rancang bangun penguat daya rf 88 mhz - 108 mhz …

Koesmarijanto, Rancang Bangun Penguat Daya RF, Hal 133-149

133

RANCANG BANGUN PENGUAT DAYA RF

88 MHz - 108 MHz UNTUK PENINGKATAN

DAYA PANCAR SIARAN RADIO FM

KOMUNITAS

KoesmarijantoProdi Teknik Telekomunkasi, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri

[email protected]

Abstrak

Kuat sinyal yang dipancarkan dari pemancar sangat menentukan kualitas informasi yang mampu diterima sesuai dengan sensitivitas penerima. Penguat daya yang digunakan adalah penguat klas C yang mempunyai efisiensi kurang lebih 85 %. Penguat digunakan untuk respon frekuensi atau bandwidth sempit (narrowband), karena pemancar FM mempunyai bandwidth kurang lebih 200 kHz, sesuai dengan karakteristik penguat klas C dan mempunyai rangkaian resonan dan dapat diresonansikan sesuai dengan frekuensi kerja pemancar FM dengan mengatur (tunning) rangkaian resonansinya.Tujuan penelitian adalah merancang dan membuat penguat daya pada bidang very high frequency dengan frekuensi 88 MHz - 108 MHz digunakan pada pemancar FM komunitas.Hasil pengukuran penguat daya RF klas C dua tingkat dengan input 17 dBm (50,12 mW) menghasilkan daya keluaran penguat sebesar 16 Wattatau 25,04 dB, sedangkan untuk respon frekuensi mulai 94,8 MHz sampai 109,5 MHz. Penguat daya RF klas C bekerja mulai frekuensi 94,5 MHz sampai 109,5 MHz dengan daya output konstan sebesar 16 Watt (25,04 dB) dengan sensitivitas 14 dBm (25,12 mW).Kata kunci : frekuensi, bandwidth, klas C, dB

Abstract

The strength of the signal emitted from the transmitter greatly determines the quality of information that is able to be received in accordance with the receiver's sensitivity. The power amplifier used is a Class C amplifier which has an efficiency of approximately 85%. The amplifier is used for frequency response or narrowband, because the FM transmitter has a

Jurnal ELTEK, Vol 15 No 02, April 2017 ISSN 1693-4024

134

bandwidth of approximately 200 kHz, according to the characteristics of class C amplifier and has a resonant circuit and can be resonated according to the working frequency of the FM transmitter by adjusting the resonance circuit.The research objective is to design and make a power amplifier in the very high frequency field with a frequency of 88 MHz - 108 MHz used in the FM transmitter community.The measurement results of two-level C class RF power amplifier with input of 17 dBm (50.12 mW) produce amplifier output power of 16 Watt or 25.04 dB, while for frequency response ranging from 94.8 MHz to 109.5 MHz. The RF Class C power amplifier works from 94.5 MHz to 109.5 MHz with a constant output power of 16 Watt (25.04 dB) with a sensitivity of 14 dBm.Keywords : frequency, bandwidth, class C, dB

1. PENDAHULUAN

Penguat daya RF adalah komponen kunci yang digunakan dalam sistem komunikasi nirkabel, peralatan medis, dan aerospace dan area pertahanan. Karakterisasi kinerja dasar dari penguat RF merupakan tahapan yang harus memenuhi spesifikasi kinerja penguat daya RF (Johansson, Ted. et al. 2012). Sistem komunikasi radio digunakan untuk membawa informasi dari suatu tempa ke tempat. Informasi yang dibawa dalam bentuk gelombang elektromagnet dapat berisi audio, video, data, teleteks, dan sebagainya. Pada dasarnya sistem komunikasi radio terdiri dari tiga elemen utama, yaitu informasi yang akan dibawa, pengirim(transmitter), dan penerima (receiver) (Nugroho, Sapto. et al.2003).

