ... 67
Gambar 4.17 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada
Keadaan 100 ... 68
Gambar 4.18 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan
101 ... 68
Gambar 4.19 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada
Gambar 4.20 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan
110 ... 69
Gambar 4.21 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada
Keadaan 110 ... 70
Gambar 4.22 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada Keadaan
111 ... 70
Gambar 4.23 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter pada
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Nilai Komponen Phase Shifter dengan Lumped Element Untuk
Frekuensi 433 MHz ... 42
Tabel 3.2 Nilai Komponen High Pass-Low Pass Phase Shifter Untuk
Frekuensi 433 MHz ... 49
Tabel 4.1 Hasil Simulasi Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element
Untuk Frekuensi 433 MHz ... 55
Tabel 4.2 Hasil Simulasi Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element 6
Bit Berdasarkan Urutan Pergeseran Fasa 0° Hingga 360° ... 57
Tabel 4.3 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter
2 Bit ... 65
Tabel 4.4 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter
3 Bit ... 71
Tabel 4.5 Hasil Simulasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 3 Bit
ABSTRAK
Antena sebagai salah satu komponen penting dalam sistem telekomunikasi
telah mengalami perkembangan yang sangat pesat. Salah satu pengembangan
antena adalah smart antenna yang merupakan kombinasi antena array dengan
pengolahan sinyal. Pola radiasi antena array dapat dikendalikan dengan mengatur
fasa pada masing-masing elemennya dengan menggunakan phase shifter sehingga
pola radiasinya dapat diubah secara elektronik tanpa harus mengubah posisi
fisiknya.
Pada Tugas Akhir ini dibahas kinerja phase shifter dengan lumped element
dan high pas-low pass phase shifter yang dirancang bekerja pada frekeuensi 433
MHz. Perancangan dilakukan menggunakan perangkat lunak Advance Design
System (ADS) versi 2011.10. Dari hasil simulasi diperoleh bahwa nilai phase
error mendekati 0°, nilai insertion loss mendekati 0 dB, dan nilai return loss
minimum pada frekuensi tengahnya. Hasil tersebut menunjukkan bahwa phase
shifter yang dirancang dapat bekerja dengan baik pada frekuensi yang diinginkan.
Kata kunci: smart antenna, RF phase shifter, phase shifter dengan lumped
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Antena merupakan salah satu komponen penting dalam sistem
telekomunikasi. Sebagai perangkat yang meradiasi dan menerima gelombang
elektromagnetik, antena telah mengalami perkembangan yang sangat pesat baik
dalam bentuk maupun aplikasinya. Salah satu pengembangan antena adalah smart
antenna yang merupakan susunan dari antena yang dikombinasikan dengan
pengolahan sinyal. Antena array merupakan antena yang menggunakan beberapa
elemen antena individual yang berkerja sama sehingga membentuk suatu antena
dengan karakteristik yang berbeda dari antena individualnya. Keunikan antena
array ini adalah bahwa pola radiasi dari antena dapat dikendalikan dengan cara
mengatur sedemikian rupa fasa arus catu masing-masing elemen antena dan
mengatur jarak antar elemennya.
Pada smart antenna, dapat dilakukan perkiraan arah kedatangan sinyal
terhadap sinyal terima antena array, kemudian sinyal yang diterima oleh receiver
smart antenna tersebut akan dikendalikan fasanya sehingga main beam (pola
radiasi maksimum) dapat diarahkan ke penerima yang dimaksud.
Untuk dapat mengatur fasa masing-masing antena array dibutuhkan suatu
rangkaian penggeser fasa (phase shifter). Phase shifter adalah suatu rangkaian
fungsional yang digunakan untuk menggeser atau menambah fasa dari sinyal yang
ditransmisikan sehingga pola radiasi antena dapat diubah secara elektronik tanpa
Pada Tugas Akhir ini, penulis melakukan studi tentang Radio Frequency
(RF) phase shifter untuk smart antenna. Dari studi ini diharapkan dapat dianalisis
kinerja dari RF phase shifter tersebut dengan bantuan perangkat lunak Advanced
Design System (ADS) yang diproduksi oleh Agilent Eesof EDA, sebuah produk
dari Agilent Technologies.
1.2 Rumusan Masalah
Adapun rumusan masalah dari Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:
1. Bagaimana rangkaian RF phase shifter?
2. Metode apa saja yang bisa digunakan dalam perancangan RF phase
shifter?
3. Apa parameter yang menentukan kinerja dari RF phase shifter?
4. Bagaimana merancang rangkaian RF phase shifter yang akan dianalisis?
1.3 Tujuan Penulisan
Tugas Akhir ini bertujuan untuk melakukan analisis terhadap kinerja RF
phase shifter pada smart antenna, sehingga pola radiasi dari smart antenna dapat
diarahkan secara elektronik ke arah yang dimaksud tanpa mengubah posisinya.
1.4 Batasan Masalah
Untuk memudahkan pembahasan dalam tulisan ini, maka dibuat
pembatasan masalah sebagai berikut :
1. Hanya membahas smart antenna secara umum.
3. Phase shifter yang dianalisis adalah phase shifter dengan lumped element
dan high pass- low pass phase shifter yang bekerja pada frekuensi 433
MHz.
4. Parameter yang dianalisis phase error, return loss, dan insertion loss.
5. Pengukuran parameter RF phase shifter dilakukan dengan menggunakan
perangkat lunak ADS versi 2011.10.
1.5 Metode Penulisan
Metode yang diterapkan dalam penulisan Tugas Akhir ini adalah:
1. Studi literatur
Yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik Tugas
Akhir ini dari buku-buku referensi yang dimiliki oleh pemilik atau di
perpustakaan dan juga artikel-artikel, jurnal, dan lain-lain.
2. Perhitungan
Melakukan perhitungan secara analitik dengan menggunakan perumusan
ilmiah untuk RF phase shifter yang akan dianalisis.
3. Perancangan dan Analisis
Dari hasil perhitungan analitik dengan menggunakan perumusan ilmiah
kemudian dilakukan pengukuran RF phase shifter dengan menggunakan
perangkat lunak ADS versi 2011.10.
1.6 Sistematika Penulisan
Untuk memberikan gambaran mengenai Tugas Akhir ini secara singkat,
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini menguraikan latar belakang, rumusan masalah, tujuan
penulisan, batasan masalah, metodologi penulisan, dan sistematika
penulisan.
BAB II DASAR TEORI
Bab ini berisi penjelasan tentang smart antenna secara umum dan
penjelasan mengenai RF phase shifter.
BAB III PERANCANGAN RF PHASE SHIFTER
Bab ini berisi mengenai perancangan RF phase shifter yang akan
dianalisis, yaitu phase shifter dengan lumped element dan high
pass-low pass phase shifter.
BAB IV ANALISIS KINERJA RANGKAIAN RF PHASE SHIFTER
Bab ini membahas mengenai analisis kinerja dari rangkaian phase
shifter dengan lumped element dan high pass-low pass phase
shifter dengan menggunakan software ADS versi 2011.10.
BAB V PENUTUP
Bab ini berisikan kesimpulan dan saran dari pembahasan pada
BAB II DASAR TEORI
2.1 Pengerian Smart Antenna
Istilah smart antenna umumnya mengacu kepada antena array yang
dikombinasikan dengan pengolahan sinyal yang canggih, yang mana desain
fisiknya dapat dimodifikasi dengan menambahkan beberapa elemen. Ide utama
dari pengembangan smart antenna adalah memaksimumkan gain antena ke arah
yang diinginkan dan pada saat yang sama membuat pola radiasi minimum ke arah
sinyal yang mengganggu [1].
