RANCANG BANGUN DUALBAND QUADRATURE UP

RANCANG BANGUN DUALBAND QUADRATURE
UP-CONVERSION MIXER DENGAN MENGGUNAKAN TEKNIK
CURRENT REUSE PADA FREKUENSI
900 DAN 2300 MHz
Martin Maurence, Gunawan Wibisono
Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok
Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok
Email : [email protected]
Abstrak
Dalam suatu sistem transceiver, mixer up-conversion berperan penting untuk mentranslasikan frekuensi dari
frekuensi baseband menjadi frekuensi radio yang selanjutnya ditransmisikan. Salah satu isu yang penting adalah
efisiensi daya dari perangkat yang digunakan. Pada skripsi ini akan diperlihatkan mengenai perancangan dari dual
band mixer up-conversion yang bekerja pada frekuensi 900 dan 2.300 MHz. Mixer ini dibuat berdasarkan prinsip
double-balanced Gilbert-Cell mixer dengan menggunakan quadrature coupler untuk meningkatkan image rejection
pada mixer. Pada desain ini digunakan teknik current reuse untuk meningkatkan gain yang dihasilkan mixer. Dari
hasil simulasi dengan menggunakan ADS menunjukkan bahwa pada frekuensi 950 MHz, nilai conversion gain yang
dihasilkan sebesar 21,52 dB dan nilai conversion gain pada frekuensi 2.350 MHz adalah sebesar 7,67 dB. Isolasi
antar port dibawah -300 dB. Mixer ini menggunakan catu daya sebesar 1V dengan konsumsi arus sebesar 27,7 mA.
Hasil fabrikasi menunjukkan bahwa mixer yang dirancang dapat beroperasi pada frekuensi 900 MHz dan frekuensi
2300 MHz dengan isolasi antarport kurang dari -20 dB.
Kata Kunci: current reuse; double balanced; gilbert cell; mixer; quadrature,
DESIGN DUALBAND QUADRATURE UP-CONVERSION MIXER WITH CURRENT
REUSE TECHNIQUE FOR FREQUENCY 900 AND 2350 MHZ
Abstract
In a transceiver system, up-conversion mixer plays an important role to translate the baseband frequency to radio
frequency so that it can transmitted. One important issue is the power efficiency of the device used. This bachelor
thesis presents a design of dual band quadrature up-conversion mixer for frequency 900 and 2,300 MHz. It was
based on double-balanced Gilbert-Cell mixer with quadrature coupler to increase image rejection on mixer. Current
reuse is designed to improve conversion gain. The post simulation presents that in 0.95 GHz band the conversion
Rancang bangun…, Martin Maurence, FT UI, 2013
gain was 21.52 dB and in 2.35 GHz band the conversion gain was 7.67 dB. Port-to-port isolation is shown below
than -300 dB. This mixer was simulated under 1V power supply and it consumed 27.7 mA current. Fabrication
results show that the designed mixer which can operate at a frequency of 950 MHz and 2350 MHz frequency with
the insulation antarport less than -20 dB.
Keywords : current reuse; double balanced; gilbert cell; mixer; quadrature
Pendahuluan
Perkembangan teknologi di bidang telekomunikasi, khususnya di bidang komunikasi nirkabel
saat ini sangat pesat [1].Perkembangan teknologi ini mengakibatkan meningkatnya kebutuhan
masyarakat untuk mendapatkan informasi yang diinginkan. Hal ini terlihat dari perkembangan
teknologi dari generasi pertama (1G) hingga saat ini telah mencapat generasi ke empat (4G) yang
memiliki standar yang berbeda. Setiap teknologi memiliki perkembangan dibanding teknologi
generasi berikutnya. Perkembangan teknologi ini mengakibatkan terjadinya perkembangan dari
perangkat yang digunakan. Hal inilah yang mendorong terjadinya perkembangan pada perangkat
RF dengan tujuan untuk meningkatkan kualitas dari perangkat yang dirancang. Salah satu
perkembangannya adalah suatu alat yang dapat bekerja pada beberapa teknologi sekaligus.
Perangkat RF terdiri atas 2 bagian, yaitu sisi pemancar dan sisi penerima. Perangkat di sisi
pemancar diantaranya Filter, Mixer Up Conversion dan Power Amplifier (PA). Sementara
perangkat di sisi penerima diantaranya Low Noise Amplifier (LNA), Mixer Down Conversion
dan Filter. Pada penelitian ini akan dilakukan perancangan untuk perangkat RF di sisi pemancar
yaitu mixer up conversion. Mixer ini berfungsi untuk mentranslasikan frekuensi informasi
menjadi frekuensi RF dengan menggunakan frekuensi dari local oscillator. Sinyal yang akan
ditransmisikan oleh pemancar harus memiliki kualitas sinyal yang baik. Kualitas sinyal yang
baik dipengaruhi oleh beberapa parameter, diantaranya gain yang tinggi, noise figure yang
rendah, image rejection yang baik dan linearitas yang tinggi. Dalam perancangan mixer up
conversion umumnya menggunakan mixer aktif. Mixer jenis ini memiliki keunggulan pada gain.
