Jurnal Sustainable: Jurnal Hasil Penelitian dan Industri Terapan Vol. 06, No. 02, hal. 89- 95, Oktober 2017

## Jurnal Sustainable: Jurnal Hasil Penelitian dan Industri Terapan
ISSN 2087-5347 (Print)
Fitri Farida * 1 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Maritim Raja Ali Haji 1 Jl. Politeknik Senggarang, Tanjungpinang 29100 * Corresponding Author: fitri.farida.fte@umrah.ac.id
Abstract — In  the  telecommunication  process  filter  is  a  device  that  has  the  function  to  pass  the desired  frequency  and  eliminate  /  undermine  the  unwanted  frequency.  The  filter  low-pass  filter (LPF)  is  a  filter  that  passes  signals  with  a  frequency  lower  than  a  certain  cutoff  frequency  and attenuates signals with frequencies higher than the cutoff frequency. The exact frequency response of the filter depends on the filter design. In this paper described the design of low pass filter using the approximation Chebychev with cutoff frequency used is 10.6 GHz because this frequency is the high  cutoff  frequency  in  ultra  wideband  applications.  The  filter  is  designed  with  microstrip technology using step-impedance design method, by combining high impedance microstrip and low impedance microstrip with a certain length. Then design of microstrip filter with step-impedance method  and  will  be  done  optimization  for  filter  have  good  characteristic.  The  filter  design  uses Roger substrate RT 5880 with dielectric constant (εr) = 2,2 with thickness (h) = 0.508. The result obtained  in  this  research  is  the  filter  able  to  pass  the  lower  frequency  of cut-off  frequency. The results  of  the  filter  design  simulation  have  met  the  expected  specification,  the  return  loss  value displayed both where the value is smaller than -10 dB and insertion loss value is smaller than -3 dB and has smaller dimensions.
Keywords — optimization, filter low-pass, chebyshev, step impedanssi, mikrostrip.
Intisari — Dalam proses telekomunikasi filter merupakan suatu perangkat transmisi yang memiliki fungsi  untuk  melewatkan  frekuensi  yang  diinginkan  dan  menghilangkan/  melemahkan  frekuensi yang tidak diinginkan. Filter low-pass (LPF) adalah filter yang melewatkan sinyal dengan frekuensi yang lebih rendah dari frekuensi cutoff tertentu dan melemahkan sinyal dengan frekuensi yang lebih tinggi dari frekuensi cutoff. Respons frekuensi yang tepat dari filter tergantung pada desain filter . Pada  artikel  ini  dijelaskan  perancangan  filter  low-pass  menggunakan  aproksimasi  Chebyshev dengan frekuensi cut-off yang digunakan yaitu 10.6 GHz karena frekuensi ini adalah frekuensi cut- off  tinggi  pada  aplikasi  ultra  wideband.  Filter  didesain  dengan  teknologi  mikrostrip  yang menggunakan  metode  perancangan  step-impedansi,  yaitu  dengan  memadukan  mikrostrip berimpedansi  tinggi  dan  mikrostrip  yang  berimpedansi  rendah  dengan  suatu  panjang  tertentu. Selanjutnya  dilakukan  perancangan  filter  mikrostrip  dengan  metode  step-impedansi  dan nantinya akan  dilakukan  optimasi  agar  filter  memiliki  karakteristik yang  baik.  Desain  filter  menggunakan subtrat Roger RT 5880 dengan konstanta dielektrik (εr) = 2,2 dengan ketebalan (h) = 0.508. Hasil simulasi perancangan filter telah memenuhi spesifikasi yang diharapkan, yaitu nilai return loss yang ditampilkan baik dimana nilainya lebih kecil dari -10 dB dan nilai insertion loss lebih kecil dari -3 dB dan memiliki dimensi yang lebih kecil.
Kata kunci — optimasi , filter low-pass, chebyshev, step impedanssi, mikrostrip

## Optimasi Lowpass Filter Mikrostrip Frekuensi 10,6 GHz dengan Metode Step-Impedansi

## I. P ENDAHULUAN
Dalam  sistem  telekomunikasi,  filter memiliki  peran  yang  sangat  penting  dalam proses pengiriman data. Filter merupakan sebuah rangkaian  yang  dirancang  untuk  melewatkan sinyal  dengan  rentang  frekuensi  tertentu  dan meredam  sinyal  dengan  frekuensi  diluar frekuensi tersebut. Filter memiliki peran penting dalam banyak aplikasi RF atau microwave. Filter digunakan untuk memisahkan atau menggabungkan  frekuensi  yang  berbeda. Spektrum  pita  frekuensi  elektromagnetik  yang terbatas  dan  harus  dibagi  untuk  kebutuhan komunikasi  yang  berbeda  –  beda.  Filter  ini digunakan  untuk  memilih  atau  membatasi  RF atau  microwave  sinyal  dalam  batas-batas  yang telah ditetapkan, dengan kata lain filter berfungsi untuk  melewatkan  prekuensi  yang  diinginkan dan  meredam  frekuensi  yang  tidak  diinginkan [1].

