Buku Praktikum Pengukuran Menggunakan Vna [PDF]

Citation preview

BUKU PENUNTUN PRAKTIKUM PENGUKURAN KARAKTERISTIK ANTENA DAN FILTER MENGGUNAKAN VECTOR NETWORK ANALYZER Semester - 5



Laboratorium Transmisi & HF Agustus 2019



Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Ujung Pandang



P R O G R A M S T U D I D 4 T E K N O L O G I R E K AYA S A JA R I N G A N T E L E KO M U N I K A S I Untuk Mahasiswa Semester - 5 PRAKTIKUM P E N G U K U R A N K A R A K T E R I S T I K A N T E N A DA N F I LT E R M E N G G U N A K A N V E C T O R N E T W O R K A N A LY Z E R



C A PA I A N P E M B E L A J A R A N  Terampil melakukan pengukuran parameter antenna dan filter  Mampu melakukan analisa perhitungan berdasarkan data hasil percobaan.



PRAKTIKUM Pengukuran Parameter Dasar Antena Dan Low Pass Filter Dengan Vector Network Analyzer (VNA) I.



Tujuan Percobaan a. Terampil menggunakan alat ukur Vector Network Analyzer (VNA) untuk mengukur parameter perangkat telekomunikasi. b. Mampu mengukur parameter dasar Antena menggunakan VNA. c. Mampu mengukur parameter sebuah Low Pass Filter frekuensi tinggi menggunakan VNA.



II.



Dasar Teori 2.1 Parameter-S Paremeter-S (scattering parameter) digunakan untuk menjelaskan aliran sinyal dalam perangkat (device) yang di ukur. VNA FieldFox dapat mengukur empat parameter-S. Ke-empat parameter-S itu adalah: 𝑆11 = pengukuran pantulan (reflection) pada Port-1. 𝑆11 = 𝑅𝑒𝑡𝑢𝑟𝑛 𝐿𝑜𝑠𝑠 = −20 log|Γ𝑖𝑛 |



(dB)



𝑆21 = pengukuran perbandingan maju antara daya di Port-1 terhadap daya keluaran di Port-2. Satuan dalam dB. 𝑆21 = (𝑃1 )𝑑𝐵𝑚 − (𝑃2 )𝑑𝐵𝑚 (dB) 𝑆12 =pengukuran perbandingan daya balik antara daya di Port-2 terhadap daya di Port-1. Satuan dalam dB. 𝑆12 = (𝑃2 )𝑑𝐵𝑚 − (𝑃1 )𝑑𝐵𝑚



(dB)



𝑆22 = pengukuran pantulan di Port-2. 𝑆22 = 𝑅𝑒𝑡𝑢𝑟𝑛 𝐿𝑜𝑠𝑠 𝑑𝑖 𝑃𝑜𝑟𝑡 − 2 = −20 log|Γ𝑜𝑢𝑡 | (dB)



Dimana koefisien pantul adalah, 𝑍 −𝑍



Γ𝐿 = 𝑍𝐴+𝑍𝑆 = |Γ𝐿 |∠𝜃° 𝐴



𝑆



(tanpa satuan)



(1)



Pemantulan menyebabkan rugi-rugi pantulan atau Return Loss yang dinyatakan dengan persamaan:



𝑅𝐿 = −20 log|Γ𝐿 | (dB)



(2)



VNA FiledFox dapat pula mengukur impedansi antenna atau filter sebagai fungsi frekuensi, dan VSWR fungsi frekuensi. Pengukuran Impedansi antena oleh VNA FieldFox ditampilkan dalam bentuk Smith Chart, dan pengukuran VSWR antenna ditampilkan dalam bentuk grafik VSWR fungsi frekuensi pada layar VNA. Gambar 1, memperlihatkan blok diagram pengukuran parameter-S



Gambar 1. Blok diagram pengujian.



2.2 Parameter Dasar Antena Setiap antena mempunya parameter dasar yang menjadi sifat atau karaketrsitik antena tersebut. Antara lain: a. Frekuensi resonansi b. Bandwidth c. Impedansi



Lab. Transmisi & Frekuensi Tinggi – PNUP 2019



menggunakan VNA FieldFox N9923A.



2



d. Gain atau direktivitas e. VSWR f. Return Loss g. Pola radiasi Pada percobaan ini, VNA FieldFox dapat digunakan untuk mengukur: frekuensi resonansi, bandwidth frekuensi, Impedansi, VSWR, dan Return Loss.



Gambar 2. Beragam jenis Antena.



