SENTRA IV-41
DESAIN DAN ANALISIS LOWPASS FILTER MIKROSTRIP
DENGAN METODE STEP-IMPEDANSI
Fitri Farida1, Eko Setijadi2
1. Intsitut Teknologi Sepuluh Nopermber, Surabaya 2. Intsitut Teknologi Sepuluh Nopermber , Surabaya
Kontak Person:
Filter memiliki peranan yang sangat penting pada proses pengiriman informasi dan data. Dalam proses telekomunikasi ini, filter merupakan suatu perangkat transmisi yang memiliki fungsi untuk melewatkan frekuensi yang diinginkan dan menghilangkan / melemahkan frekuensi yang tidak diinginkan. Filter low pass memiliki karakteristik melewatkan frekuensi yang lebih rendah dari frekuensi cut-off nya. Pada penelitian ini dirancang filter low pass menggunakan aproksimasi Chebychev dengan frekuensi cut off yang digunakan yaitu 10.6 GHz karena frekuensi ini adalah frekuensi cut off tinggi pada aplikasi ultra wideband. Filter didesain dengan teknologi mikrostrip yang menggunakan metode perancangan step-impedansi, yaitu dengan memadukan mikrostrip berimpedansi tinggi dan mikrostrip yang berimpedansi rendah dengan suatu panjang tertentu. Makalah ini menjelaskan perancangan filter mikrostrip dengan metode step-impedansi dan nantinya akan dapat membandingkan dimensi filter pada tiap perubahan pada ordo N dalam aproksimasi Chebycev tanpa mengurangi kemampuan kerja dari filter. Desain filter menggunakan subtrat Roger RT 5880 dengan konstanta dielektrik (εr) = 2,2 dengan ketebalan (h) = 0.508 mm dan simulasi perancangan filter menggunakan CST Microwave Studio. Hasil yang diperoleh dalam penelitian ini yaitu filter mampu melewatkan frekuensi yang lebih rendah dari frekuensi cut off. Hasil simulasi perancangan filter telah memenuhi spesifikasi yang diharapkan, yaitu nilai return loss yang ditampilkan baik dimana nilainya kurang dari -10 dB dan nilai insertion loss lebih kecil dari -3 dB.
Kata kunci: filter, low pass, step-impedansi, mikrostrip
Pendahuluan
Pada dunia telekomunikasi, filter memegang peranan yang penting dalam proses pengiriman data. Filter digunakan untuk melewatkan frekuensi yang diinginkan dan meredam frekuensi yang tidak diinginkan. Spectrum pita frekuensi elektromagnetik merupakan sumber yang terbatas dan harus dibagi untuk kebutuhan komunikasi yang berbeda – beda. Filter digunakan untuk memilih atau membatasi sinyal RF (Radio Frekuensi) atau gelombang mikro dalam batas spectral yang telah ditentukan. Aplikasi telekomunikasi yang ada memberikan batasan – batasan yang sangat kritis, untuk itu diperlukan filter yang memiliki performa kinerja yang baik, ukuran yang mini, ringan dan biaya produksi yang murah. Sesuai kriteria yang diinginkan tersebut maka perancangan filter dengan teknologi saluran transmisi mikrostrip sangat cocok digunakan [1].
Pada penelitian ini akan dilakukan perancangan dan simulasi filter lowpass yang diaproksimasikan dengan pendekatan Chebychev yang nantinya akan membandingkan ukuran dimensi dengan merubah jumlah ordonya. Teknologi perancangan menggunakan saluran transmisi mikrostrip jenis substrate Rogger 5880 dengan ketebalan h = 0.508 mm dan εr = 2.2 yang disimulasikan dengan
IV-42 SENTRA
Metode Penelitian
Lowpass filter adalah filter yang hanya melewatkan frekuensi yang lebih rendah dari frekuensi cut-off (fc). Diatas frekuensi tersebut sinyal akan diredam. Rangkaian RC Low Pass Filter dan tanggapan frekuensinya ditunjukkan pada gambar berikut ini :
Gambar 1 Rangkaian Low Pass Filter
Respon Chebyshev menunjukkan equal-ripple passband dan maksimal flat stopband. Memberikan ripple di passband, tetapi memiliki kecepatan redaman (Roll-off) lebih curam setelah cut-off frekuensi. Untuk orde yang diberikan, semakin tinggi ripple pass-band, semakin curam pula kecepatan redaman filter. Dengan meningkatnya orde filter, pengaruh dari magnitude ripple pada daerah redaman filter akan berkurang.
Gambar 2 Respon Chebychev
Realisasi LPF digunakan metode step impedansi. Perancangan filter lowpass dengan menggunakan perubahan impedansi dari saluran transmisi mikrostrip. Hal ini mudah dilakukan dengan cara mengubah lebar dari strip saluran transmisi ini dengan suatu panjang tertentu dan menggabungkannya secara berbaris seperti yang ditunjukkan oleh gambar berikut [3]
Gambar 3 (a)Struktur filter lowpass dengan perubahan lebar strip dan (b) rangkaian penggantinya.
