## High Power Amplifier (HPA) pada Frekuensi 437,430 MHz untuk Aplikasi TTC Downlink Nano Satelit TEL-U SAT
High Power Amplifier (HPA) at 437.430 MHz Frequency for TTC Downlink Application  in TEL-U SAT Nano Satellite
Y. Taryana a,* , T. Praludi a , Y. Sulaeman a , Y. Wahyu a ,
W. I. Prayogo b , dan B. S. Nugroho b
a Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia. Komp LIPI Gd 20, Jl. Sangkuriang 21/54D, Bandung 40135, Indonesia b Teknik Telekomunikasi, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Telkom. Jalan Telekomunikasi No. 1 Terusan Buah Batu, Bandung 40257, Indonesia

## Abstrak
Sistem Telemetry, Tracking, and Command (TTC) berfungsi sebagai interface komunikasi antara nano satelit dengan stasiun bumi. Salah satu perangkat yang penting dalam TTC adalah transmitter yang bekerja pada frekuensi downlink 437,430 MHz. Dari perhitungan link budget diperlukan sebuah high power amplifier (HPA) yang memiliki daya output 30 dBm agar data yang dikirimkan dapat diterima dengan baik oleh stasiun bumi. Pada tulisan ini dirancang dan direalisasikan HPA dua tingkat dengan frekuensi kerja 435 - 438 MHz. Penguat daya tingkat pertama  menggunakan komponen aktif transistor BFR96S dan penguat daya  tingkat  kedua  menggunakan  komponen  aktif  transistor  MRF555.  Penyepadanan  impedansi input menggunakan  metode impedance matching Pi-network ,  sedangkan  untuk  penyepadanan  impedansi interstage dan output menggunakan  metode impedance matching T-network .  Simulasi  penguat  daya  menggunakan software Advance Design System (ADS  2011).  Hasil perancangan HPA pada frekuensi 437,430 MHz menghasilkan gain sebesar 28,400 dB, VSWR in sebesar 1,291, dan VSWR out sebesar  1,295.  Dari  hasil  pengukuran  prototipe  HPA,  pada  frekuensi  437,430  MHz  menghasilkan gain sebesar  23,01  dB, VSWR in sebesar 2,126, VSWR out sebesar 1,695 pada bandwidth 50 MHz.
Kata kunci : Nano Satelit, TTC, HPA, gain , matching .

## Abstract
Telemetry, Tracking, and Command (TTC) system is functioning for communication between the nanosatellite and earth station. One  of the  important part in TTC is a transmitter that works at 437,430 MHz downlink frequency. By link budget calculation, it is required a high power amplifier (HPA) which has 30 dBm output power in order to guarantee that transmitted data are still being received by the earth station.  This paper presents the design and realization of two stage HPA working in frequency of 435  -  438 MHz.  The first stage amplifier uses  active component BFR96S transistor and for  the second stage amplifier, MRF555 transistor is used. Impedance matching input of HPA circuit used Pi-network impedance matching technique, for interstage and output impedance matching used T-network impedance matching technique. In the design and simulation of HPA used Advance Design System (ADS 2011) software. HPA design has characterization results at 437.430 MHz frequency as follow 28,400 dB for gain, 1.291 of VSWRin, 1.295 of VSWRout, and -17.936 of return loss respectively. In the measurement of HPA prototype  at 437.430 MHz frequency has characterization results 23.01 dB for gain, 2.126 of VSWRin, and  1.695 of VSWRout at 50 MHz of bandwidth.
Keywords : Nanosatellite, TTC,  HPA, gain, VSWR, impedance matching .

