Perancangan Low Noise Amplifier Menggunakan Metode T-Junction pada Frekuensi 3 GHz

## Atik Charisma, Alni Muflihati
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Jenderal Achmad Yani Jl. Terusan Jendral Sudirman, Cimahi, Jawa Barat 40285, Indonesia atikcharisma@gmail.com

## Abstrak
Radar Coastal  S-Band adalah  sebuah  radar  maritim  buatan  dalam  negeri  yang  dibuat  untuk  dapat  diaplikasikan  di kapal dan pantai. Pengembangan radar memanfaatkan Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW). Berdasarkan kesesuaian dan polarisasi radar, maka penelitian ini akan merancang sebuah radar Coastal S-Band pada receiver dengan merancang sebuah Low Noise Amplifier (LNA) yang akan diaplikasikan pada sebuah permukaan kapal biasa (non-kapal perang).  Penelitian  dilakukan  dengan  metode  pemodelan  sistem  melalui  pendekatan  simulasi.  Peneliti  memilih mikrostrip dengan metode T-Junction menggunakan transistor ATF-34143. Perancangan dimulai dari mengidentifikasi spesifikasi  dari  LNA  kemudian  memilih  transistor yang  akan  dipakai  untuk  menyimpan  data  pada  rangkaian.  Setelah itu, membuat rangkaian DC bias yang telah ditentukan selanjutnya menentukan rangkaian penyesuaian impedansi dan melakukan  tahap  optimasi  hingga  memperoleh  hasil  perancangan  yang  sesuai  spesifikasi.    Berdasarkan  hasil  simulasi dari  perancangan  LNA  pada  frekuensi  3  GHz,  diperoleh  parameter gain (S 21 )  sebesar  14,641  dB,  penyesuaian impedansi  pada  parameter  S 11 sebesar  -11,714  dB,  dan  S 22 sebesar  -10,756  dB.  Selain  itu,  hasil  simulasi  juga menunjukan  faktor  kestabilan  sebesar  1,117, noise  figure sebesar  1,499,  serta  VSWR  kurang  dari  dua  pada  masukan dan keluaran.
Kata kunci: LNA, faktor kestabilan, noise figure , return loss , gain

## Abstract
Radar  Coastal  S-Band  is  a  domestically  made  maritime  radar  made  to  be  applied  on  ships  and  beaches.  The development  of  this  radar  utilizes  Frequency  Modulated  Continuous  Wave  (FMCW).  Based  on  radar  suitability  and polarization, this study will design a Coastal S-Band radar on the receiver by designing a Low Noise Amplifier (LNA) which will be applied to a surface of an ordinary ship (non-warship). The research was carried out by system modeling methods  through  a  simulation  approach.  Researchers  chose  microstrip  with  the  T-Junction  method  using  the ATF-34143 transistor. The design starts from identifying the specifications of the LNA then selecting the transistor that will  be  used  to  store  the  data  in  the  circuit.  After  that  make  a  predetermined  DC  bias  circuit  then  determine  the impedance  adjustment  circuit  (matching  impedance)  and  perform  the  optimization  stage  to  obtain  the  design  results that are suitable for specification. Based on the simulation results from LNA design at 3 GHz frequency, it was obtained gain  parameter  (S 21 )  is  14.641  dB,  impedance  adjustment  in  S 11 parameter  is  -11.714  dB  and  S 22 is  -10.756  dB.  In addition, the simulation results also show a stability factor of 1.117, noise figure of 1.499, and less than two VSWR on input and output.
Keywords: LNA, stability factor , noise figure , return loss , gain