Pemancar dengan daya yang besar ditentukan oleh penguat daya radio frequency (RF) yang digunakan. Pemancar pada umumnya mempunyai daya keluaran kecil. Pemancar berdaya besar relatif sulit dibuat selain harganya juga sangat mahal. Salah satu modul yang mempunyai fungsi penting adalah penguat daya. Penguat daya berfungsi untuk meningkatkan level daya sinyal sebelum dipancarkan melalui antena (Taryana Y. et al. 2016). Penguat daya (power amplifier) berfungsi untuk meningkatkanlevel daya sinyal pada masukan di rentang frekuensi yang telah ditentukan sampai dengan level daya yang diinginkan pada


135

keluarannya (Colantino, Paolo. et al. 2009). Daya siaran radio komunitas mempunyai daya relatif kecil sehingga jarak jangkau juga relatif dekat. Untuk menambah jarak jangkau dengan meningkatkan daya pancar dari radio tersebut.

Penggunaan pemancar secara umum, keluaran daya rf dan frekuensi kerja yang telah ditentukan berdasarkan ketentuan pemerintah. Pemancar dengan spesifikasi daya keluaran tertentu dengan frekuensi kerja fc1 tidak akan dapat menghasilkan daya keluaran yang sama apabila dikerjakan pada frekuensi selain fc1.

2. TINJAUAN PUSTAKA2.1 Penguat Daya RF

Penguat RF merupakan perangkat yang berfungsi memperkuat sinyal frekuensi tinggi yang dihasilkan osilator RF dan diterima oleh antena untuk dipancarkan. Penguat RF ideal harus menunjukkan tingkat penguatan daya yang tinggi, gambaran noise yang rendah, stabilitas dinamis yang baik, dan selektivitas yang cukup untuk mencegah masuknya frekuensi yang tidak diinginkan, frekuensi bayangan, dan frekuensi lainnya. Pada penguat RF umumnya menggunakan penguat kelas A dan kelas C. Secara umum, penguat RF lengkap terdiri dari tiga buah tingkatan, yaitu buffer, driver, dan final amplifier (Rohmah, Yuyun Siti. et al. 2015).

Beberapa jenis penguat daya RF (PA) yakni klas A, AB, B, dan C. Penguat klas C, biasanya dibagi menjadi tiga kategori : a) Penguat klas C sumber arus (underdriven), b) Penguat klas C jenuh (atau overdrive), dan c) Penguat klas C mixed-mode. Dengan pengecualian Penguat klas C mixed-mode yang berperilaku agak berbeda, sirkuit lain memiliki fitur-fitur umum memiliki skema sirkuit kolektor dasar yang sama, seperti yang ditunjukkan Gambar 1.

GAMBAR 1. RANGKAIAN DASAR PENGUAT KLAS A, AB, B ATAU C SINGLE-ENDED


136

2.2 Penguat Daya Klas C

Penguat kelas C bekerja dengan transistor yang diberi prategangan di bawah titik cut-off. Sudut konduksi pada penguat kelas ini adalah kurang dari 1800, sehingga sinyal output hanya mengalir kurang dari setengah siklus sinyal input. Penguat kelas C tidak lagi bersifat linear. Efisiensinya merupakan yang paling baik dari pada kelas-kelas penguat yang lain yaitu mendekati 85% atau idealnya 100% (Malvino, 206: 303).

GAMBAR 2. PENGUAT KLAS C YANG DIBIAS REVERSE.SUMBER: PETER C.L.YIP, 1995: 121

Gambar 2 menunjukkan bias komponen emiter kelas C yang populer. Sambungan basis-emiter dibias oleh input (sinusoida) yang diaplikasikan antara titik X dan ground. Berdasarkan efek sambungan P-N di sambungan BE, arus basis Ib

(dan arus Ic) akan menghasilkan bentuk gelombang yang ditunjukkan Gambar 2-3b (Peter C.L. Yip, 1995: 121).

Operasi penguat klas C mode-mixed sangat kompleks, berbeda dari satu penguat yang lain, dan sangat sulit untuk menggambarkan secara akurat dalam istilah matematika. Penjelasan sederhana dari operasi sirkuit didasarkan pada satu ditunjukan Gambar 3.

