Jurnal Sustainable: Jurnal Hasil Penelitian dan Industri Terapan Vol. 07, No. 01, hal. 32- 38, Mei 2018

## Jurnal Sustainable: Jurnal Hasil Penelitian dan Industri Terapan
ISSN 2615-6334 (Online) ISSN 2087-5347 (Print)
Fitri Farida 1,* , Eko Setijadi 2
1 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Maritim Raja Ali Haji
2 Departemen Elektro,Intitut Teknologi Sepuluh Nopember, Kampus Sukolilo, Surabaya
1 Jl. Politeknik Senggarang, Tanjungpinang 29100
* Corresponding Author: fitri.farida.fte@umrah.ac.id
Abstract — In this paper designed bandpass filter which is applied for ultra wideband technology (3.1 GHz - 10.6 GHz). The designed bandpass filter is a combination of a lowpass filter (LPF) and a highpass filter (HPF). The lowpass filter has the characteristic of passing a frequency lower than its cut-off frequency. While the highpass filter has the characteristic of passing a frequency higher than its  cut-off frequency.  Considering  the  characteristics  of  both  filters,  the  bandpass  filter  (BPF)  is  a combination  of  lowpass  and  highpass  filters.  In  this  study  designed  lowpass  filter  in  microstrip technology  with  step-impedance  method.  As  for  designing  HPF  using  the  distribution  method  of short circuit stubs by adding via ground on each stub. The design of this filter uses Roger substrate RT 5880 with dielectric constant εr = 2,2 with thickness (h) = 0.508 mm. In this research it can be concluded  that  bandpass  filter  can  be  designed  with  lowpass  and  highpass  filter  incorporation method, although at the merging of highpass and lowpass structures is disturbed by each other, but overall design shows matching bandpass.
Keywords —Microstrip, Lowpass Filter, Highpass Filter, Bandpass Filter.
I ntisari —Pada  penelitian  ini  dirancang  bandpass  filter  yang  diaplikasikan  untuk teknologi  ultra  wideband  (3.1  GHz  –  10.6  GHz)  .  Filter  bandpass  yang  dirancang  merupakan penggabungan  dari  filter  lowpass  (LPF)  dan  filter  highpass  (HPF).  Filter  lowpass  memiliki karakteristik  melewatkan  frekuensi  yang  lebih  rendah  dari  frekuensi  cut-off-nya.  Sedangkan  filter highpass memiliki karakteristik melewatkan frekuensi  yang lebih tinggi dari frekuensi cut-off-nya. Dengan  mempertimbangkan  karakteristik  dari  kedua  filter  ini  maka  dirangcang  filter  bandpass (BPF)  yang  merupakan  penggabungan  dari  filter  lowpass  dan  highpass.  Pada  penelitian  ini dirancang  filter  lowpass  dalam  teknologi  mikrostrip  dengan  metode  step-impedansi.  Sedangkan untuk  perancangan  HPF  menggunakan  metode  distribusi  short  circuit  stubs  dengan  menambahkan via  ground  pada  setiap  stub.  Perancangan  filter  ini  menggunakan  subtrat  Roger  RT  5880  dengan konstanta  dielektrik  εr  =  2,2  dengan  ketebalan  (h)  =  0.508  mm.  Pada  penelitian  ini  dapat disimpulkan  bahwa  bandpass  filter  dapat  dirancang  dengan  metode  penggabungan  lowpass  dan highpass  filter,  meskipun  pada  penggabungan  struktur  highpass  dan  lowpass  terganggu  oleh  satu sama lain, tetapi keseluruhan desain menunjukkan karakteristik bandpass yang baik.
Kata kunci —Mikrostrip, Filter Lowpass, Filter Highpass, Filter Bandpass.