Akan tetapi, mixer ini memiliki kekurangan karena mixer jenis ini menghasilkan noise figure
yang tinggi.
Rancang bangun…, Martin Maurence, FT UI, 2013
Penelitian ini dilakukan setelah sebelumnya dilakukan studi literatur terhadap beberapa
penelitian sebelumnya. Penelitian sebelumnya menggunakan teknologi 0.18 um CMOS dengan
teknik direct conversion dengan memakai inti mixer double balanced dimana sinyal input pada
port LO dan IF terdiri atas in-phase dan quadrature phase [2]. Hasil dari penelitian ini adalah
sebuah mixer yang memiliki konsumsi daya rendah dan bandwidth yang lebar. Akan tetapi
rancangan ini menghasilkan conversion gain yang rendah. Pada sisi pemancar, dibutuhkan
conversion gain yang baik agar sinyal dapat ditransmisikan dengan baik dan dapat sampai ke sisi
penerima dengan kualitas yang lebih baik. Oleh karena itu, dibutuhkan suatu teknik untuk
meningkatkan level conversion gain.
Pada perancangan mixer [3], dirancang sebuah mixer dimana pada inti mixernya dikombinasikan
dengan konfigurasi gain boosting. Perancangan mixer ini terdiri dari 2 buah double balanced
Gilbert Cell Mixer dimana inputnya terdiri atas in-phase dan quadrature phase. Hasil
perancangan mixer ini menghasilkan conversion gain yang baik akan tetapi memiliki kelemahan
pada linearitas dari mixer. Linearitas yang kurang baik ini disebabkan karena penggunaan
konfigurasi gain boosting pada daerah transkonduktansi.
Pada desain [4], dilakukan perancangan yang memfokuskan pada peningkatan kualitas linearitas
dari mixer dengan menggunakan teknik third intermodulation (IMD3) cancellation dimana nilai
conversion gain tetap terjaga dengan menggunakan struktur gain boosting. Rangkaian inti mixer
terdiri atas double balanced gilbert cell mixer dengan input yang terdiri atas in-phase dan
quadrature phase dimana transkonduktansinya menggunakan PMOS. Berdasarkan data hasil
simulasi terlihat bahwa pada rancangan ini, linearitas dari mixer menunjukkan hasil yang sangat
baik.
Untuk mengefektifkan penggunaan arus pada inti mixer maka dapat digunakan suatu
teknik yang disebut dengan teknik current reuse[5]. Teknik ini dilkukan dengan memanfaatkan
arus sisa pada transkonduktansi stage dari rangkaian. Hal ini mengakibatkan peningkatan level
conversion gain dari rangkaian. Penggunaan suatu beban pada bagian antar sambungan
transkonduktansi dilakukan dengan tujuan untuk meningkatkan linearitas dari rangakaian mixer.
Selain itu, untuk meningkatkan image rejection pada mixer, dibutuhkan suatu coupler sehingga
tercipta suatu kondisi quadrature modulation. Coupler yang digunakan akan menyebabkan
sinyal yang masuk ke mixer akan terdiri fasa in-phase dan quadrature phase dimana pada setiap
inputnya baik input sinyal baseband maupun sinyal yang berasal dari local oscillator memiliki
perbedaan fasa sebesar 900[6].
Rancang bangun…, Martin Maurence, FT UI, 2013
Berdasarkan studi literatur, maka akan dirancang sebuah mixer pada sisi pemancar yang
menggunakan double balanced gilbert cell sebagai inti mixer dengan menggunakan teknik
current reuse untuk meningkatkan gain dan menggunakan quadrature coupler untuk
meningkatkan image rejection pada mixer serta dapat bekerja pada 2 frekuensi sekaligus.
Penggunaan inti mixer ini dikarenakan gilbert cell memiliki isolasi antar port yang lebih baik
sehingga dapat meminimalisir adanya leakage current.
Tujuan dari penelitian ini adalah merancang sebuah mixer yang memiliki gain yang tinggi dan
image rejection yang baik dengan menggunakan teknik current reuse yang dikombinasikan
dengan quadrature coupler dengan inti mixer menggunakan topologi double balanced Gilbert
Cell. Mixer ini dapat bekerja pada dua frekuensi resonansi yang berbeda yaitu pada frekuensi
900 dan 2300 MHz dengan menggunakan teknologi Bipolar Junction Transistor (BJT). Mixer ini
dirancang dan disimulasikan menggunakan perangkat lunak Advanced Design System (ADS).
Mixer kemudian diimplementasikan dalam bentuk fisik.
