MODUL II MATA KULIAH : SALURAN TRANSMISI DOSEN : IRADATH ST.MBA
Impedance matching Penyesuai impedansi adalah hal yang penting dalam rentang f rekuensi gelombang mikro. Suatu saluran transmisi yang diberi beban yang sama dengan impedansi karakteristik mempunyai standing wave ratio (SWR) sama dengan satu, dan mentransmisikan sejumlah daya tanpa adanya pantulan. Juga efisiensi transmisi menjadi optimum jika tidak ada daya yang dipantulkan. Matching dalam saluran transmisi mempunyai pengertian yang berbeda dengan dalam teori rangkaian. Dalam teori rangkaian, transfer daya maksimum membutuhkan impedansi beban sama dengan konjugasi kompleks sumber. Matching seperti ini disebut dengan matching konjugasi. Dalam saluran transmisi, matching mempunyai pengertian memberikan beban yang sama dengan impedansi karakteristik saluran. 1. Conjugate Matching
Digunakan umumnya di bagian sumber. Matching ini memaksimalkan daya yang dikirim ke beban, tapi tidak meminimalkan pantulan ( kecuali Zs real) 2. Load Matching
Umumnya digunakan di bagian beban. Matching ini meminimalkan pantulan tapi tidak memaksimalkan daya yang dikirim, kecuali jika Z real 0
Gambar berikut menunjukkan sistem saluran transmisi yang ” matched”.
PUSAT PENGEMBANGAN PENGEMBANGAN BAHAN AJ AR-UMB
Iradth, ST. MBA.
SALURAN TRANSMISI
1
Matching dengan elemen seri dan paralel Perancangan rangkaian penyesuai impedansi selain menggunakan pendekatan matematis dapat juga menggunakan pendekatan grafis dengan Smith Chart. Pada Smith Chart akan diplot titik-titik impedansi atau admitansi. Titik-titik admitansi dan impedansi yang diplot dapat merupakan harga normalisasi pada suatu harga tertentu. Titik admitansi dapat dapat diperoleh dari titik impedansi dengan mencerminkannya pada titik tengah, begitu juga sebaliknya. Penambahan komponen reaktansi seri atau paralel dapat dilakukan dengan aturan sebagai berikut: 1. Penambahan L seri atau C seri menggerakkan titik impedansi di sepanjang lingkaran resistansi konstan. L seri menambah induktansi sedangkan penambahan penambahan C seri mengurangi kapasitansi.
2. Penambahan L atau C paralel menggerakkan impedansi impedansi di sepanjang lingkaran konduktansi konstan. Penambahan C paralel menaikkan kapasitansi sedangkan L paralel mengurangi induktansi.
PUSAT PENGEMBANGAN PENGEMBANGAN BAHAN AJ AR-UMB
Iradth, ST. MBA.
SALURAN TRANSMISI
2
Penggunaan Smith Chart dalam Saluran Transmisi Smith chart bisa digunakan untuk menghitung impedansi akibat penambahan elemen seri atau paralel terhadap beban.
Secara matematis, adalah mudah untuk menghitung efek dari penambahan satu elemen seri. Tapi akan menjadi cukup rumit jika beberapa elemen ditambahkan secara seri dan paralel. Dengan menggunakan smith chart, perubahan impedansi bisa dihitung dengan mudah. Perubahan dalam impedansi akibat penambahan elemen R,L ,atau C pada beban : • Penambahan elemen bisa dilihat sebagai suatu pergerakan dalam smith chart • Induktor seri : reaktansi positif, bergerak searah jarum jam dalam lingkaran resistansi konstan • Kapasitor seri : reaktansi negatif, bergerak BAJJ dalam lingkaran resistansii konstan
PUSAT PENGEMBANGAN PENGEMBANGAN BAHAN AJ AR-UMB
Iradth, ST. MBA.
SALURAN TRANSMISI
3
• Induktor paralel : suseptansi negatif, bergerak berlawanan arah jarum jam dalam lingkaran konduktansi konstan. • Kapasitor paralel : suseptansi positif, bergerak searah jarum jam dalam lingkaran konduktansi konstan • Secara umum, reaktansi/suseptansi positif bergerak searah jarum jam.
PUSAT PENGEMBANGAN PENGEMBANGAN BAHAN AJ AR-UMB
Iradth, ST. MBA.
SALURAN TRANSMISI
4
PUSAT PENGEMBANGAN PENGEMBANGAN BAHAN AJ AR-UMB
Iradth, ST. MBA.
SALURAN TRANSMISI
5
PUSAT PENGEMBANGAN PENGEMBANGAN BAHAN AJ AR-UMB
Iradth, ST. MBA.
SALURAN TRANSMISI
6
PUSAT PENGEMBANGAN PENGEMBANGAN BAHAN AJ AR-UMB
Iradth, ST. MBA.
