Perancangan Radio Frequency High Gain Low Noise Amplifier pada Frekuensi 2,3 GHz untuk Mobile WiMax

105

Perancangan Radio Frequency High Gain Low Noise Amplifier

pada Frekuensi 2,3 GHz untuk Mobile WiMax

Toto Supriyanto

1*

, Teguh Firmansyah

1

, dan Anton Nugroho

2

1. Teknik Telekomunikasi, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Jakarta, Depok 16425, Indonesia 2. Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia

*

E-mail: totosupr@yahoo.com

Abstrak

Dalam artikel ini membahas simulasi dan desain penguat derau rendah atau low noise amplifier (LNA) pada sistem radio frekuensi untuk aplikasi mobile worldwide interoperability for microwave access (WiMax) pada frekuensi 2,3 GHz sesuai dengan standar IEEE 802.16e. Sinyal pada sistem radio frekuensi dipancarkan dalam bentuk gelombang mikro dengan keluaran yang sangat rendah. Oleh karena itu, sistem radio penerima harus mempunyai penguat dengan penguatan yang tinggi dan derau yang serendah-rendahnya. Perangkat penguat ini yang disebut oleh LNA yang terletak pada urutan pertama dalam blok diagram penerima pada sistem radio frekuensi. LNA tersebut dirancang dengan menggunakan mikrostrip. Komponen aktif penyusunnya berupa transistor ATF-34143 produksi Agilent Technologies yang mempunyai gambaran derau (noise figure) yang kecil dan penguatan yang tinggi. Hasil akhir dari simulasi LNA memberikan noise figure sebesar 0,456 dB dan gain sebesar 36,103 dB.

Abstract

Design Radio Frequency High Gain Low Noise Amplifier At 2,3 Ghz for Application Mobile WiMax. This article discusses design and simulation of low noise amplifier (LNA) at 2.3 GHz for mobile worldwide interoperability for microwave access (WiMax) based of IEEE 802.16e standard at system of frequency radio. The signal at system of frequency radio transmitted in microwave with very low output. In consequence, the radio receiver system must have lasing with high gain and noise as low as possible. This peripheral to amplify is called by LNA that lie in first sequence in block of frequency radio receiver system diagram. LNA are designed by using microstrip. The active component its formed is transistor ATF-34143 from Agilent Technologies that have low noise figure and high gain. The final result from simulation of LNA for noise figure and gain are 0.456 dB and 36.103 dB.

Keywords: gain, LNA, mobile WiMAX, noise figure

1. Pendahuluan

Sistem komunikasi worldwide interoperability for

microwave access (WiMax) merupakan teknologi akses

nirkabel pita lebar yang memiliki kecepatan akses yang tinggi dengan jangkauan yang luas. Bagian penerima pada sistem WiMax sama halnya dengan sistem penerima radio frequency (RF) yang ditunjukkan pada Gambar 1, salah satunya adalah LNA.

Sinyal yang diterima dari pengirim lewat melalui antena dan diteruskan masuk ke bandpass filter kemudian diperkuat oleh low noise amplifier (LNA) atau penguat yang berderau rendah. LNA merupakan salah satu blok

rangkaian dalam sistem penerima RF yang digunakan untuk memperkuat sinyal [1-2].

Pada komunikasi nirkabel, LNA harus mampu menerima sinyal yang sangat lemah dari pengirim dan harus mampu memperkuat sinyal tersebut sampai

Gambar 2. Blok Rangkaian LNA

beberapa puluh dB agar dapat dicapai level yang cukup untuk diberikan ke perangkat penerima. Oleh karena itu, parameter yang perlu diperhatikan dalam merancang LNA yaitu gain, noise figure, masukan dan keluaran rangkaian penyesuai impedansi, dan kestabilan [3-4]. LNA dirancang pada frekuensi 2,3 GHz sesuai dengan standar IEEE 802.16e untuk aplikasi mobile WiMax. Karena perhatian perancangan LNA tertuju pada noise

figure secara keseluruhan pada bagian penerima RF,

hampir semua metode didasarkan pada optimasi dari performansi noise dan gain. Performansi noise dari LNA secara langsung berhubungan dengan masukan dan keluaran rangkaian penyesuai (matching). Rangkaian penyesuai biasanya dikenal dengan rangkaian penyesuai impedansi yang dirancang dengan tujuan untuk menyesuaikan masukan supaya daya yang dikirim dapat maksimum sampai ke beban [5-6]. Blok diagram LNA ditunjukkan pada Gambar 2.