SENTRA IV-43 (ZoC) harus lebih kecil dari 50 ohm dan potongan yang sempit (ZoL) harus lebih besar dari 50 ohm. Pada penelitian ini digunakan nilai ZoC adalah 24 ohm dan ZoL nilainya 93 ohm.
Pada perancangan ini digunakan aproksimasi Chebyshev dengan nilai tiap elemennya yaitu seperti terlihat pada table berikut [4]
Tabel 1 Nilai element untuk filter Chebyshev.
untuk nilai cutoff ternormalisasi Ωc = 1.0 serta menggunakan model L-C-L, filter yang terbentuk dari struktur impendansi tinggi-rendah-tinggi. Selanjutnya menentukan nilai tiap komponen dengan persamaan
(1)
(2)
Setelah mendapatkan lebar dari masing-masing strip (W) dan nilai permitivitas relatif efektif, Selanjutnya dihitung panjang gelombang efektif, untuk menentukan panjang dari masing-masing strip (l). Dengan pendekatan sederhana bahwa sebuah induktor dapat dibuat dari potongan mikrostrip, maka panjang dari saluran transmisi dapat dihitung dengan persamaan:
(3)
(4)
Persamaan di atas adalah sistem persamaan dengan dua variable yang saling terkait secara non-linier. Metoda solusi persamaan tidak linier ini adalah metoda iterasi, yaitu memulai dengan suatu nilai tebakan tertentu misalnya dengan lC yang didapatkan pada persamaan di atas.
Kemudian menghitung nilai lL dengan persamaan di bawah ini
(5)
Langkah selanjutnya adalah menghitung nilai lC yang telah diperbaiki dengan persamaan
IV-44 SENTRA
Hasil Penelitian dan Pembahasan
Pada perancangan awal digunakan aproksimasi Chebychev maka setelah dilakukan perhitungan didapatkan dimensi berikut ini
Table 2 ukuran dimensi filter dengan orde N = 4
Mikrostrip feed Impedansi besar Impedansi kecil Nilai impedansi 50 93 24
Lebar strip 1 mm 0,2 mm 2,1 mm Panjang patch 1 & 4 2,5 mm
Panjang patch 2 & 3 3 mm Panjang line 1 & 5 2 mm Panjang line 2, 3 dan 4 2,9 mm
Gambar 4 Desain filter orde 4 menggunakan CST
Gambar 5 Hasil simulasi
Table 2 ukuran dimensi filter dengan orde N = 3
Mikrostrip feed Impedansi besar Impedansi kecil Nilai impedansi 50 93 24
Lebar strip 1 mm 0,2 mm 2,1 mm Panjang patch 1. 2 & 3 3 mm
Panjang line 1 & 4 2 mm Panjang line 2 & 3 2,9 mm
Gambar 6 dimensi filter orde 3 menggunakan CST
SENTRA IV-45 Dari gambar diatas dapat dilihat hasil simulasi menunjukkan bahwa filter dapat melewatkan frekuensi dibawah 10.6 GHz. Dengan nilai return loss yang ditampilkan baik dimana nilainya kurang dari -10 dB dan nilai insertion loss lebih kecil dari -3 dB. Pada lowpass orde 4 performa nilai return lossnya lebih baik dari filter yang menggunakan orde 3, untuk nilai insertion loss keduanya memiliki hasil yang sama baiknya. Namun pada filter orde N = 4 dimensi filter menjadi lebih besar yaitu panjang filter 27,7 mm dan lebar 2,1 mm sedangkan orde N = 3 panjangnya 22,8 mm dan lebar 2,1 mm.
Kesimpulan
Filter lowpass dengan teknik stepped impedance memiliki kelebihan yaitu perancangan yang mudah secara teori rangkaian dan memberikan hasil yang akurat. Pemilihan orde pada perancangan filter tidak terlalu mempengaruhi kinerja filter, perbedaannya hanya terlihat pada dimensi. Semakin semakin besar nilai orde N nya maka filter memiliki performa yang baik namun menjadikan dimensinya menjadi lebih besar.
Referensi
[1] Verma Niharika Singh, Pankaj Singh Tomar. Design and Analysis of stepped impedance microstrip fractal low pass filter. Internatioanl journal of electronics and communication engineering. 2012; Vol 5, no.5, hal 603 – hal 607.
[2] Pozar David M. Microwave Engineering 3rd ed. New York: John Wiley & Sons. 2005.
[3] Pozar david M. Microwave and RF Design of Wireless Systems. New York: John Wiley & Sons. 2001.