Pemikiran dasar suatu smart antenna adalah bagaimana membuat pola
radiasi antena tidak tetap, tetapi terarah dan mengikuti posisi pemakai (adaptive).
Dengan smart antenna maka pemakaian daya dan spektrum akan semakin hemat
dan terhindar dari gangguan sinyal-sinyal yang lain [2].
Antena array dirancang sedemikian rupa menjadi suatu sistem antena
yang dapat menggeser sinyal sebelum ditransmisikan atau sesudah diterima pada
masing-masing elemen sehingga antena mempunyai suatu pengaruh kombinasi.
Konsep tersebut dikenal sebagai antena phased array.
Antena phased array digunakan dalam berbagai aplikasi seperti radar dan
sistem komunikasi nirkabel. Pada antena ini, berbagai elemen antena ditempatkan
secara terpisah dalam satu, dua atau tiga dimensi untuk membentuk suatu pola
sorotan antena sehingga kekuatan sinyal ke / dari arah yang dimaksud meningkat
dan pancaran ke / dari penerima / sumber yang tidak diinginkan dihilangkan [3].
pola radiasi dari antena dapat dikendalikan secara elektronik dengan
menggunakan phase shifter.
Gambar 2.1 menampilkan arsitektur umum smart antenna dengan metode
phased array menggunakan pergeseran fasa RF [4]. Pada arsitektur ini, sinyal
pada masing-masing elemen antena mengalami pergeseran fasa oleh phase shifter
dan kemudian sinyal tersebut dikombinasikan dalam wilayah RF.
Gambar 2.1 Diagram Pergeseran Fasa pada Phased Array Antenna
2.2 Tipe Smart Antenna
Secara umum, sistem smart antenna terbagi menjadi dua jenis yaitu
switched beam antenna dan adaptive array antenna. Pada dasarnya, kedua jenis
smart antenna ini menggunakan prinsip yang sama dalam meningkatkan kualitas
dan kinerja dari sistem yaitu dengan meningkatkan gain sampai level masksium
ke arah dimana posisi pengguna berbeda. Perbedaan dari kedua sistem ini terletak
pada teknik yang digunakan untuk menempatkan main lobe pada arah yang
kualitas sinyal terbaik berdasarkan sejumlah pola pancaran tetap yang
dihasilkannya. Sedangkan adaptive array antenna atau antena susun adaptif akan
mengarahkan main lobe ke arah pengguna dan secara bersamaan menempatkan
null ke arah sumber interferensi setelah terlebih dahulu mendeteksi posisi
pengguna dan sumber interferensi [5].
2.2.1 Switched Beam Antenna
Sistem switched beam antenna merupakan sistem yang menggunakan
teknik yang paling sederhana dimana sistem ini hanya menggunakan fungsi dasar
penyambungan antara beberapa antena direksional atau beberapa pola pancaran
yang dihasilkan antena susun. Sistem ini akan menyeleksi atau memilih salah satu
beam atau pancaran mana yang memiliki daya keluaran yang paling besar [5].
Sistem switched beam terdiri dari beberapa pancaran tetap dengan arah
yang belum ditentukan, dimana pancaran yang akan dipilih adalah yang menerima
sinyal dengan kualitas yang paling baik dari pengguna. Pancaran yang dihasilkan
mempunyai lebar main lobe yang sempit dan side lobe-side lobe yang kecil
sehingga sinyal yang datang dari arah selain dari arah yang diinginkan akan
diredam. Penggunaan lebar main lobe yang sempit akan mereduksi jumlah sumber
interferensi yang tertangkap oleh pola radiasi antena [5].
Pola cakupan switched beam antenna diilustrasikan pada Gambar 2.2 [5].
Perangkat lunak atau perangkat keras yang menggunakan prinsip pengolahan
sinyal digital dapat digunakan untuk memilih arah pancaran. Sistem akan secara
terus-menerus memindai setiap beam dan kemudian memilih pancaran dalam arah
yang berbeda-beda dengan mengubah perubahan fasa dari sinyal yang digunakan
Gambar 2.2 Pola Cakupan Switched Beam Antenna
2.2.2 Adaptive Array Antenna
Teknologi adaptive array antenna menggunakan berbagai algoritma
pengolahan sinyal untuk membedakan sinyal pengguna dengan sinyal interferensi
berdasarkan arah kedatangan dari sinyal-sinyal tersebut. Sistem ini akan secara
adaptif beradaptasi dengan lingkungan dimana sinyal berada. Berbeda dengan
sistem switched beam antenna, sistem adaptive array antenna akan menghasilkan
pola pancaran yang tidak tetap dimana pancaran yang dihasilkan dapat diarahkan
sesuai dengan arah yang diinginkan [5].
Sistem adaptive array antenna menggunakan algoritma pembentukan
pancaran untuk mengarahkan main lobe ke arah pengguna dan secara simultan
menempatkan null pada arah sinyal interferensi seperti yang terlihat pada Gambar
2.3 [5]. Dengan demikian, sistem akan dapat membedakan sinyal pengguna
Gambar 2.3 Pola Cakupan Adaptive Array Antenna
Titik tengah main lobe dari pola pancaran pada arah tertentu dapat
ditempatkan dengan menggunakan arah kedatangan sinyal pengguna yang sudah
diketahui sehingga diperoleh gain maskimum. Arah kedatangan sinyal interferensi
digunakan untuk menempatkan null pada arah interferensi.
Sistem adaptive array antenna lebih rumit jika dibandingkan dengan
switched beam antenna karena sistem ini menggunakan algoritma pengolahan
sinyal yang lebih kompleks. Namun sistem ini dapat bereaksi terhadap pergerakan
pengguna dan dapat membedakan sinyal pengguna dengan sinyal interferensi
berdasarkan arah [6].
2.3 Manfaat Teknologi Smart Antenna
Teknologi smart antenna memiliki banyak manfaat, di antaranya [1] :
1. Pengurangan interferensi co-channel
Smart antenna memiliki kemampuan agar dapat fokus
memancarkan energi dalam bentuk pola radiasi hanya ke arah yang
diinginkan pengguna dan memiliki pola radiasi nulls ke arah yang tidak
2. Peningkatan jangkauan / cakupan
Penggunaan antena array menimbulkan peningkatan rata-rata
kekuatan sinyal pada penerima, hal ini disebabkan adanya kombinasi
koheren dari sinyal yang diterima pada semua elemen antena. Peningkatan
kekuatan sinyal tersebut menyebabkan peningkatan jangkauan dan
cakupan dari sistem.
3. Peningkatan kapasitas
Smart antenna memungkinkan pengurangan interferensi
co-channel, yang menyebabkan peningkatan faktor frekuensi reuse. Hal ini
berarti bahwa smart antenna memungkinkan pengguna yang lebih banyak
untuk menggunakan spektrum frekuensi yang sama pada saat yang sama
dan mengakibatkan peningkatan yang sangat besar dalam kapasitas.
4. Pengurangan daya yang ditransmisikan
Antena konvensional memancarkan energi ke segala arah yang
mengakibatkan pemborosan listrik, sementara smart antenna
memancarkan energi hanya ke arah yang diinginkan. Oleh karena itu, daya
yang diperlukan untuk memancarkan energi berkurang. Pengurangan daya
yang ditransmisikan juga menyiratkan pengurangan gangguan terhadap
pengguna lain.