## I. P ENDAHULUAN
Dewasa  ini  perkembangan  nano  satelit  sangat pesat.  Telkom  University  bersama Aerospace Exploration Center (AXC)  turut  berpartisipasi  dalam pengembangan  teknologi  nano  satelit  di  Indonesia. Nano  satelit  merupakan  satelit  berukuran  kecil  1U (10cm x 10cm x 10cm) atau 2U (20cm x 10cm x 10cm) dengan massa kurang dari 10 kg [1]. Nano satelit yang sedang diteliti ini diberi nama Tel-U SAT dengan misi
penginderaan  jarak  jauh  untuk  pengawasan  wilayah Indonesia. Tel-U SAT dengan ukuran 1U diproyeksikan akan mengorbit di Low Earth Orbit pada ketinggian 700 km  di  atas  permukaan  bumi.  Salah  satu  blok  sistem yang terdapat pada nano satelit  yakni TTC ( Telemetry, Tracking, and Command ). Telemetry merupakan pengukuran  jarak  jauh, tracking berguna  untuk mengetahui letak (posisi) satelit, dan command berguna untuk mengirim perintah ke satelit [2].
Salah  satu  modul  yang  mempunyai  fungsi  penting adalah  penguat  daya.  Penguat  daya  berfungsi  untuk meningkatkan  level  daya  sinyal  sebelum  dipancarkan melalui  antena.  Pada  tulisan  ini  dirancang  dan direalisasikan high power amplifier (HPA)  dua  tingkat untuk  aplikasi TTC downlink yang  dapat  bekerja  pada frekuensi  437,430  MHz  dengan bandwidth 30  KHz.
* Corresponding Author . Email: yanvirs@gmail.com Received: November 23, 2016; Revised: December 5, 2016 Accepted: December 5, 2016 Published: December 20, 2016  2016 PPET - LIPI
doi: 10.14203/jet.v16.40-45
V CC R C R F R 1 RFin RFout V B V C I B +I C I B C 1 C 2
Spesifikasi  dari  HPA  yang  dirancang  yakni memiliki gain 30 dB, 1 ≤ VSWR ≤ 1,5, return loss ≤ - 15 dB, amplifier kelas A.
II. T ELEMETRY , T RACKING , AND C OMMAND Gambar  1  menjelaskan  sistem  TTC  berfungsi sebagai interface komunikasi  antara  satelit  dengan stasiun bumi. Sistem tersebut bertugas untuk mengirim data  telemetri  dari  satelit  ke  stasiun  bumi,  menerima perintah ( command ) yang dikirim dari stasiun bumi, dan mengirim  sinyal  tracking  (lokasi  dan  posisi  satelit)  ke stasiun  bumi  [3][4].  TTC downlink nano  satelit  yang dirancang  menggunakan  standar  frekuensi  yang  telah disediakan  oleh  ORARI  (Organisasi  Radio  Amatir Republik Indonesia), yakni bekerja pada frekuensi UHF 437,430 MHz dengan bandwidth 30 KHz.
Gambar 1. Blok Diagram Sistem TTC [4]
A. High Power Amplifier (HPA)
Power Amplifier berfungsi  untuk  meningkatkan level daya  sinyal  pada  masukan  di  rentang  frekuensi yang  telah  ditentukan  sampai  dengan level daya  yang diinginkan  pada  keluarannya  [5].  Kemampuan  dari suatu power amplifier tergantung  dari  karakteristik komponen aktif  yang digunakan. Pada tulisan  ini, HPA dirancang  dengan  dua  tingkat  untuk  mencapai penguatan  atau gain ≥  20  dB.  Pada  tingkat  pertama menggunakan  transistor  BJT  BFR96S  sebagai driver amplifier dan pada tingkat ke 2, menggunakan transistor BJT  MRF555  sebagai  transistor  akhir  yang  memiliki karakteristik  dapat  bekerja  hingga  frekuensi  470  MHz dengan daya keluaran 1,5 Watt [6],[7]. Pada Gambar 2, HPA  dirancang  menggunakan  teknik simultaneous conjugate match untuk  mendapatkan  penguatan  yang maksimal. Dalam teknik ini, rangkaian harus memenuhi kondisi:
Г S1 = Г in 1 * , Г out 1 = Г L1 * , Г S2 = Г in 2 * dan Г out 2 = Г L2 * [8].
Input Matching Network BFR96S Stage 1 Interstage Matching Network MRF555 Stage 2 Output Matching Network
Г S1 Г in1 Г out1 Г L1 Г S2 Г in2 Г out2 Г L2 RS RL
Gambar 1. HPA Dua Tingkat dengan Simultaneous Conjugate Match. Dengan L L in S S S
S Γ − Γ + = Γ 22 21 12 11 1
(1)
S S out S S S S Γ − Γ + = Γ 11 21 12 22 1 (2)

## B. DC Biasing
Direct  Current  (DC)  Biasing atau  rangkaian prategangan  DC  digunakan  untuk  mengaktifkan transistor  BJT  agar  dapat  bekerja  pada  titik  kerja  (Q) yang  diinginkan.
Konfigurasi DC biasing yang digunakan  adalah  jenis self-bias seperti  yang ditunjukkan pada Gambar 3 [10].
Gambar 3. Rangkaian DC Biasing.