SALURAN TRANSMISI
7
soal: soal : Beban dengan reaktansi seri Suatu bagian dari saluran 50 Ohm diterminasi dengan beban ternormalisasi 1 + j1 Ohm dan impedansi pada input adalah 1-j1 Ohm. Tentukan elemen seri untuk menyesuaikan kedua port dengan menggunakan smiht chart.
PUSAT PENGEMBANGAN PENGEMBANGAN BAHAN AJ AR-UMB
Iradth, ST. MBA.
SALURAN TRANSMISI
8
MODUL III Soal :Admitansi beban dengan elemen paralel Suatu bagian dari saluran 50 ohm mempunyai admitansi input dan beban berikut : Y = 0,5 + j2,0 L
y = 0,5 – j2,0 in
Tentukan elemen paralel L untuk menyesuaikan kedua terminal. Gunakan smith chart. Solusi:
Penyesuai Impedansi dengan
PUSAT PENGEMBANGAN PENGEMBANGAN BAHAN AJ AR-UMB
L Network
Iradth, ST. MBA.
SALURAN TRANSMISI
9
Penyesuai impedansi dengan elemen lumped bisa didisain dengan menggunakan smith chart. Rangkaian ini terdiri dari dua elmen reaktif dalam konfigurasi L (satu paralel dan satu seri dengan beban). Dalam penyesuaian impedansi, terdapat beberapa pilihan yang bisa digunakan, pemilihan dilakukan dengan pertimbangan : • Memiliki nilai k omponen yang mudah direalisasi • Efek terhadap pem-bias-an. Induktor adalah DC short, kapasitor adalah DC block, yang mempengaruhi bias DC pada piranti aktif. • Pengaruh terhadap stabilitas piranti aktif.
Penyesuai impedansi bisa didisain dengan dua cara : 1. Menggunakan persamaan matematis 2. Menggunakan smith chart
Pengunaan Smith Chart Secara umum, penggunaan smith chart dalam penyesuaian impedansi bisa dikelompokkan dalam dua kondisi :
1. Matching suatu beban kompleks Z menuju impedansi sistem Z , misal. matching L
o
beban Z = 10 + j100 Ω menuju saluran treansmisi 50 Ω L
2. Membuat impedansi kompleks Z dari Z , contoh. Transformasi sumber 50 Ω L
o
(dengan reflection coefficient Γ = 0) menuju impedance 10 + j100. Penyesuaian tipe ini biasanyan diperlukan dalam disain penguat Perlu diingat bahwa dalam menggunakan smith chart, semua impedansi/admitansi impedansi/admitansi dinormalisasi terhadap impedansi karakteristik saluran tramsisi. Kedua tipe di atas melibatkan pergerakan dalam smith chart yang mulai dari impedansi yang dimiliki menuju impedasi yang diinginkan. Masing-masing mungkin memiliki solusi lebih dari satu.
PUSAT PENGEMBANGAN PENGEMBANGAN BAHAN AJ AR-UMB
Iradth, ST. MBA.
SALURAN TRANSMISI
10
Soal : matching beban pada saluran 50 ohm Suatu piranti gelombang mikro mempunyai impedansi output : Z
out
= 15 + j 15 Ohm. Disain rangkaian penyesuai impedansi untuk mentransform mentransform
impedansi output menuju saluran transmisi 50 ohm. Gunakan smith chart. Solusi :
Soal : Matching impedansi pada beban 50 ohm Suatu penguat gelombang mikro mempunyai parameter impedansi berikut ini : Zout = 100 – j 100 zout = 2 – j 2 Y
out
= 0,005 + j 0,005
y
out
= 0,25 + j 0,25
Desain suatu rangkaian penyesuai impedansi untuk menyesuaikan admitansi penguat pada beban 50 Ohm. Gunakan Smith chart. Solusi :
PUSAT PENGEMBANGAN PENGEMBANGAN BAHAN AJ AR-UMB
Iradth, ST. MBA.
SALURAN TRANSMISI
11
Stub Matchi Matchi ng Penyesuaian impedansi bisa dilakukan dengan menyisipkan suatu admitansi imajiner paralel dalam saluran transmisi. Admitansi ini bisa diperoleh dari potongan suatu saluran transmisi. Teknik penyesuai impedansi seperti ini disebut dengan stub matching. Ujung dari stub bisa terbuka atau tertutup, tergantung dari admitansi imajiner yang diinginkan. Dua atau tiga stub juga bisa disisipkan pada lokasi tertentu untuk mendapatkan hasil yang lebih baik.
Penyesuai impedansi dengan stub
Stub Matching Seri Jika suatu impedansi di plot dalam smith chart, kemudian digerakkan dalam lingkaran koefisien pantul konstan ( radius konstan) ke arah sumber, maka pada suatu lokasi akan memotong lingkaran r = 1. Transformasi ini menyatakan pergerakan disepanjang disepanjang saluran transmisi dari beban menuju sumber. Satu putaran penuh dalam smith chart menyatakan pergerakan sejauh ½ λ. Pada perpotongan tersebut, impedansi ternormalisasi ternormalisasi r + jx berubah menjadi 1 + jx’. Setidaknya, dalam
PUSAT PENGEMBANGAN PENGEMBANGAN BAHAN AJ AR-UMB
Iradth, ST. MBA.
