Perancangan dan Simulasi Low Noise Amplifier untuk

matching impedance hanya diperlukan untuk band HRPT.Impedansi pada frekuensi ini didapatkan dari plot S 11 hasil simulasi sebagaimana Gambar 3. Gambar...

0 downloads 6 Views 538KB Size
Perancangan dan Simulasi Low Noise Amplifier untuk Penerima Automatic Picture Transmission dan High Resolution Picture Transmission Gunawan Wibisono

Farid Tito Andarto

Teknik Elektro, Universitas Indonesia Kampus UI Depok, 16424 [email protected]

Teknik Elektro, Universitas Indonesia Kampus UI Depok, 16424 [email protected]

Intisari—Dalam makalah ini, LNA dual band yang beroperasi pada pita frekuensi APT dengan frekuensi tengah 137,5 MHz dan HRPT dengan frekuensi tengah 1702 MHz dirancang dan dianalisa. Perancangan dibuat dengan menggabungkan BPF dual band dengan rangkaian biasing MMIC dan disimulasikan dengansoftware ADS.Dalam perancangan BPF dual band, karakteristik dual band didapatkan dengan menggunakan transformasi frekuensi. Hasil simulasi memperlihatkan bahwa S11 lebih kecil dari -10dB, gain lebih dari 18dB, NF kurang dari 0.8dB dan faktor kestabilan lebih dari 1. Kata Kunci—Dual-band LNA, APT, HRPT

I.

PENDAHULUAN

Dalam beberapa tahun terakhir penginderaan jauh satelit telah menjadi alat yang sangat diperlukan bagi para ilmuwan dan pendidik untuk mengamati atau memantau kondisi bumi.Ada banyak satelit cuaca yang memberikan informasi tentang kondisi bumi dan atmosfer.Satelit cuaca digunakan untuk memantau cuaca dan iklim bumi dari waktu ke waktu. Satelit cuaca membawa informasi kunci antara lain: a. Fisika - Doppler effects, gravity, orbital dynamics, dan sebagainya b. Ilmu tentang atmosfir – interaksi antara lautan dan atmosfir, perkembangan contrail, pergerakan awan, dan sebagainya. c. Meteorologi - Pelacakan badai real-time, studi InterTropical Convergence Zone (ITCZ), dan lain-lain. d. Geologi - Geomorfologi & identifikasi bentuk lahan, hidrologi, identifikasi & pelacakan abu vulkanik, dan lain-lain. e. Geografi – lapisan vegetasi, proses sedimentasi sungailaut, dan lain-lain. f. Ilmu pengetahuan lingkungan - Penilaian dampak dari bencana lingkungan, penilaian risiko ekologis, dan lainlain. g. Kehutanan - Pemetaan vegetasi, deteksi kebakaran, analisis mengenai dampak lingkungan, dan lain-lain.

Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Informasi (SNATI) Yogyakarta, 21 Juni 2014

I-11

h. Oceanografi – Dinamika arus laut, suhu permukaan laut, dan lain-lain. i. Penginderaan jauh - Spesifikasi Satellite & sensor, cakupan pita spektrum, dan lain-lain[3]. Salah satu satelit cuaca adalah NOAA yang mengirimkan informasi ini melalui metode “direct readout” ke stasiun bumi. Layanan yang paling populer dari Polar Orbiting Environmental Satellites (POEs)adalah data Automatic Picture Transmission (APT) dan High Resolution Picture Transmission (HRPT), sedangkandari Geostationary Operational Environmental satellites (GOES) adalah data LowRate Information Transmission (LIRT) dan GOES Variable (GVAR ). APT memiliki resolusi 4 km dan memiliki format transmisi analog.APT mentransmisikan sinyal analog pada pita frekuensi 137 MHz (frekuensi VHF) yang terdiri dari dua gambar yang dikirimkan secara bersamaan.Selama siang hari, APT mentransmisikan band 2 dan 4 (near-IR and thermal IR) dan pada malam hari APT mentransmisikan band 3 dan 4 (thermal IR).Berbeda APT yang memiliki resolusi 4 km, HRPT dengan saluran data ke-5 dengandata 10 bit memberikan keuntungan sekitar 10 kali lipat jumlah informasi yang didapat dari APT[1]. Namun, APT memiliki keuntungan lebih mudah dalam perancangan sistem untuk menerima data. Parameter transmisi APT dan HRPT untuk NOAA POEs satelit terdapat dalam Tabel l dan 2. Untuk menerima data dari APT atau HRPT diperlukan stasiun penerima di bumi.Secara umum penerima ini terdiri dari dua bagian yaitu perangkat lunak dan perangkat keras. Bagian perangkat lunak terdiri dari a.

