PERANCANGAN FILTER BAND PASS COMBLINE PADA
FREKUENSI 5.21 GHZ
Muhamad Ikbal Tawakal, Heroe Wijanto, Yuyu Wahyu
Fakultas Teknik Elektro, Pusat Penelitian Elektro dan Telekomunikasi Telkom University, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia
Bandung
Ikbalgori@students.telkomuniversity.ac.id , Heroe@telkomuniversity.ac.id , yuy@ppet.lipi.go.id
Abstrak
Dengan perkembangan teknologi dan informasi yang semakin dan kebiasaan user yang sering berpindah tempat(mobile) maka diperlukan teknologi dengan sistem nirkabel yang dapat memenuhi kebutuhan user tersebut. Salah satu teknologi dari komunikasi nirkabel adalah Wi-Fi (802.11). Karena alasan tersebut, maka perlu dibuatlah sebuah filter yang dapat mengakomodir sistem kanal dari 802.11AC yaitu band pass filter yang memiliki lebar pita 80 MHz. Pada perancangannya digunakan metode filter combline. Filter ini bekerja dengan freuensi tengah 5210 MHz. Pada filter ini digunakan respon frekuensi chebyshev ripple 2 dB, insertion loss 0,4 dB, Return loss kurang dari 15 dB dan impedansi terminal 50 ohm. Hasil pengukuran menunjukan performansi filter pada frekuensi tengah 5210 MHz dengan bandwidth 65 MHz, return loss – 30 dB lebih baik dari spesifikasi dibawah – 10 dB ,
insertion loss -4.484 dB, vswr 1.07 , dan impedansi karakteristik sebesar 56 Ohm.
Kata kunci : Filter, Resonator, Combline, Tuning Tuliskan 3-5 kata kunci dari artike anda
Abstract
On the faster development of information and technology and user habits often change places then the required technology with a wireless system that can accommodate of mobile user needs. One of the wireless communication technology is Wi-Fi (802.11). For this reason, it needs to be made a filter which can accomodate of the 802.11AC canal system is a band pass filter that has 80 MHz bandwidth. At this filter design is use combline filter. This filter works at 5210 MHz as a center frecuenc. At thit filter use chebyshev frequency response, insertion loss 0,4 dB, return loss below 15 dB and source impedance 50 ohm. The measurement result show the
performance of filter work at 5210 MHz as center frequency with 65 MHz bandwidth. Return loss -30 dB, Insertion loss -4.848 dB, VSWR 1,07 and charasteristic impedamce of filter 56 Ohm.
Keywords : Filter, Resonator, Combline, Tuning
I.
P
ENDAHULUANDengan perkembangan teknologi dan informasi yang semakin dan kebiasaan user yang sering berpindah tempat(mobile) maka diperlukan teknologi dengan sistem nirkabel yang dapat memenuhi kebutuhan user tersebut. Salah satu teknologi dari komunikasi nirkabel adalah Wi-Fi (802.11). Karena alasan tersebut, maka perlu dibuatlah sebuah filter yang dapat mengakomodir sistem kanal dari 802.11AC Karena alasan tersebut, maka perlu dibuatlah sebuah filter yang dapat megakomodir dari sistem kanal dari 802.11AC yaitu band pass filter yang memiliki lebar pita 80 MHz. Karena sistem dari pengkanalan yang sangat berdekatan maka dalam perancangan sebuah filter dibutuhkan filter yang memiliki tingkat akurasi slope yang tajam agar tidak terjadi interferensi dari kanal satu ke kanal yang lainnya.
Sebelumnya telah dilakukan perancangan filter dengan menggunakan metode combline. Pada perancangan sebelumnya menggunakan frekuensi kerja 2.5 GHz. Hasil perancangan pada percobaan sebelumnya memiliki nilai insertion loss -4.32 dB dan return loss -34 dB.
Pada perancangannya digunakan metode filter
combline. Combline adalah filter yang mempunyari struktur tersusun rapi. Filter ini bekerja pada frekuensi tengah 5210 MHz dengan lebar pita 80 MHz. Untuk mendpatkan slope yang tajam maka
digunakan respon frekuensi chebyshev dengan ripple 2 dB. Perancangan filter menggunakan software CST Studio Suite 2015. Ada 2 parameter utama untuk mengukur kinerja filter yaitu return loss dan insertion loss. Berdasarkan return loss bisa didapatkan nilai dari vswr dan impedansi karakteristik sedangkan
insertion loss menghasilkan respon phasa. Hasil perancangan diharapkan memiliki nilai return loss < 10 dB dan nilai insertion loss > 3 dB. Dengan lebar pita 80 MHz.
