PERANCANGAN POWER AMPLIFIER UINTUK PEMANCAR TV PADA FREKUENSI UHF 860 MHZ [email protected]
Teknik elektro, fakultas teknik, Universitas Indonesia, depok, Indonesia
abstrak
Skripsi ini membahas perancangan dan simulasi power amplifier yang beroperasi pada channel 87 yaitu frekuensi 860 MHz dengan menggunakan transistor push-pull dan Saluran mikrostrip yang berfungsi sebagai pengganti induktor. Rangkaian input matching dan output matching dirancang khusus agar beresonansi pada frekuensi tersebut. Tujuan dari perancangan ini adalah mencapai VSWR ± 1, S21 pada nilai
antara 8-11 dB dan S11 dan S22 dibawah -10 dB. Spesifikasi penting untuk
perancangan power amplifier ini antara lain: daya keluaran 100 mWatt, daya masukan 5 - 20 mWat, arus drain yang kecil dengan tegangan supply 25 Volt, memenuhi standar kestabilan (K > 1), dan return of loss (ROL < -10 dB). Transistor yang digunakan yaitu TPV7025, sebuah transistor silikon frekuensi tinggi tipe NPN. Rancangan ini disimulasikan menggunakan program Advanced Design System (ADS).
Kata Kunci:
Televisi, Penguat Kelas AB, Saluran Mikrostrip
abstract
This thesis discusses design and simulation of power amplifier which operates at specific frequencies on channel 87 is 860 MHz simultaneously is designed. This amplifier using a transistor pushpull there and a microstrip line that serves as a substitute for an inductor. The input matching and output matching circuit is designed with a special matching network which resonates at two frequencies. The objective of this design is to achieve VSWR ± 1, S21 at a point range 8-11 dB and S11 and S22 below -10 dB for both frequencies. The other important specification for this dual band high power amplifier is: 100 mWatt output power, 5 - 20 mWatt input power, low drain flow with 25 Volt supply voltage, fulfill the stability standard (K > 1), and return of loss (ROL < -10 dB). The transistor used is TPV7025, a NPN silicon high frequency transistor. The design is simulated with Advanced Design System (ADS) software.
Keywords:
PENDAHULUAN
Penyiaran TV lokal disebarkan melalui gelombang radio UHF pada frekuensi yang antara 470-890 Mhz. Siaran TV dalam frekuensi UHF membutuhkan penguat (power amplifier ) dalam tramnsmitter nya untuk menguatan gelombang frekuensi radio yang dipancarkan.
Rangkaian power amplifier untuk menguatan gelombang analog yang
dipancarkan bdengan transistor TPV7025, yang merupakan transistor push-pull yang akan dirancang bekerja pada daerah kerja penguat kelas AB. Dipilihnya kelas AB ini didasari karena penguat yang bekerja pada kelas AB memliki kelebihan dalam menjaga keaslian bentuk sinyal input pada replika sinyal output yang dihasilkan juga memiliki nilai efisiensi yang cukup tinggi . Setelah itu dirancang rangkaian matching impedance, dihitung nilai-nilai komponen rangkaian tersebut dan dikonversikan nilai dari induktor-induktornya menjadi nilai panjang dan lebar dari saluran mikrostrip sebagai pengganti induktornya.
TINJAUAN PUSTAKA
Power amplifier adalah rangkaian elektronika yang dipakai untuk menguatkan daya atau tenaga atau menguatkan sinyal-sinyal yang lemah agar diperoleh output yang besar sesuai yang diinginkan. Pengelompokan Power amplifier dapat berdasarkan titik bias dan tipe pembiasan. Salah satu tipe dari Power amplifier adalah Power amplifier kelas AB yang bersifat linear amplifier, yaitu bersifat mempertahankan besarnya sinyal input awal yang masuk dengan sinyal keluarannya. Selain Power amplifier kelas AB, Power amplifier kelas A dan B pun memiliki sifat linear amplifier. . Power amplifier kelas AB ini dibuat bertujuan untuk membentuk penguat sinyal yang linear dengan tidak mengalami cacat (distorsi) seperti Power amplifier class A dan untuk mendapatkan efisiensi daya yang lebih baik seperti pada Power amplifier kelas B. Power amplifier class AB memiliki efisiensi daya penguatan sinyal (±60%)
dengan kualitas sinyal audio yang baik [5]. Efisiensi daya penguat kelas AB lebih tinggi daripada penguat kelas B antara efesiensi (50% - 75%). Dalam mendisain power amplifier ada beberapa karakteristik yang harus diperhatikan diantaranya yaitu: linearitas, efisiensi, daya output, kstabilan dan penguatan (gain). Karakteristik-karakteristik ini memiliki keterikatan satu dengan yang lainnya, oleh karena itu pengetahuan akan spesifikasi dari setiap karakteristik ini sangat penting dalam mendesain suatu amplifier.