GAMBAR 3. PENGUAT KLAS C MIXED-MODE


137

Penguat daya mode campuran (mixed mode) kelas C mempunyai efisiensi yang lebih besar dan rangkaian yang lebihsederhana dibandingkan dengan penguat daya kelas A. Rangkaian penguat daya mode campuran kelas C ditunjukkan pada gambar 3.

Penguat daya mode campuran kelas C pada umumnyadilakukan dengan menggunakan impedansi transistor sinyal besar.Impedansi sinyal besar merupakan parameter transistor yang dapat diukur dan atau diperkirakan. Impedansi sinyal besar yang terukur hanya berlaku pada tingkat frekuensi dan tingkat daya yang diukur(Krauss. et al. 1990). Karena nilai tersebut merupakan hasil daribeberapa komponen tidak linier, maka nilai tersebut diperkirakan akan sangat berubah menurut frekuensi, penggerak, daya keluaran, dan tegangan sumber. Meskipun demikian, impedansi sinyal besardapat dianggap sebagai suatu pendekatan yang bermanfaat dalammelakukan perencanaan tahap pertama.

2.2 Penyesuai ImpedansiPenyesuai impedansi sering diperlukan dalam desain sirkuit

RF untuk memberikan kemungkinan transfer daya maksimum antara sumber dan bebannya. Transfer daya terjadi di ujung beban setiap penerima. Rugi-rugi pada rangkaian di tingkat sinyal sangat kecil tidak bisa ditoleransi. Oleh karena itu, desain awal pada ujung akhir untuk memastikan bahwa setiap perangkat dalam jaringan sesuai dengan beban (Bowick, Chris. 2007:63).

Pada sistem penguat daya frekuensi tinggi, rangkaian penyesuai impedansi berfungsi sebagai:- Rangkaian pentransformasi impedansi untuk mem- peroleh

transfer daya maksimum.- Rangkaian filter untuk menentukan komponen-komponen

frekuensi sinyal yang boleh diperkuat (Herbert L. Krauss, dkk, 1990:468).

Penyesuai impedansi merupakan bagian penting dalam perancangan rangkaian RF untuk menghasilkan transfer daya maksimum dari sumber ke beban. Teorema transfer daya maksimum menyatakan bahwa transfer daya dari sumber ke beban dalam rangkaian akan mencapai harga maksimum jika (Bowick,Chris. 2007: 63-64):


138

- Resistansi beban sama dengan resistansi sumber pada rangkaian dc.

- Impedansi beban sama dengan impedansi sumber pada rangkaian ac.

GAMBAR 4. TRANSFER DAYA MAKSIMUMSUMBER: BOWICK, CHRIS. 2007: 63

Rangkain Penyesuai Impedansi Tipe T (LCC)Rangkaian penyesuai impedansi dengan nilai-nilai komponen

yang diperoleh dari perhitungan untuk membuat rangkaian beserta konfigurasi dasarnya ditunjukkan pada Gambar 5.

GAMBAR 5. PENYESUAI IMPEDANSI TIPE T (LCC).SUMBER: PETER C.L. YIP, 1995:48

Menentukan nilai induktor dan kapasitor, nilai Q harus ditentukan terlebih dahulu dan nilai R2 harus lebih besar dari R1, sehingga penyelesaian untuk rangkaian ini adalah sebagai berikut (Peter C.L. Yip, 1995: 48):

XL1 = QR1

(1)

XC2 = AR2

(2)


139

XC1 =

(3)

dengan: A = 11

2

21

R

QR

(4)

B = R1 (1 + Q2)

(5)

2.3 Filter Filter berfungsi untuk membatasi frekeunsi yang tidak

diinginkan dari output pemancar. Pada output penguat daya RF yang digunakan untuk emancar FM meggunakan bandpass filteryaitu yang dignakan untuk meloloskan sinyal diantara dua frekuensi yaitu rentang frekuensi atas (fH) dan rentang frekuensi bawah (fL).

