Wahyu Waskito1, Eko
Setijadi2, dan Prasetiyono Hari Mukti3.
Jurusan Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
|
Abstrak—
Desain Ultra-wideband (UWB) bandpass filter yang bekerja pada frekuensi 3.1–10.6 GHz dengan filter notchband. Notched-band pada BPF ini
memberikan immunity terhadap
gangguan/ interferensi sinyal radio lain seperti WLAN IEEE 802.11a yang bekerja pada rentang 5.2-5.8 GHz.Filter yang
dirancang berdasarkan struktur CRLH
Transmission line (CRLH-TL) sehingga didapat sifat metamaterial. UWB-BPF
di implementasikan pada substrate Roger
(er = 2.2)
dengan dimensi 35×16 mm.Dalam analisis perhitungan, filter yang dirancang
memiliki nilai cut-off pada -3 dB
yaitu 3.4259 GHz dan 10.45 GHz untuk lower
dan higher cut-off frequency.
Implementasi notched-band pada filter
dapat meredam sinyal interferensi pada rentang 5.0579-5,7807 GHz dengan center frequency pada 5.5 GHz dan
rejection level pada -27 dB.Selanjutnya pada filter fabrikasi dilakukan
analisis. Analisis menunjukkan bahwa UWB-BPF yang difabrikasi memiliki nilai cut-off yaitu 4.0246 GHz dan 9.424 GHz
untuk lower dan higher cut-off frequency dengan notched-band frequency pada
rentang 5.2-5.8 GHz dan notched-band
rejection level pada -32dB.
Kata
kunci—Filter, ultra wideband, composite right left handed, notchband,
bandpass filter
I. PENDAHULUAN
Ultra
Wideband (UWB) adalah teknologi jaringan yang dapat digunakan dalam aplikasi jaringan wireless dengan
kecepatan transfer data sangat tinggi yang
digolongkan pada Short Range Wireless. Teknologi ini merupakan pilihan lain dari teknologi koneksi berbasis
nirkabel seperti Bluetooth dan WIFI.
Sebagaimana kita ketahui perkembangan device/gadget
yang memerlukan konektivitas nirkabel berkembang sangat pesat seiring dengan
perubahan gaya hidup. Tuntutan akan perkembangan teknologi nirkabel tidak hanya
pada segi ketersediannya pada suatu device/gadget tetapi juga harus
ditunjang dengan kecepatan dan ketersedian bandwidth
yang tinggi atau multiple high bandwidth.
Kelebihan ini sangat dibutuhkan dalam berbagai macam aplikasinya sebagai
contohnya adalah streaming video, voip dan video
call yang sangat memerlukan multiple
high bandwidth.
Teknologi yang dapat mengakomodir hal tersebut adalah
tekonoligi Ultra Wideband. Ultra wideband merupakan teknologi yang sangat diminati para peniliti semenjak dipublikasikan pada tanggal 14
februari 2002 oleh U.S Federal
Communication Commission (FCC) yang disetujui termasuk unlicensed frequency pada
rentang 3.1 – 10.6 GHz dan diperuntukkan bagi komunikasi komersial [1]. Teknologi ini mempunyai kecepatan data
hinggga 480 Mbps, dengan low EIRP level sebesar
(-41.3dBm/MHz) [2], komsumsi daya yang rendah yaitu hanya 100 mW dan dengan
bandwidth sebesar 7.5 GHz [3]. Akan tetapi UWB yang bekerja pada frekuensi 3.1
Ghz-10.6 Ghz terdapat frekuensi
teknologi frekuensi lainnya yaitu WLAN
802.11a dengan frekuensi kerja 5 Ghz [4, 5]. Dengan demikian menyebabkan
potensi adanya interfensi pada kedua
teknologi. Agar teknologi UWB tidak
terggangu/terinterferensi oleh frekuensi radio yang berada pada rentang UWB maka
pada perancangan filter perlu ditambahkan notch
band atau bandstop filter [3].
Gambar
1. Blok diagram dari low power UWB
Pada
perancangan filter UWB, frequency cut off atas
maupun frequency cut off bawah
dapat dilakukan dengan pendekatan Composite Right/Left Handed Transmission-Line, sifat metamaterial didapat dari Left handed (LH) [6], yang merupakan
struktur metamaterial elektromagnetik buatan yang effictively homogeneus yaitu pada material double negative memiliki µ negatif dan ε negatif. Sifat
metamaterial membuat dimensi komponen menurun secara siginifikan dan
peningkatan kinerja komponen [7, 8].
II. STANDAR DAN REGULASI UWB
A.