2. Metode Penelitian

Sebelum melakukan perancangan, maka harus ditentukan terlebih dahulu spesifikasi yang diharapkan. Spesifikasi secara lengkap terlihat pada Tabel 1.

Untuk merancang suatu LNA, tahap pertama adalah memilih transistor sesuai spesifikasi yang disyaratkan. Hal yang harus diperhatikan adalah konsumsi daya yang rendah, noise figure, dan gain. Pemilihan transistor di sini dengan bantuan software ADS di mana terdapat

library berbagai model transistor yang dapat digunakan

untuk merancang LNA. Transistor yang dipilih adalah ATF-34143 dengan DC bias VDS = 4 V dan IDS = 60 mA. Tabel 2 menunjukkan library transistor ATF-34143 yang terdapat pada ADS [7-9].

ATF-34143 merupakan pseudomorphic high electron

mobility transistor (pHMET) yang memiliki nilai

mobilitas elektro yang tinggi dibandingkan dengan jenis FET.

Tabel 1. Spesifikasi LNA

Spesifikasi Nilai

Frekuensi 2,3 GHz [3]

Gain >10 dB [7]

Noise Figure <1 dB [7]

Input dan output return loss <-10 dB [1]

Faktor Kestabilan >1 [6]

Tabel 2. Library ATF-34143 pada ADS

Tipe model Library Sub-library Nama model

S-parameter (0,1–3,0 GHz)

S-parameter

Lib. Agilent sp_hp_ATF-34143_5_19990129

Gambar 3. Bias ATF-34143 2 Tingkat [7]

Gambar 4. Hubungan antara Faktor Kestabilan K terhadap Frekuensi pada Bias ATF-34143 2 Tingkat

Berdasarkan data sheet ATF-34143 (Gambar 3 dan 4): VDD= 9 V

VDS = 4 V

IDS = 60 mA

Dengan mengambil nilai IBB = 10 kali Igss maksimum

Igss maksimum = 300 µA Dengan demikian IBB = 10 x 300 µA = 3 mA

0,34 V 113,3 1 _{3 mA} V GS R I BB = = = Ω (1)

(

)

(

4 0,34 V

)

1220 2 _{3 mA} V V DS GS R I BB − ₋ = = = Ω (2)

(

)

(

)

(

(

)

)

3 9 4 V 79 60 3 mA DD DS DS BB V V R I I − − = = = Ω + +

(3)

Untuk besarnya kapasitas kapasitor blocking mengacu dari panduan perancangan rangkaian bias transistor pada ADS yaitu mempunyai nilai 1 µF sedangkan induktansi dari RFC sebesar 1 mH [6,9-10]. Bentuk skematik dari rangkaian bias ATF-34143 2 tingkat ditunjukkan pada Gambar 5.

Pada frekuensi 2,3 GHz, desain rangkaian matching mengikuti nilai S-parameter di bawah ini:

0 11=0,667∠−114,071 S 0 12 =0,006∠57,252 S 0 21=45,040∠164,852 S 0 22 =0,183∠−117,671 S 0 897 , 83 567 , 0 ∠ = ΓOPT

Rangkaian penyesuai (matching network) terdiri dari masukan (sumber) dan keluaran (beban) yang dirancang dengan impedansi karekteristik yang berbeda. Besarnya nilai YS dan YL bergantung pada koefisien refleksi

sumber ГS dan koefisien refleksi beban ГL. Pada LNA,

nilai YS bergantung pada nilai ГS = ГOPT [10-11].

Sehingga

Γ

S

=

Γ

OPT

=

0

,

567

∠

83

,

897

0.

Gambar 5. Skematik Bias ATF-34143 2 Tingkat

S 0156 , 0 0094 , 0 kompleks bilangan bentuk dalam 897 , 83 567 , 0 1 897 , 83 567 , 0 1 50 1 1 1 50 1 1 1 50 1 0 0 j Y Y S OPT OPT S S S − = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∠ + ∠ − = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ Γ + Γ − = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ Γ + Γ − =

Penentuan nilai admitansi beban YL sama halnya nilai

dari koefisien refleksi beban ГL ditentukan oleh Pers.

(4).