II.
L
ANDASANT
EORIII.A. Wifi 802.11AC
IEEE 802.11ac adalah standarisasi wireless generasi kelima yang memiliki kecepatan tiga kali lebih tinggi dari versi sebelumnya yaitu 802.11n. Standar 802.11ac WiFi telah disahkan dengan IEEE pada akhir 2013. 802.11ac memiliki kemampuan untuk menyediakan jaringan nirkabel dalam mendukung kebutuhan pengguna di masa mendatang terutama dengan perkembangan dan tuntutan pada jaringan Wi-Fi dari smartphone, tablet dan laptop.
Saat ini wifi 802.11 ac menggunakan spektrum frekuensi 5 GHz, dengan lebar bandwith maksimal adalah 160 MHz yang terdari dari 1 kanal bandwidth 80 Mhz + 1 kanal bandwidth 80 MHz. untuk band 5 Ghz terdapat beberapa regulasi frekuensi sesuai dengan regulasi setiap negara. (Jones & Matthaei, 1985)
II.B. Filter
Filter adalah suatu perangkat yang mampu meloloskan sinyal-sinyal pada band frekuensi tertentu dan meredam sinyal-sinyal diluar frekuensi tersebut[2]. Filter dapat dibagi berdasarkan daerah passband dan stopband nya. Passband merupakan daerah frekuensi yang diloloskan dan daerah frekuensi yang tidak diloloskan disebut stopband. Batas daerah passband ditandai oleh frekuensi cut-off (fc), yaitu titik saat dayanya turun setengahnya atau sebesar 3 dB dari frekuensi passband. (Pozar, 2012)
II.C. Parameter S
Parameter S adalah suatu konsep yang penting dalam desaign gelombang mikro karena mudah diukur dan bekerja dengan baik pada frekuensi tinggi. Parameter rangkaian bias dijelaskan dengan menggunakan hanya dua terminal yaitu input dan ouput. (Pozar, 2012)
Parameter S11 dan S22 merupakan koefisien refleksi sedangkan S12 dan S21 disebut koefisien transmisi . Parameter scattering merupakan persamaan dengan bentuk kompleks dan dapat dijabarkan dalam amplitude maupun fasanya. S parameter juga ditulis dalam bentuk logaritmik.
II.D. Return loss
Return loss merupakan kehilangan sejumlah daya yang dipantulkan kembali ke sumber yang diakibatkan karena gangguan transmisi atau rangkaian yang tidak matching[8]. Return loss atau RL biasanya dinyatakan sebagai rasio dalam decibel. Rasio ini adalah bentuk logaritmik dari perbandingsn daya yang dipantulkan (PR) dengan daya yang dikirimkan dari sumber (PT).Nilai RL harus sekecil mungkin,jika dalam dB harus bernilai negatif sebesar mungkin agar daya yang ditransfer secara maksimum. Return loss dinyatakan sebagai berikut (Pozar, 2012)
II.E. Insertion loss
Insertion loss (IL) adalah rugi-rugi daya yang dihasilkan karena penyisipan perangkat antara sumber dan beban. Daya yang dikirimkan dari sumber ke beban ada yang direfleksikan kembali ke sumber dan ada yang ditransfer ke beban,namun daya yang ditransfer kebeban ini sebagian akan hilang karena komponen pada rangkaian,hilangnya daya ini yang disebut insertion loss[3]. Insertion loss
merupakan rasio perbandingan antara daya yang dikirim ke beban sebelum insertion loss (PT) dengan daya yang diterima beban setelah insertion loss (PR) dalam logaritmik decibel. Nilai insertion loss harus mendekati 1 atau 0 dalam dB,sehingga daya yang diterima beban sesuai dengan daya yang dikirim ke beban[3].
II.F. Filter Combline [4]
Gambar 2.1 Susunan Combline band pass filter
Filter bandpass combline dalam bentuk slabline atau batang silinder. Resonator filter ini terdiri atas elemen-elemen saluran transmisi (transmission line) mode TEM yang dihubung singkat pada salah satu ujungnya dan dipasang kapasitor terbungkah diantara ujung lainnya dengan gound. Saluran transmisi 1 s/d n sepanjang yang dihubungkan dengan kapasitor. s/d merupakan resonator, sementara itu saluran transmisi 0 dan n+1 bukan merupakan resonator tetapi bagian sederhana dari bagian impedance-transformin pada bagian filter. Kopling antara resonator tercapai melalui fringing field atau medan limpahan antara resonator. Apabila kapasitor ada, panjang resonator akan kurang dari pada saat resonasi ( adalah panjang gelombang pada frekuensi tengah) dan kopling antar resonator yang dominan adalah medan magnet. Tetapi apabila tidak ada, panjang resonator akan menjadi pada saat resonansi dan susunan yang tidak memiliki pass-band. (Jones & Matthaei, 1985)
Sifat dari filter Combline ini adalah redaman melalui filter ini tidak terbatas untuk resonator ¼ panjang gelombang. Karena pada hal tersebut redaman diatas pass-band utama sangat tinggi dan bergantung pada apakah panjang resonator terletak pada pusat pass-band, sedangkan laju cutt-off pada sisi atas pass-band dapat dibuat sangat curam. Untuk panjang resonator yang mendekati yang terletak pada pusat pass-band, laju cutt-off diatas pass-band akan lebih curam.
