Perancangan dan Pembuatan RF downlink 436,915 MHz untuk Transmitter Satelit Nano IINUSAT-01

(1)

Abstrak— RF Downlink Satelit ini merupakan suatu RF Downlink yang dapat memancarkan sinyal dari satelit ke Ground

Station untuk komunikasi data atau suara yang

memiliki dimensi sangat kecil (nano satellite). RF

Downlink Satelit terdiri dari berbagai macam

modul seperti baseband, PAD (Packet Assembler

Disassembler), RF Downlink dan RF Uplink. RF

Downlink berfungsi memancarkan sinyal dari

satelit hingga ratusan kilometer.

Dalam perancangan dan pembuat modul RF

Downlink yang bekerja pada frekuensi

435,915MHz dan RF Downlink memiliki 2 bagian utama yaitu upconverter frekuensi dan power

amplifier . Upconverter berfungsi menaikan

frekuensi menjadi 435,915MHz dari inputan

baseband dan power amplifier berfungsi

menaikan daya sinyal. Hasil pengujian menunjukan bahwa upconverter mampu menghasilkan frekuensi center 436,915 MHz dengan daya sebesar 17,16dBm. Hasil ini sesuai dengan spesifikasi yang dibutuhkan sebagai Rf downlink untuk payload satelit IINUSAT-01. Kata Kunci : RF Downlink, payload, satelit nano,

power Amplifier

I. PENDAHULUAN emajuan teknologi satelit didunia berdampak terhadap mahasiswa-mahasiswa Indonesia yang ikut terpacu untuk turut serta dalam pengembangan satelit mahasiswa pertama di Indonesia yang bernama (Indonesia Inter-University Satellite) IINUSAT-01 [1]. Diharapkan nantinya satelit ini dapat digunakan sebagai sarana belajar dalam space engineering yang terintegrasi dalam jaringan kerjasama perguruan tinggi, serta dapat dimanfaatkan untuk kepentingan eksperimental komunikasi yang berguna untuk bantuan komunikasi darurat saat bencana, eksperimental early warning system dan informasi perikanan ke daerah nelayan.

Untuk mendukung tercapainya teknologi satelit ini maka dibutuhkan sebuah transmitter yang berguna melakukan fungsi mengirim data dari satelit ke stasiun bumi control (GS-C), sehingga dalam kondisi dimanapun dan kapanpun atau dalam keadaan darurat dapat selalu mengirimkan data ke stasiun bumi control (GS-C) dengan baik.

RF transmitter terdiri dari berbagai macam modul penyusunnya, salah satunya modul RF Downlink. RF Downlink ini bekerja di frekuensi 436,915 MHz. RF Downlink nantinya akan mencampur sinyal informasi tersebut kedalam frekuensi yang lebih tingi. Modul RF Downlink memperoleh inputan sinyal yang berasal dari baseband dan menghasilkan sinyal frekuensi radio yang telah dimodulasi yang selanjutnya akan dipancarkan melalui antenna keudara bebas.

RF Downlink terbagi menjadi 2 tahap yaitu Up-converter dan Power Ampllifier (PA), Up-Up-converter ini berguna untuk menaikkan frekuensi dari IF 10,7 MHz yang berasal dari digital-to-analog converter (DAC) dicampur dengan frekuensi carier yang lebih tinggi dan selanjutnya akan dikuatkan oleh Power Amplifier (PA) [2].

II. METODE PERANCANGAN

Pada prinsipnya Phase Lock Loop (PLL) adalah suatu feedback control rangkaian yang terdiri atas phase detector, loop filter dan voltage controlled oscillator (VCO) [5]. Peran utama PLL dipegang oleh phase detector yang bertugas membandingkan phase input signal dari VCO dengan suatu referensi dan sebagai outputnya beda phase . Kemudian voltage pada VCO mengubah frekuensi kearah memperkecil perbedaan antara sinyal referensi dengan sinyal feedback dari VCO. Bila

Gambar 1 Diagram Blok Dasar PLL [1].

Perancangan dan Pembuatan RF downlink

436,915 MHz untuk Transmitter Satelit Nano

IINUSAT-01

Musmulyadi1)_{, Gamantyo Hendrantoro}2)_{, Ir. Endroyono, DEA}3)

1) Mahasiswa Sarjana Bidang Studi Telekomunikasi Multimedia, Teknik Elektro ITS, email musmulyadi09@mhs.its.ac.id 2) Dosen Pembimbing Tugas Akhir, Teknik Elektro ITS, Surabaya 60111, email gamantyo@ee.its.ac.id

3) Dosen pembimbing Tugas Akhir, Teknik Elektro ITS, Surabaya 60111, email endroyono@ee.its.ac.id

(2)

loop menjadi locked, maka control voltage berada pada posisi dimana frekuensi rata-rata sinyal feedback tepat sama dengan frekuensi referensi.