Regulasi
Pada tahun 2002 regulasi UWB
dipublikasikan oleh FCC US, yang merupakan unlicensed
frequency dengan rentang band 3.1 GHz-10. GHz, EIRP -41.3 dBn/MHz dan
minimum bandwidth 500 MHz. Pengaplikasian UWB pada negara selain US terdapat
perbedaan pada rentang frekuensi tertentu seperti yang ditampilkan pada Gambar 2
[2].
Gambar 2. Rentang
UWB pada wilayah yang berbeda-beda
B. Standar
Standar dari UWB dapat dilihat pada IEEE 802.15.4a
yang telah dipublikasikan pada tahun 2007.
Pada standar tersebut menjelaskan band frekuensi dengan low band rentang 3.1 GHz- 5 Ghz dan upper band rentang 6 GHz-10.6 GHz [2].
IEEE 802.15.3a, standar yang menjekaskan phisical Layer dengan data
rate tinggi dengan rentang 110 -480 Mbps dan jarak range kurang dari 10 m.
III.
PERANCANGAN DAN DESAIN UWB DENGAN NOTCHBAND
Perancangan filter UWB dengan notchband menggunakan software CST Microwave Studio 2011, sedangkan karakteristik yang ingin didapat adalah parameter S11, S21, dan distribusi arus.
Pada tahapan berikutnya adalah implementasi
simulasi pada material RT/duroid 5880 [9], subtrate atau
material tersebut disesuaikan dengan komponen yang terdapat pada simulasi.
Penyesuaian meliputi panjang dan lebar
saluran transmisi, port, loading stub, ground stub, luas resonator dan
ketebalan substrat. Jenis konektor yang digunakan pada filter adalah feed model
SMA connector PCB mount. Dalam perancangan, pada layer substrate menggunakan single layer.
Gambar 3. Keterangan masing-masing komponen
rancangan
A. Parameter Sweep
Optimasi rancangan filter bertujuan untuk mendapatkan
rancangan filter terbaik, salah satu cara untuk mencapai tujuan tersebut adalah
melalui cara analisis parameter sweep. Berikut merupakan parameter sweep yang digunakan selama kondisi pengukuran dilakukan
:
Rectangular
Resonator
Pada bagian rectangular
resonator, parameter sweep pada panjang bagian luarnya. Pada grafik
parameter S21 menunjukkan bahwa perubahan panjang rectangular resonator yang semakin pendek menyebabkan nilai frekuensi
cut off atas semakin besar. Sedangkan
pada parameter S11 terjadi kondisi berkebalikan dengan hasil yang ditunjukkan
oleh parameter S21. Berdasarkan hasil analisis tersebut, optimasi terbaik yang
mendekati spesifikasi teori dengan panjang rectangular
resonator 3 mm.
Panjang finger
Parameter sweep terhadap panjang finger mempengaruhi pergeseran band
frekuensi dari filter pada parameter S11 dan paramer S21, dimana semakin kecil
nilai panjang finger maka band
frekuensi akan bergeser kearah frekuensi yang lebih tinggi dan dengan nilai rejection level lebih besar. Hasilnya
didapat panjang finger yang mendekati
spesifikasi teori adalah 9 mm.
Panjang Ground
stub
Pada perlakuan terhadap panjang ground stub, pada parameter S11parameter
sweep mempengaruhi kestabilan upper
band pada band UWB dan pada
parameter S21 semakin kecil nilai panjang ground
stub maka semakin besar nilai rejection
level. Hasil terbaik yang mendekati spesifikasi teori adalah pada panjang ground stub 5 mm. Sedangkan parameter sweep terhadap lebar
ground stub tidak berdampak pada
kinerja filter.
Panjang Loading
Stub
Parameter sweep pada paremerter S11 mempengaruhi semakin kecil nilai panjang loading
stub maka bandwidth
semakin lebar. Berdasarkan
nilai parameter S21 menunjukkan
terjadinya pengaruh pada notchband
dan frekuensi cut off atas
atau pada low pass filter, semakin
kecil nilai panjang loading stub maka nilai rejection
level dari notchband semakin kecil dan frekuensi cut off atas
bergeser ke frekuensi
yang lebih tinggi. Sehingga hail yang mendekati spesifikasi teori adalah dengan
panjang loading stub 2.5 mm.
Sedangkan parameter sweep terhadap lebar loading
stub tidak berdampak pada kinerja filter.