5. Kompatibilitas
Teknologi smart antenna dapat diterapkan pada berbagai teknik
multiple access seperti TDMA, FDMA, dan CDMA. Hal ini sesuai dengan
2.4 Pengertian RF Phase Shifter
Phase shifter merupakan suatu perangkat yang sangat penting pada sistem
smart antenna, yang digunakan untuk menggeser atau menambah fasa dari sinyal
yang ditransmisikan pada sistem. Jika diaplikasikan ke dalam antena, phase
shifter digunakan untuk menggeser atau menambah fasa dari sinyal yang
diumpankan ke antena [7].
Phase shifter dapat dikatakan bekerja dengan baik jika memenuhi
persyaratan berikut ini [8] :
1. Memiliki jangkauan phase-control yang luas, yaitu hingga 360°.
2. Memiliki ukuran langkah pergeseran fasa yang kecil, misalnya 22,5°.
3. Insertion loss rendah.
4. Setiap state phase shifter memiliki rugi-rugi variasi yang rendah.
5. Daya yang digunakan rendah.
6. Mudah dikendalikan.
2.5 Parameter – Parameter Phase Shifter
Parameter – parameter phase shifter digunakan untuk menggambarkan
kinerja dari phase shifter yang akan digunakan. Berikut penjelasan beberapa
parameter yang sering digunakan yaitu bandwidth, phase error, return loss dan
insertion loss.
2.5.1 Bandwidth
Bandwidth operasi dari phase shifter merupakan bagian yang sangat
penting terutama setelah perkembangan aplikasi broadband yang semakin pesat.
mana kinerja dari phase shifter yang berhubungan dengan beberapa karakteristik
(seperti impedansi masukan, pola, beamwidth, polarisasi, gain, VSWR, return
loss) memenuhi spesifikasi standar [3].
2.5.2 Phase Error
Salah satu ciri dari phase shifter yang ideal adalah memiliki nilai
pergeseran fasa yang konstan selama bandwidth operasi. Phase error dapat
diartikan sebagai selisih dari nilai pergeseran fasa yang dihasilkan oleh suatu
sistem dengan nilai pergeseran fasa yang diinginkan. Nilai phase error digunakan
untuk mengetahui seberapa besar kesalahan nilai pergeseran fasa yang dihasilkan
oleh suatu sistem.
2.5.3 Return Loss
Koefisien refleksi yang biasa disimbolkan dengan Γ, merupakan
perbandingan amplitudo tegangan gelombang ternormalisasi yang dipantulkan
terhadap amplitudo tegangan gelombang datang yang dirumuskan oleh Persamaan
(2.1) [9].
=
=
=
(2.1)Dimana
= gelombang yang direfleksikan
= gelombang yang dikirim
= impedansi karakteristik
= impedansi beban
Gelombang pantul yang terjadi pada suatu rangkaian dapat mengakibatkan
kondisi-kondisi batas untuk tegangan dan arus di daerah ujung saluran transmisi,
atau pada lokasi-lokasi di mana terdapat titik sambungan antara dua saluran yang
berbeda, yang disebut dengan titik-titik diskontinuitas [10].
Ketika Γ = 0, maka tidak ada gelombang yang dipantulkan. Hal ini hanya
bisa dicapai jika impedansi beban mempunyai nilai yang sama dengan
impedansi karakteristik saluran transmisi. Pada kondisi tersebut, beban
dikatakan match dengan saluran transmisi karena tidak ada pemantulan dari
gelombang datang. Ketika beban tidak match (missmatch), maka ini berarti bahwa
tidak semua daya yang tersedia dari generator dihantarkan ke beban. Hal ini akan
menimbulkan loss yang disebut dengan return loss (RL) yang dinyatakan dalam
decibel (dB), dapat dirumuskan seperti Persamaan (2.2) [9].
= −20 log| | (2.2)
Jika Γ = 0 atau kondisi beban dalam keadaan match, maka return loss
bernilai ∞ dB, hal ini berarti bahwa tidak ada daya yang dipantulkan. Jika Γ = 1,
maka return loss bernilai 0 dB, hal ini berarti bahwa semua daya yang dikirimkan
dipantulkan dan terjadi pemantulan total [9]. Umumnya, phase shifter digunakan
dengan komponen lain yang membentuk suatu sistem yang lebih rumit. Nilai
return loss pada phase shifter harus dijaga serendah mungkin agar tidak
menimbulkan berbagai gangguan terhadap fungsi komponen lain yang dapat
berakibat ke seluruh sistem [11].
2.5.4 Insertion Loss
Tidak semua gelombang dapat dipantulkan, sebagian diantaranya
koefisien transmisi yang biasa disimbolkan dengan T, yang dapat dirumuskan
oleh Persamaan (2.3) [9]:
= 1 + = 1 +
=
(2.3)
Insertion loss (IL) merupakan koefisien transmisi di antara dua titik pada
sebuah rangkaian listrik yang biasa dinyatakan dalam dB. Insertion loss dapat
juga didefinisikan sebagai loss yang terjadi karena penyisipan komponen pada
saluran transmisi, yang dapat dinyatakan dalam Persamaan (2.4) [9]. Dalam
keadaan ideal, insertion loss bukan merupakan bagian yang diinginkan tetapi
dalam prakteknya tidak mungkin mendapatkan insertion loss bernilai 0 [11].
= −20 log| | (2.4)
2.6 Metode Perancangan RF Phase Shifter
Ada beberapa metode perancangan RF phase shifter yang biasa digunakan,
diantaranya adalah :
2.6.1 Switched-Line Phase Shifter
Switched-line phase shifter merupakan phase shifter yang memiliki
konfigurasi paling sederhana. Sinyal yang melewati saluran transmisi dengan
panjang tertentu akan mengalami penundaan waktu yang setara dengan pergeseran
fasa sinyal tersebut. Saluran transmisi yang digunakan pada switched-line phase
shifter terdiri dari saluran referensi dan saluran delay. Pergeseran fasa terjadi
dengan men-switch sinyal di antara saluran referensi dan saluran delay yang telah
Gambar 2.4 Switched-Line Phase Shifter
Nilai pergeseran fasa yang diinginkan dapat dinyatakan dengan Persamaan (2.5)
[13] :
∆ = ( − ) (2.5)
Dengan :
Δφ = Pergeseran fasa (°)
β = Konstanta propagasi (rad/m)
l1 = Saluran delay
l2 = Saluran referensi
Nilai pergeseran fasa yang dihasilkan tergantung pada panjang fisik
saluran transmisi, frekuensi sinyal, dan kecepatan fasa dari sinyal yang merambat
dalam media saluran transmisi [12]. Phase shifter ini biasanya digunakan untuk
pergeseran fasa sebesar 90° dan 180°. Keuntungan penting dari rangkaian ini
adalah pergeseran fasa yang dihasilkan merupakan fungsi linier dari frekuensi dan
sangat stabil terhadap waktu dan temperatur [14]. Sementara itu, kekurangan dari
phase shifter ini adalah dibutuhkan saluran transmisi yang semakin panjang untuk
menghasilkan waktu tunda yang semakin besar, hal ini dapat mengakibatkan
waktu tunda akan mempunyai atenuasi yang berbeda, hal ini mengakibatkan
ketidakseimbangan amplitudo di antara kedua state tersebut [15].
Pada frekuensi rendah, bagian ¼ panjang gelombang dari saluran delay
phase shifter dapat diganti dengan rangkaian lumped-element untuk
meminimalkan dimensi rangkaian [14]. Konfigurasi phase shifter dengan
komponen lumped-element dapat direkomendasikan untuk aplikasi dengan
rentang HF (High Frequency) hingga UHF (Ultra High Frequency) seperti pada
Gambar 2.5 [16].