## I. P ENDAHULUAN
Ketersediaan  konektivitas  nirkabel  saat  ini sangat  diperlukan  masyarakat  dalam  proses pengiriman data.  Untuk itu diperlukan teknologi
untuk  mendukung  data  rate  yang  tinggi,  dan frekuensi  yang  lebar.  Teknologi  itu  disebut teknologi  Ultra  Wideband  (UWB)  yang  saat  ini masih  terus  dikembangkan.  Teknologi  UWB

## Perancangan Filter Bandpass dengan Teknik Penggabungan Filter Lowpass dan Highpass
mulai  menjadi  daya  tarik  dalam  bidang penelitian sejak Federal Communications Commission (FCC) mengizinkan komunikasi ini digunakan  untuk  komunikasi  komersial  pada frekuensi (3,1GHz - 10,6 GHz). Ultra Wideband adalah  salah  satu  teknologi  yang  menggunakan frekuensi.  Teknologi ini diklasifikasikan sebagai teknologi  Close  Range  Wireless  dengan  radius kerja  kurang  lebih  10  meter.  Namun  pada prakteknya  seringkali  terjadi  gangguan  akibat interferensi  sinyal  pengganggu  yang  tidak diinginkan dimana frekuensinya berdekatan atau sama  dengan  sinyal  yang  diinginkan.  Untuk  itu diperlukan rancangan filter untuk menghilangkan  interferensi  tersebut.  Filter merupakan  suatu  perangkat  transmisi  yang memiliki  fungsi  untuk  melewatkan  frekuensi tertentu  dengan  meloloskan  frekuensi  yang diinginkan  (passband)  dan  meredam  frekuensi yang  tidak  diinginkan  (stopband).  Frekuensi yang  dilewatkan  pada  perangkat  ini  sesuai dengan  jenis  filter  yang  digunakan  dengan karakteristik yang berbeda [1].
Dengan mempertimbangkan kelebihan dari transmisi  mikrostrip  yaitu  kemudahan  dalam perancangan  dan  dimensi  yang  lebih  kecil  serta kemudahan  saat  fabrikasi  maka  pada  penelitian ini  dilakukan  perancangan  bandpass  filter dengan  teknologi  saluran  transmisi  mikrostrip [2]. Sebuah alternatif untuk merancang bandpass filter yaitu menggunakan penggabungan lowpass dan highpass filter. Pada artikel ini LPF dan HPF digabungkan  sehingga  rangkaian  dapat  menjadi rangkaian  bandpass.  Secara  teori  bahwa  prinsip kerja  HPF  adalah  melewatkan  frekuensi  di  atas frekuensi  cut-off  dan  meredam  frekuensi  di bawah  cut-off,  sedangkan  LPF  memiliki  sifat melewatkan frekuensi di bawah frekuensi cut-off dan meredam frekuensi di atas frekuensi cut-off. Maka sesuai rentang frekuensi UWB yaitu 3.1 – 10.6  GHz  maka  pada  LPF  frekuensi  cut-off adalah 10.6 GHz dan pada HPF frekuensi cut-off 3.1 GHz.
Pada  perancangan  LPF  menggunakan metode step impedansi karena dalam perancangannya  lebih  mudah  dan  ukuran  yang lebih  kecil  [3].  Rancangan  HPF  terdiri  dari parallel  short  circuit  stubs  dengan  penambahan via  ground  pada  setiap  stubs.  Pada  awalnya
dilakukan perancangan LPF, kemudian dirancang  HPF,  setelah  dilakukan  pengukuran pada  masing  –  masing  filter  dan  didapatkan karakteristik  yang  diinginkan  maka  selanjutnya dilakukan  penggabungan  antara  HPF  dan  LPF . Jenis  substrate  yang  digunakan  pada  penelitian ini  adalah  jenis  Rogers  RT  5880  dengan  nilai konstanta dielektrik εr = 2,2 dan h = 1,57 mm
II. L OW P ASS F ILTER
Pada penelitian sebelumnya telah dijelaskan  mengenai  metode  dan  desain  dari LPF.  Perancangan  LPF  menggunakan  metode perubahan  impedansi  dari  saluran  transmisi mikrostrip.  Pendekatan  yang  digunakan  adalah aproksimasi  Chebyshev  orde  3  maka  diperoleh dimensi  setelah  dioptimasi  seperti  ditunjukkan pada gambar 1 [4].
Gambar 1. Konfigurasi LPF
Tabel 1. Ukuran Filter LPF
Simbol Keterangan Dimensi lc1 = lc2 = lc3 = lc4 Panjang patch   2.9 mm lL1= lL3 = lL4 Panjang line 2.0 mm w1 Lebar induktor 1.05 mm w2 Lebar kapasitor 5.3 mm w3 Lebar feeding  4.0 mm
Gambar 2. Hasil simulasi S parameter LPF
Jurnal Sustainable: Jurnal Hasil Penelitian dan Industri Terapan Vol. 07, No. 01, hal. 32- 39, Mei 2018
Hasil  simulasi  menunjukkan  bahwa  filter memiliki  performa  yang  baik  yaitu  dapat melewatkan frekuensi dibawah nilai cut-off 10.6 GHz. Dengan nilai return loss  yang ditampilkan adalah kurang dari -10 dB dan nilai insertion loss lebih kecil dari -3 dB.