Mixer Up-Conversion
Mixer adalah devais tiga port yang dibuat dengan tujuan untuk mentranslasikan frekuensi pada
sebuah port output ketika dua port lainnya dimasukkan dua sinyal dengan frekuensi berbeda.
Proses ini disebut dengan frequency conversion (heterodyning), yang ditemukan pada perangkat
telekomunikasi. Satu dari dua frekuensi yang masuk adalah frekuensi yang berasal dari local
oscillator (LO), sedangkan frekuensi yang selanjutnya antara gelombang radio (RF) atau
gelombang informasi (IF)[7]. Gambar 1 menunjukkan mixer sebagai devais yang terdiri dari 3
port.
Gambar 1. Mixer sebagai devais 3 port [8]
Rancang bangun…, Martin Maurence, FT UI, 2013
Mixer yang menghasilkan frekuensi gelombang output yang lebih tinggi dari frekuensi
gelombang input disebut dengan mixer up conversion. Mixer tersebut adalah mixer yang terdapat
pada sisi pemancar (transmitter). Sedangkan mixer yang menghasilkan frekuensi gelombang
output yang lebih rendah dari gelombang input disebut dengan mixer down conversion. Mixer ini
adalah mixer yang terdapat pada sisi penerima (receiver).
Untuk menghilangkan hasil perkalian frekuensi LO dan frekuensi image pada keluaran mixer
maka digunakan filter dengan tujuan agar frekuensi image dari RF tidak diikutsertakan dalam
proses mixing, namun hal ini tidaklah mudah karena dalam perancangan harus dapat menentukan
frekuensi LO dan IF dengan tepat untuk mencegah frekuensi image yang berdekatan dengan
frekuensi RF. Metode lain yang digunakan dalam memperkecil pengaruh frekuensi image pada
hasil keluaran mixer adalah dengan menggunakan mutli-IF filtering yaitu dengan menambahkan
rangkaian filter dengan frekuensi IF yang rendah. Namun metode ini membutuhkan dua mixer
dan beberapa phase-shifting networks.
Menurut fungsinya mixer dapat diklasifikasikan menjadi mixer up conversion dan mixer down
conversion. Pada sistem penerima, mixer melakukan translasi dari frekuensi tinggi RF ke
frekuensi rendah IF dengan kata lain frekuensi output lebih rendah dibandingkan frekuensi input.
Pada sistem ini port RF sebagai inputan dan port IF sebagai output dimana besar frekuensinya
merupakan selisih dari frekuensi RF dan LO. Pada sistem pemancar, mixer melakukan translasi
dari frekuensi rendah IF ke frekuensi tinggi RF. Pada saat frekuensi yang diinginkan lebih tinggi
dari frekuensi input maka proses tersebut dinamakan up conversion dimana pada sistem ini port
IF sebagai input dan port RF sebagai output dan besarnya frekuensi RF merupakan penjumlahan
dari frekuensi IF dan LO.
Menurut stage transkonduktansinya, mixer
dapat diklasifikasikan menjadi 2 jenis, yaitu
unbalanced mixer dan balanced mixer. Unbalanced mixer merupakan mixer yang paling
sederhana dengan noise figure yang paling kecil. Proses pencampuran dilakukan dengan
memodulasi peralihan dari driven stage dengan sinyal LO yang besar. Sinyal LO memodulasi
peralihan hantaran dari driver stage dengan mengubah-ubah tegangan drain-souce !!" transistor
M1. Unbalanced mixer memiliki isolasi port-to-port yang sangat buruk akibat dari struktur
yang mereka miliki. Isolasi port-to-port menentukan gangguan fraksi dari sinyal IF yang
muncul pada RF. Pada disain mixer, masukan ke port yang berlainan tidak diperkenankan
karena dapat menurunkan kinerja Tx dan Rx. Balanced mixer dapat terdiri dari satu balanced
Rancang bangun…, Martin Maurence, FT UI, 2013
mixer ataupun dua balanced mixer. Mixer yang terdiri atas satu balanced mixer disebut single
balanced mixer. Mixer ini terdiri dari satu bagian transkonduktansi dan pasangan switching
berbeda. Tegangan RF yang masuk diubah menjadi arus oleh bagian transkonduktansi serta
dikuatkan dan multiplikasi dilakukan dalam domain arus. Arus akan dimultiplikasi dengan
sinyal LO yang besar. Sehingga,
output-nya adalah penjumlahan dan selisih
komponen
frekuensi. Rangkaian ini memiliki noise figure yang lebih rendah dibandingkan dengan
double-balanced mixer karena divais yang berkontribusi menimbulkan noise lebih sedikit
digunakan. Mixer yang terdiri atas dua balanced mixer disebut dengan double-balanced mixer
yang juga dikenal sebagai Gilbert mixer. Jenis mixer ini cocok untuk aplikasi up-conversion
dan juga down-conversion. Mixer ini terdiri dari bagian transkonduktansi yang berbeda dan
bagian switching berbeda pula. Akibat dari struktur yang berbeda, baik feed through LO-IF
dan RF-IF, pengisolasian meningkat secara signifikan. Bagian transkonduktansi memberikan
gain untuk mengkompensasi atenuasi akibat proses switching dan juga untuk mengurangi
kontribusi noise dari transistor switching. Transkonduktansi atau proses driver terdiri dari
transistor
M1 dan M2 dimana M3, M4, dan M5 membentuk bagian switching. Beban resistif
cocok untuk operasi broadband namun mengurangi tegangan. Untuk output yang besar dan
penghematan tegangan, beban resistif
diganti dengan rangkaian LC yang sesuai dengan
frekuensi output mixer. Efek dari hal ini adalah operasi broadband mixer akan terbatas.
