ANALISIS PERANCANGAN PENGUAT DAYA RF SOLID STATE UNTUK SIKLOTRON 13 MeV MENGGUNAKAN PALLET BLF578NXP

ANALISIS PERANCANGAN PENGUAT DAYA RF SOLID STATE

UNTUK SIKLOTRON 13 MeV MENGGUNAKAN PALLET BLF578NXP

Prajitno

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Jl.Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb, Yogyakarta 55281 Email: prajit@batan.go.id

ABSTRAK

ANALISIS PERANCANGAN PENGUAT DAYA RF SOLID STATE UNTUK SIKLOTRON 13 MeV MENGGUNAKAN PALLET BLF578NXP. Telah dilakukan analisis perancangan penguat daya RF solid

state 78 MHz. 10 kWatt yang diharapkan dapat digunakan untuk siklotron proton 13 MeV. Penguat daya RF dirancang menggunakan modul pallet P1500FM49 1600 Watt sebanyak 8 buah, yang masing-masing terdiri dari penguat push-pull menggunakan teknologi LDMOS. Penggabungan modul pallet dilakukan dengan 8-way splitter dan combiner yang dirancang menggunakan kabel coaxial. Panjang kabel dihitung menggunakan software AppCad Ver. 3.0.2 buatan Agilent Technologies. Modul pallet akan dioperasikan 80% dari kemampuan daya maksimumnya, sehingga setelah digabungkan diharapkan dapat diperoleh daya RF 10240 Watt.

Kata kunci: LDMOS, penguat daya RF, siklotron, pallet

ABSTRACT

ANALYSIS OF DESIGN SOLID STATE RF POWER AMPLIFIER FOR 13 MeV CYCLOTRON USING BLF578NXP PALLET. Analysis of design solid state RF power amplifier 78 MHz 10 kWatt has been done,

RF power amplifier is expected to be used for 13 MeV proton cyclotron. RF power amplifier was designed using 8 units module pallet P1500FM49 1600 Watt, each of which consists of push-pull amplifier using LDMOS technology. Merging pallet module uses 8-way splitter and combiner using coaxial cable. Length of coaxial cable calculated by AppCad Ver. 3.0.2 software made by Agilent. Pallet module is designed to operate 80% of its maximum power capability, so that after combining 8 pallet module, RF power is expected to be obtained 10240 Watts.

Key words: LDMOS, RF power amplifier, cyclotron, pallet

PENDAHULUAN

enguat radio frekuensi (RF) berdaya tinggi telah dibangun selama bertahun-tahun menggunakan tabung elektron sedangkan teknologi solid state telah digunakan untuk penguat radio frekuensi daya rendah. Saat ini kinerja dari transistor LDMOS juga memungkinkan menggunakan teknologi solid state untuk penguat radio frekuensi berdaya tinggi(1)_{. Penguat transistor}

LDMOS bebas dari thermal runaway dan kerusakan sekunder yang mempengaruhi transistor bipolar dan LDMOS tidak memerlukan penggantian berkala seperti tabung vakum.

Pada saat ini teknologi solid state untuk penguat RF berkembang sangat cepat dan menjadi populer untuk aplikasi akselerator. Transistor RF

Laterally Diffused Metal–Oxide–Semiconductor

(LDMOS) adalah merupakan standar teknologi

pilihan dalam aplikasi industri karena: kemampuan daya yang sangat bagus, penguatan (gain), efisiensi, linearitas, keandalan dan harga murah. Transistor LDMOS juga devais pilihan dalam aplikasi akselerator dikarenakan persyaratan tambahan yang penting seperti ruggedness dan resistansi termal(2).

Oleh karena itu pada makalah ini akan dibahas analisis perancangan penguat daya RF siklotron menggunakan teknologi LDMOS yang banyak digunakan untuk aplikasi broadcast dan industri.

LDMOS telah beredar di pasar dalam bentuk modul elektronik yang disebut pallet yang terdiri dari satu atau dua LDMOS. P1500FM49 adalah modul penguat pallet yang dibuat oleh Broadcast Concept Inc. berdasar pada transistor BLF578NXP(3)_.