Gambar 2.5 Phase Shifter dengan Rangkaian Lumped Element yang Setara dengan Saluran Transmisi
2.6.2 Loaded-Line Phase Shifter
Loaded-line phase shifter merupakan jenis phase shifter yang biasa
digunakan untuk menghasilkan pergeseran fasa 22,5° hingga 45°. Setiap bagian
dari loaded-line phase shifter terdiri dari saluran transmisi yang pada kedua
ujungnya dipasang beban reaktif secara shunt. Dengan mengatur jarak beban
reaktif terpisah sekitar ¼ λ, maka refleksi yang dihasilkan oleh beban reaktif
tersebut dapat diminimalkan [17]. Rangkaian loaded-line phase shifter
Gambar 2.6 Loaded-Line Phase Shifter
Nilai pergeseran fasa yang dihasilkan bergantung pada nilai suseptansi
yang dipasang di ujung saluran transmisi, jika suseptansi adalah kapasitif maka
kecepatan fasa berkurang dan jika suseptansi adalah induktif maka kecepatan fasa
bertambah. Phase shifter ini biasa digunakan untuk pita sempit dan bisa
menghasilkan fasa yang konstan terhadap frekuensi [7].
Jaringan yang dihasilkan dapat dianalisis dengan mudah menggunakan matriks
transmisi ABCD sebagaimana yang ditunjukkan pada Persamaan (2.6) [15]:
= 1 01 ∙ 0 0 ∙ 1 01 = −
( ) − (2.6)
Pergeseran fasa antara dua state dapat dihitung menggunakan Persamaan (2.7)
[15]:
∆ = 2 −
(2.7)
Adapun kelebihan dari loaded-line phase shifter adalah phase shifter ini
dapat menghasilkan fasa yang konstan terhadap frekuensi pada pita sempit,
mempunyai rangkaian yang cukup sederhana, dan insertion loss rendah.
Kekurangan dari phase shifter ini terletak pada keterbatasan pergeseran fasa, yaitu
maksimal hanya sekitar 45°. Jika nilai pergeseran fasa semakin besar, maka nilai
2.6.3 Reflection Phase Shifter
Rangkaian reflection phase shifter terdiri dari sebuah quadrature coupler
dan sepasang beban reflektif sebagaimana yang ditunjukkan pada Gambar 2.7 [8].
Sinyal input yang melalui quadrature coupler dibagi menjadi dua buah sinyal
output dengan perbedaan fasa sebesar 90°, kemudian sinyal tersebut dipantulkan
oleh sepasang beban reflektif dan bergabung dalam fasa pada keluaran phase
shifter. Pergeseran fasa bergantung pada variasi nilai impedansi beban reflektif
[8].
Gambar 2.7 Reflection Phase Shifter
Koefisien pantul dapat dinyatakan dengan Persamaan (2.8) [8]:
=
(2.8)
Jika bervariasi dari hingga , maka pergeseran fasa dicapai dengan
Persamaan (2.9) [8]:
∆ = 2 −
(2.9)
Kelebihan dari reflection phase shifter adalah rangkaian ini dapat
digunakan untuk menghasilkasn pergeseran sesuai dengan yang diinginkan, baik
besar maupun kecil. Sedangkan kekurangan dari phase shifter ini adalah
yang dipantulkan, hal ini mengakibatkan rugi-rugi dalam variasi yang besar
terhadap pengaturan fasa yang berbeda. Quadrature coupler berbasis silikon
on-chip dapat menghasilkan insertion loss yang tinggi pada gelombang mikro [8].
2.6.4 High Pass-Low Pass Phase Shifter
Sesuai dengan namanya, phase shifter ini terdiri dari dua buah filter, yaitu
high pass filter dan low pass filter. Induktor yang dipasang shunt dan kapasitor
yang dipasang seri membentuk high pass filter sementara low pass filter dibentuk
oleh induktor yang dipasang seri dan kapasitor yang dipasang shunt yang
memberikan fasa delay [11]. Gambar 2.8 mengilustrasikan rangkaian high
pass-low pass phase shifter [12].
Gambar 2.8 High Pass-Low Pass Phase Shifter
Pergeseran fasa disebabkan oleh perbedaan respon fasa yang terjadi pada
high pass filter dan low pass filter, yang dapat diperoleh dengan men-switch
antara dua rangkaian filter tersebut seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.8.
Nilai pergeseran fasa yang dihasilkan bergantung kepada nilai komponen L dan C
yang terdapat pada kedua rangkaian filter tersebut. Kedua filter tersebut dapat
dirancang dengan menggunakan model T atau Π seperti yang diilustrasikan pada
Gambar 2.9 Model Π dan T
Nilai setiap komponen yang terdapat pada Gambar 2.7 dapat dihitung sebagai
berikut [15]:
1. Low-pass dengan model Π (Gambar 2.7a) dengan pergeseran fasa -90° < φ
< 0° :
=
| |(2.10)
=
| / | (2.11)2. High-pass dengan model Π (Gambar 2.7a) dengan pergeseran fasa 0° < φ
< 90° :
=
| / |(2.12)
=
| |(2.13)
3. Low-pass dengan model T (Gambar 2.7a) dengan pergeseran fasa -90° < φ
=
| / |(2.14)
=
| |(2.15)
4. High-pass dengan model T (Gambar 2.7a) dengan pergeseran fasa 0° < φ
< 90° :
=
| |(2.16)
=
| / |(2.17)
Phase shifter ini dapat menghasilkan pergeseran fasa hingga 180° dan
mampu menyediakan pergeseran fasa mendekati konstan dalam rentang frekuensi
yang lebar. Keuntungan lain dari rangkaian ini adalah memiliki tata letak yang
compact karena lumped-element biasanya digunakan sebagai saluran delay. Hal
ini merupakan pertimbangan yang cukup penting bagi frekuensi rendah mengingat
saluran transmisi delay bisa menjadi sangat besar [17].
2.7 Analisis Phase Shifter dengan Parameter S
Analisis kinerja dari rangkaian phase shifter yang dibahas pada Tugas
Akhir ini dilakukan dengan menggunakan parameter S. Penjelasan mengenai
parameter S akan diuraikan sebagai berikut.
2.7.1 Bentuk Umum Parameter S
Parameter S merupakan metode yang berguna untuk merepresentasikan
sebuah rangkaian sebagai diagram blok. Karakteristik eksternal dari diagram blok
ini dapat diprediksi tanpa perlu mengetahui isi dari diagram blok tersebut, yang
diagram blok mempunyai sejumlah port (terminal sepasang saluran) [10].
Umumnya, parameter S diterapkan pada frekuensi RF dan gelombang mikro dan
dapat digunakan untuk menyatakan VSWR, gain, return loss, koefisien transmisi
dan koefisien pantul. Parameter S dapat dihitung dengan mudah menggunakan
perangkat lunak Agilent ADS [17]. Gambar 2.10 merupakan jaringan sederhana
dengan dua port [10].
Gambar 2.10 Diagram Blok Dengan Dua Port
Parameter S diukur dengan mengirimkan sebuah sinyal dengan satu
frekuensi ke dalam jaringan atau diagram blok dan mendeteksi gelombang yang
keluar dari setiap port seperti yang terlihat pada Gambar 2.10. Daya, tegangan dan
arus dapat dianggap berupa gelombang berjalan pada dua buah arah [10].
Black box Port 2 Port 1
Gelombang datang
Gambar 2.11 Gelombang Masuk ke Diagram Blok
Untuk gelombang datang pada port 1, sebagian dari sinyal ini memantul
kembali keluar dari port tersebut dan sebagian lagi keluar dari port lainnya seperti
yang terlihat pada Gambar 2.12 [10].