Rangkaian power amplifier dapat menguatkan atau melipatgandakan sinyal input AC yang kecil disebabkan karena rangkaian tersebut mendapat tegangan DC dari luar [9]. Rangkaian DC bias berfungsi untuk menentukan titik kerja transistor yang digunakan dan akan memastikan pemberian tegangan bias persambungan antara E-B dan B-C dari BJT dengan benar [9].
Salah atu jenis rangkaian bias yang biasa digunakan pada BJT adalah rangkaian bias tetap atau fixed bias. Rangkaian ini cukup sederhana karena hanya terdiri dari dua resistor yaitu dan , dua kapasitor dan sebagai kapasitor kopling yang berfungsi untuk mengisolasi tegangan DC dari transistor menuju rangkaian sebelum dan sesudahnya namun tetap menyalurkan sinyal AC.
Matching Impedance merupakan bagian yang penting dalam merancang suatu power amplifier. Dalam perancangan rangkaian matching impedance terdapat beberapa tipe antara lainnya yaitu L-network dan phi-section. Phi-section merupakan gabungan dari dua buah rangkaian L-network. L-network tidak hanya rangkaian matching impedance yang sederhana tetapi baik untuk diaplikasikan pada rangkaian matching.
Rangkaian matching impedance berfungsi untuk memperbaiki Input Return of Loss (IRL) dan Output Return of Loss (ORL). Rangkaian matching impedance juga berfungsi untuk mencapai gain maksimum pada suatu frekuensi kerja yang diinginkan.
Return loss merupakan koefisien refleksi dalam bentuk logaritmik dan menunjukkan daya yang hilang karena saluran transmisi tidak match yaitu kondisi
ketika beban tidak sesuai sehingga daya dipantulkan kembali dari beban ke sumber ( daya yang tidak diserap oleh beban) .
Return loss pada masukan (input return loss) mengindikasikan terjadinya mismatch antara impedansi masukan (Zin) dengan impedansi karakterisitik saluran transmisi. Dalam S parameter, input return loss (S11) biasanya dinyatakan dengan satuan desibel (dB). Karena merupakan rugi-rugi daya, maka nilai S11 adalah negatif. VSWR merupakan perbandingan dari besar tegangan maksimum dengan besar tegangan minimum pada saluran. Sehingga VSWR adalah salah satu cara untuk mengukur seberapa baik saluran transmisi match dengan bebannya. Secara matematis, Dapat kita ketahui bahwa:
Pada kondisi match, ∣Γ∣= 0 , sehingga VSWR harus bernilai 1 Pada kondisi open circuit, ∣Γ∣= 1 , sehingga VSWR harus bernilai
Pada kondisi ideal, yaitu tidak ada pemantulan (saluran match secara sempurna dengan beban), VSWR akan bernilai satu. Tetapi, untuk kondisi match yang sudah dianggap bagus, VSWR bernilai lebih kecil dari dua. Untuk nilai VSWR yang masih bisa ditoleransi, seperti pada kondisi telepon selular, VSWR bernilai lebih kecil dari tiga.