## C. Stabilitas Penguat Daya
Dalam  perancangan  penguat  daya,  faktor kestabilan (K) mempunya peranan penting agar sebuah penguat tidak terjadi osilasi. Secara matematis K dapat dihitung melalui Persamaan (3) dan (4) [8].

## (3)
21 12 22 11 S S S S − = ∆ (4)
Jika K >1 dan ∆ < 1, transistor memiliki kestabilan tanpa  syarat  ( unconditionally stable )  untuk  semua impedansi sumber dan beban. Pada kondisi ini transistor cocok digunakan sebagai penguat.
D. Penentuan Parameter S dan Faktor Kestabilan Dengan  menggunakan tools S-parameters pada perangkat  lunak  ADS  2011,  pada  frekuensi  437,430 MHz  diperoleh  nilai  parameter  S  untuk  rangkaian BFR96S  dan  MRF555  sebagai  berikut:  Parameter  S transistor  BFR96S  pada  437,430  MHz  adalah    S 11 = 0,350 ∠ 165,660°, S 12 = 0,085 ∠ 70,601°, S 21 = 4,792 ∠
79,389°  dan  S 22 =  0,107 ∠ -69,726°  sedangkan parameter  S  transistor  MRF555  pada  437,430  MHz adalah S 11 = 0,785 ∠ 171,670°, S 12 = 0.047 ∠ 57,619°, S 21 = 2,614 ∠ 77,819° dan   S 22 = 0.584 ∠ 179,792°. Dengan  menggunakan  Persamaan  3  dan  4  maka diperoleh  nilai–nilai  untuk  transistor  BFR96S  dengan | ∆ | = 0,386 dan K = 1,247. Sedangkan untuk transistor MRF555 diperoleh nilai  | ∆ | = 0,562 dan K = 1,461.

## E. Penyepadanan Impedansi
Apabila  impedansi  sebuah  saluran  tidak match dengan saluran lain yang terhubung padanya, maka akan menimbulkan  rugi-rugi  seperti  adanya  daya  yang memantul  sehingga  menyebabkan  transfer  daya  tidak maksimum.  Teknik  penyepadanan  impedansi  yang
Helix Receiver
On Board Computer Transmitter Power Amplifier Monopole Microcontroller Beacon Transmitter Monopole AX.25
Protocol
Downlink data 2400bps SPI Interfacing 144 MHz 437 MHz 437 MHz Uplink Command Health Parameters 12 C Interface 12 words/min
-Xs1 -Xs2 Xp1 Xp2 Virtual R R S R L Xs1 Xs2 -Xp1 -Xp2 Virtual R R S R L C=105.28 pF L=10.54 nH C1=18.08 pF C2=14.55pF C=277.1pF L1=7.79nH C1=15.57pF L2=13.15nH L=11.23nH
dapat  digunakan  untuk band frekuensi  UHF  yakni Pi- network dan T-network seperti  yang  ditunjukan  pada Gambar 4 dan 5.
Dalam  melakukan  penyepadanan  impedansi  harus diketahui  terlebih  dahulu  nilai  dari S Z dan L Z yang akan disepadankan. Dengan menggunakan Persamaan 1 dan  2,    kondisi simultaneous conjugate match maka diperoleh  nilai S Γ dan L Γ untuk  transistor  tingkat pertama  (BFR96S),  yaitu
° − ∠ = Γ 052 , 171 476 , 0 1 S dan ° ∠ = Γ 015 , 37 316 , 0
1 L
, sedangkan  transistor    tingkat kedua  diperoleh  nilai ° − ∠ = Γ 888 , 176 755 , 0 2 S dan ° ∠ = Γ 971 , 158 468 , 0 2 L .  Nilai-nilai  koefesien  refleksi
( Γ )  harus  dikonversi  ke  nilai  impedansi  (Z)  untuk mempermudah dalam
menghitung
rangkaian penyepadan impedansi, yaitu dengan Persamaan 3 dan 4 [8].
S S O S Z Z Γ − Γ + = 1 1 (5) L L O L Z Z Γ − Γ + = 1 1 (6)
sehingga  dari  Persamaan  3  dan  4  diperoleh   n ilai-nilai untuk Z S1 = 18,066 - j3,456 , Z L1 = 75,304 + j30,888 , Z S2 = 7,017 - j1,313 , dan  Z L2 = 18,561 + j7,896.