Mixer menurut daya DC yang digunakan dapat terbagi menjadi mixer pasif dan mixer aktif.
Mixer pasif yang juga dikenal sebagai switching mixer memiliki konstruksi sederhana. Mixer
ini tidak memerlukan daya DC. Mixer ini memiliki conversion loss yang lebih tinggi dari
conversion gain dikarenakan tidak adanya bagian transkonduktans. Mixer pasif memerlukan
switching yang baik dengan resistansi mininum untuk mengecilkan conversion loss. Sama
halnya, switching harus memiliki resistansi tinggi ketika mati. Satu kekurangan mixer ini
adalah butuhnya sinyal drive LO untuk membuat switch on atau off. Transistor MOS
merupakan switching yang sangat bagus untuk aplikasi frekuensi tinggi. Ketika transistor MOS
on, transistor ini beroperasi dalam daerah triode dan ketika off bekerja pada daerah cut off.
Sedangkan mixer aktif terdiri dari 2 proses, proses switching dan proses transkonduktansi
serta membutuhkan daya DC statis. Mixer aktif bisa dalam bentuk single-ended maupun
double-ended. Mixer aktif yang biasa digunakan adalah mixer Gilbert-cell. Karena rangkaian
ini aktif, proses transkonduktansi memberikan voltage gain namun noise figure meningkat.
Rancang bangun…, Martin Maurence, FT UI, 2013
Karakteristik non-linear pada proses transkonduktansi menurunkan semua linearitas mixer aktif.
Untuk mengetahui performa pada mixer, digunakan beberapa parameter.
Parameter pada mixer terdiri atas :
1. Conversion Gain/Loss
2. Noise Figure
3. Linearitas
4. Port Isolation
5. Return Loss dan VSWR
Pada skripsi ini akan dirancang mixer up-converter yaitu mixer yang berada pada sisi pemancar
(transmitter). Mixer ini merupakan mixer dual band yang dapat beroperasi pada 2 frekuensi yang
berbeda. Input mixer ini adalah sinyal informasi (IF) dan sinyal yang berasal dari local oscillator
(LO). Perancangan mixer ini menggunakan rangkaian quadrature coupler. Rangkaian ini
digunakan untuk memisahkan in-phase dan quadrature-phase dari sinyal masukan. Hal ini
bertujuan untuk memberikan image rejection dengan mengalikan quadrature-phase sinyal LO
dengan sinyal RF. Adapaun rangkaian penyusun dari mixer up conversion, terdiri dari :
a.
Inti mixer
b.
Impedance Matching
c.
DC Bias
d.
Balun
e.
Quadrature Coupler
Selain dari yang disebutkan diatas, didalam keseluruhan rangkaian mixer up conversion juga
terdapat DC Block. DC Block berfungsi menghalang tegangan DC dari dc bias masuk ke dalam
terminal mixer namun tetap bisa melewatkan sinyal dari terminal mixer.
Perancangan dan Hasil Simulasi
Alur perancangan pada mixer dapat terlihat pada Gambar 2.
Rancang bangun…, Martin Maurence, FT UI, 2013
Mulai
Menentukan Spesifikasi Mixer
Melakukan Studi Literatur
Mencari Rangkaian Inti Mixer
Memilih transistor yang optimal
Merancang bagian-bagian Mixer
Merancang inpedance matching pada RF
Frekuensi sesuai dengan
spesifikasi ?
Tidak
Melakukan Optimasi Pada Rangkaian
Ya
Merancang Quadrature Coupler
Beda Fasa sesuai
dengan spesifikasi ?
Tidak
Ya
Hasil simulasi sesuai
dengan spesifikasi ?
Tidak
Ya
Analisa Hasil Simulasi
Melakukan fabrikasi mixer
Analisa Hasil Fabrikasi
Selesai
Gambar 2. Diagram Alur Perancangan Mixer Up Conversion
Perancangan dual band mixer up conversion menggunakan rangkaian double balanced gilbert
cell sebagai rangkaian inti dual band up conversion mixer yang dikombinasikan dengan
teknologi current reuse dengan menggunakan transistor jenis bipolar junction transistor (BJT)
sebagai komponen aktif. Teknologi current reuse digunakan dengan tujuan untuk meningkatkan
efisiensi arus pada rangkaian sehingga dapat meningkatkan gain pada mixer. Pada rangkaian inti
mixer digunakan teknik current reuse untuk meningkatkan efisiensi dari arus yang melalui
sistem[5].