## III. H IGH P ASS F ILTER
Metode  yang  digunakan  untuk  merancang highpass  ini  adalah  metode  short  circuit  stubs. Optimum  distribusi  highpass  filter  terdiri  dari parallel  short  sircuit  stubs  pada  electrical  length θc  di  frekuensi  cuttoff,  sedangkan  yang  antar stubs memiliki electrical length 2θc.
Pada  aplikasi  HPF  nilai  electrical  length didapat dari persamaan :
(1) Dalam mendesain
HPF yang harus dipertimbangkan  frekuensi  cutoff  fc=3.1  GHz dan  ripple  dalam  passband  sampai  10.6  GHz. Seperti pada gambar 2a electrical length θc dapat ditentukan dengan persamaan [5]
(2)
Maka  didapatkan  nilai  θc  =  40.72°,  untuk menentukan nilai y pada tabel maka menggunakan  rumus  ekstrapolasi,  dengan  n=2 dan θc=40.72°
Maka didapatkan nilai tiap y untuk θc = 40.72° ,
yaitu :
y 1 = y 3 = 0.407 y 1.2 = 1.0581
Selanjutnya  menentukan  nilai  impedansi  yang dapat  ditentukan  dengan  persamaan  (3)  dan  (4) dengan nilai impedansi Zo biasanya adalah 50 Ω
: Zi=Zo/Y1 (3) Zi,i+1=Zo/Zi,i+1 (4) dimana i= 1,2….,6
Dengan  menggunakan  persamaan  diatas  maka nilai tiap element adalah:
Z 1 = Z 3 = 122.85 Z 1.2 = 47.25
Panjang setiap stubs ditentukan dengan persamaan :
θc=β. l (5)
β=2π/λ g (6)
dimana β merupakan nilai konstanta propagasi.
Maka  diperoleh  dimensi  HPF  terlihat  pada gambar 3
Gambar 3. Konfigurasi HPF
Tabel 2. Ukuran Filter HPF
Simbol Keterangan Dimensi a Panjang line 14.9 mm b Lebar line 1.08 mm c Panjang stub 7.44 mm d Diameter via 5.3 1.0 mm e Lebar stub 5.4 4.0 mm f Lebar feeding 5.5 2.0 mm

## IV. B ANDPASS F ILTER
Setelah  dilakukan  perancangan  LPF  dan HPF  yang  telah  sesuai  dengan  parameter  filter yang  diinginkan  maka  pada  proses  selanjutnya yaitu  melakukan  penggabungan  LPF  dan  HPF agar diperoleh filter yang bekerja sebagai BPF.
Hasil simulasi penggabungan filter lowpass dan  highpass  ini  tidak  langsung  memberikan hasil  yang  diinginkan  karena  saling  terpengaruh
dimensinya.  Untuk  itu  dilakukan  optimasi  agar hasilnya  sesuai  dengan  karakteristik  bandpass yang  diinginkan.  Pada  gambar  4  dan  5 diperlihatkan  konfigurasi  filter  simulasi  dan filter hasil fabrikasi :
Gambar 4. Konfigurasi BPF
Gambar 5. Filter Fabrikasi