## Gambar 4. Pi-Network
Pada  Gambar  4,  nilai-nilai  komponen  Xs  dan  Xp dapat diperoleh melalui Persamaan 7-12 [9].
1 2 + = Q R R H (7) Q R X L P = 2 (8)
series S QR X = 2 (9)
1 1 − = R R Q S (10) 1 1 Q R X p p = (11)
series S R Q X 1 1 = (12)
Sedangkan pada Gambar 5 untuk menentukan nilai- nilai Xs dan Xp melalui Persamaan 13-18 [9].
) 1 ( 2 + = Q R R S (13)
S S QR X = 1 (14)
Q R X P = 1 (15)
1 2 − = L R R Q (16) 2 2 Q R X P = (17)
L S R Q X 2 = (18)

## F. Penyepadanan Impedansi Input
Penyepadanan    impedansi input dilakukan  dengan menyepadankan  Z S1 dengan  50 O hm.  Teknik penyepadanan  impedansi  yang  digunakan  yakni Pi- Network Impedance Matching seperti Gambar 4 dengan menggunakan nilai Q minimum dan  memasukkan nilai R H = R L = 50 Ohm, R S = R P = 18,066 Ohm dan Q = 2 pada    Persamaan  7-12  maka  diperoleh  nilai  X P2 =  25 Ohm, X S2 = 20 Ohm, X P1 = 20,12 Ohm, dan X S1 = 8,98 Ohm  sehingga  rangkaian  menjadi  seperti  yang ditunjukkan oleh Gambar 6.

## Gambar 6. Rangkaian Penyepadanan Impedansi Input

## G. Penyepadanan Impedansi Interstage
Penyepadanan  impedansi interstage dilakukan dengan  menyepadankan  Z S2 terhadap    Z L1. Teknik penyepadanan  impedansi  yang  digunakan  yakni T- Network Impedance Matching seperti  pada  Gambar  5 dengan memasukkan nilai Rs = 7,017 ohm, R L = 75,304 ohm  dan  Q  = 3,5 pada  Persamaan  13-18,  maka diperoleh  nilai X S1 = 21,40 Ohm, X P1 = 26,57 Ohm, X P2 = 193,71 ohm, dan X S2 = 36,14 ohm sehingga rangkaian menjadi seperti yang ditunjukan oleh Gambar 6.