Rancang bangun…, Martin Maurence, FT UI, 2013
Struktur dari rangkaian inti mixer ditunjukkan pada Gambar 3. Transistor M31, M32, M33 dan
M34 merupakan tail current transistor. Transistor ini bekerja pada keadaan saturasi. Transistor
M21, M22, M23 dan M24 adalah transkonduktor dan bekerja pada daerah saturasi[2]. Bagian ini
menentukan peningkatan gain dan linearitas pada mixer. Transistor M31-M38 merupakan switch
dan bekerja pada keadaan saturasi.
VCC
Load
RF +
LOI+
M31
M21
LOIM32 M33
M22
LOQ-
LOQ+
M35
LOI+
M34
CURRENT
REUSE
RF -
M36
LOQ+
M38
M37
M23
M24
IFI -
IFI +
IFQ -
IFQ +
M11
M12
M13
M14
Gambar 3. Rangkaian Inti Mixer
Transistor yang digunakan pada rangkaian inti mixer ini terdiri atas 2 jenis transistor yaitu
transistor yang bertipe NPN dan transistor yang bertipe PNP. Transistor NPN yang digunakan
adalah transistor keluaran NEC yaitu transistor NESG3031M14A. Pemilihan jenis transistor ini
dilakukan karena transistor jenis ini memiliki noise figure yang rendah dan gain yang tinggi[9].
Penjelasan mengenai transistor NESG3031M14A dapat dijelaskan secara terperinci pada
datasheet lampiran. Pada bagian transkonduktansi digunakan jenis transistor yang bertipe PNP.
Transistor PNP yang digunakan adalah transistor MPSA-55. Penggunaan transistor jenis ini
dilakukan untuk menguatkan sinyal RF. Penjelasan terperinci mengenai karakteristik dari
transistor MPSA-55 dapat dilihat pada datasheet lampiran. Dengan cara ini, maka arus yang
hilang pada sambungan transkonduktansi dapat dihindari.
Inti mixer yang dirancang menggunakan topologi double balanced Gilbert cell. Topologi ini
dipilih karena memiliki beberapa kelebihan, antara lain port isolation dan conversion gain yang
Rancang bangun…, Martin Maurence, FT UI, 2013
lebih baik dan menyediakan linearitas yang lebih baik dibandingkan dengan single-balanced.
Komponen aktif penyusun inti mixer ini terdiri atas 16 buah transistor dimana transistor M11M14 merupakan tail current transistor yang terdiri atas BJT bertipe NPN. Transistor M21-M24
merupakan transconductance stage yang terdiri atas BJT bertipe PNP. M31-M38 merupakan
mixing stage yang terdriri atas transistor bertipe NPN.
Untuk beban, digunakan beban yang bersifat reaktif yang pada rangkaian ini menggunakan
induktor. Penggunaan beban yang bersifat reaktif dilakukan dengan tujuan untuk meminimalisir
noise figure. Hal ini diakibatkan karena noise figure yang dihasilkan oleh komponen resistif
lebih tinggi dibandingkan dengan noise figure yang dihasilkan komponen reaktif.
Konfigurasi bias yang digunakan dalam perancangan mixer ini adalah konfigurasi fixed-bias.
Konfigurasi fixed-bias ini dipilih karena memudahkan untuk menggeser operating point yaitu
hanya dengan mengubah besarnya beban pada base. Selain itu, jenis fixed bias ini juga memakai
komponen yang lebih sedikit dibandingkan dengan konfigurasi dc bias yang lain, sehingga dapat
meminimalisasi noise figure yang ditimbulkan.
Jenis balun yang digunakan adalah wire wound transformer. Kelebihan dari jenis transformer ini
adalah mampu bekerja hingga frekuensi lebih tinggi dari 2 GHz dan apabila transformer ini diground-kan akan memberikan short-circuit pada sinyal mode genap serta tidak memberikan efek
pada sinyal mode ganjil. Rangkaian balun ini telah tersedia dalam library ADS.
Rangakaian resonator pada perancangan mixer ini menggunakan prinsip dasar konfigurasi T
Prototype third-order Chebysev filter [9],[10]. Rangkaian ini digunakan karena pada rangkaian
ini didapatkan respon frekuensi yang paling optimal. Dengan menggunakan konfigurasi ini
didapatkan nilai return loss yang baik. Rangkaian resonator ini kemudian akan dilakukan proses
matching dengan rangkaian inti mixer, sehingga didapatkan frekuensi resonansi yang match
dengan rangkaian inti mixer.