(

)(

)(

)

(

)(

)

12 21 22 11 0 0 0 0 0 0 0 (4) 1 0, 006 57, 252 45, 040 164,852 0,567 83,897 0,183 117, 671 1 0, 667 114, 071 0,567 83,897 0,3678 91, 46 OPT L OPT S S S S ∗ ⎛ Γ ⎞ Γ =⎜ + _{− Γ} ⎟ ⎝ ⎠ ⎛ ∠ ∠ ∠ ⎞ ⎜ ⎟ =_⎜ ∠ − + _⎟ ⎜ − ∠ − ∠ ⎟ ⎝ ⎠ = ∠ S 0132 , 0 0155 , 0 kompleks bilangan bentuk dalam 46 , 91 3678 , 0 1 46 , 91 3678 , 0 1 50 1 1 1 50 1 0 0 j Y Y L L L L − = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∠ + ∠ − = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ Γ + Γ − =

Langkah berikutnya menentukan rangkaian penyesuai masukan. YS = 0,0094 – j0,0156 S sehingga: untuk

λ

₄

, ( ) Ω = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = 93 , 72 0094 , 0 1 50 Re 1 50 0 0 Z Y Z S Dengan nilai: Untuk 3₈λ_, ( ) Ω = = = 1026 , 64 0156 , 0 1 Im 1 0 0 Z Y Z S

Langkah terakhir menentukan rangkaian penyesuai keluaran. Penentuan nilai impedansi karakteristik untuk rangkaian penyesuai keluaran sama halnya dengan rangkaian penyesuai masukan.

YL = 0,0155 – j0,0132 S untuk 4 λ ,

( )

Ω = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = 796 , 56 0155 , 0 1 50 Re 1 50 0 0 Z Y Z L untuk 3₈λ_,

( )

Ω = = = 75 , 75 0132 , 0 1 Im 1 0 0 Z Y Z L

Bentuk skematik sementara LNA berdasarkan impedansi karakteristik yang berbeda, ditunjukkan oleh Gambar 6.

Impedansi karakteristik pada rangkaian penyesuai masukan dan keluaran digunakan untuk menentukan panjang l dan lebar W pada mikrostrip. Bahan mikrostrip yang digunakan adalah duroid (εr = 2,23, h =

0,7874 mm). Konversi nilai Z0 menjadi panjang l dan

lebar W dilakukan secara manual dengan perhitungan matematis sesuai dengan persamaan (5) [5,7,10].

( ) ( ) ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ > ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ − + − − + − − − < − = 2 ; 61 , 0 39 , 0 1 ln 2 1 1 2 ln 1 2 2 ; 2 8 2 h W B B B h W e e h W r r r A A ε ε ε π (5) r Z B ε π 0 2 377 = (6) ( )( ) 1 2 0 0,1255 ; 0, 6 1 0,63 1 r r r W h W h λ ε λ ε ε ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ = ≥ ⎢ + − ⎥ ⎣ ⎦ (7) f s m 8 0 10 3× = λ (8)

Panjang mikrostrip l adalah l=λ/4 dan l=3λ/8, sehingga diperoleh besaran mikrostrip sebagai berikut:

Untuk nilai Z0 = 72,93 Ω. Maka nilai W1 memenuhi,

4348 , 5 23 , 2 93 , 72 2 14 , 3 377 = × × × = B Berdasarkan persamaan (5) ( ) ( ) mm 298 , 1 64847222 , 1 23 , 2 61 , 0 39 , 0 1 4348 , 5 ln 23 , 2 2 1 23 , 2 1 4348 , 5 2 ln 1 4348 , 5 14 , 3 2 1 1 1 = = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ _{− + −} × − + − × − − = W h W h W Mencari l1:

Berdasarkan persamaan (8), pada frekuensi 2,3 GHz

mm 4 , 130 3 , 2 10 3 8 0 = × = GHz s m λ Berdasarkan persamaan (7)

(

)(

)

mm 14489207 , 24 4 mm 57956827 , 96 64847222 , 1 1 23 , 2 63 , 0 1 23 , 2 23 , 2 mm 4 , 130 1 2 1 1255 , 0 = = = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − + = λ λ λ l

Gambar 6. Skematik LNA dengan Impedansi Karakteristik yang Berbeda

Sehingga secara keseluruhan mngikuti dimensi: Untuk rangkaian masukan saluran λ/4

Z0 = 72,93 Ω W1 = 1,298 mm l1 = 24,14489207 mm;

Untuk rangkaian masukan saluran 3λ/8 Z0 = 64,1026 Ω

W2 = 1,623996468 mm l2 = 35,96551098 mm;

Untuk rangkaian keluaran saluran 3λ/8 Z0 = 75,75 Ω

W3 = 1,211045376 mm l3 = 36,26771827 mm;

Untuk rangkaian keluaran saluran λ/4 Z0 = 56,796 Ω

W4 = 1,977033945 mm l4 = 29,85121938 mm.