Respon ChebyshevRipple filter Chebyshev yang diperbolehkan, kemiringan

awal pada stopband dan menghasilkan kurva redaman mendekati persegi panjang bila dibandingkan dengan respon Butterworth yang mendekati bulat seperti ditunjukkan Gambar 6.

GAMBAR 6. PERBANDINGAN KARAKTERISTIK BUTTERWORTH CHEBYSHEV (SUMBER: BOWICK, CHRIS. 2007:51)


140

GAMBAR 7. KARAKTERISTIK ATENUASI UNTUK FILTER CHEBYSHEV DENGAN RIPPLE 0,1 DB

3. METODE

3.1 Jenis PenelitianPenelitian ini dilakukan adalah penelitian secara

eksperimental. Metode yang diterapkan pada penelitian ini adalah metode eksperimen yaitu untuk menguji performa penguat daya RF klas C dengan parameter yang dimilikinya.

3.2 Proses PerancanganLangkah desain penguat daya RF klas C diperlukan ketentuan

yang harus disesuaikan dengan karateristik perangkat (device) yang mampu bekerja pada frekuensi tinggi, antara lain :

- Memilih komponen aktif (transistos) yang sesuai degan frekuensi kerja dan daya yang dibutuhkan.

- Menentukan karakteristik komponen aktif yang tepat, misalnya arus kolektor, tegangan catu, arus basis.

- Menentukan konfigurasi matching network sesuai dengan impedansi yang dibutuhkan.

- Menentukan nilai komponen aktif dan komponen pasif sesuai dengan aplikasi penguat aya RF pada frekuensi kerja penguat.

- Bila memungkinkan komponen yang dibutuhkan mempunyai nilai yan bisa diatur (varibel).

Penguat daya klas C dirancang mempunyai daya output P0 = 15 W, beban 50 dengan efisiensi 85% seperti yang ditunjukkan Gambar 8. Catu daya DC, Vdc = 12V; tegangan saturasi dan/atau resistansi


141

diabaikan. Efisiensi kolektor maksimum, V0 = Vdc. Resistansi beban penguat setara dengan R = 9 (rangkaian penyesuai diperlukan untuk mengubah resistansi beban 50 ke R = 9 ). Mengacu pada Gambar 8, efisiensi kolektor max = 85% membutuh-kan 2 c

GAMBAR 8. SKEMATIK DIAGRAM PENGUAT KLAS C

GAMBAR 9. EFISIENSI KOLEKTOR MAKSIMUM VERSUS SUDUT KONDUKSI 2 C.

Arus kolektor dasar adalah I0 = Vdc/R = 1,33 A dan arus puncak kolektor,

dan pada Gambar 9 didapatkan 1( c) = 0,448, sehingga

Daya input DC,

Jadi, A47,112

65,17

dc

dcdc

V

PI


142

Tegangan kolektor puncak vmax = 2Vdc = 24 V. Kemampuan daya output, CP = 0,112, diberikan oleh Persamaan

Desain Penyesuai Impedansi

GAMBAR 10. T MATCHING NETWORK

Gambar 10 menunjukkan berlaku untuk kebanyakan penggunaan penguat daya RF solid-state. Persamaan desain adalah (Albulet, Mihai. 2001:74)

T matching network ZL = 20 //50 nH, f = 100 MHz. Dua impedansi pertama harus dikonversi ke bentuk seri dengan menggunakan persamaan,


143

sehingga, Z = (7.17 - j4.5) dan ZL = (14.23 + j9.06) , dengan R = 7,17 RL = 14,23 ; dan dipilih Q=3.