Perancangan quadrature coupler pada mixer ini menggunakan coupler dengan konfigurasi
branch line coupler [6]. Konfigurasi ini menghasilkan perbedaan fasa sebesar 900 untuk setiap
keluarannya. Selain itu, konfigurasi ini juga dipilih karena dapat bekerja pada 2 frekuensi yang
berbeda sekaligus. Berdasarkan hasil perancangan quadrature coupler, maka didapatkan
besarmya perbedaan fasa pada port IF dan port LO yang dapat ditunjukkan pada Gambar 4.
Rancang bangun…, Martin Maurence, FT UI, 2013
Gambar 4. Perbedaan fasa pada perancangan mixer
Hasil simulasi dari perancangan mixer dualband ini secara umum dapat ditunjukkan pada Tabel
1.
Tabel 1. Hasil simulasi mixer dualband
Parameter
950 MHz
2350 MHz
Conversion Gain (dB)
21,516
7,668
Return Loss (dB)
-16,886
-24,148
VSWR
1,334
1,132
Port Isolation IF-LO (dB)
<-300
<-300
Port Isolation IF-RF (dB)
<-300
<-300
Port Isolation LO-RF (dB)
<-300
<-300
Noise Figure (DSB) (dB)
32,053
34,044
Noise Figure (SSB) (dB)
32,226
34,345
P1dB (dBm)
- 24,164
- 40,581
IIP3 (dBm)
- 14,561
- 30,961
OIP3 (dBm)
6,955
- 23,293
Voltage Supply (V)
1
1
Rancang bangun…, Martin Maurence, FT UI, 2013
Berdasarkan hasil simulasi rancangan multiband mixer yang ditunjukkan oleh Tabel 1, maka
untuk spesifikasi rancangan yang ditentukan sudah tercapai untuk nilai conversion gain, return
loss, isolation, VSWR dan besarnya voltage supply. Namun untuk nilai noise figure pada hasil
simulasi masih belum menunjukkan nilai yang optimal untuk simulasi perangkat multiband
mixer, hal ini diakibatkan adanya komponen pasif pada rangkaian simulasi memberikan noise
yang besarnya dipengaruhi oleh nilai komponen tersebut
Perbandingan dari parameter mixer hasil simulasi perancangan [2],[11] dan [8] dengan hasil
simulasi perancangan dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Perbandingan hasil rancangan mixer dengan [2].[11] dan [8]
Parameter
Teknologi
Frekuensi IF (MHz)
Return Loss (dB)
Isolasi Antar Port
(dB)
Conversion Gain
(dB)
Noise Figure (dB)
P1dB (dBm)
IIP3 (dBm)
OIP3 (dBm)
Voltage Supply(V)
Hasil
[2]
2,4
GHz
0,18 um
CMOS
1
-
Hasil
[13]
5,25
GHz
90 nm
CMOS
2.700
-
-
> 19,3
< 300
16,2
18,5
-20,7
-11,1
5,1
1,8
0
-13
-4
-4
0,6
6,222
Hasil [8]
2,2 GHz 2,5 GHz
Hasil Perancangan
0,9 GHz
HBT
BJT
100
-23,054 -23,135
100
-16,886
140
-24,148
< 300
< 300
< 300
5,231
21,516
32,053
-24,164
-14,561
6,955
7,668
34,044
-40,581
-30,961
-23,293
-72,192
-13,892
-7,670
2,3 GHz
-79,300
-13,638
-8,470
3,7
1
Berdasarkan Tabel 2 dapat dilihat untuk simulasi perancangan mendapatkan hasil yang lebih
baik dibandingkan dengan perancangan [2], [11] dan [8] untuk beberapa parameter diantaranya
nilai conversion gain yang diperoleh simulasi hasil perancangan lebih baik dari [2], [11] dan [8]
meskipun menggunakan teknologi BJT dengan menggunakan tegangan catu sebesar 1V. Selain
itu, untuk nilai isolasi antar port pada mixer hasil perancangan mampu menghasilkan sinyal
leakage yang lebih sedikit dibandingkan dengan dengan perancangan [2] dan [11]. Namun untuk
hasil noise figure perancangan masih kurang optimal hal ini dibandingkan dengan jurnal [2],
Rancang bangun…, Martin Maurence, FT UI, 2013
untuk jurnal [11] mampu mendapatkan noise figure sebesar 18,5 dB, sedangkan untuk hasil
perancangan masih sebesar 32,053 dB dan 34,044 dB.
Secara umum, hasil dari rancangan ini menunjukkan hasil yang baik dan dapat bersaing dengan
perancangan mixer yang menggunakan teknologi CMOS.