Program untuk memperkirakan dan melacak posisi satelit cuaca dan wilayah yang menjadi cakupan satelit tersebut, misalnya dengan menggunakan software WXTRACK.

b.

Program untuk men-decode sinyal analog APT menjadi gambar, software yang digunakan WXSAT and SATSIGNAL.

Perangkat keras stasiun penerimaadalah sistem penginderaan jauh yang didasarkan pada teknik modulasi AM dan FM, dan terdiri:

ISSN: 1907 - 5022

a.

Antena omnidirectional atau directional.

b.

Penerima dengan lebar pita frekuensi IF (Intermediate Frequency) 30 hingga 45 kHz untuk APT dan 3 MHz untuk HRPT

c.

RF preamplifier dengan gain tertentu yang berada setelah antena.

d.

Komputer yang dilengkapai dengan converter analog ke digital. [2]

Diagram blok komponen stasitun penerima ditunjukkan pada Gambar 1. Blok diagram ini merupakan blok diagram yang umum dipakai dalam perancangan penerima radio superheterodyne. Salah satu bagian terpenting dalam receiver adalah Low Noise Amplifier (LNA).LNA menguatkan sinyal (memberikan gain) untuk menghindari losses di rangkaian pasif. Gain ini diperlukan untuk memberikan performansi noise figure yang bagus tetapi juga tidak mengurangi dynamic range dari gain LNA. Noise figure LNA kurang dari 0,8dB dan gain 15-20 dB cukup untuk mendeteksi sinyal APT atau HRPT [1]. TABLE I.

U.S. POES 137,5 (NOAA 16); 137,62 (NOAA 15); 137,1 (NOAA 19); 137,9125 (NOAA 18)

Frekuensi (MHz) Modulasi

+/- 17 kHz

Daya Pancar

5 Watt (36,99 dBm)

Polarisasi Antena

Right Hand Circular

Resolusi

TABLE II.

3. Dual bandLNA memiliki gain minimal 18 dB. 4. Noise figure minimal sebesar 0.8 dB.

II.

Modulasi Daya Pancar Polarisasi Antena





(1)

Dimana ωm adalah frekuensi yang ditransformasi, ωt adalah frekuensi hasil transformasi, n adalah jumlah band, ai (i=2 hingga n) adalah parameter transformasi. Persamaan transformasi frekuensi 2 band didapatkan dari persamaan (1) dengan hanya mengambil persamaan orde 2. Sehingga persamaan (1) dapat ditulis

PARAMETER TRANSMISI HRPT SATELIT POES NOAA

Parameter

DUAL BAND LNA

=

4 km

Frekuensi (MHz)

Resolusi

2. Return loss dual-band LNA <-10 dB .

A. Dual Band BPF BPF akan digunakan untuk memilih sinyal APT dan HRPT. Dari karakteristik impedansi MMIC MGA-62563 pada frekuensi APT dan HRPT bersifat kapasitif, sehingga transformasi frekuensi menggunakan tipe II [4]. Persamaan umum transformasi frekuensi tipe II adalah

Analog FM

Deviasi carier

1. Frekuensi kerja LNA hanya untuk pita APT (137,1 MHz – 137,9 MHz) dan pita HRPT (1698 MHz - 1707 MHz).

Sebelum mendesain dual band LNA, langkah awal yang dilakukan adalah mendesain dual bandBPF yang concurrentuntuk band APT dan HRPT.