Kesuksesan perancangan suatu PLL sebagian besar ditentukan oleh perancangan loop filter yang baik. Hal ini disebabkan pada saat terjadi perbedaan fase, phase detector akan mengeluarkan perbedaan voltage yang berubah-ubah naik turun. Loop filter harus mampu menahan goyangan voltage tersebut sehingga perubahan voltage yang masuk ke VCO menjadi mulus. Sinyal RF yang dikirim masih lemah maka dibutuhkan penguatan daya atau power amplifier agar dapat ditransmisikan ke penerima, power amplifier seperti yang ditunjukan Gambar 2.

Gambar 2 Topologi Dasar Single-ended PA [1] PA adalah komponen elektronika yang digunakan untuk menguatkan sinyal dimana parameter yang digunakan adalah tegangan dan daya tanpa mengubah nilai frekuensi.

𝐺𝑑𝐵 = 20 log 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑖𝑛 𝐺𝑑𝐵 = 10 log 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛

Topologi dasar dari suatu single-ended PA (gambar 2) yang meliputi perangkat aktif, kaki DC dan output filter atau jaringan matching impedansi [3]. rangkaian ini sangat tepat pada perancangan ini karena memiliki linearitas relatif lebih kecil, effisiensi tinggi, distorsi relatif besar dan disipasi daya yang dihasilkan relatif rendah. Linearitas sangat erat hubungannya dengan besar distorsi yang terjadi pada kaki transistor, sedangkan efisiensi menentukan besar catu daya yang dibutuhkan untuk memperoleh keluaran daya tertentu. Oleh karena itu linearitas dan efisiensi merupakan faktor yang sangat penting dalam melakukan perancangan PA.

III. PERANCANGAN RFDOWNLINK Perancangan suatu pemancar tidak hanya terdiri dari blok PA, tetapi juga terdiri dari berbagai

blok-blok lainnya yang meliputi osilator, mixer , low-level amplifier, filter, matching network, VCO (Voltage Control Oscilator) dan combiner. Namun dari berbagai blok tersebut sebenarnya hanya tersusun dari 2 bagian utama yaitu PLL frequency synthesizer dan PA. Penempatan dan pengaturan dari susunan bangunan blok-blok ini dikenal dengan arsitektur suatu pemancar.

PLL Frequency Synthesizer

Final Amplifier Modulator

9600bps PAD (AX.25+FX.25) Demodulator 1200 bps Antena UHF dan VHF RF uplink

RF downlink 436,915 MHz

Buffer&Driver Amplifier

Power Amplifier Upconverter_Frekuensi

Gambar 3. Blok Sistem RF Payload Satelit Nano A. PLL frequency synthesizer

Pada tahap ini memiliki beberapa bagian utama sebagai penyusun Up-converter yaitu Local Oscilator (LO), Voltage Controlled Oscilator (VCO), Phase Lock Loop (PLL) dan Regulator Tegangan untuk Upconverter. Bagian LO, VCO dan PLL nantinya dikumpulkan dalam 1 blok rangkaian sedangkan regulator akan dipisahkan sendiri dengan blok terpisah [3].

Desain rangkaian diatas diperoleh dari suatu Up-converter frekuensi dari transceiver IC ADF 7020 dengan berbagai modifikasi rangkaian yang dilakukan seperti melakukan pergantian crystal sebagai pembangkit frekuensinya dengan crystal 11,0952 MHz yang memiliki tingkat kestabilan frekuensi sangat tinggi, beda halnya dengan crystal-crystal yang ada dipasaran yang sering digunakan untuk mikroprosesor dan perangkat-perangkat lainnya. Modifkasi lainnya terdapat pada programmable divider yang diatur dengan logika bit sedemikian rupa agar menghasilkan keluaran frekuensi sesuai dengan yang diinginkan.

Gambar 4. Rangkaian Main Blok Upconverter Frekuensi [2].