S11 menunjukkan sinyal yang dipantulkan pada port 1 untuk sinyal yang
datang dari port 1. S11 merupakan perbandingan antara dua buah gelombang b1/a1
seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.13 [10].
Gambar 2.13 S11
S21 menunjukkan sinyal yang keluar pada port 2 untuk sinyal yang datang
dari port 1. S21 merupakan perbandingan antara dua gelombang b2/a1 seperti yang
diperlihatkan pada Gambar 2.14 [10].
Gambar 2.14 S21
S22 menunjukkan sinyal yang keluar pada port 2 untuk sinyal yang datang
dari port 2. Dari gambar 2.15 dapat dilihat bahwa S22 merupakan perbandingan
antara dua gelombang b2/a2. S12 menunjukkan sinyal yang keluar pada port 1
untuk sinyal yang datang dari port 2. Dari gambar 2.15, S12 merupakan
perbandingan antara dua gelombang b1/a2 [10].
Gelombang yang ditransmisikan dan dipantulkan akan berubah amplitudo
dan fasanya dibandingkan dengan gelombang datang. Umumnya gelombang yang
ditransmisikan dan dipantulkan akan mempunyai frekuensi yang sama dengan
gelombang datang. Parameter S merupakan bilangan kompleks (mempunyai besar
dan sudut), karena besar dan fasa dari sinyal masukan akan diubah oleh jaringan
[10].
Parameter S bergantung kepada jaringan dan impedansi karakteristik dari
sumber dan beban yang digunakan untuk mengukurnya, serta pada frekuensi
pengukurannya. Parameter S akan berubah jika jaringan, frekuensi, impedansi
beban dan impedansi sumber diubah. Gambar 2.16 memperlihatkan representasi
matematis dari parameter S dua port [10].
Gambar 2.16 Parameter S Dua Port
= | = 0 (2.24)
= | = 0 (2.25)
2.7.2 Parameter S Untuk Rangkaian Π
Pada frekuensi rendah, rangkaian Π dapat digunakan untuk menggantikan
saluran transmisi untuk meminimalkan dimensi. Dengan mengatur nilai setiap
komponen dengan benar, maka akan diperoleh nilai pergeseran fasa yang
diinginkan. Gambar 2.17 memperlihatkan rangkaian Π yang direkomendasikan
menggantikan saluran transmisi untuk aplikasi dengan rentang HF (High
Frequency) hingga UHF (Ultra High Frequency) [18].
Gambar 2.17 Rangkaian Π yang Setara dengan Saluran Transmisi
Persamaan (2.26) merupakan persamaan untuk parameter ABCD dari
lumped element yang setara dengan parameter saluran transmisi [18].
1 0
1 10 1 1 1 = / (2.26)
Persamaan (2.26) dapat disederhanakan menjadi Persamaan (2.27) [18].
1 +
Dengan pertimbangan bahwa induktor adalah elemen seri dan kapasitor adalah
elemen paralel, maka diperoleh Persamaan (2.28). Jaringan Π diperlihatkan pada
Gambar 2.18 yang disintesis reverse untuk dapat menghitung parameter S [18].
1 +
(2 + ) 1 + = / (2.28)
Dimana
= panjang saluran transmisi dalam radian
= impedansi karakteristik
Y = admitansi
Z = impedansi dari rangkaian Π
Gambar 2.18 Jaringan Π
Dari Gambar 2.18, diperoleh Persamaan (2.29) [18].
= ( + ) −
= ( + )− ( + )− (2.29)
Dengan pertimbangan bahwa dan sebagai kapasitor paralel dan sebagai
induktor seri, maka diperoleh Persamaan (2.30) dan (2.31) [18]:
= = / (2.30)
Dan,
= 1⁄ (2.31)
Sehingga, elemen matriks dari admitansi dari parameter jaringan lumped dapat
dituliskan dalam Persamaan (2.32) [18]:
= = 1 −
= = 1
= (2.32)
Parameter S untuk rangkaian Π juga dapat diperoleh langsung dari parameter Y
sebagaimana yang ditunjukkan pada Persamaan (2.33) dan (2.34) [18].
=( )( ∆ ) (2.33)
Setelah disederhanakan, maka diperoleh dan dalam bentuk L dan C
sebagaimana yang ditunjukkan pada Persamaan (2.35) dan (2.36) [18].
= 1−
2 1
1−
2 1
(2.35)
= ( ) ( ) (2.36)
2.7.3 Parameter S Untuk Rangkaian Τ
Perancangan phase shifter telah dikembangkan secara matematis dan
Persamaan (2.37) merupakan persamaan untuk parameter ABCD dari Gambar 2.5
[16].
1
0 1 1 01 10 1 = / (2.37)
Dengan pertimbangan bahwa induktor adalah elemen seri dan kapasitor adalah
elemen paralel, maka diperoleh Persamaan (2.38). Jaringan Τ diperlihatkan pada
Gambar 2.19 yang disintesis reverse untuk dapat menghitung parameter S [16].
1 + (2 + )
Gambar 2.19 Jaringan Τ
Parameter Z dari Gambar 2.19 dapat dihitung dengan mudah menggunakan
Persamaan (2.39) [16].
[ ] = = ( + ) ( + ) (2.39)
Dengan pertimbangan bahwa dan sebagai kapasitor paralel dan sebagai
induktor seri, maka diperoleh Persamaan (2.40) [16].
= −( − ) ( − )( − ) (2.40)
Parameter S untuk rangkaian Τ juga dapat diperoleh secara langsung dari
parameter Z sebagaimana yang ditunjukkan pada Persamaan (2.41) dan (2.43)
[16].
=( )( ∆ ) (2.41)
=( ∆ ) (2.43)
Setelah disederhanakan, maka diperoleh dan dalam bentuk L dan C
sebagaimana yang ditunjukkan pada Persamaan (2.44) dan (2.45) [16].
=[[ (( )]) ] (2.44)
2.8 Aplikasi Phase Shifter
Phase shifter merupakan salah satu bagian terpenting pada aplikasi radar
array. Phase shifter digunakan untuk membentuk main beam phased array
antenna yang dipindai secara elektronik dan menghasilkan nilai-nilai fasa yang
sesuai untuk perancangan setiap elemen antena. Phase shifter juga dapat
digunakan baik pada bagian antena pemancar maupun antena penerima [11].
Phased array antenna terdiri dari beberapa fix beam yang memiliki arah
tertentu dan bagian mana saja yang akan diaktifkan dapat dipilih. Teknik phase
array merupakan sebuah metode yang mampu merubah fasa dari sinyal yang
berakibat pada perubahan pola radiasi antena. Dengan kata lain, pemutaran pola
radiasi ini menggunakan manipulasi secara elektrik, sehingga akan lebih efisien
dan lebih sederhana dibandingkan dengan pemutaran secara mekanik [18].
Inggris, Amerika dan Jerman merupakan negara yang telah
mengoperasikan phased array antenna pada Perang Dunia II [19]. Kinerja yang
baik dan phase shifter dengan biaya yang murah secara signifikan akan
memperbaiki kinerja dan mengurangi biaya dari pembuatan phased array
antenna, yang seharusnya dapat membantu mengubah teknologi ini dari aplikasi
yang didominasi oleh keperluan militer menjadi aplikasi komersial [11].
