BAB III PERANCANGAN, REALISASI DAN SIMULASI FILTER

(1)

RANCANG BANGUN BANDPASS FILTER DENGAN SALURAN MIKROSTRIP SPESIFIKASI

TEORI Hukum, Aksioma

Formula, dll

HIPOTESIS Gambaran Konstruktif

PERANCANGAN Gambar Teknik Konstruktif Verifikasi Ukuran Bahan& Komponen

PEMBANGUNAN Verifikasi Bentuk= perakitan Komponen& bahan sesuai gambar teknik

PENGUJIAN DAN ANALISA Verifikasi Mutu

PROTOTIPE JUDUL = TUJUAN

SIMULASI Dengan Software Sonnet

Ya

BAB III

PERANCANGAN, REALISASI DAN SIMULASI FILTER

3.1 Pendahuluan

Dalam Tugas Akhir ini dirancang sebuah Bandpass Filter yang bisa di gunakan untuk laboratorium telekomunikasi. Bandpass Filter yang akan direalisasikan adalah dengan metoda Hairpin Chybyshep. Dengan alur kerjanya sebagai berikut:

Gambar 3.1 : Diagram Alir Rancang Bangun Prototipe Filter

(2)

RANCANG BANGUN BANDPASS FILTER DENGAN SALURAN MIKROSTRIP

3.2 Perancangan Konstruksi Bandpass Filter

Dalam tugas akhir ini akan di rancang dua unit Bandpass Filter dengan jumlah n yang berbeda. Hal ini akan menunjukkan pengar uh jumlah ordo dari filter dengan kemiringan dari pola bandpass itu sendiri.

Adapun spesifikasi teknis dari dua unit filter yang akan direalisasikan sebagai berikut :

Tabel 3 - 1 : Spesifikasi Teknis Filter Bandpass Filter Hairpin Parameter

Filter1 Filter2

Jenis Filter BPF Hairpin Chebyshev BPF Hairpin Chebyshev

Ripple 0,1 dB 0,1 dB

Bandwidth 400 MHz 400 MHz

Pita frekuensi pada 3 dB 2600 – 2200 MHz 2600 – 2400 MHz

Frekuensi tengah 2392 MHz 2392 M Hz

Stop band min : dB 2800 dan 2000 MHz pada 30 d B 2670 dan 2130 MHz pada 20 dB

Return Loss =14dB =14dB

Impedansi terminal 50 ? unbalance 50 ? unbalance

Konektor SMA socket female SMA socket female

Langkah –langkah perancangan konstruksi Bandpass Filter adalah sebagai berikut:

3.2.1 Pemilihan Bahan Dielektrika

Sebelum memulai perancangan konstruksi, yang harus dilakukan terlebih dahulu adalah memilih substrat yang akan digunakan. Pada Proyek Akhir ini PCB yang di gunakan adalah PCB yang banyak di jual di pasaran dengan substrat Epoxy (FR4). PCB yang digunakan memiliki ketebalan atau dalam notifikasi mikrostrip memilika h = 1,6 mm, dan dari hasil pengukuran nilai kapasitansi C (Farad) dengan menggunakan Multi Meter yang mempunyai kemampuan mengukur kapasitansi, di dapatkan er substrat = 7.53. Ini di dapatkan dengan menggunakan persamaan umum untuk

kapasitansi :

d

C=ε0ε^rA (Farad)

(3)

3.2.2 Perancangan Konstruksi BPF

Perancangan filter Bandpass Filter Hairpin berangkat dari spes ifikasi yang telah ditentukan. Langkah-langkah perancangannya adalah sebagai berikut :

1. Menentukan frekuensi tengah (fo) dan Fractional Bandwith (FBW) dengan persamaan f_o = f_L.f_H dan

2

L

H f

FBW = f − dengan f dan _L f adalah _H

frekuensi batas bawah dan batas atas. f_o = 2600.2200=2.392MHzdan

% 7 . 16 167 . 392 0 . 2

2 . 2 6 .