SALURAN TRANSMISI
12
putaran tersebut, bagian real dari impedansi sama dengan impedansi karakteristik Z0 ( perhatikan perbedaan jx dengan jx’). Jika di titik ini saluran dipotong dan disisipkan suatu reaktansi murni –jx’, maka impedansi total dilihat pada perpotongan ini (dari arah sumber) adalah penjumlahan 1 + jx’ – jx’ = 1. Dengan demikian saluran transmisi menjadi matched (sesuai). Contoh : Suatu antena dipole bekerja pada frekuensi 120 MHz mempunyai impedansi 44,8 – j 107 Ω. Buatkan rangkaian penyesuai impedansi dengan stub seri pada saluran transmisi 75 Ω. Solusi : 1. Normalisasi beban pada Z = 75 Ω 0
Z = 0,597 – j 1,43 Ω ( titik A) 0
2. Putar beban searah generator sampai memotong lingkaran r = 1. (B) 3. Tarik garis dari pusat smith chart (0,0) ke masing-masing titik A dan B. 4. Hitung jarak stub ke beban yang dibutuhkan ( dalam panjang gelombang) dari B ke A. Jarak stub dari beban antena adalah 0,346 λ 5. cari nilai reaktansi (ternormalisasi) pada titik B. jB = j 1,86.
PUSAT PENGEMBANGAN PENGEMBANGAN BAHAN AJ AR-UMB
Iradth, ST. MBA.
SALURAN TRANSMISI
13
Panjang stub yang diperlukan harus mampu menghilangkan reaktansi ini. Sisi luar smith chart adalah lingkaran dengan r = 0 (rektansi murni). Bagian kiri adalah short dan bagian kanan open circuit. 6. Tentukan titik –j1,86 yang diperlukan. Cari panjang stub yang dibutuhkan. Untuk short circuit stub diperlukan panjang 0,328 λ. Untuk open circuit st ub diperlukan panjang 0,078 λ.
PUSAT PENGEMBANGAN PENGEMBANGAN BAHAN AJ AR-UMB
Iradth, ST. MBA.
SALURAN TRANSMISI
14
7. Hitung jarak dan panjang stub untuk open circuit : Jika kecepatan gelombang dalam saluran koaksial adalah 2/3 c (20 cm/ns) maka panjang gelombang λ adalah 1,67 m.
PUSAT PENGEMBANGAN PENGEMBANGAN BAHAN AJ AR-UMB
Iradth, ST. MBA.
SALURAN TRANSMISI
15
Stub Matching Paralel Matching juga bisa dilakukan dengan suatu elemen paralel (shunt). Karena melibatkan rangkaian paralel, adalah lebih mudah kalau perhitungan dilakukan dalam admitansi.
Elemen disisipkan pada jarak ds dimana bagian real dari admitansi sama dengan admitansi karakteristik Y . 0
Y’ = Y + jβ 0
Matching diperoleh dengan menggunakan elemen dengan suseptansi - j β, sehingga : Y = Y’ - j β = Y 1
0
Elemen paralel bisa digantikan dengan suatu potongan saluran transmisi (stub) dengan panjang tertentu. Untuk memperoleh suseptansi murni, elemen stub bisa berupa saluran transmisi dengan ujung terbuka (open circuit) atau tertutup (shor circuit).
Dalam disain penyesuai impedansi dengan stub paralel, perlu dicari dua hal yaitu : - lokasi stub dihitung dari beban (ds) - panjang stub (Ls) Y = Y + Y = Y + 1/Z A
stub
d
PUSAT PENGEMBANGAN PENGEMBANGAN BAHAN AJ AR-UMB
0
0
Iradth, ST. MBA.
SALURAN TRANSMISI
16
Dimana Y
stub
adalah admitansi input stub
Y adalah admitansi saluran pada lokasi stub sebelum stub dipasang. d
Admitansi pada persimpangan persimpangan adalah adalah : Y =Y A
stub
+Y =Y d
0
Jika stub menggunakan saluran dengan karakteristik berbeda, maka untuk mendapatkan suseptansi yang diberikan oleh stub, perlu sedikit perhitungan sbb : Y =Y A
stub
+Y
d
Dalam nilai ternormalisasi : y Y =yY +y A
0
d
0
stub
Y
Os
y = (y -y )(Y /Y ) s
A
d
0
Os
Tergantung dari panjang saluran transmisi, ada beberapa lokasi yang bisa dipergunakan untuk menyisipkan stub. Smith chart bisa membantu dalam menentukan panjang dan lokasi stub.
PUSAT PENGEMBANGAN PENGEMBANGAN BAHAN AJ AR-UMB
Iradth, ST. MBA.
SALURAN TRANSMISI
17
PUSAT PENGEMBANGAN PENGEMBANGAN BAHAN AJ AR-UMB
Iradth, ST. MBA.
SALURAN TRANSMISI
18