## A. Macam – Macam Filter [2]
1) Filter  Lowpass  : Filter  Lowpass filter yang  hanya  melewatkan  frekuensi  yang  lebih rendah  dari  frekuensi  cut-off  (fc).  Diatas frekuensi  tersebut  sinyal  akan  diredam. Rangkaian  Equivalen  dan  Respon  frekuensinya pada Gambar 1.
2) Filter Highpass : Filter Highpass adalah filter  yang  hanya  melewatkan  frekuensi  diatas frekuensi  cut-off  (fc).  Dibawah  frekuensi tersebut  sinyal  akan  diredam.  Rangkaian Equivalen  dan  Respon  frekuensinya  pada Gambar 2.
Gambar 1. (a) Rangkaian Equivalen Lowpass Filter (b) Respon Frekuensi Lowpass Filter
Gambar 2 .(a) Rangkaian Equivalen Highpass Filter
(b) Respon Frekuensi Highpass Filter
3) Filter  Bandpass  : Bandpass  filter merupakan filter yang dapat melewatkan rentang frekuensi  tertentu  diantara  frekuensi  cut-off pertama  dan  frekuensi  cut-off  kedua.  Diluar frekuensi  tersebut  sinyal  akan  diredam.  Band Pass  Filter  merupakan  penggabungan  dari lowpass  filter  dan  high  pass  filter.  Daerah passband  dibatasi  oleh  dua  frekuensi  tepi. Frekuensi  tepi  rendah  menunujukkan  batas frekuensi  rendah dari  suatu high pass filter dan frekuensi  tepi  yang  sangat  tinggi  menunjukkan batas frekuensi tinggi dari suatu low pass filter. Bandpass  filter  menolak  sinyal  yang  tidak diinginkan dan meningkatkan sistem kinerja.
4) Filter  Stopband: Bandstop  Filter  (BSF) atau  Band  Reject  Filter  (BRF)  merupakan kebalikan  dari  Bandpass  yaitu  filter  yang menghilangkan  frekuensi  yang  terletak  diantara frekuensi  cut-off  (fc),  dan  melewatkan  sinyal dengan  frekuensi  diluar  frekuensi  cut  off  filter baik diatas atau dibawah frekuensi cutoff.
Gambar 3. Karakteristik Bandpass Filter
Gambar 4. Karakteristik Bandstop Filter
Jurnal Sustainable: Jurnal Hasil Penelitian dan Industri Terapan Vol. 06, No. 02, hal. 89- 95, Oktober 2017
Aplikasi  telekomunikasi  yang  ada  saat  ini memberikan  batasan  frekuensi  yang  sangat kritis,  sehingga  filter  yang  digunakan  harus memiliki  kinerja  yang  baik,  ukuran  yang  kecil, ringan  dan  biaya  produksi  yang  rendah.  Sesuai dengan  kriteria  yang  diinginkan  tersebut  maka perancangan  filter  dengan  teknologi  saluran transmisi  mikrostrip  sangan  sesuai  untuk digunakan [3]. Microstrip merupakan salah satu jenis planar transmisi 1ine yang paling popular. Hal  ini  dikarenakan  proses  fabrikasinya  mudah dan  juga  mudah  terintegrasi  dengan  perangkat microwave  pasif  dan  aktif  yang  lain.  Saluran transmisi  ini  biasanya  digunakan  pada  piranti yang  bekerja  pada  daerah  frekuensi  gelombang mikro (orde GHz). Mikrostrip memiliki beberapa kelebihan  sendiri  dibandingkan  dengan microwave  lain  transmisi  seperti  Waveguide, kabel koaksial, garis strip dan lain-lain. Adapun keuntungannya yaitu :
(1) Fabrikasi  lebih  mudah  untuk  membuat sirkuit yang kompleks
(2) Ukuran lebih kecil dan ringan
(3) Memiliki bandwidth yang lebar
(4) Memiliki keandalan yang baik
(5) Reproduksibilitasnya tinggi
Bentuk  fisik  mikrostrip  dapat  dilihat  pada Gambar 5.
Gambar 5. (a) bentuk fisik (b) bentuk elektrik magnetic