## A. Parameter S
1. Return Loss (S11)
Nilai  return  loss  yang  ideal  adalah  -10  dB pada  bandwidth  yang  diinginkan.  Nilai  -10  dB menjelaskan  bahwa  nilai  daya  yang  dikirim maksimum dan daya yang direfleksikan minimum  [6].  Selanjutnya  dilakukan  analisis hasil  pengukuran  filter  yang  telah  difabrikasi dengan filter simulasi untuk melihat apakah hasil fabrikasi  filter  yang  akan  diaplikasikan  pada perangkat  yang  sebenarnya  telah  sesuai  dengan filter simulasi.
Pada  Gambar  6  dan  7  menjelaskan  bahwa  hasil pengukuran  mendekati  simulasi.  Grafik  S11 memperlihatkan nilai return loss yang terjadi saat proses  transmisi.  Nilai  return  loss  pada  simulasi memiliki nilai  -10 dB pada frekuensi 3,7 GHz  – 11,4  GHz  sedangkan pada pengukuran memiliki nilai  dibawah  -10dB  pada  rentang  frekuensi  3,2 GHz  –  12,3  GHz.  Rentang  frekuensi  UWB
berada  dalam  rentang  frekuensi  ini.  Selanjutnya pada  Gambar  8  diperlihatkan  perbandingan return loss hasil simulasi dan hasil pengukuran.
Gambar 6. Return Loss Simulasi
Gambar 7. Return Loss Fabrikasi
Gambar 8. Perbandingan Return Loss Simulasi dan Fabrikasi

## 2. Insertion loss (S21)
Insertion  loss  merupakan  kehilangan  daya akibat penyisipan perangkat diantara sumber dan beban.  Filter  yang  memiliki  nilai  insertion  loss mendekati  nol  dikatakan  bahwa  filter  tersebut memiliki  kerja  yang  baik.  Titik  acuan  -3  dB dapat  diartikan  bahwa  setengah  dari  daya  yang diterima  filter  mampu  ditransmisikan  dengan baik.  Grafik  S21  merupakan  grafik  yang menunjukkan  nilai  insertion  loss  yang  terjadi dari port 1 ke port 2.
Nilai insertion loss hasil simulasi dan hasil pengukuran filter fabrikasi serta
Jurnal Sustainable: Jurnal Hasil Penelitian dan Industri Terapan Vol. 07, No. 01, hal. 32- 39, Mei 2018
perbandingannya  secara  berurutan  diperlihatkan pada Gambar 9, Gambar 10 dan Gambar 11.
Gambar 9. Insertion Loss Simulasi
Gambar 10. Insertion Loss Fabrikasi
Gambar 11. Perbandingan Insertion Loss Simulasi dan

## Fabrikasi
Terjadinya  perbedaan  antara  hasil  simulasi  dan pengukuran  dapat  disebabkan  oleh  beberapa factor,  diantaranya  kurang  presisinya  hasil fabrikasi,  konektor  yang  digunakan  untuk  filter fabrikasi kurang baik yaitu tidak mencapai 50Ω. Tetapi pada dasarnya hasil simulasi dan fabrikasi ada  kesamaan  dalam  hal  bentuk  sinyal  yang dihasilkan.

## B. SWR ( Standing Wave Ratio)
Standing  Wave  Ratio  merupakan  suatu parameter yang harus diperhatikan saat merancang  suatu  rangkaian  yang  bekerja  pada frekuensi  tinggi,  dimana  SWR  ini  berkaitan dengan  dengan  kualitas  dari  sinyal  yang diperoleh oleh beban [7].
Gambar 12. SWR S11
Gambar 13. SWR S22
Nilai ideal SWR yang baik adalah 1, dengan kata lain  bahwa  terjadi  gelombang  pantul  yang seharusnya  diterima  oleh  beban.  Gelombang
pantul ini disebabkan oleh nilai impedansi antara sumber dengan beban tidak matching. Setidaknya  nilai  SWR  yang  diperoleh  oleh rancangan filter bernilai 1 – 2. Pada Gambar 12 dan  Gambar  13  diperlihatkan hasil  pengukuran nilai  SWR  S11  yang  diperoleh  dari  filter  yang telah  difabrikasi  adalah  baik,  yaitu  pada frekuensi  3,1  GHz  adalah  1,87  dan  pada frekuensi 10,6 GHz  adalah 1,16. Dan untuk nilai SWR  S22  pada  frekuensi  3,1  GHz  adalah  2,2 dan pada frekuensi 10.6 GHz adalah 1,39.dengan kata lain nilai SWR masih bernilai    ≤ 2.