Fabrikasi pada Mixer
Pada bagian ini akan dibahas mengenai proses fabrikasi pada mixer dengan menggunakan
komponen surface mount device (SMD). Komponen ini berukuran sangat kecil dan umumnya
digunakan untuk mendesain perangkat integrated circuit (IC). Perancangan PCB dilakukan
dengan menggunakan perangkat lunak Altium Designer. Substrat yang dipakai adalah FR-4
karena substrat ini banyak tersedia sehingga memudahkan dalam proses fabrikasinya. Akan
tetapi, bahan ini memiliki kelemahan pada karakteristik elektriknya. Dalam melakukan
perancangan PCB, perlu diperhatikan beberapa hal, diantaranya adalah lebar line yang
menghubungkan komponen, penentuan via yang menghubungkan layer atas dan layer bawah dan
penentuan besar footprint yang digunakan. Gambar 5 menunjukkan tampilan 2D PCB pada
perangkat lunak Altium Designer.
Gambar 5. Tampilan 2D PCB yang dirancang
Mixer yang dirancang ini terdiri atas 2 buah layer. Mixer ini dirancang pada coplanar
PCB. Pada layer bagian atas, dibentuk sebuah ground plane untuk menghindari adanya sinyal
yang keluar dari line yang mempengaruhi line lain. PCB yang dirancang memiliki panjang 11,42
Rancang bangun…, Martin Maurence, FT UI, 2013
cm dan lebar 6,18 cm. Setiap port pada mixer tersambung dengan konektor jenis Sub Miniature
Version A (SMA). Sementara untuk catu daya digunakan terminal block.
Pengukuran return loss pada mixer dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui mixer yang
dirancang dapat beroperasi pada frekuensi yang diinginkan. Pengukuran ini dilakukan dengan
menggunakan Network Analyzer (NA) yang berada di Departemen Teknik Elektro. Berdasarkan
hasil pengukuran yang telah dilakukan dapat terlihat bahwa mixer yang telah dirancang telah
berhasil bekerja pada frekuensi 900 dan 2.300 MHz dengan frekuensi tengah 950 dan 2.350
MHz. Dari hasil pengukuran didapat beresonansi pada frekuensi tengah 950 MHz dengan nilai
return loss sebesar -27,6 dB dan pada frekuensi 2.350 MHz dengan return loss sebesar -12.8 dB.
Gambar 6 menunjukkan hasil pengukuran return loss dari mixer
0 -­‐5 Retun Loss (dB) -­‐10 -­‐15 -­‐20 -­‐25 -­‐30 0.5 1 1.5 2 Frekuensi (GHz)
2.5 3 Simulasi Realitas Gambar 6. Hasil pengukuran return loss
Pengukuran port isolation dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui seberapa besar daya yang
masuk dari suatu port ke port lain. Pengukuran ini dilakukan dengan menggunakan Network
Analyzer (NA) yang terdapat di Departemen Teknik Elektro. Hasil pengukuran menunjukkan
bahwa secara umum isolasi antar port menunjukkan hasil dibawah -20 dB. Gambar 7
menunjukkan hasil pengukuran Port Isolation pada mixer
Rancang bangun…, Martin Maurence, FT UI, 2013
0 Port IsolaFon (dB) -­‐20 -­‐40 -­‐60 IF-­‐LO LO-­‐RF IF-­‐RF -­‐80 -­‐100 0.5 1 1.5 2 Frekuensi (GHz) 2.5 3 Gambar 7. Hasil pengukuran Port Isolation
Berdasarkan hasil pengukuran, terlihat bahwa mixer yang telah dirancang dapat bekerja sesuai
dengan frekuensi kerja pada perancangan. Akan tetapi, terdapat beberapa faktor yang
menyebabkan terjadinya penyimpangan antara hasil fabrikasi dengan hasil simulasi. Hal ini
dapat berupa adanya resistansi tambahan yang diakibatkan oleh adanya pengaruh skin effect dan
juga adanya induktansi dan kapasitansi pada jalur PCB.
Berdasarkan faktor-faktor tersebut dapat disimpulkan bahwa pada suatu saluran transmisi
terdapat perubahan nilai resistansi, induktansi dan kapasitansi yang diakibatkan karena
penggunaan frekuensi tinggi. Hal ini, mengakibatkan terjadinya perbedaan antara hasil
pengukuran dan hasil simulasi yang dilakukan berdasarkan kondisi ideal. Adanya kapasitansi dan
induktansi tambahan ini dapat menyebabkan suatu coupling pada rangkaian. Selain itu, lebar line
pada PCB yang terlalu kecil dapat mempengaruhi sinyal yang melalui line tersebut. Oleh karena
itu, untuk melakukan desain PCB untuk frekuensi dibutuhkan lebar line yang cukup agar sinyal
yang melalui saluran tidak mengalami degradasi. Hal lain yang dapat mempengaruhi adalah
adanya beberapa via. Via adalah suatu titik yang menghubungkan antara layer pada bagian atas
dan layer pada bagian bawah. Via ini dapat menimbulkan Electromagnetic Interference (EMI)
yang dapat mempengaruhi kualitas sinyal pada saluran. Pada waktu proses soldering juga perlu
diperhatikan panasnya uap yang digunakan agar tidak membakar komponen yang digunakan.