## B. Jenis Respon Frekuensi Filter [4]:

## 1) Respon Butterworth
Fungsi  transfer  amplitudo-squared  untuk filter  Butterworth  yang  memiliki  insertion  loss LAr  =  3.01dB  pada  frekuensi  cut-off  Ωc  =  1 yang ditentukan oleh :
| | = (1) dimana  n  adalah  derajat  atau  urutan  dari  filter, yang sesuai dengan jumlah reaktif elemen yang dibutuhkan dalam lowpass filter prototipe. Jenis respon  ini  disebut  juga  sebagai  maximally  flat karena  pada  transfer  amplitude  squared kuadratnya  didefenisikan  pada  (2.1)  memiliki jumlah  maksimum  (2n-1) zero derivative pada Ω  =  0.  Maka  pendekatan  Butterworth  filter lowpass ideal dalam passband yang terbaik di Ω =  0,  tetapi akan memburuk  pada frekuensi  cut- off Ωc.

## 2) Chebyshev Filter
Respon  Chebyshev  menunjukkan  equal-ripple passband  dan  maksimal  flat  stopband. Memberikan ripple di passband, tetapi memiliki kecepatan redaman  (Roll-off)  lebih  curam setelah  cut-off  frekuensi.  Untuk  orde  yang diberikan,  semakin  tinggi  ripple  pass-band, semakin  curam  pula  kecepatan  redaman  filter. Dengan meningkatnya orde filter, pengaruh dari magnitude  ripple  pada  daerah  redaman  filter akan berkurang.
| | = (2) Urutan perancangan LPF Chebychev : (1) Menentukan  spesifikasi  LPF yang diinginkan,  yaitu  spesifikasi  resistensi sumber  (R S ),  resistensi  beban  (R L ),  ripple yang  diperbolehkan  (dB),  frekuensi  cut  off (ω c )  dan  redaman  (A S ),  bila  ω c ≠  1  rad/s maka  normalisasikan  harga  ω c dan  ω S dengan referensi ω c = 1. (2) Setelah dinormalisasikan, disesuaikan harga ω c dan  ω S dengan  melihat  grafik  respon frekuensi LPF Chebychev ternomalisasi.
(3) Memilih orde filter (N) yang sesuai dengan spesifikasi  filter  (orde  filter  diperoleh
dengan pembulatan ke atas).
(4) Dengan  harga  N  selanjutnya  ditentukan rangkaian  yang  digunakan  berdasarkan spesifikasi  filter  dengan  merujuk  pada 92able LPF Chebychev Normalisasi.

## 3) Bessel Respon
Merupakan  respon  filter  yang  memiliki koefisien delay yang relatif tetap, pada daerah pass  band. Filter  memiliki  respon  fase  yang linear  melalui  rentang  frekuensi  yang  lebar, yang  menghasilkan  waktu  tunda  yang  rata (Constant- group delay).   Bessel  juga  meng- hasilkan  sifat  transmisi  gelombang  kotak. Bagaimanapun,  gain  passband  pada  Bessel tidak  serata  seperti  butterworth,  dan  transisi dari passband ke stopband tidak setajam pada filter  Chebyshev.  Redaman  pada  frekuensi cut-off filter ini sebesar -3dB.

## 4) Gaussian Respon
Fungsi  transfer  ini  memiliki  group  delay dengan  kemungkinan  jumlah  zero  derivative berkenaan  dengan  Ω  pada  Ω  =  0.  Gaussian respon  merupakan  perkiraan  oleh  fungsi transfer.  Fungsi transfer ini  memiliki  sebuah group  delay  yang  maksimum  kemungkinan nilai  zero  derifative  dengan  Ω  =  0.  Filter Gaussian biasanya digunakan untuk mencapai sebuah flat group delay diatas lebar passband.
Pada penelitian ini dilakukan perancangan dan simulasi filter lowpass dengan frekuensi cut- off (fc) 10.6 GHz yang dirancang menggunakan pendekatan Chebychev orde 3, untuk selanjutnya dilakukan  optimasi  filter  agar  diperoleh  nilai parameter yang diinginkan. Teknik perancangan menggunakan  saluran  transmisi  mikrostrip dengan  jenis  substrate  Rogger  5880  dengan ketebalan h = 0.508 mm dan ε r = 2.2.

## II. D ESAIN F ILTER

## A. Perancangan Filter
Ada  beberapa  tahapan  perancangan  filter  ini diantaranya  dengan  penentuan  spesifikasi substrate  yang  dipakai,  penentuan  parameter yang  digunakan.  Substrate  yang  akan  dipakai
adalah  Rogers  RT  5880.  Kemudian disimulasikan  dengan  menggunakan  software CST  Microwave  Studio  2014.  Tujuan disimulasikan  ini  adalah  untuk  mendesain  dan mengetahui bagaimana karakteristik atau kinerja dari filter.