Phase shifter juga digunakan pada berbagai peralatan seperti pembeda
fasa, beam forming network, pembagi tegangan dan untuk mengendalikan fasa
linier dari sebuah amplifier yang mana disediakan pada pemancar/penerima
sistem komunikasi bergerak, menyesuaikan pemindaian sudut berkas sorotan dari
antena base station, atau mengontrol fasa sinyal keluaran dari band pass filter
BAB III
PERANCANGAN RF PHASE SHIFTER
3.1 Perancangan RF Phase Shifter
Perancangan RF phase shifter yang dibahas pada Tugas Akhir ini terdiri
dari metode perancangan phase shifter dengan lumped element dan high pass-low
pass phase shifter yang bekerja pada frekuensi 433 MHz. RF phase shifter
dirancang dengan menggunakan perangkat lunak ADS versi 2011.10. Setelah
selesai dirancang pada perangkat lunak ADS, maka rangkaian phase shifter
tersebut disimulasikan dan dianalisis.
3.2 Konfigurasi RF Phase Shifter
Berikut ini adalah konfigurasi dari rangkaian RF Phase Shifter yang akan
dirancang.
3.2.1 Konfigurasi Phase Shifter dengan Lumped Element
Phase shifter dengan lumped element merupakan rangkaian phase shifter
yang dirancang dengan menggunakan blok-blok lumped element yang membentuk
sebuah jaringan Tee. Phase shifter dengan lumped element yang dirancang dibagi
menjadi 6 blok jaringan Tee agar dapat mencapai pergeseran fasa mulai dari 0°
hingga 360° dan menawarkan langkah pergeseran fasa minimum 5,625° [16].
Pada bab sebelumnya telah dibahas bahwa saluran transmisi dengan
panjang tertentu dapat menghasilkan pergeseran fasa terhadap input sinyal RF
yang bergantung pada frekuensi sinyal dan jumlah pergeseran fasa yang
semakin panjang untuk dapat menghasilkan pergeseran fasa yang semakin besar.
Untuk mengatasi hal tersebut, saluran delay pada switched-line phase shifter dapat
diganti dengan menggunakan rangkaian lumped-element untuk meminimalkan
dimensi rangkaian phase shifter yang bekerja pada frekuensi 433 MHz.
Phase shifter enam bit yang dirancang menggunakan blok-blok jaringan
Tee yang masing-masing dibangun oleh lumped element. Jaringan Tee tersebut
dapat menggantikan saluran transmisi dengan panjang tertentu dan menawarkan
perubahan pergeseran fasa yang diinginkan.
Phase shifter enam bit yang dirancang terdiri dari sejumlah unit serial
yang memberikan perubahan pada setiap satu bit terhadap input sinyal RF.
Konfigurasi dari phase shifter dengan lumped element dapat dilihat pada Gambar
3.1 [16]. Rangkaian tersebut terdiri dari enam unit serial yang berbeda yang
masing – masing menyediakan pergeseran fasa sebesar 5,625°; 11,25°; 22,5°; 45°;
90°; dan 180°.
Gambar 3.1 Konfigurasi Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element
Pergeseran fasa dan penambahan fasa yang diperlukan secara keseluruhan
terjadi berdasarkan masukan aktif (logika 1) yang sesuai terhadap masing-masing
dengan pergeseran fasa sebesar 5,625° di antara dua state berturut- turut seperti
yang diilustrasikan pada Gambar 3.2.
Gambar 3.2 Pola Cakupan Phase Shifter Dengan Lumped Element
Semua blok dirancang membentuk jaringan Tee yang setara dengan
sepotong saluran transmisi yang dapat memberikan pergeseran fasa yang
diinginkan [16]. Setiap komponen yang terdapat pada Gambar 3.1 harus diberikan
nilai yang sesuai agar rangkaian yang dirancang dapat bekerja pada frekuensi
yang diinginkan. Nilai komponen yang sesuai dapat diperoleh dengan
menggunakan Persamaan (3.1a) dan (3.1b) [16].
1 + = (3.1a)
= / (3.1b)
Dimana
3.2.2 Konfigurasi High Pass-Low Pass Phase Shifter
Rangkaian high pass-low pass phase shifter yang dirancang pada Tugas
Akhir ini terdiri rangkaian high pass-low pass phase shifter 2 bit dan 3 bit.
Rangkaian phase shifter 2 bit teridiri dari 2 rangkaian high pass-low pass phase
shifter yang dipasang serial, sebagaimana diilustrasikan pada Gambar 3.3 [20].
Gambar 3.3 Konfigurasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit
Rangkaian pertama meyediakan pergeseran fasa dalam rentang +45°
hingga -45° dan rangkaian kedua menyediakan pergeseran fasa dalam rentang
+90° hingga -90°. Oleh karena itu, pergeseran fasa terjadi dalam rentang +135°
hingga -135° yang dapat dioperasikan dalam empat tahap fasa sebesar 45° seperti
yang diilustrasikan pada Gambar 3.4.
Gambar 3.4 Pola Cakupan High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit
Setiap kelas atau bit dikendalikan dengan menggunakan switch SPDT
yang diwakilkan oleh keadaan 0 atau 1 memilih rangkaian yang akan diaktifkan.
Untuk dapat memperoleh cakupan yang lebih luas hingga mencakup 360°, maka
dirancang rangkaian high pass-low pass phase shifter 3 bit yang terdiri dari 3
rangkaian high pass-low pass phase shifter, sebagaimana yang diilustrasikan pada
Gambar 3.5.
Gambar 3.5 Konfigurasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 3 Bit
Rangkaian pertama dan kedua merupakan rangkaian high pass-low pass
phase shifter 2 bit. Rangkaian ketiga menyediakan pergeseran fasa dalam rentang
-1° hingga +90°. Dengan rangkaian high pass-low pass phase shifter 3 bit,
pergeseran fasa dapat terjadi dalam rentang 0° hingga +360° yang dapat
dioperasikan pada delapan tahap pergeseran fasa sebesar 45° seperti yang
Gambar 3.6 Pola Cakupan High Pass-Low Pass Phase Shifter 3 Bit
Sama halnya dengan phase shifter dengan lumped element, setiap
komponen yang terdapat pada rangkaian high pass-low pass phase shifter juga
harus memiliki nilai yang sesuai agar dapat menghasilkan pergeseran fasa yang
diinginkan dan bekerja dengan baik pada frekuensi yang telah ditentukan, yaitu
433 MHz. Untuk memperoleh nilai komponen yang sesuai, Persamaan (2.10)
hingga (2.17) dapat digunakan untuk menghitung nilai setiap komponen.
3.3 Proses Perancangan RF Phase Shifter
Perancangan rangkaian phase shifter dengan lumped element dan high
pass-low pass phase shifter dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak
ADS. Diagram alir perancangan RF phase shifter yang ditunjukkan pada Gambar
3.7 merupakan tahapan yang digunakan dalam proses perancangan RF phase
Gambar 3.7 Diagram Alir Perancangan RF Phase Shifter
3.4 Penetuan Nilai Komponen RF Phase Shifter
Berikut ini merupakan uraian tentang penentuan nilai komponen setiap
yang terdapat pada rangkaian RF phase shifter yang akan dianalisis.