Untuk menentukan reaktansi X menggunakan persamaan,

XL = QR = 3 (7,17) = 21.51 .XC1 = 72,4 XC2 = 26,8

Sekarang menentukan komponen reaktif dari Z dan ZL. Reaktansi induktif XL harus dikurangi dengan 4,5 , reaktansi kapasitif XC1

langsung ditentukan dari nilai riil dan reaktansi kapasitif XC2

ditambah 9,06 . Nilai akhir komponen rangkaian menggunakan persamaan,

L = 27,1 nHC1 = 22 pFC2 = 42,3 pF

Skematik diagram desain penguat daya klas C seperti ditunjukkan Gambar 11 dengan menggunakan transistor dua tingkat guna meningkatkan daya keluaran yang bekerja pada frekuensi 100 MHz.


144

GAMBAR 11. SKEMATIK DIAGRAM PENGUAT DAYA KLAS CSUMBER : PERENCANAAN

Nilai kapasitor dengan menentukan kapasitor variabel menggunakan kapasitor trimmer, nilai kapasitor dapat menyesuaikan dengan rentang nilai mulai dari 16 pF sampai 27 pF untuk C1, sedangkan nilai C2 dengan rentang nilai kapasitor mulai 36 pF sampai 47 pF.

Desain Filter Bandpass

Desain filter bandpass dengan ketentuan berikut :f0 = 100 MHz; BW3dB = 4 MHz; BW45dB = 30 MHz

8

Resonansi paralel,

C1 = 17,6 nFL1 = 1,44 nH

Resonansi seri,C2 = 1,17 FL2 = 2,16 HC3 = 17,6 nFL3 = 1,44 H


145

GAMBAR 12A. RANGKAIAN PROTOTIPE LOW-PASS

GAMBAR 12B. TRANSFORMASI BANDPASS

50

50

2,16 H

17,6 nF

1,17 F

1,44 nH

C1 L1

C2 L2

C3 L317,6 nF 1,44 nH

GAMBAR 12C. RANGKAIAN AKHIR DENGAN PENSKALAAN FREKUENSI DAN IMPEDANSI

Realisasi Penguat Daya RF Klas C

GAMBAR 13. REALISASI PENGUAT DAYA RF

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Pengukuran DayaSecara konvensional pengukuran menggunakan alat

Generator Sinyal dan Power Meter pada frekuensi 100 MHz dengan langkah-langkah sebagai berikut:


146

GAMBAR 14. SET-UP PERANGKAT

TABEL 1. DAYA OUTPUT FUNGSI INPUT, F = 100 MHZ

Input (dBm)

Input (mW)

Output (W)

Output (dB)

0 1,0 0 02 1,58 0 04 2,51 0 06 3,98 0 08 6,31 0 010 10,0 0 012 15,85 0 014 25,12 4,3 12,3316 39,81 7,9 22,9817 50,12 16 25,04

PembahasanHasil pengukuran dengan input penguat daya RF dari Signal

Generator pada frekuensi 100 MHz dan level input mulai level 0 dBm hingga 17 dBm. Level input sampai 13,9 dBm belum mampu mendorong penguat. Level input dinaikkan menjadi 14 dBm (25,12 mW) dan penguat RF menghasilkan output sebesar 4,3 W (12,33 dB) sesuai dengan Tabel 5-1 dan level input maksimum pada Signal Generator sebesar 17 dBm (50,12 mW), daya output penguat RF dengan penguat dua tingkat sebesar 16 W (25,04 dB). Pada level input penguat RF menpunyai sensitifitas kurang lebih 14 dBm.


147

4.2 Pengukuran Respon FrekuensiTABEL 2. HASIL PENGUKURAN RESPON FREKUENSI

f(MHz)

Pin

(dBm)Pout

(Watt)Pout

(dB)

87 50,12 0 088 0 089 0 090 0 091 0,1 3,0092 0,4 9,0293 3,5 18,4494 6,6 21,1995 11 23,4196 14,1 24,4997 14,5 24,6198 15,5 24,9099 16 25,04100 16 25,04101 16 25,04102 16 25,04103 15,1 24,79104 14,9 24,73105 14,2 24,52106 13,2 24,20107 12,4 23,93108 11,5 23,60109 10,5 23,21110 9,5 22,77111 8,4 22,24112 8 22,03113 7 21,45114 6,1 20,85115 5,2 20,16116 1,3 14,14