PARAMETER TRANSMISI APT SATELIT POES NOAA

Parameter

Dalam penelitian ini, perancangan LNA dual band dilakukan dengan konsep transformasi frekuensi dari dual bandBPF[4]. Dual band LNA diperlukan karena APT dan HRPT memiliki frekuensi dengan band yang berbeda, APT berada di band VHF sedangkan HRPT berdara di band L. Teknologi dual band juga diperlukan untuk lebih menyederhanakan rangkaian atau memperkecil ukuran rangkaian yang diharapkan juga dapat mengurangi konsumsi daya. Tujuan penelitian ini adalah untuk merancang dual bandLNA menggunakan komponen MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) dan memiliki karakteristik :

U.S. POES 1698;1707;1702,5 Digital, Split Phase, Modulasi Fasa

=

6,35 Watt (38,03 dBm) Right Hand Circular, Left-hand Circular

(2)

atau

berdasarkan pemancar yang digunakan 1 km



+

=0

(3)

APT memiliki frekuensi 137,5 MHz (sebagai akar pertama persamaan, ω1) dan HRPT memiliki frekuensi tengah 1702,5 MHz (sebagai akar pertama persamaan kedua, ω2). Dari persamaan (2) atau (3) dapat ditentukan nilai a2 =−

(4)

dan nilai ωm adalah Gambar 1. Blok diagram penerima super heterodyne1

=

(

)

(5)

1 Gambar diambil dari Complete Wireless Design, 2nd ed., McGraw-Hill Companies, Inc., 2001

Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Informasi (SNATI) Yogyakarta, 21 Juni 2014

I-12

ISSN: 1907 - 5022

Dengan measukkan nilai ω1dan ω2,didapatkan nilai a2sebesar-1.08206E-19, ωm sebesar 939843074 atau fm sebesar 150 MHz. Jika dipilih nilai C pada IC sebesar 15pF, hasil dari transformasi frekuensi dan nilai komponen dapat dilihat pada Gambar 2.

(a) Gambar 4.Dual Band LNA yang diusulkan untuk penerima APT dan HRPT

(b) Gambar2 (a)Topologi BPF dual band dan (b) Hasil simulasi S11 and S21

B. Dual Band LNA DualbandLNAdidapatkan dengan menggabungkan rangkaian bias MMIC dengan dual bandBPF (Gambar 2a) pada bagian masukan dan keluaran MMIC.Rangkaian matching impedancebaik untuk band APT maupun HRPT diperlukan untuk mendapatkan trasfer daya yang optimal.Dalam hal ini karena impedansi APT mendekati 50Ω dan reaktansinya dapat diabaikan, sehingga rangkaian matching impedance hanya diperlukan untuk band HRPT.Impedansi pada frekuensi ini didapatkan dari plot S11 hasil simulasi sebagaimana Gambar 3.

III. HASIL Gambar rangkaian akhir yang diusulkan pada Gambar4 disimulasikan dengan menggunakan software ADS 2009 Update 1.Hasil simulasi untuk parameter-parameter S ditunjukkan pada Gambar5. Diperlihatkan pada Gambar5 bahwadual bandLNA yang diusulkandapat beroperasi pada frekuensi tengah pita APT (137,5 MHz) dan pita HRPT (1702 MHz), dan sebagaimana direncanakan, return loss LNA ini lebih kecil dari -10 dB (-14,128 pada band APT dan -38,17 pada band HRPT). Nilai return loss yang kecil memberikan keuntungan dengan adanya transfer daya optimal dari input ke output. Gambar 6menunjukkan hasil pengukuran gain S21. Pada band APT, nilai S21sebesar 22,364 dB pada frekuensi 137 MHz. Sedangkan pada band HRPT, nilai S21 sebesar 18,011 dB pada frekuensi 1702 MHz. Nilai gain baik pada band APT maupun HRPT sudah memenuhi spesifikasi yang diharapkan. Parameter yang selanjutnya dianalisa adalah noise figure.Hasil simulasi noise figureterdapat pada Gambar7, untuk APT dan HRPT masing-masing adalah 0,709 dB dan 0,801dB.Nilai-nilai ini sesuai dengan persyaratan yang disarankan NOAA.Parameter terakhir yang dianalisa pada paper ini adalah kestabilan rangkaian LNA.Pada gambar terakhir (Gambar 8), rangkaian yang diusulkan berada pada posisi unconditionally stable yang akan memberikan kemungkinan kecil untuk berosilasi. Pada frekuensi 137 MHz nilai K sebesar 1,022 dan pada frekuensi 1702 MHz nilai K sebesar 1,3. Nilai ini mencukupi spesifikasi yang diharapkan dengan memiliki faktor kestabilan K>1 pada frekuensi kerja APT dan HRPT.