## C. Group Delay
Group  delay  berfungsi  sebagai  ukuran linieritas  dari  respon  fasa.  Group  delay  yang konstan  menunjukkan  linieritas  respon  fasa. Group delay dari hasil pengukuran S11 dan S12 diperlihatkan pada Gambar 15 dan 16.

## D. Impedansi
Nilai  impedansi  yang  ideal  pada  sebuah rangkaian  filter  adalah  50Ω,  namun  pada kenyataannya sulit untuk mendapatkan impedansi  yang  ideal,  salah  satu  faktor  yang mempengaruhi impedansi ini adalah kualitas dari konektor  yang  dipasang  pada  rangkaian  filter. Pada  pada  penelitian  ini  diperoleh  nilai impedansi dari filter adalah 55,7Ω pada gambar 17.  Nilai  ini  mendekati  nilai  impedansi  yang ideal.

## E. Surface Current
Distribusi  arus  pada  BPF  merata  pada semua  dimensi  dialiri  arus.  Distribusi  arus  pada BPF ditampilkan pada gambar 14 :
Gambar 14. Surface Current
Gambar 15. Group Delay S11
Gambar 16. Group Delay S12
Jurnal Sustainable: Jurnal Hasil Penelitian dan Industri Terapan Vol. 07, No. 01, hal. 32- 39, Mei 2018
Gambar 17. Impedansi Filter

## V. K ESIMPULAN
Kesimpulan  pada  artikel  ini  adalah  filter bandpass (BPF) dapat dirancang dari penggabungan filter lowpass (LPF) dan highpass (HPF) sesuai dengan teorinya. Terdapat perbedaan  tetapi  tidak  signifikan  antara  hasil simulasi  dengan  hasil  pengukuran  yang  dapat terjadi  akibat  beberapa  faktor,  diantaranya kurang  presisinya  hasil  fabrikasi  dan  konektor yang  digunakan  untuk  filter  fabrikasi  kurang baik  yaitu  tidak  mencapai  50Ω.  Tetapi  pada dasarnya hasil simulasi dan fabrikasi telah sesuai dengan parameter filter yang diinginkan.

## U CAPAN T ERIMA K ASIH
Terima  kasih  disampaikan  kepada  Tim  Peneliti yang telah bekerjasama dalam penelitian ini, dan kepada  LIPI  Bandung  yang  telah  membantu pada proses pengukuran filter hasil fabrikasi.

## R EFERENSI
[1]   P. Hongmei, "Optimization design of UWB passive bandpass filter's standing wave ratio," in IEEE , -, 2009.
[2]   S. Hong, Microstrip Filter for RF/ Microwave Applications 2nd ed, New York: John Wiley & Sons, 2011.
[3]   V. N. Singh dan P. S. Tomar, "Design and Analysis of Stepped Impedance Microstrip Fractal Lowpass Filter," International
Journal of Electronics and Communication
Engineering, vol. 5, pp. 603 - 607, 2012.
[4]   F. Farida, "Optimasi Filter Lowpass Frekuensi 10.6 GHz dengan Metode Step- Impedansi," Sustainable, vol. 6, no. 2, pp. 89 - 95, 2017.
[5]   P. Govind Singh Thakur, "Performance Analysis of High Pass Filter and Band Pass Filter Using DGS," International Journal of Scientific and Research Publications, vol. 4, no. 3, pp. 1-5, 2014.
[6]   F. Ulaby, Fundamental of Appied Electromagnetics, USA: Prentice Hall, 2001.
[7]   W. Steve, Analog and Digital Filter Design, USA: Elsevier, 2002.