## I. P ENDAHULUAN
Radio  Detection  Ranging  (Radar) merupakan sistem pemancar dan penerima gelombang elektromagnetik untuk mendeteksi, mengukur jarak, dan  membuat  peta  benda-benda  seperti  pesawat terbang,  kapal  laut,  kendaraan  bermotor,  dan informasi  cuaca.  Radar Coastal  S-Band adalah
sebuah  radar  maritim  buatan  dalam  negeri  yang dibuat untuk dapat diaplikasikan di kapal dan pantai. Pengembangan  radar  ini  memanfaatkan Frequency Modulated  Continuous  Wave  (FMCW) ,  yaitu  suatu teknologi yang menghasilkan jarak jangkauan radar dengan  daya  pancar  sangat  rendah  [1].  Subsistem yang mendukung komponen radar Coastal diantaranya  penguat  daya  pada  bagian  pengirim yaitu High  Power  Amplifier (HPA)  dan  bagian
penerima  yaitu Low  Noise  Amplifier (LNA) . Pada penelitian  sebelumnya,  telah    dirancang  dan direalisisasikan  HPA  pada  frekuensi S-Band untuk radar  pengawas  pantai.  Pada  perancangannya, penguat  daya  yang  digunakan  adalah  komponen aktif berupa Microwave Integrated Circuit. Penguat dibuat  dengan  dua  tingkat  dengan  menggunakan komponen  aktif  yang  sama  [1].  Salah  satu  kendala yang  dihadapi  pada  sistem  radar  ini  adalah  sinyal pantulan  yang  memiliki  daya  rendah  sehingga kualitas  penerimaan  menjadi  kurang  baik  [2]. Penguat  daya  pada  bagian  penerima  yaitu  LNA dibutuhan  untuk  mengatasi  kendala  tersebut.  LNA dapat digunakan pada bagian front end penavigasian sinyal  yang  diterima  salah satunya  diterapkan  pada sinyal Indian  Regional  Navigation  Satellite  System (IRNSS).  LNA  dalam  teknologi Complementary Metal  Oxide  Semiconductor (CMOS)  dirancang sebagai tahap cascode . Konfigurasi rangkaian yang dipilih  harus  tepat  berdasarkan  spesifikasi  LNA yang  akan  dirancang  sesuai  kebutuhan  atau aplikasinya.  Konfigurasi  LNA  yaitu Common Source (CS) dan Common Gate (CG), cascode LNA dan single  stage dan multi  stage .  Salah  satu komponen penting dalam perancangan LNA adalah sebuah  transistor.  Transistor  merupakan  komponen elektronika  yang  terbuat  dari  bahan  semikonduktor yang  banyak  dipakai  sebagai  penguat, switching , stabilitas  tegangan,  modulasi  sinyal,  dan  berbagai fungsi  yang  lainnya.  Berdasarkan  arus  masukanya, transistor terbagi menjadi dua kategori yaitu Bipolar Junction  Transistor (BJT)  dan Field  Effect Transistor (FET).
Berdasarkan  permasalahan  di  atas,  maka  pada penelitian  ini  akan  merancang  sebuah  LNA  pada frekuensi  3  GHz  di  pita  S-Band.  Penelitian  ini menggunakan tipe transistor BJT pada frekuensi 1,1 GHz  dan  2,5  GHz  [3].  Tipe  transistor  yang digunakan  yaitu High  Electron  Mobility  Transistor (HMET)  yang  merupakan  bagian  dari  transistor FET. Transistor HMET merupakan sebuah transistor yang diciptakan dari hasil teknik dopping –  modulasi GaAs  (Gallium  Arsenide)  –  AlGaAs (Alluminium  Gallium  Arsinide) yang  mempunyai struktur heterojunction tunggal.  Performansi  dari HMET  menunjukkan noise  figure yang  rendah  dan gain yang tinggi hingga frekuensi 70 GHz sehingga cocok untuk perancangan LNA [4].