IV.ANALISIS HASIL SIMULASI DAN PENGUKURAN
Setelah rancangan dan pembuataan
telah dilakukan pada parameter sweep bandpass filter dengan notchband yang
disimulasi menggunakan CST microwave
Studio 2011 tercapai, kemudian dilakukan optimalisasi pada rancangan awal
berdasar pada tahapan parameter sweep.
A.
Optimasi Rancangan Filter UWB
Tahapan optimasi
rancangan filter UWB pada masing-masing bagiannya dilakukan melalui perancangan
desain dimensi terbaik yang mendekati teori. Adapun
hasil rancangan tersebut disajikan sebagai berikut :
Tabel 1.Ukuran komponen-komponen pada Filter UWB
Komponen
|
Panjang
(mm)
|
Lebar
(mm)
|
Banyak
|
Luas
(mm2)
|
Port
|
6.75
|
2
|
2
|
27
|
Ground Stub
|
5
|
0.25
|
2
|
2.5
|
Finger
|
9
|
0.25
|
6
|
13.25
|
Loading Stub
|
2.5
|
0.25
|
1
|
1.25
|
Panjang Rectangular Luar ; Dalam
|
3 ; 1,4
|
3 ; 1,4
|
1
|
1.76
|
Desain filter UWB dengan notch
band ditampikan pada gambar 4.
Gambar
4. Rancangan akhir filter UWB dengan notch
band
Pada gambar 4 menunjukkan bahwa filter yang
dirancang mempunyai dimensi berturut-turut berupa lebar interdigital capasitor d= 0.25 mm, lebar antar
interdigital capasitor do=0.25 mm, panjang interdigital capsitor L1=9 mm, panjang ground
stub L2=6 mm, panjang antara interdigital capasitor dengan loading stub L3=2.5 mm, Panjang loading stub
L4=2.5 mm, lebar port W=2 mm, panjang port Wo=5 mm, panjang
rectangular reonator P=3 mm, dan panjang rectangular resonator dalam Po=1.4 mm
Pada gambar 5 dan gambar 6 menunjukkan sebuah respon frekuensi scattering.
Gambar 5. Hasil akhir
simulasi parameter S11
Pada
gambar 5, menunjukkan Parameter S11 yang merupakan suatu
kondisi return loss yang terjadi selama proses transmisi pada filter. Pada
grafik diatas standar performan filter yang baik dinyatakan dalam magnitude dengan nilai -10 dB, dan terukur pada kondisi
frekuensi sebesar 3.7765 GHz dan frekuensi tinggi pada
frekuensi 7.9463 GHz.
Berdasarkan grafik tersebut terlihat bahwa low band terbaca pada rentang 3.7765 sampai 4.2867 GHz,
dan upper band berada pada rentang 5.9786 sampai 7.9463 GHz. Sedangkan untuk daerah low passband memberikan nilai sebesar
0.5102 GHz dan pada daerah upper passband
sebesar 1.9677 GHz, sehingga keseluruhan daerah passband adalah sebesar 2.4779
GHz.
Gambar 6. Hasil akhir simulasi parameter S21
Grafik pada gambar 6. menunjukkan S-Parameter S21yang mengalami insertion loss
pada saat proses transmisi sinyal terjadi pada port 1 dan port 2, respon filter bekerja dengan baik ketika magnitude
pada S-Parameter S21 menunjukkan nilai 0 db dengan toleransi pada nilai
titik acuan yaitu -3 dB, disebabkan nilai dibawah –3 dB berarti lebih dari
setengah sinyal yang dikirim telah terjadi losses.
Saat frekuensi cut off pada -3dB, telah terjadi highpass filter pada frekuensi 3.4259 GHz, notchband pada rentang
frekuensi 5.0579 GHz-5.7807 GHz, dan lowpass filter pada frekuensi 10,45 GHz. Selain itu, daerah low passband menunjukkan nilai sebesar 1.632 GHz dan daerah upper passband yaitu 4.6693 GHz,
sehingga keselurah daerah passband adalah 6.3013 GHz.
Bila
dibandingkan dengan teori, frekuensi cutt off bawah pada teori adalah 3,1 GHz
dan pada filter rancangan sebesar 3.4259
GHz sehingga selisihnya yaitu sebesar +325.9
MHz sedangkan pada frekuensi notchband pada teori (sesuai dengan standar
Unlicensed National Information Infrastructure yang dikeluarkan oleh FCC) yaitu
dengan rentang 5.15 GHz – 5.825 GHz dan pada filter rancangan rentang frekuensi 5.0579 GHz-5.7807 GHz.