148

GAMBAR 16. RESPON FREKUENSI PENGUAT DAYA RF

PembahasanHasil pengukuran respon frekuensi penguat daya RF seperti yang ditunjukkan pada Gambar 16. Respon frekuensi menunjukkan bahwa penguat RF mempunyai frekuensi bawah 94,8 MHz dan frekuensi atas 109,5 MHz, dengan demikian penguat RF mempunyai bandwitdh (109,5 94,8) MHz = 14,7 MHz. Penguat RF pada frekuensi mulai 99 MHz sampai 102 MHz mempunyai respon frekuensinya rata.

5. PENUTUP

Berdasarkan hasil pengukuran dan analisis pada penguat daya RF klas C untuk menentukan parameter atau besaran yang diinginkan, dapat disimpulkan sebagai berikut :1) Empat tampilan gambar dapat dipilih sesuai dengan yang

diinginkan, kanal 1, kanal 2, kanal 3, atau kanal 4. 2) Bila putus saluran atau kehilangan sinyal maka alarm akan

berbunyi.3) Level sinyal video tiap kamera sebesar 3 Vpp.

Pengembangan selanjutnya untuk penggunaan monitoringruang yang perlu diperhatikan :1) Implementasi penelitian dapat dikembangkan dengan

menggunakan pembagi tampilan video menjadi 8 gambar.

2) Program aplikasi kamera yang digunakan mampu menyimpan video dengan kapasitas relatif kecil, (format *.asf).

3) Kamera yang digunakan dengan resolusi tinggi.


149

4) Spesifikasi PC atau Laptop memiliki prosesor i3 dan RAM minimal 2 Mb agar gambar yang ditampilkan tidak patah-patah.

6. DAFTAR PUSTAKA

[1]. Johansson, Ted. Noora Solati and Jonas Fritzin. 2012. A high-linearity SiGe RF power amplifier for 3G and 4G small basestations. International Journal of Electronics (Print), (99), 8, p. 1145-1153.

[2]. Nugroho, Sapto. Dwi P. Sasongko. Isnaen Gunadi.2003. Rancang Bangun Penguat Daya RF. Jurnal Berkala Fisika, Vol. 6, No. 3, Juli 2003, hal. 55 - 62.

[3]. Taryana Y., T. Praludi. Y, Sulaeman, Y. Wahyu,W. I. Prayogo, dan B. S. Nugroho. 2016. High Power Amplifier (HPA) pada Frekuensi 437,430 MHz untuk Aplikasi TTC Downlink Nano Satelit TEL-U SAT. Jurnal Elektronika dan Telekomunikasi, Vol. 16, No. 2, Desember 2016.

[4]. Colantino, Paolo. Ernesto Franco. 2009. High Efficiency RF andMicrowave Solid State Power Amplifier. United Kingdom: JohnWiley and Sons, Ltd.

[5]. Albulet, Mihai.2001. RF Power Amplifier. Noble Publishing Corporation, Atlanta, GA.

[6]. Rohmah. Yuyun Siti, Suci Aulia, Rahmat Sopian. 2015. Pengontrolan High Power Amplifier dan Driver Standar Dvb-T2 untuk Pemancar Tv Komunitas. Jurnal Elektro Telekomunikasi Terapan Juli 2015.

[7]. Malvino, Albert. David J. Bates. 2006. Electronic Principles. Seventh Edition. Singapore : Mc. Graw-Hill Book Co.

[8]. Krauss, H. L., Bostian, C. W., Raab, F. H. 1990. Teknik Radio Benda Padat. UI-Press, Jakarta.

[9]. Bowick, Chris. 2007. RF Circuit Design. 2nd ed. Howard W. Sams & Co., Inc

rancang bangun penguat daya rf 88 mhz - 108 mhz …

Documents