Bentuk rangkaian mikrostrip LNA berdasarkan impedansi karakteristik yang berbeda [8,11], ditunjukkan pada Gambar 7. Secara layout terlihat pada Gambar 8.

Gambar 7. Rangkaian Mikrostrip LNA

3. Hasil dan Pembahasan

Pada hasil simulasi dan optimasi LNA dengan optimasi

circuit dengan software ADS [11], maka akan terlihat

hasil seperti pada Gambar 9. Pada Gambar 9 terlihat bahwa LNA memiliki nilai gain yang lebih besar dari spesifikasi yang diharapkan, nilai gain-nya mencapai 36,1 dB.

Sementara itu, pada Gambar 10 terlihat bahwa LNA memiliki nilai noise yang sangat rendah, yang mencapai 0,465 dB.

Gambar 11 dan 12 memperlihatkan nilai input return

loss dan output retrun loss yang mencapai kondisi yang

diharapkan yaitu kurang dari -10 dB.

Gambar 9. Hubungan antara S21 (Gain) dan S12 (Refleksi) terhadap Frekuensi

Gambar 10. Hubungan antara Noise Figure dan Noise

Figure Minimum terhadap Frekuensi pada

LNA

Gambar 11. Hubungan antara Input Return Loss (S11) terhadap Frekuensi pada LNA

Gambar 12. Hubungan antara Output Return Loss (S22) terhadap Frekuensi pada LNA setelah

Optimasi

4. Simpulan

Dari hasil penelitian ini dapat diambil beberapa kesimpulan bahwa pemilihan transistor ATF-34143 berdasarkan pada performansi noise yang rendah dan

gain yang tinggi yang disusun menjadi 2 tingkat

menyebabkan gain meningkat, noise figure mengecil dan transistor menjadi lebih stabil. Perlakuan optimasi menggunakan software ADS pada input dan output

open-circuited stub LNA mempengaruhi noise figure, gain, dan return loss. Hasil dari optimasi input dan output open-circuited stub LNA yaitu noise figure

sebesar 0,456 dB, gain sebesar 36,103 dB, serta input dan output return loss sebesar -23,892 dB dan -14,929 dB.

Daftar Acuan

[1] S.B. Dharmpatre, Thesis Master, Technology Electronics and Telecommunication Engineering, Govt. College of Engineering, Pune, India, 2006. [2] G. Gonzales, Microwave Transistor Amplifiers

Analysis and Design, Prentice-Hall, New Jersey, 1997, p.506.

[3] J. He, J.S. Yang, Y. Kim., A.S. Kim, Proceedings of the 2006 IEEE International on Behavioral Modeling and Simulation Workshop, Athens, 2006, p.138.

[4] W. Indrian, Analisis QoS WiMax IEEE 802.16e, Learning Center Institut Teknologi Telkom,

http://digilib.ittelkom.ac.id/index.php?option=com _repository&Itemid=34&task=detail&nim=11106 8006, 2008.

[5] S.Y. Liao, Microwave Devices and Circuits, Prentice-Hall, New Jersey, 1990, p.542.

[6] D.M. Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons Inc., New York, p.720.

[7] Anon., Practical Noise-Figure Measurement and Analysis for Low-Noise Amplifier Designs, Agilent Technologies, http://cp.literature.agilent.

com/litweb/pdf/5980-1916E.pdf, 2000.

[8] L. Lascari, Design Techniques for First Pass RF Board Design, Agilent EEsof EDA, Agilent

Technologies, http://cp.literature.agilent.com/ litweb/pdf/5989-9583EN.pdf, 2008.

[9] V.R. Aitha, M.K. Imam, Master’s Thesis in Electrical Engineering, School of Information Science, Computer and Electrical Engineering, Halmstad University, Sweden, 2007.

[10] Anon., RF, RFIC & Microwave Theory, Design,

http://www.odyseus.nildram.co.uk/, 2003.

[11] H. Varma, N. Kunder, K. Daruwalla K., Low Noise Amplifier Design Project [EB/OL], ELE 791 Microwave Transistor Amplifier,

http://web.syr.edu/~nkunder/Nisha%20Projects/LN A.pdf, 2007.