## B. Parameter Filter
Ada 2 parameter utama dari filter yang menjadi acuan pada perhitungan dan simulasi dari sebuah filter  yaitu  magnitude  respon  dan  phase  respon (group delay). Parameter pada magnitude respon seperti : 1) Frekuensi cutoff lowpass filter adalah 10.6 GHz
2) Insertion loss < −3 dB
3) Return loss bandwidth < −10 dB 4) Matching impedansi 50 Ohm

## C. Karekteristik Fiter
Filter  memiliki  acuan  karakteristik  frekuensi yang disebut dengan frekuensi cut-off (fc) yang merupakan batas frekuensi yang akan dilewatkan dengan  frekuensi  yang  akan  dilemahkan  atau diredam.   Pada lowpass filter frekuensi dibawah fc  akan  dilewatkan,  sedangkan  diatas  frekuensi fc akan diredam.

## D. Metode Perancangan
Metode  yang  digunakan  untuk  merancang lowpass  ini  adalah  metode  step-impedansi  dan diaproksimasikan  menggunakan  pendekatan chebyshev.  Respon  Chebyshev  memberikan equal-ripple  passband  dan  maksimal  flat stopband. Semakin besar jumlah orde filter maka pengaruh  dari  magnitude  ripple  semakin berkurang.
Gambar 6. Respon Chebyshev Secara  umum  urutan  perancangan  filter lowpass chebychev pada penelitian ini adalah :
Jurnal Sustainable: Jurnal Hasil Penelitian dan Industri Terapan Vol. 06, No. 02, hal. 89- 95, Oktober 2017
1) Menetukan spesifikasi filter lowpass.
2) Menentukan besaran impedansi
3) Menentukan ordo filter yang digunakan
4) Menentukan nilai tiap komponen
Adapun  langkah  awal  perancangan  filter lowpass yaitu menentukan nilai L dan C. Nilai L dan C ditentukan oleh impedansi gelombang dan panjang  potongan  mikrostrip.  Nilai  50  ohm adalah  nilai  impedansi  penyambung  ke  saluran konektor.  Impedansi  gelombang  potongan  yang lebar  (ZoC)  harus  lebih  kecil  dari  50  ohm  dan potongan  yang  sempit  (ZoL)  harus  lebih  besar dari 50 ohm. Pada penelitian ini digunakan nilai ZoC adalah 24 ohm dan ZoL nilainya 93 ohm.
Perancangan  filter  lowpass  dengan menggunakan perubahan impedansi dari saluran transmisi  mikrostrip.  Hal  ini  mudah  dilakukan dengan  cara  mengubah  lebar  dari  strip  saluran transmisi ini  dengan suatu panjang tertentu dan menggabungkannya secara berbaris seperti yang ditunjukkan oleh gambar 7 [5]
Gambar 7.(a) Struktur filter  low pass (b) rangkaian penggantinya
Pada  perancangan  ini  digunakan  aproksimasi Chebyshev  dengan  nilai  tiap  elemennya  yaitu seperti terlihat pada table 1 [6].
Tabel 1. Nilai element untuk filter Chebyshev.
n g 1 g 2 g 3 g 4 g 5 g 6
1 0.3052  1.0
2 0.8431  0.6220  1.3554
3 1.0316  1.1474  1.0316  1.0
4 1.1088  1.3062  1.7704  0.8181  1.3554
5 1.1468  1.3712  1.9750  1.3712  1.1468  1.0 Nilai cut - off ternormalisasi  Ωc = 1.0 serta menggunakan model L-C-L,
filter yang  terbentuk  dari  struktur  impendansi  tinggi-
rendah-tinggi. Selanjutnya menentukan nilai tiap komponen dengan persamaan.
Untuk  nilai  induktor  ditentukan  dengan persamaan berikut :
1 = 3 = (3)
Nilai  kapasitor  menggunakan  persamaan berikut :
= (4)
Selanjutnya  dihitung  panjang  gelombang efektif, untuk menentukan panjang dari masing- masing  strip.  Dengan  pendekatan  sederhana bahwa  sebuah  kapasitor  dan  induktor  dapat dibuat  dari  potongan  mikrostrip,  maka  panjang dari  saluran  transmisi  dapat  dihitung  dengan persamaan.
Panjang  mikrostrip  untuk  nilai  induktor dapat dihitung dengan rumus berikut :
= × × (5)
Sedangkan  ukuran  panjang  mikrostrip untuk nilai kapasitor :
= × × (6)