2 − = =

= FBW

2. Dari spesifikasi filter Chebyshev dengan ripple 0,1 dB dengan persamaan 2.15 diperoleh harga a_m dan A_m =a²_m .

Untuk ripple 0.1 dB = 10 log (am2

+1) Am2 = (10^0.1/10) – 1 = 0.0233

3. Menentukan orde filter n dari persamaan 2.15, 2.16 dan 2.17 dan transformasi dari LPF ke BPF dengan persamaan :



 −

= −

X X L H

X ω

ω ω ω ω ω

ω ω ⁰

0

' 0

Untuk Filter1 (30 dB pada ω = 2.8 GHz) _X

30 dB = 10 log [1+0.0233 cosh²(n cosh^-1 ?x)]

Di mana



 −

=

X X

x F ω

ω ω

ω ω ⁰

0

' 1

= 1.894

8 . 2

392 . 2 392 . 2

8 . 2 167 . 0

1 =



 



 −

30 dB = 10 log [1+0.0233 cosh²(n cosh^-1 1.894) [(10³-1)/0.0233]^1/2 = cosh (n cosh^-1 1.894) 207.06 = cosh (n cosh^-1 1.894)

Cosh (6.026^o) = cosh (n 1.253)

(4)

n = 4,809 5

) 253 , 1 cosh(

) 026 , 6

cosh( = ≈

Untuk Filter2 (30 dB pada ω = 2.67 GHz) _X

20 dB = 10 log [1+0.0233 cosh²(n cosh^-1 ?x)]

Di mana





−

=

X X

x F ω

ω ω

ω ω ⁰

0

' 1

= 1.317

67 . 2

392 . 2 392 . 2

67 . 2 167 . 0

1 =



 



 −

20 dB = 10 log [1+0.0233 cosh²(n cosh^-1 1.317) [(10²-1)/0.0233]^1/2 = cosh (n cosh^-1 1.317) 65.18 = cosh (n cosh^-1 1.317)

Cosh (4.87^o) = cosh (n 0.777)

n = 6.28 7

) 777 . 0 cosh(

) 87 . 4 cosh(

≈

=

4. Dengan cara melihat tabel pada lampiran A dapat diketahui nilai koefisien prototipe LPF g₀,g₁, g₂, g₃,...,g_n, g_n₊₁ dengan n adalah orde filter.

Untuk Filter1 :

g0 = g6 = 1.0 ; g1 = g5 = 1.1468 ; g2 = g4 = 1.3712 ; g3 = 1.9750

Untuk Filter2 :

g0 = g8 = 1.0 ; g1 = g7 = 1.1811 ; g2 = g6 = 1.4228 ; g3 = g5 = 2.0966 ; g4 = 1.5733

5. Untuk menghitung dimensi, jarak dan posisi tapping mikrostrip menggunakan persamaan 2.29 dan kurva pada Gambar 2.16. Sesuai gambar tersebut juga, lebar masing- masing strip yang di gunakan adalah 1 mm.

Untuk Filter1 :

6.867

167 . 0

1468 . 1

1 1

0

1 = = x =

FBW g Q_e g

(5)

0.135

3712 . 1 1468 . 1

167 . 0

2 1 5 , 4 2 ,

1 = = = =

x g

g M FBW M

0.101

9750 . 1 3712 . 1

167 . 0

3 2 4 , 3 3 ,

2 = = = =

x g

g M FBW M

Dari kurva Gambar 2.16 a maka di dapatkan jarak antar strip

”U”:

M1,2 = M4,5 = 0,135 à nilai s = 0.52 mm M2,3 = M3,4= 0.101 à nilai s = 0,845 mm

Dari kurva Gambar 2.16 b maka di dapatkan posisi tapping dari matching stub :

Qe = 6.867 à maka nilai adalah t = 7,03 Maka posisi tapping adalah = 7,03 – 



 



 +2

2 85 .

1 = 4,105 mm

Untuk Filter2 :

7.072

167 . 0

1181 . 1

1 1

0

1 = = x =

FBW g Q_e g

0.129

4228 . 1 1181 . 1

167 . 0

2 1 7 , 6 2 ,

1 = = = =

x g

g M FBW M

0.0967

0966 . 2 4228 . 1

167 . 0

3 2 6 , 5 3 ,

2 = = = =

x g

g M FBW M

0.092

5733 . 1 0966 . 2

167 . 0

4 3 5 , 4 4 ,

3 = = = =

x g

g M FBW M

Dari kurva Gambar 2.16 a maka di dapatkan jarak antar strip

”U”:

M1,2 = M6,7 = 0,129 à nilai s = 0.575 mm M2,3 = M5,6 = 0.0967à nilai s = 0.91 mm M3,4= M4,5 = 0.0967à nilai s = 0.95 mm

(6)

Dari kurva Gambar 2.16 b maka di dapatkan posisi tapping dari matching stub :

Qe = 7.072 à maka nilai adalah t = 6.96 Maka posisi tapping adalah = 6,96 – 



 



 +2

2 85 .

1 = 4,105 mm

6. Menentukan panjang saluran strip dari masing resonator ”U”. Karena kita menggunakan Stub ?/4 maka dapat di hitung sesuai perhitungan di bawah.

Sebagai langkah awal kita harus menghitung ere dari bahan.