## II. M ETODE P ENELITIAN
Penelitian  ini  dilakukan  menggunakan  metode pemodelan  sistem  melalui  pendekatan  simulasi dengan  bantuan software  ADS  2016 .  Proses penelitian dimulai dari mengenali beberapa spesifikasi  dari  radar Coastal  S-Band .  Setelah  itu, dilakukan  perhitungan  nilai-nilai  komponen  dan panjang  mikrostrip.  Hasil  perhitungan  tersebut kemudian  disimulasikan  degan  bantuan software ADS  2016.  Hasil  simulasi  akan  memperlihatkan nilai-nilai  dari  parameter  kinerja  LNA  tersebut. Apabila  hasilnya  tidak  sesuai  dengan  spesifikasi yang telah ditetapkan maka akan dioptimasi dengan bantuan software ADS 2016. Penjelasan lebih rinci akan diuraikan pada diagram alir tahap perancangan yang ditunjukkan pada Gambar 1. Adapun diagram blok proses penelitian dapat dilihat pada Gambar 2.
Spesifikasi LNA Pemilihan Transistor Rangkaian DC Bias Rangkaian Penyesuaian Impedansi Evaluasi: Return Loss < = -10 dB Gain > = 14 dB K > = 1 NF < = 2 Mulai Selesai Optimasi Tidak Ya Gambar 1. Diagram alir perancangan penelitian
Gambar 2. Diagram blok proses penelitian
Pada  komunikasi  nirkabel,  LNA  harus  mampu menerima  sinyal  yang  sangat  lemah  dari  pengirim dan  memperkuat  sinyal  tersebut  agar  dapat mencapai  level  yang  cukup  untuk  diberikan  ke perangkat  penerima.  Oleh  karena  itu,  parameter yang  perlu  diperhatikan  dalam  merancang  LNA adalah  faktor  kestabilan, noise  figure , gain, serta penyesuaian  impedansi  pada  sisi  masukan  dan keluaran  [5].  Parameter  perancangan  antena diperoleh  dengan  memperhitungkan  beberapa  hal. Hal-hal  yang  terkait  tersebut  yakni  perancangan rangkaian  DC  bias  dan  metode  penyesuaian impedansi yang digunakan serta panjang mikrostrip. Rangkaian  DC  bias  merupakan  hal  yang  perlu diperhatikan  dalam  mendesain  penguat  dengan pengoperasian  yang  tepat.  Rangkaian  DC  bias terdiri  dari  bias  pasif  dan  bias  aktif.  Penelitian  ini menggunakan bias pasif dengan komponen resistor, konduktor, dan kapasitor. Bias pasif ini menggunakan  resistor  yang  membentuk  rangkaian pembagi  tegangan  yang  dihubungkan  ke gate (G) dan drain (D)  pada  HMET  seperti  pada  Gambar  3 dengan persamaan (1) sampai (3) berikut ini [6].
BB GS I V R  1 (1)
BB GS DS I V V R   2 (2) BB DS DS DD I I V V R    3 (3)
Pembagi  tegangan  berupa  hambatan  R 1 dan  R 2 , sedangkan  hambatan  R 3 berfungsi  menjaga  arus drain tetap  konstan.  Nilai  V DD merupakan  sumber tegangan sedangkan V DS , V GS , I DS , dan I BB nilainya diperoleh  dari datasheet transistor.  Induktor  yang terhubung  pada gate dan drain disebut  juga Radio Frequency  Chokes (RFC)  yang  mempunyai  nilai hambatan yang rendah untuk bias direct current dan impedansi yang sangat tinggi pada Radio Frequency (RF)  untuk  mencegah  hubungan  pendek.  Dua kapasitor  pada  rangkaian  disebut  juga  DC block capacitor yang  berfungsi  untuk  memblok  arus  DC dan melewatkan sinyal microwave [7].
Seperti  yang  telah  dipaparkan  sebelumnya, rangkaian  penyesuaian  impedansi  juga  menjadi  hal yang sangat penting untuk diperhitungkan.
Rangkaian  impedansi  pada  penguat  merupakan  hal yang  penting  sebagai  penyepadan  impedansi penguat  tersebut  dengan  impedansi  saluran. Penyepadan  ini  perlu  dilakukan  supaya  terjadi transfer  daya  maksimum  dari  sumber  penguat  atau sebaliknya. Impedansi suatu saluran ditentukan oleh
ukuran,  konstruksi  fisik  dan  bahan  serta  frekuensi kerja penguat tersebut.
Penyesuaian  impedansi  memiliki  beberapa teknik  menggunakan  mikrostrip  yang  terdiri  dari single  stub maupun multi  stub .  Pada  penyesuaian impedansi  terdapat  tiga  metode  perancangan  yaitu L-Junction,  T-Junction dan π-Junction seperti  pada Gambar 4.
Gambar 3. Rangkaian DC bias transistor [6]
(a) (b) (c)
Gambar 4. Model stub pada: (a) L-Junction , (b) T- Junction , (c) π-Junction
Rangkaian  pada  sisi  masukan  memerlukan transformasi  50Ω  dalam  bentuk  Ys  menggunakan persamaan (4) dengan masukan saluran seri (5) dan parallel (6).
           s s s Y 1 1 50 1 (4)          s Y Z Re 1 50 0 (5)   s Y Z Im 1 0  (6)
Pada rangkaian penyesuaian impedansi keluaran, juga  memerlukan  transformasi  50Ω  ke  bentuk  Y L menggunakan  persamaan  (7)  dan  (8)  dengan keluaran saluran seri (9) dan paralel (10).
opt opt L S S S S       11 21 12 22 1 (7)
           L L L Y 1 1 50 1 (8)          L Y Z Re 1 50 0 (9)
  L Y Z Im 1 0  (10)
Penentuan  lebar  saluran  mikrostrip  yang  akan dipakai  dapat  dihitung  dengan  persamaan  (11) sampai (14).
W/h ≤ 2:
  1 2 1 8 /    A A e e h W (11)
W/h > 2:
                         r r r B B B h W     61 , 0 39 , 0 1 ln 1 1 2 ln 1 2 /
(12)
dimana
            r r r r Z
A
   