Apabila daya RF yang diperlukan siklotron proton 13 MeV adalah sebesar 10 kW, maka agar dapat memenuhi kebutuhan tersebut diperlukan modul pallet P1500FM49 sebanyak 8 unit yang digabung menggunakan splitter dan combiner 8-way.

TATA KERJA

Modul pallet P1500FM49

(3)

BLF578 NXP adalah tansistor LDMOS berdaya tinggi paling modern yang saat ini tersedia untuk aplikasi industri. Transistor ini dapat dioperasikan berdenyut (pulse) dengan daya 1200W pada tegangan catu 50V. Untuk aplikasi industri transistor LDMOS umumnya dioperasikan

50 Tabel Chara Funda Powe Input Powe Collec Collec Insert Powe F2 Se F3 Th Trans @44V secara daya (Gam tegang tinggi Spesif ditam Gamb

Mod

Gamb digun P1500 Spesif beriku Prosiding Pert l 1. Spesifika Electric acteristics amental outpu r Input Return Loss r Gain (1500w ctor Efficiency ctor Current ( tion Phase var r Gain (unit to econd Harmon hird Harmonic sistor Bias Cu V per fet. Adju

a kontinyu, o rendah. Pada mbar 1.) LDM gan 43 Volt i dan unggu fikasi elektri mpilkan pada T bar 1. Modul

dul pallet M

bar 2. Modul MRF173 nakan sebagai 0FM49 melal fikasi elektrik ut: temuan dan Pr Pus asi elektrik m cal Specificatio ut power w output) y (1500w outpu riation (unit to o unti) nic c urrent: Factor usment is not r oleh karena i a rangkaian p MOS diatur u t yang mem l dalam k ik modul p Tabel 1. pallet P1500F

MRF173

(4) pallet MRF1 adalah modu masukan day lui power sp kal dari MRF resentasi Ilmia sat Teknologi A Y odul pallet P1 ons (T case=2 ut) o unit) ry set to 50m required tu dikerjakan pallet P1500 untuk bekerja mberikan efi eandalan ele pallet P1500 FM49 73 ul pallet yang ya RF modul plitter (Gamb 173 adalah se ISSN 0216 -h - Penelitian D Akselerator da Yogyakarta, 4 J 1500FM49 25 C, 50 ohm Min n/a n/a 24 76 43.5 ma 40 n pada 0FM49 pada fisiensi ektrik. 0FM49 g akan pallet bar 2). ebagai - 3128

Dasar Ilmu Pen an Proses Baha Juli 2012 loaded, VS=4 Type 1500 4.0 -23 25 78 44 +/-3.5 +/-0.75 -30dB -25dB 50 • Tegangan • Impedansi • Keluaran tipikal 80W • Gain • Class • Membutuh 28 Volt. • Tidak dip rangkaian

Penyesua

gelomban

Tra direalisasika transmisi b yang sesuai suatu komp RF terdiri d λ dan termi (Gambar 3) Pan menggunak ( )

300

MHz

F

λ

=

‐ Meskipu untuk p lebih um riil. ‐ Beban ditransfo menamb dengan b Pad dari bagian frekuensi y sehingga pe ngetahuan dan an - BATAN 43 V bias=50 Max 1600 5.0 80 45.8 60 n catu i Input/output daya RF mini W hkan arus 4.0 perlukan peng n RF.

ai imped

ng (λ)

(5) ansformator an dengan erbeda denga i. Transforma ponen yang d dari saluran tr inasi pada im . njang gelomb kan persamaan ) un ¼ λ seca penyesuai im mum diguna impedansi ormasi ke bah kompone benar. da frekuensi n penyesuai yang lain pa enyesuai yang Teknologi Nuk ma) Unit W W dB dB % A dc Degrees dB dB dB ma dc = 28 Volt t = 50 ohm imum = 70W = 18dB G = AB. 0 amps pada c gaturan bias a

dansi ¼

impedan menyisipk an karakterist ator impedans digunakan da ransmisi deng mpedansi yang bang (λ) da n:

ara teori dap mpedansi kom akan penyesu kompleks s impedansi en reaktif ser operasi, pan adalah λ/4 n anjangnya ak g sempurna tid Prajitno klir 2012 ts. ms. W minimum, Gain (80W) catu tegangan atau penalaan

panjang

nsi dapat kan saluran tik impedansi si ¼ λ adalah lam rekayasa an panjang ¼ g diketahui ZL apat dihitung (1) at digunakan mpleks, tetapi uai impedansi selalu dapat riil dengan ri atau shunt njang elektrik namun untuk kan berbeda, dak diperoleh , n n

g

t n i h a ¼ L g n i i t n t k k , h

karena penyesuai ¼ λ mempunyai keterbatasan bandwidth.