Kita menggunakan w = 1 mm dan h = 1.6 (tinggi subsrat) dan er= 7.53 . Karena besar w/h = 1/1.6 = 0.625 = < 1, maka yang di gunakan untuk menghitung ere adalah dengan persamaan 2.2.

1

; 1

04 . 12 0

2 1 1 2

1 ¹² ² ≤











 



 

 −

 +



 

 + + −

= +

−

Wh h W W

h r

r

eff

ε ε ε











 



 

 −

 +



 

 + + −

= +

− 2

12

6 . 1 1 1 04 . 1 0

6 , 1 1 12 2

1 53 . 7 2

1 53 .

7 x

εeff

ε = 4.265 + 0.7447 = 5.0097 eff

Untuk menghitung persamaan 2.10 à ?g0 = εeff

λ0

di mana

0

0 f

= c λ

Maka 125,42mm

392 . 2

10 . 3 ⁸

0 = =

λ

Di dapat _g 56,035mm 0097

. 5

42 , 125

0 = =

λ

Sehingga ?g0/4 = 14.01mm 4

035 .

56 =

7. Lebar dari Stub feeder dapat di tentukan dengan menggunakan persamaan 2.4 – 2.6, atau dapat juga menggunakan grafik yang terdapat pada gambar 2.4 yang merupakan rangkuman untuk persamaan 2-4-2.6 dengan

(7)

beberapa nilai dari er. Dari grafik tersebut dapat di ukur lebar stub matching adalah 1.81 mm.

Sebagai rangkuman setelah dilakukan perhitungan melalui langkah-langkah di atas dapat di tampilkan:

Tabel 3 -2 : Orde filter rancangan Filter Hairpin Orde filter

Filter1 5

Filter2 7

Tabel 3 - 3 : Prototipe filter Chybeshev orde 5 dan 7 untuk ripple 0,1 dB

Hairpin g0 g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8

Filter1 1.000 1.1468 1.3712 1.9750 1.3712 1.1468 1.000

Filter2 1,0000 1,1811 1,4228 2,0966 1,5733 2,0966 1,4228 1,1811 1,0000

Tabel 3 - 4 : Spasi antar “U” untuk filter orde 5 dan 7

Hairpin S1,2 S2,3 S3,4 S4,5 S5,6 S6,7

Filter1 0.52 0.845 0.845 0.52

Filter2 0.575 0.91 0.95 0.95 0.91 0.575

3.2.3 Konstruksi Hairpin BPF

Setelah didapatkan dimensi dari Hairpin-Bandpass nya maka langkah selanjutnya adalah menggambar konstruksi BPF dengan menggunakan Sonnet.

Gambar konstruksi BPF setelah digambar dengan menggunakan Sonnet dapat dilihat pada gambar 3-2 berikut ini:

(8)

RANCANG BANGUN BANDPASS FILTER DENGAN SALURAN MIKROSTRIP Gambar 3.2 : Konstruksi Hairpin BPF1 dengan orde 5

Gambar 3.3 : Konstruksi Hairpin BPF2 dengan orde 7

3.3 Simulasi Hairpin Filter dengan Sonnet

Seteleh proses perhitungan secara tekstual maka langkah step selanjutnya yaitu mensimulasikan rancangan protipe tersebut dalam sofware analisa Sonnet. Langkah- langkah yang dibutuhkan untuk melakukan simulasi adalah sebagai berikut:

1. Menggambar konstruksi teknis dari Filter yang sudah kita dapatkan dari perhitungan di atas. Dalam Sonnet penggambaran tersebut di mulai dari menu Edit Circuit à Pilih New Circuit. Akan terbuka window drawing dengan nama aplikasi Xgeom 6.0.

1 2

0.52 0.845 0.845 0.52

13.01 14.01

3.5

4.105

1 2 1

1.8

1

3.5

1 2

14,01 13,01 4.035

3.5

1 2 1

0.575 0.91 0.95 0.95

1.81 mm

1

3.5

0.91 0.575

(9)

RANCANG BANGUN BANDPASS FILTER DENGAN SALURAN MIKROSTRIP Gambar 3.4 : Tampilan untuk membuka aplikasi drawing di Sonnet.

Selanjutnya dengan kita memilih menu New Circuit maka akan muncul tampilan berikut:

Gambar 3.5 : Tampilan ketika aplikasi drawing di Sonnet (jendela aplikasi xgeom 6.0).

(10)

Dari sinilah penggambaran konstruksi Bandpass filter di mulai. Di dalam menu-menu yang tersedia kita bisa menggambar berbagai pola bentuk misalnya bujur sangkar, donut, spiral dll. Dan yang tidak kalah pentingnya dalam penggambaran ini adalah memasukkan parameter-parameter seperti:

1. Dimensi à Ukuran Box PCB yang nantinya kita gunakan untuk menampung gambar. Kotak gambar ini di bagi-bagi dalam ukuran sel-sel yang bias kita atur dari parameter Dimensi ini.