Struktur umum dari mikrostrip digambarkan pada gambar 2.11 dibawah ini. Sebuah saluran mikrostrip dengan lebar W dan tebal t pada bagian atas dari substrat dielektrik yang mempunyai konstanta d ielektrik εr dengan tebal h dan bagian bawah
substrat adalah ground plane
Saluran mikrostrip memiliki beberapa keunggulan dari saluran transmisi lainnya, diantaranya :
1. Dapat bekerja pada daerah frekuensi tinggi 2. Mempunyai ukuran dimensi yang kecil
3. Biaya fabrikasinya murah sehingga dapat diproduksi dalam jumlah yang besar 4. Elemen rangkaian dapat dipasang diatas substrat
Adapun kelemahan dari saluran mikrostrip adalah : 1. Lebar pita yang kecil
2. Efisiensi yang rendah 3. Penguatannya kecil
Karena susunan mikrostrip yang terbuka bagian atasnya, distribusi medan cenderung kompleks sehingga mempengaruhi karakteristik impedansi saluran. Impedansi karakteristik sekarang bergantung pada lebar saluran penghantar W, tinggi substrat t, dan konstanta relative substrat εr
ℎ = ⎩ ⎪ ⎨ ⎪ ⎧ 8 exp( ) (2 ) − 2 ℎ ≤ 2 2 ( − 1) − ln(2 − 1) + − 1 2 ln( − 1) + 0.39 − 0.61 /ℎ ≥ 2
METODELOGI PENELITIAN
Tahap-tahap peencanaan perancangan adalah sebagai berikut :
Gambar 2 Diagram Alir Pengerjaan Tugas Akhir.
Spesifikasi power amplifier yang diinginkan pada perancangan ini dapat dilihat pada Tabel 1. Frekuensi 860 MHz dirancang untuk PA pada aplikasi teknologi UHV Power TV.
ya
tidak tidak
Perancangan Power Amplifier menggunakan software ADS
Pemilihan Transistor
Hasil Simulasi sesuai spesifikasi ?
Pemilihan Bahan Dielektrik Spesifikasi PA
Pemilihan kelas PA
Perancangan Power Amplifier Perhitungan menggunakan rumus
Mulai
Tabel 1 Spesifikasi power amplifier Frekuensi Operasi 860 MHz
Daya keluaran 100 mWatt
Daya RF masukan 5 – 20 mWatt
Gain 8 – 11 dB
Tegangan Suplai (VCC) 25 V
Tegangan Transistor (VCE) 20 V
Input Return of Loss < - 10 dB output Return of Loss < - 10 dB
Rancangan ini menggunakan transistor TPV7025 hasil pabrikan dari Motorola. Transistor ini merupakan jenis transistor BJT Silikon NPN yang dirancang untuk bekerja pada band IV dan V 470-880 Mhz dan merupakan transistor dengan jenis packed push-pull. Transistor yang digunakan pada perancangan bekerja di kelas AB. Untuk mengatur agar transistor bekerja pada kelas AB, kita melakukan perhitungan pada rangkaian bias DC dengan mengambil acuan arus IB yang berada
pada bagian agak bawah garis beban namun tidak menyentuh daerah cut-off .
Pemilihan bahan dielektrik sangat berpengaruh terhadap perancangan power amplifier, karena akan mempengaruhi lebar serta panjang dari saluran mikrostrip yang di rancang. Dielektrik yang digunakan pada perancangan ini adalah FR4, dengan spesifikasi:
Konstanta dielektrik bahan (εr) : 4.3
Tebal dielektrik (h) : 1.6 mm Tebal konduktor (t) : 0.035 mm Loss Tangent : 0.0017
Dengan Mengetahui nilai impedansi load melalui Load Pull Simulation, dapat dilakukan perhitungan untuk mengetahui nilai komponen dari rangkaian L-Network
pada input match. Dari persamaan 2.18 dapat diperoleh nilai komponen C =0,81 pF dan L = 2,25 nH
Nilai komponen phi-section pada bagian output match dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan 2.20 dan 2.22 nilai komponen =11,84 pF, = 5,7 pF dan = 2,626 Nh
HASIL SIMULASI DAN ANALISA
Power amplifier pada perancangan ini disimulasikan dengan menggunakan software Advanced Design System (ADS). merupakan simulator yang digunakan untuk menganalisa rangkaian pada gambar 3 yaitu StabFact untuk melihat nilai kestabilan, VSWR1 untuk mengetahui Voltage Standing Wave Ratio rangkaian, dan s-parameter adalah untuk melihat nilai s-parameter, PwrGain dan MaxGain untuk mengetahui besarnya penguatan maksimum yang dapat dihasilkan pada rangkaian akhir power amplifier
Suatu rangkaian power amplifier direkomendasikan dalam keadaan unconditional stable. Seperti telah dijelaskan pada bab sebelumnya bahwa untuk mengetahui apakah power amplifier yang telah dirancang telah memenuhi kriteria kestabilan atau tidak, dapat dilihat dari nilai kestabilan (K). Nilai kestabilan (K) diharapkan lebih besar dari satu, jika kondisi tersebut telah terpenuhi maka dapat dianggap power amplifier dalam keadaan unconditionally stable.