Gambar 3. Penyesuai impedansi saluran transmisi λ/4.

Power divider/combiner

(6)

Power divider/combiner merupakan

komponen pasif yang digunakan untuk membagi atau menggabung daya RF, karena baik port input maupun port outputnya sesuai (match), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Dengan kata lain, power divider berfungsi sebagai reciprocal passive

device, yang dapat digunakan sebagai power

combiner. Dalam membagi daya, sebuah input

sinyal dibagi oleh power divider/combiner menjadi dua atau lebih sinyal dengan daya yang lebih kecil, hal ini diakibatkanadanya kerugian yang terjadi.

Gambar 4. Power divider dan combiner

Wilkinson power divider berfungsi

membagi sinyal masukan menjadi beberapa sinyal keluaran dengan fasa yang sama. Prinsip utamanya adalah menyediakan isolasi tinggi antar output, dengan membatasi efek dari refleksi sinyal, karena

lossless reciprocal, three-port network tidak

mempunyai port-port yang secara simultan match. Wilkinson menambahkan sebuah resistor untuk mengupayakan ketiga port keluarannya match dan secara penuh mengisolasi port 2 dari port 3 (Gambar 5) pada frekuensi tengah (fc). Keuntungannya adalah resistor tidak menimbulkan

resistive loss pada power divider/combiner,

sehingga idealnya Wilkinson divider memiliki

efisiensi 100%. Dari penjelasan di atas dapat

diketahui bahwa jenis power divider ini memiliki empat bagian yang berbeda yaitu sebagai berikut: 1. Input port (Port 1)

2. Quarter-wave transformers

3. Isolation resistors (2Zo)

4. Output ports (Port 2 dan Port 3)

Gambar 5. Spiltter 2-way

Menurut Andrei Grebennikov(6)

_i

_mpedansi

input N saluran transmisi yang masing-masing

mempunyai impedansi Zo sama, bila dihubungkan

secara parallel karakteristik impedansinya adalah:

Zo/√N (2)

Oleh karena itu pada masing-masing saluran perlu ditambahkan saluran transmisi λ/4 untuk mengubah impedansi input Zo/√N menjadi impedansi standar Zo.

Dalam combiner apabila satu atau lebih modul pallet mengalami gangguan oleh suatu sebab, keluaran daya RF Pout dan efisiensi Uc dari

combiner dapat dihitung dengan persamaan:

(

)

2 1 out

N

M

P

P

N

−

=

(3)

1

out c in

P

M

N

P

N

=

= −

(4) Keterangan : Pin = (N-M)P1,

P1 = keluaran daya RF untuk satu modul pallet

N = jumlah port masukan

M = jumlah modul pallet yang tidak berfungsi

Kabel Coaxial RFA 1-5/8”

RFA 1-5/8” adalah kabel coaxial buatan DRAKA yang digunakan untuk saluran transmisi RF, bentuk fisik seperti ditampilkan pada Gambar 6. Berdasarkan data yang dikeluarkan oleh pabrik, RFA 1-5/8” mempunyai spesifikasi elektrikal sebagai berikut(8) _:

52 1. I 2. O 4 3. D ( 4. F d 5. P

Kab

adalah untuk elektr ‐ In ‐ In ‐ Im Gamb

Kara

coax

Gamb 0

Z

=

Keter Z0 = k d1 = d d2 = d k = R a

Catu

pallet RF 15 denga (Gam Prosiding Pert Inner conduct 17.6 mm (0.69 Outer conduc 46.3 mm (1.82 Dielectric : C (1.65 in) Frequency = dB/100 m = 0 Power Rating

el coaxial R

Kabel coa h salah satu ti k saluran tra rikal sebagai b ner conductor sulation mate mpedance : 50 bar 7. Bentuk

akteristik

xial

(10) bar 8. Kabel 1 2

138

log

d

d

k

=

angan : karakteristik i diameter dalam diameter luar Relatif perm antara konduk

u Daya Pall

Sesuai den t P1500FM49 500 Watt mem an arus 44 Am APR48-ES mbar 9) adala temuan dan Pr Pus G tor : Corruga 9 in) ctor : Corruga 2 in) Cellular polyet = 100 MHz 0.643 g = 17 kW

RG-58

(9) axial RG58

ipe kabel yan ansmisi RF berikut : r ; ׎ 0,90 mm erial : PE, ׎ 2 Ω ± 2 Ω k fisik kabel c

imped

coaxial impedansi kab m konduktor b konduktor ba mitivitas (pe ktor

let

(11) ngan spesifika 9, agar dapat m merlukan catu mpere dan mas

S Energy ah suatu cat resentasi Ilmia sat Teknologi A Y Gambar 6. Be ated copper tu ated copper tu thylene, Ø 42. ., ATTENUA C/U (Gamb ng umum digu dengan spes m 2,95 mm oaxial RG-58

dansi

k

bel coaxial bagian luar agian dalam ermittivity) i asi elektrikal m mengeluarkan u tegangan 45 sukan RF 4 W Saver Re tu daya swi ISSN 0216 -h - Penelitian D Akselerator da Yogyakarta, 4 J entuk fisik kab ube, Ø ube, Ø .0 mm ATION bar 7) unakan ifikasi 8

kabel

(5) isolasi modul n daya 5 Volt Watt. ectifier itching - 3128

Dasar Ilmu Pen an Proses Baha Juli 2012 bel coaxial RF buatan Ea elektrikal se Input AC Supply Power Fact Efficiency Output DC Output DC Output Gambar 9. BIRD Direc Gambar 10. BIR menyensor (forward) pemasangan 5/8” keluar saluran tran Coupler dita ngetahuan dan an - BATAN FA 1-5/8” aton Corpora ebagai berikut 220/240 185-275 50°C [1 90-185 tor >0.99 ( >96% p >95% ( Voltage Rang (maximum) Catu daya sw ctional Coupl . BIRD Direct RD Directio daya RF yan atau arah b nnya disisipka ran penguat d nsmisi. Bentu ampilkan pad Teknologi Nuk ation dengan t : 0V, 50/60Hz ( 5V full output 122°F] V reduced out (50 – 100% ou peak (30 – 100% ou ge 43 – 57.5V 2000W @ witching “EAT ler(12) tional Coupler onal Couple ng teliti untu alik (reflecte an pada konek daya RF dan uk fisik BIRD a Gambar 10. Prajitno klir 2012 n spesifikasi (nominal) t power up to tput power utput current) utput power) V 48V TON” r er berfungsi uk arah maju ed), Alat ini ktor flange 1-kabel coaxial D Directional i o i u i -l l

PER

Powe

memb MRF1 58 de transf Gamb adalah (13) Termi frekue 8.

RANCANG

er Splitter

Power sp bagi keluaran 178. Splitter m engan panjan formator impe bar 12. Resistor y h resistor fre tipe CHF3 inations/Resis ensi tinggi, dit