(2) (1)

(3)

Suatu Local Oscilator (LO) yang berupa crystal 11,0952 MHz membangkitkan gelombang sinus dengan frekuensi 11,0952 MHz yang mempunyai tingkat kestabilan tinggi. Setelah gelombang dibangkitkan maka frekuensi 11,0952 MHz tersebut akan dimultiplier agar sesuai dengan frekuensi RF 436,915MHz. 𝑓𝑜𝑢𝑡 = 𝑀𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑒𝑥𝑖𝑛𝑔 × 11,0952 MHz fout = 436,915MHz 𝑀𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑒𝑥𝑖𝑛𝑔 =436 ,915MHz 11,0952 MHz = 39,3787 kali 𝑓𝑜𝑢𝑡 = 39,3787 × 11,0952 MHz = 436,915MHz

Perangcangan RF pada frekuensi 436,915 MHz, dengan banwidth 30 KHz, maka dibutuhkan sebuah Low Pass Filter (LPF) [5], komponen aktif IC ADF 7020 dengan kombinasi komponen resistor dan kapasitor seperti pada gambar 3.

Gambar 5. Low pass Filter Fc = _{2𝜋𝑅𝐶}1 (3) Dimana Fc = 436,915MHz

R = 220 Ω

Dengan menggunakan Persamaan 3, dapat mencari nilai kapasitansi (C) sebagai berikut :

436,93 x106₌ 1 2𝜋 𝑥 220𝑥 𝐶 C = _{2𝜋 𝑥 220x 436,915 x10}1 6 C = 1,6557 x 10-12 C = 1,66 pF B. PA (Power Amplifier) [2].

Gambar 6. Blok diagram IC ADF7020 [2]. Pada perancangan PA desain ini akan menggunakan 1 blok rangakaian yang menyatu dengan RF ADF7020. Spesifikasi dari driver Amplifier pada IC ADF7020 yang di rancang dapat dilihat pada table 1.

Table 1. spesifikasi driver Amplifier

No Parameter Satuan

1. Vcc 2,3 – 3,6 Volt DC

2. Frekuensi 80MHz – 650 MHz

(4)

Tabel 2. Spesifikasi Anggaran Berat [3]. Element Weight

Iinusat-01 Comment PayLoad MPL= 15-50% Mdry 2.5kg 25% MDry Spacecraft Subsystem Mss 5.5kg Attitude

control Mgnc 1kg Perbandingan dari satelit pembandi

ng

OBDH MOBDH 0.5kg Perbandin

gn dari satelit pembandi ng Thermal MTh = 2-5% MDry 0.5kg 5% MDry Power MEp 1.5kg Perbandin gn dari satelit pembandi ng Structure & Mechanisms M 12% of Sam = 8-Minj 2kg 10 % dari Mijn Margin M Mar = 5-25% of weight base on design maturity 2kg Diambil 25% Spacecraft

dry weight MMDry PL+ = Mss+MMar

10kg

Adapter M adapt 2kg Asumsi

C. Penyesuaian impedansi

Rs

L1

C1

ZL

Gambar 7. Desain Iterasi Penyesuai Impedansi Penyesuai impedansi dibuat untuk menyesuaikan impedansi rangkaian. gambar 7.

dimana : L = 18 (nH) C1 = 4,7(pF) ZL = 50 Ω

Setelah mengetahui nilai induktansi dari induktor, kemudian menentukan nilai impedansi induktor adalah :

ZL1 =2𝜋𝑓𝐿 (4) ZL1 =2𝜋. 436.915𝑥106 𝐻𝑧 . 18𝑥10−9 𝐻 ZL1 = 49,41Ω ≈ 50 Ω

Untuk menentukan nilai impedansi pada C1 :

ZC1 = _{2𝜋𝑓𝐶 1}1 (5) ZC1 = _{2𝜋.436,915𝑥10}6 1_{𝐻𝑧 . 5,6𝑥10}−12_𝐻

ZC1 = _0,015381

ZC1 = 65,0481Ω ≈ 65 Ω

Untuk menentukan nilai impedansi input dapat dirumuskan sebagai berikut :

Zin = (ZL// ZC1) + ZL1 (6) 𝑍𝑖𝑛 = (50// 65) + 49,41

𝑍𝑖𝑛 = 28,261 + 49,41 𝑍𝑖𝑛 = 77,67 Ω

ZC1 sebesar 65 Ω. Jadi C1 adalah sebagai berikut :

ZC1 = _{2𝜋𝑓 𝐶}1 1 65 Ω = 1 2. 3,14. 436,915𝑥106 .𝐶1 C1 = _{2. 3,14. 436,915𝑥10}1 ₆_{. 65}

C1 = _{1,784 𝑥 10}1 −11 C1 = 5,604 x 10-12 F C1 = 5,604 pF

Dalam perancangan ini juga di simulasikan dengan software, yang diberikan oleh analog devices ADIsimSRD Design Studio [2], dengan hasil simulasi sebagai berikut :

(5)

Gambar 8. Bentuk simulasi sinyal spectrum Analyzer

Perancangan RF downlink 436,915 MHz secara keseluruhan skematik dan layout PCB menggunakan software Eagle versi 5.1, untuk sekematik dapat dilihat pada Gambar 9.