## III. H ASIL DAN PEMBAHASAN

## A. Perancangan Awal
Pada  perancangan  awal  digunakan aproksimasi  chebychev  orde  3  maka  diperoleh dimensi awal sebagai berikut [7].
Gambar 8. Filter perancangan awal
Tabel 2. Konfigurasi Filter orde N = 3 Simbol Keterangan Dimensi lL Panjang patch 1, 2 & 3 3 mm Ic1 Panjang line 2 & 3 2.0 mm W Lebar strip 1 mm Ic2 Panjang line 1 & 4 mm
Gambar 9. Hasil simulasi S parameter Dari  hasil  simulasi  terlihat  bahwa  filter masih  kurang  maksimal  melewatkan  frekuensi nilai      cut-off  dan  nilai  return  loss  filter  masih lebih besar dari -10 dB sehingga perlu dilakukan optimasi  agar  frekuensi  yang  dilewatkan  oleh filter  lowpass  sesuai  dengan  frekuensi  cut-off yang  ditentukan  yaitu  10.6  GHz  dengan  nilai insertion loss -10dB.

## B. Optimasi Filter Mikrostrip
Tujuan  optimasi  filter  adalah  untuk mendapatkan  karakterik  filter  yang  ideal  yaitu nilai return loss < -10 dB dan insertion loss < -3 dB.  Optimasi  karakteristik  filter  diperoleh dengan  melakukan  perubahan  ukuran  tiap dimensi. Maka diperoleh dimensi hasil optimasi yang ditampilkan pada Gambar 10.
Gambar 10. Dimensi filter optimasi
Tabel 3. Dimensi filter optimasi 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 11. Hasil simulasi S parameter
Pada  Gambar  11  dapat  dilihat  hasil simulasi  menunjukkan  bahwa  filter  memiliki performa yang lebih baik dari sebelumnya yaitu dapat  melewatkan  frekuensi  dibawah  nilai  cut- off  10.6  GHz.  Dengan  nilai  return  loss  yang ditampilkan  baik  dimana  nilainya  kurang  dari - 10 dB dan nilai insertion loss lebih kecil dari -3 dB. Maka dapat dikatakan bahwa hasil optimasi filter  sukses  karena  telah  mendapatkan karakteristik yang diharapkan.

## IV. K ESIMPULAN
Filter  lowpass  dengan  teknik step - impedance memiliki kelebihan yaitu perancangan yang mudah secara teori rangkaian dan  memberikan  hasil  yang  akurat.  Optimasi dari filter lowpass memberikan hasil yang lebih baik  karena  telah  sesuai  dengan  karakteristik yang  diharapkan,  yaitu  nilai  return  loss  yang ditampilkan  baik  dimana  nilainya  <-10  dB  dan nilai  insertion  loss  <-3  dB.  Optimasi  filter dilakukan  dengan  cara  merubah  dimensi  filter, sehingga  didapatkan  performa  yang  baik  dari filter. Dimensi filter setelah optimasi juga lebih kecil  dibandingkan  dimensi  sebelum  dilakukan optimasi, ukuran panjang filter sebelum optimasi adalah  23.6  mm  sedangkan  setelah  optimasi ukuran panjang filter menjadi 17.6 mm, sehingga berkurang  6  mm  dari  desain  awal.  Maka  dapat disimpulkan  bahwa  optimasi  ini  dapat meminiaturisasi ukuran filter.
R EFERENSI
[1] P.  Hongmei,  "Optimization  design  of  UWB passive  bandpass  filter's  standing  wave ratio," in IEEE, -, 2009.
[2] F.  Ulaby,  Fundamental  of  Appied Electromagnetics, USA: Prentice Hall, 2001.
[3] V.  N.  Singh  and  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] W. Steve, Analog and Digital Filter Design, USA: Elsevier, 2002.
[5] D.  Pozar,  Microwave  Engineering  3rd  ed, New York: John Wiley & Sons, 2005.
Jurnal Sustainable: Jurnal Hasil Penelitian dan Industri Terapan Vol. 06, No. 02, hal. 89- 95, Oktober 2017
[6] S.  Hong,  Microstrip  Filter  for  RF/
Microwave Applications 2nd ed, New York: John Wiley & Sons, 2011.
[7] F.  Farida  and  E.  Setijadi,  "Desain  dan Analisis  Lowpass  Filter  Mikrostrip  dengan Metode  Step-Impedansi,"  in  Seminar Teknologi  dan Rekayasa  (SENTRA),  UMM
Malang, 2015.