Zo=50Ω

GAN

plitter 8-way n daya RF menggunakan ng λ/4 yang edansi, sepert yang digunak ekuensi tinggi 3020CBF (S stors). Bentu tampilkan pad Gamba λ/4=64Cm Zo/√8=17,68Ω y dirancang dari modul n kabel coaxia digunakan se ti ditampilkan kan dalam sp i buatan BOU Series Power uk fisik re da Gambar 11 Gambar ar 13. Tampila λ/4 λ/4 untuk pallet al RG-ebagai n pada splitter URNS r RF esistor . 12. Rancanga an hasil perhit 1. Zo= 2 6 7. Zo=50 λ/4 λ/4 λ/4 λ/4 λ/4 λ/4 Gambar 11. Un impedansi AppCad Ve Dengan me elektrikal k kabel λ/4 Gambar 13. an splitter 8-w tungan λ/4 kab =50Ω 2. Zo=50Ω 3. Zo=50Ω Z =50Ω 4. Zo=50Ω 5. Zo=50Ω 6. Zo=50Ω 0Ω . Bentuk fisik buatan BOUR ntuk menghitu digunakan er. 3.0.2 bua emasukkan p kabel coaxial = 64 cm., . way bel RG-58 C/U 50Ω 50Ω 50Ω 50Ω 50Ω 50Ω 50Ω 50Ω k resistor fre RNS ung panjang paket peran atan Agilent T parameter dar RG-58 diper seperti ditun U kuensi tinggi transformator ngkat lunak Technologies. ri spesifikasi roleh panjang njukkan pada i r k . i g a

54 RF Prosiding Pert F Input Pal temuan dan Pr Pus Gamba Gam llet resentasi Ilmia sat Teknologi A Y ar 14. Tampila mbar 15. Blok ISSN 0216 -h - Penelitian D Akselerator da Yogyakarta, 4 J an hasil perhitu k diagram ran Pallet P1500FM49 Pallet P1500FM49 Pallet P1500FM49 Pallet P1500FM49 Pallet P1500FM49 Pallet P1500FM49 Pallet P1500FM49 Pallet P1500FM49 - 3128

Dasar Ilmu Pen an Proses Baha Juli 2012 ungan λ/4 kab cangan pengu ngetahuan dan an - BATAN bel RFA 1-5/8 uat daya RF Teknologi Nuk 8” BIRD Directiona Coupler Prajitno klir 2012 al r Output 10 kW

Powe

meng dari 8 meng denga transf spesif yang dielek kabel Gamb meng pada conne kabel sepert Gamb

Peng

satu s dihub combi memb minim memp dari dipero tamba sebelu Diagr pengg sinyal diperl ketat: dalam memb

er Combine

Power co gabungkan k 8 buah modu gunakan kab an panjang formator impe Dengan fikasi elektrik terdiri dari: ktrikum dan fr λ/4 = 64 bar 14. Rancangan gunakan coax ujung kabel ector yang dip

lainnya dip ti ditampilkan

bar 16. Rancan

guat Daya R

Penguat d set yang terdir bungkan secar iner 8-way. berikan daya mum power pertimbangkan kabel dan oleh daya RF ahan diguna um dipisahka ram blok ditun

Untuk gabungan yan l output dar lukan. Mengen perhitungan m kasus terbu berikan kerugi

er

ombiner 8-wa keluaran daya ul pallet P150 bel coaxial λ/4 yang d edansi. memasukkan kal kabel co inner diamet rekuensi kerja cm., seperti n 8-way xial 1-5/8” de l coaxial dip pasang secara pasang conne n pada Gambar ngan 8-way co

RF 10 kWa

daya RF diran ri dari delapan ra paralel den Setiap mo RF minimal gain sebesar n kerugian da combiner, F total sebes akan sebaga an oleh spl njukkan pada G mendapat ng baik, keser ri modul pa nai fase, persy

sederhana m uruk, pergeser ian pada daya

ay dirancang a RF yang b 00FM49. Com tipe RFA digunakan se n parameter axial RFA 1 ter, outer dia a, diperoleh pa ditunjukkan power com engan panjan pasang 8 bua a parallel dan ctor flange r 16. ombiner

att

ncang menggu n modul palle ngan sebuah p odul harus l 1280 W, d r 24 dB. D aya yang bersu

diharapkan sar 10 kW. M ai penguat litter daya 8 Gambar 15. tkan efi ragaman amp llet yang be yaratan tidak t enunjukkan b ran fase 20 d a keluaran1,5% untuk berasal mbiner 1-5/8” ebagai dari 1-5/8”, meter, anjang pada mbiner ng λ/4, ah N-ujung 1-5/8” unakan t yang power dapat dengan Dengan umber dapat Modul awal, 8-way. fisiensi plitudo erbeda terlalu bahwa, derajat %(7)_.