11 , 0 23 , 0 1 1 2 1 60 0 (13)
r Z B   0 2 377  (14)
Panjang  saluran  seri  atau  paralel  dapat  dihitung dengan persamaan (15) dan (16).
W/h ≥ 0,6
   2 / 1 1255 , 0 0 / 1 63 , 0 1          h W r r r      (15)
W/h < 0,6
   2 / 1 0297 , 0 0 / 1 63 , 0 1          h W r r r      (16)
dengan:
W = ketebalan mikrostrip (mm) h =  ketebalan  substrat  FR4  yang  digunakan (1,6 mm) ε r
= konstanta dielektrik substrat FR4 (4,36)
Perancangan  dimulai  dari  mengidentifikasi spesifikasi  LNA  kemudian  memilih  transistor. Setelah itu, membuat rangkaian DC bias yang telah dihitung nilai komponennya dan dilanjutkan dengan rangkaian  penyesuaian  impedansi.  Selanjutnya, melakukan  evaluasi  dimana  jika  evaluasi  telah berhasil  maka  selanjutnya  ke  tahap  hasil  yang sesuai  dengan  spesifikasi  LNA  yang  telah ditentukan. Namun, jika pada tahap evaluasi belum dikatakan  berhasil  maka  selanjutnya  ke  tahap optimasi  dimana  akan  kembali  ke  tahap  rangkaian penyesuaian  impedansi  yang  ditetapkan  setelah rangkaian  DC  bias.  Jika  semua  tahap  telah dilakukan  tetapi  belum  mendapatkan  parameter yang  sesuai  dengan  perancangan  LNA,  maka kembali  ke  tahap  pemilihan  transistor  dengan mengganti  komponen  transistor  yang  memenuhi kebutuhan.  LNA  yang  akan  dirancang  pada frekuensi 3 GHz memenuhi spesifikasi seperti pada Tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi Low Noise Amplifier
No. Parameter Spesifikasi LNA 1 Frekuensi 3 GHz 2 S 11 ≤ -10 dB 3 S 22 ≤ -10 dB 4 Gain (S 21 ) ≥ 14 dB 5 Noise figure < 2 6 Faktor kestabilan (K) ≥ 1 7 VSWR input ≤ 2 8 VSWR output ≤ 2
Tabel 2. Spesifikasi transistor ATF-34143
No. Parameter Spesifikasi 1 Frekuensi 3 GHz 2 S 11 -3,479 dB 3 S 22 -14,425 dB 4 Gain (S 21 ) 14,559 dB 5 Noise figure 0,607 6 Faktor kestabilan (K) 0,746 7 VSWR input 5,061 8 VSWR output 1,469
Transistor  yang  dipilih  yaitu  ATF-34143  yang memenuhi syarat untuk digunakan pada perancangan  LNA.  Adapun  spesifikasi  ATF-34143 dijabarkan  pada  Tabel  2.  Berdasarkan datasheet dari  transistor  ATF-34143  diperoleh  spesifikasi elektrik  yang  akan  digunakan  untuk  menghitung nilai-nilai  pada  komponen  rangkaian  DC  bias. Dengan  menggunakan  persamaan  (1),  (2),  dan  (3) diperoleh niai R 1 133Ω, R 2 1220Ω, dan R 3 31,746Ω. Pada Tabel 2 terlihat bahwa dengan menggunakan  transistor  ATF-34143  menemui kendala  dengan  nilai  S 11 yang  masih  tinggi  yakni  - 3,479 dB. Nilai tersebut masih jauh dari spesifikasi LNA  yang  akan  dirancang  yakni  ≤  -10  dB.  Oleh karena  itu,  perlu  dilakukan  penyesuaian  impedansi pada  sisi  masukan.  Penyesuaian  impedansi  ini menggunakan mikrostrip karena LNA bekerja pada frekuensi tinggi yang mana mikrostrip sangat cocok digunakan  untuk  pada  frekuensi  tinggi.  Rangkaian penyesuaian impedansi menerapkan prinsip Quarter Wave Transformer dengan metode T-Junction pada sisi masukan menggunakan mikrostrip.