Gambar 5 Hasil simulasi S21 (gain) dan S12 (refleksi)
Secara perhitungan teori nilai G (power gain) dapat dicari apabila telah didapatkan nilai K>1, karena apabila nilai K>1 maka power amplifier ini telah berada dalam kondisi unounditional stable.
Matching impedance dari suatu rangkaian akan mempengaruhi nilai return of loss dari rangkaian tersebut. Standar return of loss dari suatu rangkaian adalah lebih kecil dari -10 dB. Rangkaian phi-matching pada output match akan mempengaruhi nilai output return of loss (ORL), sedangkan rangkaian L-network pada input match akan mempengaruhi nilai input return of loss (IRL). Power amplifier pada perancangan ini dapat dikatakan “matched” apabila telah memnenuhi standar return of loss.
Gambar 7 Hasil simulasi S22 (output return loss)
Nilai VSWR sebanding dengan nilai S11, semakin rendah nilai S11 maka nilai VSWR juga makin kecil. Nilai S11 yang semakin rendah (semakin negatif) dan nilai VSWR yang semakin kecil (semakin mendekati 1) menandakan rangkaian yang semakin mendekati match dengan impedansi karakteristik saluran,yang artinya makin sedikit rugi-rugi daya akibat pemantulan yang terjadi pada beban. Jika VSWR yang dihasilkan bernilai lebih besar dari pada 2, berarti alat tersebut tidak layak dan harus dilakukan perancangan ulang.
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil perancangan dan analisa kinerja Power Amplifier yang telah disimulasikan maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Penyusunan rangkaian matching impedance tidak mempengaruhi faktor kestabilann namun mempengaruhi gain, return loss, dan VSWR.
2. Nilai VSWR sebanding dengan nilai (S11), semakin rendah nilai S11 maka nilai VSWR juga makin kecil. Nilai (S11) yang semakin rendah (semakin negatif) dan nilai VSWR yang semakin kecil (semakin mendekati 1) menandakan rangkaian yang semakin mendekati match dengan impedansi karakteristik saluran.
3. Power amplifier ini telah mencapai kondisi stabil atau unconditional stable. Nilai parameter kestabilannya telah bernilai lebih dari satu.
DAFTAR REFERENSI
[1] Agilent Technologies. “Power Amplifier Design”. ADS RF Circuit Design Cook Book vol. 1, ver. 1. 2008.
[2] Boylestad, Robert. Electronic Devices and Circuit Theory. New Jersey: Prentice Hall, Inc. 2002.
[3] “Data-sheet TPV 7025” UHF Linear Power Transistor. 10 November 2010.
[4] Ridho, David. “Perancangan Power Amplifier Untuk Mobile Wimax Pada Frekuensi 2,3 Ghz”. Depok: Universitas Indonesia 2009.
[5] “Transistor,”Wikipedia. 27 Oktober 2010. http://en.wikipedia. org/wiki/transistor.
[6] Jia-Sheng Hong and M.J. Lancaster. "Microstrip Filters for RF/Microwave Applications".John Wiley & Sons,Inc.2001.
[7] "ADS RF CIrcuit Design Cook Book Vol. 1 Ver.1".Agilent Technologies.2008.
[8] Xie, Hongyun, et al. “A Novel Dual-Band Power Amplifier for Wireless Communication”. IEEE Explore. 12 Oktober 2010.
[9] Malvino, Albert P., “Electronic Principles”, Mc Grow-hill 2 edition, 1979.
[10] Gonzales, Guilermo. “Micriwave Trnasistor Amplifier Analysis And Design”, Prenticehall. 1997.
[11] Bowick, Christ, With John blyler and Cherly Aljuni. “RF Circuit Design”, Elsevier Inc. 2008
[12] “standing_wave_ratio”, Wikipedia <http:/en.wikipedia.org/wiki/standing_wane-ratio