Gambar 3.Smith Chart parameter S11dan impedansi band HRPT

Jika Z0 diasumsikan 50Ω, maka ZL = (16 dipilih matching impedance tipe L. Setelah perhitungan didapatkan nilai C sebesar 2.726pF sebesar 2.452nH. Gambar akhir rangkaian dual yang diusulkan diperlihatkan pada Gambar 4.

Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Informasi (SNATI) Yogyakarta, 21 Juni 2014

j2,9)Ω, dan melakukan dan nilai L band LNA

I-13

ISSN: 1907 - 5022

Gambar 5. Hasil simulasi S11 dan S22 daridual band LNA yang diusulkan Gambar 8. Hasil simulasi faktor kestabilan dari dual band LNA yang diusulkan

IV. KESIMPULAN Dual band LNA dengan MMIC yang didapatkan dengan cara frekuensi mapping dual band BPF dapat beroperasi pada dua frekuensi (pita APT dan HRPT) secara bersamaan, dirancang, dan dianalisa. Dari hasil simulasi memperlihatkan bahwa dual band LNA yang diusulkan dapat beroperasi pada dua frekuensi yang berbeda pada frekuensi tengah 137,5 MHz dan 1702 MHz. Dari hasil simulasi didapatkan return loss S11, gain S21, noise figure dan faktor kestabilan dari dual band LNA yang diusulkan memenuhi spesifikasi desain. Gain pada band HRPT masih memiliki bandwidth yang cukup lebar, sehingga rangkaian masih perlu di-tuning lagi agar bandwidth gain S21 dapat lebih sempit. PERNYATAAN Penelitian ini didanai oleh Riset Strategi Nasional Dikti tahun 2014.

Gambar 6. Hasil simulasi S12 dan S21 dari dual band LNA yang diusulkan

REFERENSI [1]

[2]

[3]

[4]

[5] [6]

Gambar 7. Hasil simulasi noise figure dari dual band LNA yang diusulkan

Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Informasi (SNATI) Yogyakarta, 21 Juni 2014

I-14

NOAA. “User's Guide for Building and Operating Environmental Satellite Receiving Stations, updated 2009,” U.S. Department Of Commerce N. Benabadji, A. Hassini and A. H. Belbachir.“Hardware and Software Considerations to Use NOAA Images,” CDER, Rev. Energ. Ren. Vol.7 (2004)1-11 Lucas Moxey,Compton Tucker,Jim Sloan,and John Chadwick. “Introducing Real-Time AVHRR-APT Satellite Imagery in the Classroom Environment,” Journal of Science Education and Technology, Vol. 13, No. 3, September 2004 Nagarjuna Nallam, and Shouri Chatterjee. “Multi-Band Frequency Transformations, Matching Networks and Amplifiers,” IEEE Transactions On Circuits And Systems—I: Regular Papers, Vol. 60, No. 6, June 2013 Cotter W. Sayre. Complete Wireless Design, 2nd ed., McGraw-Hill Companies, Inc., 2001 “MGA-62563 datasheet,” Avago Technologies

ISSN: 1907 - 5022