Berikutnya pada frekuensi cutt off atas pada teori adalah 10,6 GHz dan pada
filter rancangan sebesar 10.45GHz sehingga selisihnya yaitu sebesar -150 MHz.
Untuk lebih jelasnya ditunjukkan pada tabel 2.
Tabel 2.Perbandingan Parameter S21 simulasi hasil rancangan dengan teori
Fc bawah
(GHz)
|
Notch
Band (GHz)
|
Fc atas
(GHz)
|
|
Frekuensi
Teori (GHz)
|
3.1
|
5.15-5.825
|
10.6
|
Frekuensi
Rancangan (GHz)
|
3.4259
|
5.0579-5.7807
|
10.45
|
Selisih/pergeseran
(MHZ)
|
+325.9
|
-0.0921 dan -0.0443
|
-150
|
Untuk
perbandingan daerah passband, pada filter teori
low passband 5.15 GHz -3.1 GHz= 2.05 GHz
dan daerah upper passband 10.6
GHz – 5.85 GHz = 4.75 GHz, sehingga keseluruhan daerah passband berada pada
rentang 6.8 GHz, dan pada filter hasil
rancangan daerah passband sebesar 6.3013 GHz.
Pada
bagian substrat perbandingan meliputi
bahan substrat referensi dengan bahan substrat rancangan, dimana pada
desain filter referensi menggunakan substart Taconic TLY 5 dan pada filter rancangan menggunakan RT 5880.
Surface current yang terjadiselama proses transmisi pada filter hasil
perancangan gambar 4.
(a)
(b)
Gambar 7. Surface Current pada filter hasil perancangan,
(a) monitor port 1, (b) monitor port 2.
Surface current atau distribusi arus
terlihat dalam gambar 7. Warna pada gambar
menunujukkan besar nilai A/m, dimana rentang A/m dari nilai 0 A/m dengan
warna biru sampai nilai tertinggi adalah 100 A/m dengan warna merah. Pada gambar
7.a menunjukkan nilai distribusi arus ditunjukkan paling besar pada bagian interdigital capasitor bagian kanan dan
bagian loading stub, hal ini berarti bagian tersebut memiliki nilai impedansi
lebih rendah daripada bagian lain dan nilai impedansi paling besar yaitu pada port 2 , interdigital capasitor bagian kiri yang
ditunjukkan warna biru.
Selanjutnya
pada gambar 7.b menunjukkan nilai distribusi arus ditunjukkan paling besar pada
bagian interdigital capasitor secara
keseluruhan dan bagian loading stub yang menunjukkan impedansi paling rendah
dibanding bagian yang lain, nilai impedansi paling besar yaitu pada port 1 yang ditunjukkan
warna biru.
C. Fabrikasi dan Pengukuran
Pada tugas akhir ini didesain filter
UWB dengan notchband pada frekuensi 5.2 GHz-5.8 GHz, Pada tahap
selanjutnya setelah simulasi menggunakan perangkat lunak CST Microwave Studio adalah melakukan
fabrkasi dan pengukuran. Pengukuran menggunakan Network Analyzer dua port. Pada gambar 8. menunjukkan filter Ultra Wideband
dengan notchband hasil fabrikasi.
(a)
(b)
Gambar 8. Ukuran filter UWB hasil
fabrikasi. (a)Tampak
depan, (b)Tampak belakang.
Tabel 3.Perhitungan dimensi filter fabrikasi
Komponen
|
Panjang
(mm)
|
Lebar
(mm)
|
Banyak
|
Luas
|
Port
|
6.75
|
2
|
2
|
27
|
Ground Stub
|
5
|
0.25
|
2
|
2,5
|
Finger
|
9
|
0.25
|
6
|
13.25
|
Loading Stub
|
5
|
0.25
|
1
|
1.25
|
Panjang Rectangular Luar ;
Dalam
|
3 ; 1,4
|
3 ; 1,4
|
1
|
7.04
|
Luas Total (mm2)
|
51.04
|
|||
Hasil Pengukuran parameter S11(Return Loss)
Pada gambar 9.
menunjukkan parameter S11 filter hasil fabrikasi dan filter hasil rancangan.