KESIMP

Tra merupakan solid state. P1500FM49 memungkin tegangan bo yang dihasil namun da kebutuhan d dan mengg bertingkat. Ses pallet P150 oleh karena pallet agar digunakan t

DAFTAR

1. F. SCA Mhz Pulsed France 2. MARC Ampli Procee Canad 3. P1500 Broadc Road S 4. MRF1 Conce Medle 5. IULIA http://w 2012 6. ANDR Combi Direct (2008) 7. F. SCA Power For Th EPAC 8. RFA 1 (2006) 9. DATA http://w

2012

10. TONY Circuit (2007) 11. EATO Rectifi 12. BIRD Catalo diundu

PULAN

ansistor LDM komponen ut . Dengan me 9 yang mud nkan untuk dia olak-balik sik lkan dalam ra aya RF da dengan menam gunakan split suai dengan s 00FM49 diop a itu perlu di saat diopera tidak melebihi

R PUSTAK

ARPA DKK., Solid State d Operation, P e (2002) CO DI GIA ifiers For A edings of P da (2009) 0FM49, Pall cast Concept Suite 4 Medle 73,Pallet Am epts Inc., 1170 ey FL 33178 U AN ROSU, www.qsl.net/v REI GRE iners, Imped ional, High ) ARPA, A. FA r, Solid-State R he Eurisol Pro C, Edinburgh, S 1-5/8” Coaxia ) A SHEET, “C www.rfpart.co Y R. KUPHAL ts, Volume ) ON®, “APR fier”, Eaton Co TECHNOLO og 2008”, w uh 05 Maret 2 MOS, splitter d tama dari pen

enggunakan dah diperole aplikasikan se klotron 13 Me ancangan ini a apat ditingka mbah jumlah tter dan com spesifikasi ele perasikan pada irancang pend sikan suhu L i ketentuan.

KA

, A 2.5 Kw, L Amplifier F Proceeding of ACOMO, Sol Accelerator PAC09, Van let Amplifi ts Inc., 1170 ey FL 33178 U mplifier Modu 00 NW 102 USA (2010) Impedance va3iul/ diund EBENNIKOV dance Trans Frequency ACCO, D. ZE Rf Amplifier oton Driver, P Scotland (200 al Cable, DRA Coaxial Cable om,

diundu

LDT, “Lesson II – AC”, S R48-ES En orporation (20 OGIES GROU www.bird-tech 012. dan combiner nguat daya RF modul pallet eh di pasar, ebagai sumber eV. Daya RF adalah 10 kW, atkan sesuai modul pallet mbiner secara ktrikal modul a suhu 25o_C, dingin modul LDMOS yang Low Cost 352 For Cw And EPAC, Paris, lid State Rf Applications, ncouver, BC, ier Module, 00 NW 102 USA (2010) ule, Broadcast Road Suite 4 e Matching, duh 02 April V, Power formers and Electronics ENERE, High Development Proceedings of 06) AKA Cableteq RG58 C/U”,

uh 2 April

ns In Electric Sixth Edition ergy Saver 009) UP, “General hnologies.com r F t , r F , i t a l , l g 2 d , f , , , 2 t 4 , l r d s h t f q ,

l

c n r l m

56 ISSN 0216 - 3128 Prajitno

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah - Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2012 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 4 Juli 2012 13. BOURNS, “CHF3020CBF Series Power RF

Terminations/Resistors”, Rev.09/09, (2003)

TANYAJAWAB

Silakhudin

− Bagaimana penggunaan transistor solid state (sebagai pengganti transistor tabun) dalam kemampuan untuk memproduksi komponen-komponen di bagian hulu dari akibat power yang balik dari arah hilir akibat spark yang berlebihan pada del

Prajitno

• Perkembangan teknologi transistor

memungkinkan penggunaan LDMOS untuk aplikasi pada siklotron karena di dalam LDMOS sudah dirancang produksi terhadap daya yang dipantulkan balik ke sumber sampai dengan 1 : 13 (SWR). Selain itu LDMOS sudah banyak digunakan untuk mengganti sumber RF dari tabung elektron siklotron di banyak negara.