3.4.1 Penetuan Nilai Komponen Phase Shifter dengan Lumped Element
Phase shifter dengan lumped element ini terdiri dari komponen induktor
dan kapasitor yang disusun membentuk sebuah jaringan Tee. Skema perancangan
Gambar 3.8 Skema Perancangan Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element
Penentuan nilai setiap komponen yang terdapat pada Gambar 3.8 dapat
dilakukan dengan menggakan Persamaan (3.1a) dan (3.1b) sebagai berikut:
1. Penentuan nilai L dan C pada blok 1
Untuk menentukan nilai , maka digunakan Persamaan (3.1b):
= (5,625° )
(2 × × ) = (0,09801714)50
(2720,62 × 10 ) = 0,001960342
= 0,7205
Untuk menentukan nilai dan , maka digunakan Persamaan (3.1a) :
1 + =
1 + (−1)(2720,62 × 10 ) (0,7205 × 10 ) = (5,625°)
1 − 5,33334 × 10 = 0,995184726
5,33334 × 10 = 0,004815273
Nilai = = = 0,903
2. Penentuan nilai L dan C pada blok 2
Untuk menentukan nilai , maka digunakan Persamaan (3.1b):
= (11,25 °)
(2 × × ) = (0,195090322)50
(2720,62 × 10 ) = 0,00390180644
= 1,4342
Untuk menentukan nilai dan , maka digunakan Persamaan (3.1a) :
1 + =
1 + (−1)(2720,62 × 10 ) (1,4342 × 10 ) = (11,25°)
1 − 10,61 56231 × 10 = 0,98 078528
10,6156231 × 10 = 0,019214719
= 1,81
Nilai = = = 1,81
3. Penentuan nilai L dan C pada blok 3
Untuk menentukan nilai , maka digunakan Persamaan (3.1b):
(2 × × ) = (0,382683432)50
(2720,62 × 10 ) = 0,007653668647
= 2,8132
Untuk menentukan nilai dan , maka digunakan Persamaan (3.1a):
1 + =
1 + (−1)(2720,62 × 10 ) (2,81 32 × 10 ) = (22,5°)
1 − 20,8226683 × 10 = 0,923879532
20,82 26683× 10 = 0,07 6120468
= 3,656
Nilai = = = 3,65 6
4. Penentuan nilai L dan C pada blok 4
Untuk menentukan nilai , maka digunakan Persamaan (3.1b):
= (45°)
(2 × × ) = (0,707106781)50
(2720,62 × 10 ) = 0,014142135
= 5,19 8
1 + =
1 + (−1)(2720,62 × 10 ) (5,19 8 × 10 ) = (45 °)
1 − 38,474417× 10 = 0,70 7106781
38,474417 × 10 = 0,292893218
= 7,61 26
Nilai = = = 7,61 26
5. Penentuan nilai L dan C pada blok 5
Untuk menentukan nilai , maka digunakan Persamaan (3.1b):
= (90°)
(2 × × ) = 50(1)
(2720,62 × 10 ) = 0,02
= 7,3513
Untuk menentukan nilai dan , maka digunakan Persamaan (3.1a):
1 + =
1 + (−1)(2720,62 × 10 ) (7,35 13 × 10 ) = (90 °)
1 − 54,412655 × 10 = 0
= 18,37 8
Nilai = = = 18,37 8
6. Penentuan nilai L dan C pada blok 6
Rangkaian penggeser fasa pada blok 6 merupakan rangkaian yang terdiri
dari dua rangkaian penggeser fasa 90° (blok 5) yang disusun secara seri yang
dapat menghasilkan pergeseran fasa sebesar 180°. Oleh karena itu, nilai
komponen yang terdapat pada blok 6 adalah sama dengan nilai komponen yang
terdapat pada blok 5. Tabel 3.1 menunjukkan nilai setiap komponen yang terdapat
pada perancangan rangkaian phase shifter dengan lumped element.
Tabel 3.1 Nilai Komponen Phase Shifter dengan Lumped Element Untuk
3.4.2 Penetuan Nilai Komponen High Pass-Low Pass Phase Shifter
High pass-low pass phase shifter yang dirancang pada Tugas Akhir ini
tediri dari rangkaian low pass filter dengan model Π dan rangkaian high pass filter
dengan model Τ. Skema perancangan rangkaian high pass-low pass phase shifter
2 bit dan rangkaian high pass-low pass phase shifter 3 bit masing-masing
diperlihatkan pada Gambar 3.9 dan 3.10.
Gambar 3.9 Skema Perancangan Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit
Gambar 3.10 Skema Perancangan Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter
Penentuan nilai setiap komponen yang terdapat pada rangkaian yang
terlihat pada Gambar 3.9 dan 3.10 dapat dihitung dengan menggunakan
Persamaan (2.10), (2.11), (2.16), dan (2.17) sebagai berikut :
1. Penentuan nilai komponen pada rangkaian pertama yaitu rangkaian low
pass filter dengan model Π.
Untuk menentukan nilai C1 dan C2, maka digunakan Persamaan (2.11) :
= | 2⁄ |
=2720,62 × 10 × 50|45° 2⁄ |
=1,36031 × 10|22,5° |
=1,36 031 × 100,414213562
= 3,045
Nilai = = = 3,04 5
Untuk menentukan nilai L1, maka digunakan Persamaan (2.10) :
= | |
=2720,62 × 1050 × |45°|
=2720,62 × 1035,355
2. Penentuan nilai komponen pada rangkaian kedua yaitu rangkaian high
pass filter dengan model Τ.
Untuk menentukan nilai C3 dan C4, maka digunakan Persamaan (2.17) :
= 1 | 2⁄ |
=(2720,62 × 10 )(50)1 |22,5° |
=5,6345 × 101
= 17,74 8
Nilai = = = 17,74 8
Untuk menentukan nilai L2, maka digunakan Persamaan (2.16) :
= | |
=2720,62 × 1050 |45°|
=1,9238 × 1050
= 25,99 1
3. Penentuan nilai komponen pada rangkaian kedua yaitu rangkaian low pass
filter dengan model Π.
Untuk menentukan nilai C5 dan C6, maka digunakan Persamaan (2.11) :
= | 2⁄ |
=1,36031 × 10|45°|
=1,36031 × 101
= 7,351
Nilai = = = 7,35 1
Untuk menentukan nilai L3, maka digunakan Persamaan (2.10) :
= | |
=2720,62 × 1050 × |90°|
=2720,62 × 1050
= 18,37 8
4. Penentuan nilai komponen pada rangkaian kedua yaitu rangkaian high
pass filter dengan model Τ.
Untuk menentukan nilai C7 dan C8, maka digunakan Persamaan (2.17) :
= 1 | 2⁄ |
=(2720,62 × 10 )(50)1 |45°|
=1,36 031 × 101
Nilai = = = 7,351
Untuk menentukan nilai L4, maka digunakan Persamaan (2.16) :
= | |
=2720,62 × 1050 |90°|
=2720,62 × 1050
= 18,378
5. Penentuan nilai komponen pada rangkaian kedua yaitu rangkaian low pass
filter dengan model Π.
Untuk menentukan nilai C9 dan C10, maka digunakan Persamaan (2.11) :
= | 2⁄ |
=2720,62 × 10 × 50|1° 2⁄ |
=1,36031 × 10|0,5° |
=1,36031 × 100,00 87268678
= 0,064
Nilai = = = 0,06 4
= | |
=2720,62 × 1050 × |1°|
=2720,62 × 100,872620321
= 0,321
6. Penentuan nilai komponen pada rangkaian kedua yaitu rangkaian high
pass filter dengan model Τ.
Untuk menentukan nilai C11 dan C12, maka digunakan Persamaan (2.17) :
= 1 | 2⁄ |
=(2720,62 × 10 )(50)1 |45°|
=1,36 031 × 101
= 7,351
Nilai = = = 7,351
Untuk menentukan nilai L6, maka digunakan Persamaan (2.16) :
= | |
=2720,62 × 1050 |90°|
= 18,37 8
Nilai setiap komponen yang telah ditentukan untuk rangkaian high
pass-low pass phase shifter yang dirancang dapat ditunjukkan pada Tabel 3.2.