## Gambar 7. Rangkaian Penyepadanan Impedansi
Interstage

## H. Penyepadanan Impedansi Output
Penyepadanan  impedansi output dilakukan  dengan menyepadankan  Z L2 dengan  50 O hm.  Teknik penyepadanan  impedansi  yang  digunakan  yakni T-
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.0 1.0 -20 0 20 40 60 -40 80 freq, GHz dB(S(2,1)) m1 m2 m3 m1 freq= dB(S(2,1))=28.400 437.40MHz m2 freq= dB(S(2,1))=28.400 437.43MHz m3 freq= dB(S(2,1))=28.399
437.46MHz
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.0 1.0 50 100 150 200 0 250 freq, GHz VSWR1 m7 m8 m9 m7 freq= VSWR1=1.2905 437.40MHz m8 freq= VSWR1=1.2906 437.43MHz m9 freq= VSWR1=1.2906 437.46MHz 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.0 1.0 5 10 15 20 25 0 30 freq, GHz VSWR2 m10 m11 m12 m10 freq= VSWR2=1.2951 437.40MHz m11 freq= VSWR2=1.2953 437.43MHz m12 freq= VSWR2=1.2955 437.46MHz
Network Impedance Matching seperti  Gambar  5. Dengan cara yang sama dengan penyepadan impedansi interstage dan dengan  memasukkan nilai Rs = 18,561 ohm, R L = 50 Ohm dan Q = 1, maka diperoleh  nilai X S1
=  27,84  Ohm,  X P1 =  40,21  Ohm,  X P2 =  134,04  Ohm, dan  X S2 =  22,5  Ohm  dan  rangkaian  pengganti ditunjukan oleh Gambar 8. L1=10.29nH C=11.76pF L2=8.19nH L=2.87nH Gambar 8. Rangkaian Penyepadanan Impedansi Output III. S IMULASI R ANGKAIAN HPA
Proses  akhir  perancangan  menghasilkan  rangkaian lengkap  HPA  seperti  yang  ditunjukan  pada  Gambar  9. Rangkaian  tersebut  dilengkapi  dengan RF choke dan DC blocking . RF choke ditunjukkan  oleh  komponen L5,  L6,  L7,  dan  L8.  Sedangkan DC blocking ditunjukkan oleh DC block1 dan DC block2. Proses  selanjutnya  adalah  mensimulasikannya dengan  menggunakan  perangkat  lunak  ADS  2011. Tujuan  simulasi  untuk  mendapatkan  karakterisasi  hasil perancangan  sebelum  rangkaian  direalisasikan.  Proses ini memberikan hasil gain , VSWR in , dan VSWR out.
Gambar 9. Rangkaian Akhir HPA Dua Tingkat
Dari  hasil  simulasi  pada  frekuensi  437,430  MHz, HPA memiliki gain = 28,400 dB, VSWR in = 1,291 dan VSWR out = 1,295.
Gambar 10. Gain Hasil simulasi
Gambar 11. VSWR in Hasil Simulasi
Gambar 12 . VSWR out Hasil Simulasi Dari hasil keseluruhan simulasi menunjukkan hasil yang  sesuai  dengan  spesifikasi  kebutuhan  HPA  untuk nano satelit. Proses selanjutnya adalah
merealisasikannya  menjadi  sebuah  prototipe  seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13 dan 14.

## Gambar 13. Desain PCB Rangkaian HPA

## IV. P ENGUKURAN DAN A NALISIS
a) Pengukuran Gain
Pengukuran gain dilakukan pada rentang frekuensi 300  MHz  sampai  500 M Hz  dengan  memberikan masukkan level daya sebesar 0 dbm,  redaman terminasi 30  dB  dan  redaman  kabel  sebesar  1  dB  dan  hasilnya ditunjukkan pada Tabel 1. Pada frekuensi 437,440 MHz dan  pada bandwidth TTC  (437,40  –  437,46  MHz) menghasilkan gain sebesar  sebesar 23,01 dB. Terjadi  perbedaan  nilai gain antara  simulai  dan pengukuran  realisasi  HPA,  hal  ini  dikarenakan  pada simulasi  menggunakan  perangkat  lunak ADS komponen-komponen yang digunakan yakni komponen ideal  yang  mempunyai  faktor  kualitas  sangat  tinggi, sedangkan  pada  realisasi  HPA  menggunakan komponen-komponen  dengan  faktor  kualitas  tertentu sehingga  terjadi  perbedaan  nilai  komponen  antara simulasi  dengan  realisasi.  Pada  saat  memutar  nilai kapasitor trimmer ,  apabila  nilainya  tidak  sama  tepat dengan  nilai  pada  saat  simulasi  maka gain yang dihasilkan tidak maksimal.
Gambar 15. Hasil Pengukuran Gain pada Frekuensi 437,44 MHz T ABEL 1
H ASIL P ENGUKURAN G AIN R ANGKAIAN HPA
F(MHz) Pin(dBm) Pout (dBm) Gain (dB) 300 0 -8,30 22,70 350 0 -11,03 19,97 400 0 -8,24 22,76 435 0 -7,98 23,02 437,43 0 -7,99 23,01 438 0 -8,00 23,00 450 0 -8,39 22,61 500 0 -13,91 17,09 b) Pengukuran VSWR
Pengukuran  VSWR  menggunakan vector network analyzer dan  dicatu  dengan DC power supply 12  V. Pada  frekuensi  437,430  MHz  menghasilkan  VSWR input sebesar  2,126  dan  VSWR output sebesar  1,695 seperti  ditunjukkan  pada  Gambar  16 da n  17.  Apabila dibandingkan  dengan  spesifikasi  awal  hasil  simulasi, maka hasil pengukuran memiliki nilai VSWR > 1,5. Hal ini  diakibatkan  oleh  rangkaian  HPA  yang  tidak match, dikarenakan komponen-komponen yang digunakan pada realisasi  memiliki  faktor  kualitas  tertentu  di  mana
terjadi  sedikit  perbedaan  nilai-nilai  komponen DC biasing dan titik kerja transistor antara simulasi dengan direalisasikan,  sehingga  faktor-faktor  tersebut  dapat mempengaruhi  nilai scattering parameters yang digunakan dalam menentukan koefisien pantul dan juga penyepadanan impedansi.
Gambar 16. Hasil Pengukuran VSWR Input
Gambar 17. Hasil Pengukuran VSWR Output