Gambar 9. RF downlink 436,915 MHz

IV. PENGUJIAN RFDOWNLINK

Gambar 10. Diagram Blok Pengukuran RF downlink 436.915 MHz [2]. Pengujian terakhir dilakukan dengan pengujian keseluruhan sistem yang terdiri dari transmitter 436.915 MHz, Baseband (Modulator FSK 9600Hz), kemudian diamati apakah telah terintegrasi dengan baik dan mampu melakukan uji komunikasi dengan suatu receiver. Konsep pengukuran dapat dilihat pada Gambar 10.

Hasil pengukuran dapat dilihat pada gambar 11. pada frekuensi 436.915 MHz.

Gambar 11. Sinyal daya output pada frekuensi 436,915MHz -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 Frequency (kHz) -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 C o n d u c te d P o w e r ( d B m ) Spectrum Analyzer 1 AP CLRWR A UNCAL 3DB R B W 3 0 k H z V B W 1 0 0 k H z S W T 2 . 5 m s A t t 6 0 d B R e f 2 5 d B m C e n t e r 4 3 6 . 9 1 5 M H z 1 0 0 k H z / S p a n 1 M H z SGL -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 1 M a r k e r 1 [ T 1 ] 7 . 1 6 d B m 4 3 6 . 9 1 5 0 0 0 0 0 0 M H z Date: 7.MAR.9964 13:13:01

(6)

Sedangkan hasil pengukuran daya maksimum terdapat pada frekuensi 436,91428 MHz seperti yang ditunjukan pada gambar 12.

Gambar 12. Daya maksimum pada frekuensi 436,91428MHz

Dengan menggeser frekuensi sedikit-sedikit maka daya maksimum 8,62dBm terdapat pada frekuensi 436,91428MHz. Seperti yang di tunjukan pada tabel 1.

Tabel 1 Hasil Pengukuran No Frekuensi Daya input (dBm) Daya output (dBm) 1 436,900 -10 6,15 2 436,903 -10 6,20 3 436,906 -10 6,90 4 436.909 -10 7,20 5 436,912 -10 8,1 6 436,91428 -10 8,62 7 436,915 -10 7,16 8 436,918 -10 6,88 9 436,921 -10 6,40 10 436,924 -10 6,20 11 436,927 -10 7,15 12 436,930 -10 6,08

Daya output pada frekuensi center 7,16 (dBm) = 7,16

10 log

-1_(mW) = 5,2 mW Gain Amplifier = 10 log 5,2

0,1 = 17,16 dB

V. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil pengukuran dan analisa kinerja perangkat RF Downlink 436,915 MHz dengan daya 7,16dBm dapat bekerja sesuai dengan frekuensi yang diharapkan, tetapi daya output maksimum sebesar 8,60dBm pada frekuensi 436,91428 MHz , ini belum termasuk gain antenna. karena daya output belum sesuai dengan Payload satelit Nano dibutuhkan penguat tambahan.

Perangkat RF Downlink 436,915 MHz ini dapat digunakan untuk payload satelit, serta module praktikum di laboratorium.

UCAPANTERIMAKASIH

Terima kasih “Musmulyadi, ucapkan

kepada

Direktorat

Pendidikan

Tinggi,

Departemen Pendidikan dan Kebudayaan

Republik Indonesia yang telah memberikan

dukungan finansial melalui PKM –Karsa Cipta

tahun 2012 dan Penelitian Srategi Nasional

2012”.

REFERENSI

[1] Reinhold L, Pavel B. RF Circuit Design Theory and Applications. United States of America: Prentice Hall; 2000

[2] Data sheet IC ADF http//:www. analogdevices.com

[3] Team INSPIRE.2010. Tentang INSPIRE (Indonesian Nano Satellite Platform Initiative for Research and Education). ttp//:www.inspire.co.id/web. Date : December 26, 2011

[4] Browick, Chris and John Blyler. RF Circuit Design 2nd_{Edition. USA: Newnes; 2008.}

1 AP CLRWR A A t t 6 0 d B R e f 2 5 d B m C e nt er 43 6 .9 15 MH z 1 M Hz / S pa n 1 0 M Hz UNCAL 3DB R B W 3 0 0 k H z V BW 1 MH z S W T 2 . 5 m s -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 1 M a r k e r 1 [ T 1 ] 8. 62 dB m 4 3 6 . 9 1 4 2 8 0 0 0 0 M H z Date: 7.MAR.9964 13:17:01