Rancang bangun…, Martin Maurence, FT UI, 2013
Kesimpulan
Berdasarkan hasil simulasi perancangan quadrature dualband up-conversion mixer pada
frekuensi tengah 950 MHz dan 2,35 GHz dengan menggunakan perangkat lunak Advance
Design System (ADS) dapat disimpulkan bahwa :
1. Mixer yang dirancang dengan menggunakan teknik current reuse dapat bekerja pada 2
frekuensi yang berbeda yaitu pada frekuensi 950 MHz dan 2.350 MHz dan memiliki
conversion gain yang tinggi yaitu sebesar 21,516 dan 7,668.
2. Mixer yang dirancang memenuhi spesifikasi yang diingikan yakni dapat bekerja pada
frekuensi tengah 950 MHz didapat return loss sebesar -16,668 dB dengan nilai conversion
gain 21,516 dB, noise figure sebesar 32,503 dB dengan IIP3 sebesar -14,561 dBm. Sementara
pada frekuensi tengah 2.350 MHz didapat return loss sebesar -24,148 dB dengan conversion
gain sebesar 7,688 dB, noise figure sebesar 34,044 dB dengan IIP3 sebesar -30,961 dBm.
Mixer memiliki port isolation <-50 dB.
3. Hasil pengukuran dari fabrikasi mixer menunjukkan bahwa mixer bekerja pada frekuensi
tengah 950 MHz dengan return loss sebesar -27,6 dB dan 2.350 MHz dengan return loss
sebesar -12,6 dB
4. Keterbaruan yang didapat dari hasil perancangan diantara adalah :
a. Frekuensi yang dapat diakomodasi 2 pita frekuensi (dual band).
b. Power consumption yang didapat lebih kecil untuk teknologi BJT.
Penggunaan struktur inti mixer yang dikombinasikan dengan topologi current reuse untuk
menghasilkan gain yang tinggi dan konfigurasi dari quadrature coupler yang menghasilkan
quadrature mixer yang memiliki image rejection tinggi.
Daftar Referensi
[1]
[2]
[3]
www. xl.co.id diakses 20 Mei 2013
Sang-Gug Lee. “A CMOS direct-conversion I/Q up-mixer block for ultra-wideband
system,” The 7th International Conference on Advanced Communication Technology,
2005, pp.230-232.
Wu Chenjian dan Lhi Zhiquin. “A 0.18µ m CMOS Up-Conversion Mixer for Wireless
Sensor Networks Application,” Institute of RF- & OE-ICs, Southeast University, Nanjing
210096. China. 2011.
Rancang bangun…, Martin Maurence, FT UI, 2013
[4]
Chang-Hsi Wu, Wei-Chen Chen dan Kuan-Lin Liu. “A High Linearity Up-Conversion
Mixer with IMD3 Cancellation and gm3-Boosting for 802.11a Application,” Department
of Electronic Engineering Lunghwa University of Science and Technology. Taouyuan.
Taiwan. 2012.
[5] Mei-Ling Yeh,Sheng-Hing Kuo,Wan-Rone Liou, “A Low Voltage 5GHz Quadrature UpConversion Mixer for Wireless Transmitter,”International Conference on Communications,
Circuits and Systems, 2006.
[6] Gary Breed, “Transmission Line And Lumped Element Quadrature Couplers,” High
Frequency Electronic, Summit Technical Media, LLC, 2009.
[7] Parmonangan Manalu, “Perancangan Concurrent Down Converter Multiband Mixer Pada
Frekuensi 900 MHz, 2.1 GHz, 2.3 GHz dan 2.6 GHz dengan Teknologi CMOS 0.18-µm”,
Skripsi, Universitas Indonesia, 2012.
[8] Muhammad Machbub,” Perancangan Mixer Untuk Mobile WiMax pada Pita Frekuensi 2,3
GHz dan 2,6 GHz Menggunakan Heterojunction Bipolar Transistor”, Tesis, Universitas
Indonesia, 2011
[9] Sung P.Lim and Jae Y.Patk ,”Compact WiMAX Filter with Three Independent
Transition Zeros Using PCB Embedded Passive Technology,” IEEE , IMS 2009.
[10] Seong J. Cheon, Sung P. Lim, and Jae Y. Park. “3- to 5-GHz Ultra-Compact Bandpass
Filter With Independent Transmission Zeros Using PCB Embedding Passive Technology”.
IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology. 2012.
[11] Giuseppina Sapone dan Giuseppe Palmisano.” A 1.5-V 0.25-µm CMOS Current Reuse
Up-Converter for 3-5 GHz Low-Power WPANs,” Università di Catania, Facoltà di
Ingegneria Proceedings of the 2nd European Microwave Integrated Circuits Conference
Catania, Italy. 2007.
Rancang bangun…, Martin Maurence, FT UI, 2013