## K ESIMPULAN
Proses  perancangan  dan  realisasi  HPA  pada frekuensi  437,430  MHz  untuk  aplikasi  TTC downlink nano  satelit  telah  disimulasikan,  dibuat  prototipe  dan dilakukan  pengukuran.    Dari  hasil  pengukuran,  pada frekuensi  437,430  MHz  menghasilkan gain sebesar 23,01  dB,  VSWR in sebesar  2,126,  dan  VSWR out sebesar  1,695.  Nilai-nilai  tersebut  tidak  memenuhi spesifikasi  awal  perancangan  HPA  namun  telah mendekati ( gain 30 dB, dan 1 ≤ VSWR ≤ 1,5). Secara keseluruhan,  prototipe  HPA  ini  dapat  bekerja  pada range bandwidth TTC  pada  frekuensi  437,40  –  437,46 MHz.  Dengan  adanya  perbedaan  ini  dapat  dilakukan desain  ulang  untuk  mendapatkan  nilai  yang  optimum dengan  menggunakan  komponen-komponen  aktif dengan spesifikasi yang lebih baik.

## U CAPAN T ERIMA K ASIH
Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesarnya kepada  PPET  –  LIPI  yang  telah  mendanai  kegiatan DIPA penelitian ini pada tahun anggaran 2016.
D AFTAR P USTAKA
[1]  Riki Munakata et all, “CubeSat Design Specifications Rev12,” California Polytechnic State University, 2009.
[2]  Anil  K.  Maini  and  Varsha  Agrawal, Satellite Technology Principles and Applications  2 nd ed .,  United  Kingdom:  John Wiley & Sons, Inc, 2011.
[3]  Johan  L.  Tresvig  et  all,  “CubeSTAR  -  A  Nanosatellite  for Space  Weather  Monitoring,”  Depatement  of  Physics, University of Oslo.
[4]  Lakshya  Vaibhav  Datta, Introduction to Nanosatellite Technology and Components ,  Germany:  LAP  LAMBERT Academic Publishing, 2012.
[5]  Paolo  Colantino  and  Ernesto  Franco, High Efficiency RF and Microwave Solid State Power Amplifier , United Kingdom: John Wiley and Sons, Ltd., 2009.
[6]  “Data-sheet  BFR96S.  NPN  5  GHz  wideband  Transistor,” Philips Semiconductor.
[7]  “Data-sheet  MRF555.  The  RF  Line  NPN  Silicon  RF  Low Power Transistor,” Motorola Inc.
[8]  Guillermo Gonzalez, Microwave Transistor Amplifiers Analysis and Design , New Jersey: Prentice-Hall, Inc, 1997.
[9]  Chris  Bowick,  John  Blyler  and  Cheryl  Ajluni, RF Circuit Design . 2nd ed., USA: Butterworth-Heinemann, 2008.
[10]  Herman  Dwi  Surjono, Elektronika Analog ,  Indonesia:  Cerdas Ulet Kreatif, 2008.