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN
Berdasarkan metode dan perhitungan yang telah dilakukan  serta  dibantu  dengan  simulasi  diperoleh
nilai-nilai  parameter  seperti  dirangkum  pada  Tabel 3.  Berdasarkan  hasil  perhitungan,  semua  parameter yang  ditampilkan  pada  Tabel  3  dimasukkan  ke perancangan dengan bantuan software untuk dibuat rangkaian  LNA.  Namun  setelah  dilakukan  simulasi ternyata  hasil  yang  diperoleh  belum  memenuhi spesifikasi  LNA.  Oleh  sebab  itu,  dilakukan optimalisasi dan juga menempatkan sebuah tahanan sebesar  5Ω  secara  seri  pada  sisi  masukan.  Metode ini  merupakan  salah  satu  cara  pembebanan  resistif untuk  meningkatkan  faktor  kestabilan.  Hasil perancangan  setelah  dioptimasi  diperlihatkan  pada Gambar  5  dan  nilai  masing-masing  parameter terdapat pada Tabel 3.
Pada  Tabel  4  terlihat  bahwasannya  terjadi perbedaan  nilai  yang  diperoleh  secara  hasil perhitungan  dengan  setalah  dilakukan  optimalisasi. Panjang  masing-masing  saluran  menjadi  lebih pendek  dibandingkan  hasil  perhitungan  dengan selisih  maksimum  sebesar  6,927  mm  pada  panjang saluran seri 1 (l 1 ).
Tabel 3. Nilai-nilai hasil perhitungan
No. Jenis Perhitungan Parameter Nilai Satuan 1. Rangakain DC bias R 1 113,33 Ω R 2 1220 Ω R 3 31,476 Ω 2. Saluran seri penyesuaian impedansi input LNA W 1 2,66048 mm l 1 13,8540 mm 3. Saluran paralel penyesuaian impedansi input LNA W 2 3,3234 mm l 2 20,580 mm
Tabel 4. Perbandingan hasil perhitungan dengan optimasi Parameter Perhitungan  Optimasi  Selisih
Panjang saluran seri 1 (l 1 ) 13,854 mm 6,927 mm 6,927 mm Panjang saluran paralel (l 2 ) 20,580 mm 18,9338 mm 1,6462 mm Panjang saluran seri 2 (l 3 ) 13,8540 mm 8,0832 mm 5,7708 mm