Gambar 9.Grafik parameter S11 Filter
Fabrikasi dan Filter Rancangan
Pengukuran
parameter S11 pada filter hasil fabrikasi menunjukkan adanya tiga band
frekuensi, pada band pertama dengan rentang 4.204 GHz-5.43 GHz, band kedua
dengan rentang 6.29 GHz-7.0359 GHz, dan band ketiga dengan rentang 7.7696
GHz-9.424 GHz. Keseluruhan bandwidth
passband filter hasil fabrikasi adalah 3.6261 GHz. Perbandingan antara
filter hasil fabrikasi dan filter hasil perancangan yaitu terdapat perbedaan pada frekuensi cut off
dan bandwidth passband seperti
yang terlihat pada gambar 9. Dari hasil bandwidth
passband, parameter S11 pada filter fabrikasi memiliki bandwidth passband 3.6261 GHz
lebih lebar 1.1482 GHz dibanding dengan bandwidth
passbandpada fiter hasil rancangan 2.4779 GHz sehingga daya sinyal yang
dikirim pada filter fabrikasi lebih besar daripada filter hasil rancangan.
Hasil Pengukuran parameter S21(Insertion Loss)
Pada Subbab ini
akan menganalisis pengukuran parameter S21 dari filter hasil fabrikasi dan
filter hasil rancangan. Gambar 10 menunjukkan respon frekuensi dari prameter S21.
Gambar 10.Grafik parameter S21 Filter
Fabrikasi dan Filter Rancangan
V.
KESIMPULAN/RINGKASAN
Tugas akhir ini merancang Bandpassfilter pada Ultra
Wideband berbasis saluran transmisi metamaterial
Sel Unit Composite Right/Left Handed dengan
Notch Band pada frekuensi 5.2
GHz – 5.8 GHz mengunakan substrat RT/duroid
5880. Dari hasil perancangan didapatkan kesimpulan sebagai berikut :
1. Pada filter yang dirancang
frekuensi cut off highpass filter pada
-10 dB adalah 3.7765 GHz, dan frekuensi cut off lowpass filter pada -10 dB adalah 7.9463 GHz.
2. Pada filter yang dirancang
frekuensi cut off highpass filter pada
-3 dB adalah 3.4259 GHz, terjadi
pergeseran sebesar +0.3259 GHz dari spesifikasi teori (3.1 GHz), frekuensi cut off lowpass filter pada -3 dB adalah 10.45 GHz terjadi
pergeseran sebesar -0.15 GHz dari spesifikasi teori (10.6 GHz)
3. Rentang notchband filter yang dirancang pada -3dB adalah 5.0579- 5.7807 GHz. Rejection level sebesar -27.9239 dB dan center frequency pada 5.55 GHz.
4. Pada
filter yang difabrikasi frekuensi cut off highpass filter pada
-10 dB adalah 4.2046 GHz, dan frekuensi cut off lowpass
filter pada -10 dB adalah 9.424 GHz.
5. Rejection level notchband pada
filter yang difabrikasi sebesar -32.8084 dB dan center frequency pada 5.508 GHz.
6. Sifat metematerial dibangkitkan
dari komponen interdigital capacitor dan stub.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih yang
sebesar-besarnya kepada bapak Eko Setijadi,ST.,MT.,Ph.D dan bapak Prasetiyono
Hari Mukti, ST, MT, MSc selaku dosen pembimbing Tugas Akhir, yang
telah memberi bimbingan dan motivasi pada saya. Terima kasih juga disampaikan kepada laboratorium B.306 dan laboratorium AJ.404 atas pemberian izin
pemakaian alat selama proses pengukuran.
DAFTAR
PUSTAKA
[1] U.Ahmed, Kafil, “Ultra Wideband BAndpass FIlter Based on
Composite Right/Left Handed Transmission Line Unit Cells”. IEEE. London, 2012.
[2] J.R.Fernandes,
D. Wetzloff ,” Recent Advances in IR-UWB
Tranceivers:An Overview”. IEEE .Edinburg, 2010.
[3] Hao, Zhang Cheng,”Ultrawideband Filter Technologies”. IEEE .Edinburg, 2010.
[4] Parekh, Shyam,”IEEE 802.11 Wireless LANs”,University of California. Berkeley.
[5] FCC
,“FCC Regulation Update”. CISCO, 2007.
[6] Triprijooetomo, “Filter Wideband dengan Metamaterial memakai sisipan Filter Bandstop pada Frekuensi 5,2 GHz-5,8 GHz”. Universitas
Indonesia .Jakarta
, 2012.
[7] Caloz, Cristophe, “Electromanetic Metamaterials : Transmission Line Theory And Microwave
Applicatons”. Wiley Interscience. New Jersey, 2006.
[8] Nader Engheta, Richard W.Zilkowski, “Metamaterials Physics and Engineering
Explorations”. Wiley Interscience. Canada,
2006.
[9] Rogers Corporation, “RT/duroid 5870/5880 High Frequency Laminates”. Rogers Corporation. Chandler, 2013.