Tabel 3.2 Nilai Komponen High Pass-Low Pass Phase Shifter Untuk Frekuensi
BAB IV
ANALISIS KINERJA RANGKAIAN RF PHASE SIFTER
4.1 Umum
Bab ini akan membahas kinerja rangkaian RF phase shifter yang dirancang
menggunakan perangkat lunak Advanced Design System (ADS) versi 2011.10.
Kinerja yang akan dianalisis meliputi :
1. Phase error (S21)
2. Return loss (S11)
3. Insertion loss (S21)
Idealnya, return loss dan insertion loss memiliki nilai yang minimum pada
frekuensi tengahnya dan kemudian meningkat pada frekuensi ujungnya. Namum
keduanya memiliki tafsiran yang berbeda terhadap kata “minimum”. Nilai
minimum yang ideal untuk return loss adalah - ∞ dB, sementara nilai minimum
yang ideal untuk insertion loss adalah 0 dB.
4.2 Analisis Kinerja Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element Rangkaian phase shifter dengan lumped element yang telah dirancang
menggunakan perangkat lunak ADS yang juga mewakili bit 111111 ditunjukkan
pada Gambar 4.1. Kinerja dari rangkaian phase shifter dengan lumped element
dianalisis secara bertahap dari state pertama hingga state terakhir yaitu state ke –
Analisis kinerja rangkaian phase shifter dengan lumped element 6 bit
dibagi menjadi 64 tahapan yang akan diuraikan sebagai berikut:
1. Keadaan 000000
Pada keadaan ini, keenam blok dari rangkaian phase shifter tidak ada yang
aktif, sehingga dapat diartikan bahwa tidak ada pergeseran fasa yang terjadi pada
keadaan ini atau dengan kata lain pergeseran fasanya adalah sebesar 0°. Maka
nilai kinerja dari keadaan ini juga tidak ada atau nol.
2. Keadaan 000001
Rangkaian phase shifter dengan lumped element pada keadaan 000001
diperlihatkan pada Gambar 4.2.
Gambar 4.2 Rangkaian phase shifter dengan lumped element pada keadaan 000001
Hasil simulasi dari kinerja rangakain pada Gambar 4.2 diperlihatkan pada
Gambar 4.3. Hasil simulasi menunjukkan bahwa pergeseran fasa yang dihasilkan
adalah sebesar -179,999°, return loss -207,497 dB dan insertion loss yang sangat
(a) Pergeseran Fasa (b) Insertion Loss
(c) Return Loss
Gambar 4.3 Hasil Simulasi Perancangan Rangkaian Phase Shifter dengan
Lumped Element pada Keadaan 000001
3. Keadaan 000010
Rangkaian phase shifter dengan lumped element pada keadaan 000010
diperlihatkan pada Gambar 4.4.
Hasil simulasi dari kinerja rangakain pada Gambar 4.4 diperlihatkan pada
Gambar 4.5. Hasil simulasi menunjukkan bahwa pergeseran fasa yang dihasilkan
adalah sebesar -90,000°, return loss -107,111 dB dan insertion loss yang sangat
kecil yaitu -8,447E-11 dB.
(a) Pergeseran Fasa (b) Insertion Loss
(c) Return Loss
Gambar 4.5 Hasil Simulasi Perancangan Rangkaian Phase Shifter dengan
Lumped Element pada Keadaan 000010
Dengan cara yang sama, dilakukan simulasi terhadap rangkaian phase
shifter dengan lumped element yang telah dirancang dengan menggunakan
perangkat lunak ADS pada keadaan lainnya hingga mencapai state ke- 64 atau
keadaan 111111. Hasil simulasi dari rangkaian phase shifter dengan lumped
element 6 bit yang meliputi phase error, return loss, dan insertion loss
Tabel 4.1 Lanjutan
bahwa urutan pergeseran fasa berdasarkan urutan state tidak menghasilkan
pergeseran fasa yang berurut mulai dari 0° hingga mendekati 360°. Pergeseran
fasa yang berurut mulai dari 0° hingga mendekati 360° pada setiap state
diinginkan pergesaran fasa yang berurut mulai dari pergeseran fasa yang paling
kecil (0°) hingga pergeseran fasa yang paling besar (360°).
Tabel 4.2 Hasil Simulasi Rangkaian Phase Shifter dengan Lumped Element 6 Bit Berdasarkan Urutan Pergeseran Fasa 0° Hingga 360°
Berikut ini diuraikan analisis dari setiap kinerja rangkaian phase shifter
dengan lumped element yang dirancang bekerja pada frekuensi 433 MHz :
1. Phase Error
Hasil simulasi yang diperlihatkan pada Tabel 4.2 menunjukkan bahwa
nilai pergeseran fasa yang dihasilkan pada sebagian state sesuai dengan nilai yang
diinginkan, sementara pada sebagian state lainnya terdapat phase error sebesar
0,001 dari nilai yang diinginkan. Nilai phase error yang mendekati 0 tersebut
menunjukan nilai phase error yang sangat kecil sehingga tidak berpengaruh buruk
pada kinerja dari rangkaian phase shifter yang dirancang.
Dari hasil simulasi tersebut dapat disimpulkan bahwa rangkaian phase
shifter dengan lumped element yang dirancang pada frekuensi 433 MHz dapat
bekerja dengan baik pada frekuensi yang diinginkan.
2. Return Loss
Hasil simulasi yang diperlihatkan pada Tabel 4.2 menunjukkan bahwa
nilai return loss yang dihasilkan pada setiap state memiliki nilai minimum pada
frekuensi tengahnya sebagaimana yang terlihat pada Gambar 4.3 dan 4.5. Dari
hasil simulasi tersebut dapat disimpulkan bahwa rangkaian phase shifter dengan
lumped element yang dirancang pada frekuensi 433 MHz dapat bekerja dengan
baik pada frekuensi yang diinginkan.
3. Insertion Loss
Hasil simulasi yang diperlihatkan pada Tabel 4.2 menunjukkan bahwa
nilai insertion loss yang dihasilkan pada setiap state memiliki nilai minimum pada
frekuensi tengahnya, yaitu mendekati 0 sebagaimana yang terlihat pada Gambar
Semakin kecil nilai insertion loss maka semakin kecil pula daya yang
hilang akibat penyisipan di antara kedua port. Sehingga dari hasil simulasi
tersebut dapat disimpulkan bahwa rangkaian phase shifter dengan lumped element
yang dirancang pada frekuensi 433 MHz dapat bekerja dengan baik pada
frekuensi yang diinginkan.
4.3 Analisis Kinerja Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter Analisis rangkaian high pass-low pass phase shifter yang dirancang pada
Tugas Akhir ini terdiri dari dua rangkaian.
4.3.1 Analisis Kinerja Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit Rangkaian high pass-low pass phase shifter 2 bit yang telah dirancang
menggunakan perangkat lunak ADS ditunjukkan pada Gambar 4.6.
Gambar 4.6 Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit yang dirancang pada Frekuensi 433 MHz
Berikut ini diuraikan tahapan simulasi rangkaian high pass-low pass phase
1. Keadaan 00
Rangkaian high pas-low passphase shifter pada keadaan 00 diperlihatkan
pada Gambar 4.7. Hasil simulasi dari rangakain pada Gambar 4.7 diperlihatkan
pada Gambar 4.8.
Gambar 4.7 Rangkaian High Pass-Low PassPhase Shifter pada Keadaan 00
(a) Pergeseran Fasa (b) Insertion Loss
(c) Return Loss