## Tabel 5. Hasil simulasi perancangan LNA
Parameter Nilai S 11 -11,714 dB S 22 -10,756 dB Gain 14,641 dB Faktor kestablian 1,117 Noise figure 1,499 VSWR input 1,701 VSWR output 1,816
Berdasarkan  simulasi  perancangan  LNA  dengan rangkaian  bias  serta  penambahan  mikrostrip  satu saluran  seri  dan  satu  saluran  paralel  ternyata terdapat  permasalahan  pada  sisi  masukan  berupa nilai S 11 yang masih lebih besar dari -10 dB. Oleh karena itu, peneliti fokus ke perbaikan pada  penyesuaian  impedansi  pada  sisi  masukan dengan  metode T-Junction menggunakan  dua  buah saluran  seri  dan  satu  buah  saluran  paralel.  Hasil simulasi  penyesuaian  impedansi  menggunakan prinsip Quarter  Wave  Transformer dengan  metode T-Junction didapatkan setelah rancangan keseluruhan  telah  disimulasikan  dan  telah  melalui proses tunning pada rangkaian mikrostrip. Penyesuaian  impedansi  parameter  S 11 dan  S 22 setelah dilakukan optimasi dapat dilihat pada Tabel 5.  Hasil  simulasi  diperoleh  S 11 sebesar  -11,714  dB dan  S 22 -10,756  dB  yang  mana  nilai  ini  telah memenuhi  spesifikasi  LNA  yakni  ≤  -10  dB. Gain dapat  dilihat  dari  parameter  S 21 yang  telah disimulasikan  pada  Gambar  5. Gain didapat  dari simulasi  perancangan  LNA  dengan  menggunakan rangkaian  DC  bias  dan  penambahan  dua  buah induktor  sebesar  1µH.  Selain  itu,  penyesuaian impedansi  juga  berpengaruh  pada  nilai gain yang diinginkan .

## IV. K ESIMPULAN
Perancangan  LNA  pada  frekuensi  3  GHz  untuk radar Coastal  S-Band menggunakan  metode T-
Junction telah  dilakukan  pada  sisi  masukan. Berdasarkan proses penelitian yang telah dilakukan, diperoleh kestabilan faktor sebesar 1,117 yang telah memenuhi  syarat  perancangan  LNA  dengan  faktor kestabilan yang ideal adalah yang mendekati angka 1  (K 1).  Hasil  perancangan  LNA  menunjukan besar gain yang  diperoleh  setelah  simulasi  yaitu 14,641  dB  yang  sesuai  dengan  kebutuhan  radar Coastal S-Band. Hasil perancangan LNA menunjukan  besar noise  figure 1,499  yang  mana lebih kecil dari dua dan telah memenuhi spesifikasi perancangan  LNA  pada  frekuensi  3  GHz.  Hasil simulasi  perancangan  LNA  pada  frekuensi  3  GHz menunjukan  penyesuaian  impedansi  pada  sisi masukan  S 11 sebesar  -11,714  dB  dan  keluaran  S 22 sebesar  -10,756  dB  yang  sesuai  dengan  syarat spesifikasi.

## U CAPAN T ERIMA K ASIH
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Jurusan  Teknik  Elektro  Universitas  Jenderal Achmad  Yani  atas  kesempatan  penelitian  yang diberikan kepada penulis.

## R EFERENSI
[1] B.  Mulyadi,  A.  A.  Muayyadi,  and  Y.  Wahyu, “Perancangan  dan  Realisasi  Penguat  Daya  pada Frekuensi S-Band untuk Radar PengawasPantai,” e- Proceeding  of  Engineering, vol.  4,  no.  1,  pp.  255- 363, 2017.
[2] Y.  Taryana,  A.  Munir,  Y.  Sulaeman,  and  D.  Dedi, “Perancangan Low  Noise  Amplifier dengan  Teknik Non Simultaneous Conjugate Match untuk Aplikasi Radar S-Band,” PPET-LIPI All rights reserved, vol. 15, pp. 45-49, 2015.
[3] N. Nimesh, M. Prabhakar, and A. K. Sisodia, “Low Noise  Amplifier  Design  for  Navigation  Signal Receiver”, IJEDR , vol. 2, issue 1, 2014.
[4] A. Charisma, “Penguat dua arah pada frekuensi 2,3 GHz  TDD  LTE  untuk smart  antenna ,”  ITB, Bandung, 2016.
[5] A.  Charisma  and  S.  Joko,  “Penguat  dua  arah  pada frekuensi 2,3 GHz untuk smart antenna ”, Prosiding Seminar  Nasional  Energi  Telekomunikasi  dan Otomasi  SNETO .  Jurusan  Teknik  Elektro,  Institut Teknologi Nasional ITENAS, Bandung, 2015.
[6] R.  L.  Freeman,  “ Telecommunication  Sistem Engineering - Analog and Digital Network Design” , New York: Wiley, 1989.
[7] A.  Nugroho,  “Simulasi  dan  Desain  LNA  ( Low Noise  Amplifier )  pada  Frekuensi  2,3  GHz,” Universitas Indonesia, Depok, 2009.