2. Unit à Satuan yang di gunakan dalam gambar baik dalam mil, inchi maupun metrik .

3. Dielektrik layer untuk memasukkan nilai dari er , ketebalan juga rugi-rugi dari bahan yang kita gunakan.

4. Brick Material merupakan pola pembagian sebagai subsection yang berbentuk batu bata pada gambar yang kita masukkan seperti contohnya ada pola batu bata lurus , miring, diagonal dan lain- lain.

5. Metal type à Merupakan template parameter yang menampung data rugi-rugi saluran transmisi pada konduktor PCB yang di gunakan.

6. Port à menunjukkan parameter dari port baik impedansi dan lain-lain.

7. Ref. Plane/Cal. Lenghth à Parameter ini adalah untuk menentukan panjang titik acuan pengukuran port yang di gunakan. Ukuran minimal panjang dari parameter ini adalah ukuran satu sel.

8. Parallel Subsections à Menunjukkan ukuran perpotongan/persilangan parallel dari sel-sel pada kotak gambar yang di gunakan.

Setelah penggambaran Bandpass dan pemasukan nilai parameter yang telah di tetapkan maka selanjutnya kita dapat melakukan step berikutnya. Gambar yang di hasilkan oleh menu software ini adalah berekstensi .geo.

(11)

RANCANG BANGUN BANDPASS FILTER DENGAN SALURAN MIKROSTRIP Gambar 3.6 : Tampilan drawing di Sonnet.

2. Setelah semua gambar dan parameter di masukkan gambar selanjutnya adalah analisa dari step 1 di atas. Dalam Sonnet menu analisa bisa di mulai dengan dua cara yaitu yang pertama dari jendela xgeom di atas pilih File à Analyze. Lalu akan muncul jendela aplik asi dengan nama Em Control 6.0.

Gambar 3.7 : Tampilan jendela Xgeoms untuk memulai Analisa

(12)

RANCANG BANGUN BANDPASS FILTER DENGAN SALURAN MIKROSTRIP Gambar 3.8 : Tampilan jendela aplikasi em Control untuk memulai Analisa

Cara kedua untuk memulai analisa gambar bisa juga dari menu View Respon di mana nantinya akan keluar browser file berekstensi geo mana yang akan kita analisa.

Selanjutnya setelah tampilan gambar 3.8 muncul kita di haruskan memasukkan nilai frekuensi start, stop dan step. Dalam rentang frekuensi inilah simulator Sonnet akan mensimulasikan bentuk respon dari gambar yang kita masukkan. Keluaran dari aplikasi em Control 6.0 ini adalah file yang berekstensi .d .

Setelah kita pilih Tombol Run dari jendela di atas maka proses analisa akan di mulai. Bisa terlihat dari gambar di bawah.

(13)

RANCANG BANGUN BANDPASS FILTER DENGAN SALURAN MIKROSTRIP Gambar 3.9 : Tampilan jendela aplikasi em Control ketika proses analisa berlangsung

Jika proses analisa selesai di lakukan oleh aplikasi em Control dapat di lihat grafik respon dari rangkaian yang kita masukkan. Output dari hasil simulasi ini bisa di lihat dalam grafik Cartesian maupun Smith Chart.

Gambar 3.10 : Tampilan Hasil analisa em Control dalam bentuk Cartesian

(14)

RANCANG BANGUN BANDPASS FILTER DENGAN SALURAN MIKROSTRIP Gambar 3.11 : Tampilan Hasil analisa em Control dalam bentuk Smith Chart

Dalam tugas akhir ini yang dibahas nantinya adalah hasil analisa dalam bentuk Cartesian.

3.4 Realisasi Filter

Setelah semua langkah diatas di lewati, maka selanjutnya adalah realisasi dari Hairpin Filter itu sendiri. Dalam tugas akhir ini proses pencetakan PCB di lakukan oleh pihak Vendor PCB. Layout dari filter yang akan di cetak (dengan software protel) di berikan pada vendor tersebut. Jadi pihak vendor hanya mencetak PCB saja.

Gambar 3.12 – 3.13 adalah gambar yang menunjukkan hardware filter.

(15)

RANCANG BANGUN BANDPASS FILTER DENGAN SALURAN MIKROSTRIP Gambar 3.12 : Realisasi Filter hairpin Bandpass filter n = 5 (BPF1)

Gambar 3.13 : Realisasi Filter hairpin Bandpass filter n = 7 (BPF2)