III.
A
NALISIS DANP
ERANCANGANDalam perancangan Band-Pass Filter Combline
diimplementasikan untuk wi-fi 802.11AC dengan frekuensi kerja 5,21 GHz. Untuk didapatkan hasil filter yang baik maka dibutuhkan filter yang memiliki tingkat akurasi slope yang tajam untuk mengurangi
Berdasarkan filter yang dirancang pada tugas akhir ini menggunakan metodecombline dengan menggunakan kuningan sebagai teknik pembuatannya. Filter ini menggunakan jenis active filter dan respon frekuensi chebyshev. Perancangan berdasarkan pada persamaan – persamaan perancangan dari G.L. Matthaei dan kurva dari B.F. Nicholson yang merupakan penggabungan atau pengembangan kurva E.G Cristal
Setelah melalui tahap perancangan dan optimasi filter selanjutnya dilakukan pengukuran dari alat sebagai uji kelayakan dari bandpass filter yang dirancang untuk wi-fi 802.11AC tersebut. Sistem pengukurannya menggunakan alat network analyzer (NA). Data hasil pengukuran kemudian dibandingkan dengan spesifikasi awal perancangan. Pengukuran ini meliputi pengukuran Respon Frekuensi dan Respon Fasa
III.A. Spesifikasi Filter
Pada 802.11ac digunakan frekuensi tengah 5210 MHz yang merupakan frekuensi tengah dari salah satu kanal dalam 802.11AC. Penentuan lebar bandwidth yang digunakan disesuaikan dengan standarisasi dari IEEE untuk teknologi wi-fi 802.11ac. IEEE mengeluarkan standarisasi untuk wi-fi 802.11ac sendiri memiliki rentang bandwidth dari 20 MHz,30 MHz, 80 Mhz, dan 160 MHz. Untuk bandwidth 160 MHz terdiri dari 80 MHz+80MHz. Pada tugas akhir ini digunakan bandwidth 80 MHz karena pada bandwidth 20 MHz dan 40 MHz identik dengan wi-fi 802.11n dan bandwidth 80MHz sendiri merupakan salah satu kelebihan dari 802.11ac.
Impedansi yang dihasilkan pada perancangan filter dipengaruhi oleh nilai perimitivitas relatif bahan dan lebar slabline dalam menghantarkan gelombang. Nilai impedansi karakteristik sebesar 50 Ohm didesain pada konektor yang dipasang sebagai penghubung antara filter dan modul lain. Semakin kecil perbedaan nilai antara impedansi resonator dan impedansi karakteristik, maka nilai daya yang ditransfer semakin optimal. Nilai impedansi karakteristik dari kuningan adalah 76 ohmDengan impedansi karakteristik sebesar 50ohm maka didapat besar nilai koefisien pantul dan return loss pada perancangan filter 𝛤 = |𝑍0−𝑍𝐴 𝑍0+𝑍𝐴| = | 76−50 76+50| = 0,2063 𝑅𝐿 = 20 log 𝛤 = 20 log 0.2063 = −13,71 dB
Berdasarkan hasil perhitungan, maka didapat spesifikasi yang diharapkan pada perancangan sebagai berikut
Spesifikasi Nilai
Frekuensi tengah 5210 MHz
Bandwidth -3dB ≤ 80 MHz (5,17 GHz – 5.25 GHz) Bandwidth -50 dB 240 MHz (5,09 GHz – 5,33 GHz)
Insertion loss pada pass band ≤0,83dB
Return loss pada pass band ≤10 dB
Insertion loss pada stop band 50 dB
Z terminal 50 Ohm
Respon frekuensi Chebyshev Ripple 2 dB
VSWR ≤ 2
Impedansi Terminal 50 Ohm Tabel 3. 1 Spesifikasi filter
III.B. Dimensi Filter
Gambar 3.1 Dimensi Combline
Berdasarkan persamaan yang diberikan oleh
G.L Matthaei untuk perancangan filter bandpass
Combline untuk narrow bandwidth. Didapatkan nilai geometri filter seperti gambar 3.1 diatas. Selanjutnya akan dilakukan simulasi dan optimasi
III.C. Simulasi dan Optimasi Filter
Gambar 3.2 Hasil simulasi
Berdasarkan grafik 3.2 terlihat bahwa frekuensi tengah filter berada di frekuensi 4680 MHz serta nilai maksimum dari insertion loss adalah -3,44 dB . Sedangkan grafik return loss menunjukan nilai minimumnya berada pada frekuensi 4680 MHz dengan nilai return loss -4.49 dB. Dengan nilai
return loss yang lebih dari -10 dB maka filter ini belum memenuhi spesifikasi return loss kurang dari -10 dB. Berdasarkan grafik terlihat nilai dari insertion loss maupun return loss keduanya tidak sesuai dengan spesifikasi sehingga perlu dilakukan optimasi sehingga diharapkan filter dapat sesuai dengan spesifikasi awal. Setelah proses optimasi terdapat beberapa perubahan nilai dari parameter – parameter geometri filter yang ada.
Gambar 3.3 Hasil Setelah Optimasi
Perancangan filter ini menggunakan metoda combline menghasilkan kinerja filter yang cukup baik dengan frekuensi tengah berada di 5210 MHz
return loss pada simulasi sebesar -40 dB. Untuk
insertion loss tidak sesuai dengan spesifikasi yaitu sebesar -1,16 dB. Berikut merupakan penjelasan pengaruh geometri filter combline terhadap kinerja dari filter.
Gambar 3. 4 VSWR setelah optimasi
Gambar 3. 5 Impedansi setelah optimasi
Berdasarkan grafik 3.4 dan 3.5 terlihat bahwa nilai vswr di frekuensi 5210 adalah 1,21 dan 1,26 keduanya sudah memenuhi spesifikasi awal yaitu vswr kurang dari 2. Dan nilai impedamsi sebesar 48,59 ohm sudah memenuhi kategori
matching karena terdapat toleransi sebesar 2 ohm.
Gambar 3. 6 Phasa S - Parameter
Berdasarkan grafik 3.6 terlihat bahwa pada daerah pass band fasanya linier dan terjadi perubahan phasa di daerah stop band. Sesuai dengan kebutuhan filter yang haruslah linier di sisi pass band agar data yang dilewatkan tetap utuh.
IV.
K
ESIMPULAN DANS
ARANProses perancangan dan realisasi band pass filter combline menggunakan box cavity sesuai dengan persamaan G.L Matthaei dan E.G Crystal.
Band pass filter combline memiliki frekuensi tengah 5210 Mhz dan frekuensi tersebut yang dibutuhkan oleh kanal dari wifi 802.11AC. Nilai dari insertion loss sebesar -1.16 dB lebih besar dari spesifikasi dan nilai dari return loss sebesar -40 dB. Bandwidth dari band pass filter ini sebesar 64 MHz. Impedansi karakteristik yg dihasilkan sebesar 48.59 Ohm. Secara keseluruhan filter ini sudah sesuai dengan kebutuhan filter combline.
R
EFERENSIPozar, David M. 2012. Microwave Engineering. Fourth Edition. John Wiley & Son, Inc. United States.
Kinayman ,Noyan and M.I Aksun. “Modern Microwave Circuits”. Artech House Inc. 2005.
E. M. T. Jones, G. Matthaei, L Young,” Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, And Coupling Structures”, United States, 1985. Jerry, Pierre. Jacques Beneat. “Advance Design
Techniques and Realization of Microwave and RF Filters”. A. John Wiley &Sons. Chang, Kai. Lung-hwa hsieh. “Microwave Ring
Circuits and Related Structure”. A John Wiley & Sons. Inc. Second edition
Supriyanto, Toto. “Perancangan Bandpass Filter Untuk Cpe M-Wimax Menggunakan Filter Aktif Mikrostrip Hairpin”. Desember 2010 Manggala , Purwa. “Perancangan Filter Square Loop
Resonator Frekuensi 2350 MHz Untuk Aplikasi Satelit Nano ”. Juni 2015
Wahyu, Yuyu, Perancangan dan Realisasi Filter BandPass Combline Untuk Penerima GPS,ITB, Bandung.2000.
Collin, R.E, Foundation for Microwave Engineering, Mc. GrawHill. New York, 1992.
Cristal, E.G, Coupled Circular Cylindrical Rods between Parallel Ground plane, Trans. Ins. Elect. Electronics Engrs, MTT-12 Jully, 1964.