Pengukuran parameter antena menggunakan VNA FieldFox, akan



Lab. Transmisi & Frekuensi Tinggi – PNUP 2019



menempatkan antena sebagai beban (load) dan VNA sebagai



3



sumber. Terminal Port-1 pada VNA memiliki impedansi sebesar 𝑍1 = 50 Ω. Bila impedansi terminal antena adalah 𝑍𝐴 , adalah, 𝑍𝐴 = 𝑅𝐴 ± 𝑗𝑋𝐴 𝑅𝐴 = resistansi antena dalam satuan Ohm 𝑋𝐴 = reaktansi antena dalam satuan Ohm. Maka koefisien pantul antara antena dengan adalah,



(3)



𝑍 −𝑍



Γ𝐿 = 𝑍𝐴+𝑍1 = |Γ𝐿 |∠𝜃° (tanpa satuan) 𝐴



1



(4)



Hubungan antara pemantulan rugi-rugi pantulan atau Return Loss yang dinyatakan dengan persamaan (2). Koefisien pantul |Γ𝐿 | memiliki hubungan matematika dengan Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) yang dinyatakan dengan persamaan,



𝑉𝑆𝑊𝑅 =



1+|Γ𝐿 | 1−|Γ𝐿 |



(tanpa satuan)



(5)



Gambar 3, memperlihatkan pemodelan antenna sebagai beban



Gambar 3. Antena sebagai sebuah beban bagi sumber.



Lab. Transmisi & Frekuensi Tinggi – PNUP 2019



bagi VNA FieldFox (sumber).



4



Gambar 4. Grafik pengukuran return loss pada antena



Lab. Transmisi & Frekuensi Tinggi – PNUP 2019



sebagai fungsi frekuensi.



5



Gambar 5. Tampilan pada laray VNS untuk pengukuran SWR antenna sebagai fungsi frekuensi.



Gambar 6. Tampilan pada layar VNA pengukuran impedansi antenna sebagai fungsi frekuensi.



2.3 Parameter Dasar Low Pas Filter Perhatikan Gambar 7. Pada Gambar 7a, diperlihatkan sebuah resposn frekuensi filter LPF ideal. Semua frekuensi diatas frekuensi



memiliki frekuensi diatas frekuensi cut-off tidak dapat diloloskan oleh filter LPF. Gambar 7b, memperlihatkan respons frekuensi sebuah filter LPF tidak ideal. Ketidak-idealan filter LPF ini dapat dilihat pada respons frekuensi dengan penjelasan sebagai berikut: 



Pada pita lolos (pass-band), mengalami redaman yang disebut sebagai rugi-rugi sispan atau Insertion Loss (IL). Insertion loss dinyatakan dalam satuan dB.







Terdapat daerah transisi dari pass-band ke stop-band. Filter yang baik akan memiliki daerah transisis yang curam.



Lab. Transmisi & Frekuensi Tinggi – PNUP 2019



cut-off, mengalami redaman total sehingga semua sinyal yang



6



Tingkat kecuraman daerah transisi diukur dengan satuan Faktor Bentuk atau Shape Factor. Shape Factor didefinisikan sebagai, 𝑆ℎ𝑎𝑝𝑒 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 =







𝐵𝑊−3𝑑𝐵 𝐵𝑊−6−𝑑𝐵



(tanpa satuan)



Frekuensi cut-off didefinisikan sebagai frekuensi dimana daya sinyal keluaran filter mengalami redaman sampai setengah daya masukan. Dalam satuan logaritma, ½ atau 0,5 sama dengan -3 dB (10 log 0,5).







Pada Gambar 7c, terdapat ripple pada daerah pass-band.



Setiap filter LPF harus memiliki impedansi input/output tertentu. Pada percobaan kita, impedansi input-output filter LPF sekitar 50 Ohm. Dalam percobaan ini, parameter yang akan di ukur yaitu koefisien pantul pada input (𝑆11 ) filter dan koefisein pantul pada terminal keluaran filter (𝑆22 ). Selain itu akan diukur pula Insertion Loss (𝑆21 )



pada filter LPF. Semua parameter ini dapat diukur



Lab. Transmisi & Frekuensi Tinggi – PNUP 2019



menggunakan VNA FieldFox.



7



Lab. Transmisi & Frekuensi Tinggi – PNUP 2019



Gambar 7. Respons frekuensi Low Pass Filter (LPF).



8



III Langkah Kerja



Lab. Transmisi & Frekuensi Tinggi – PNUP 2019



3.1 Pengenalan Alat Ukur RF Vector Analyzer Aginelt N9923A



9



Gambar 8. Tampilan depan FieldFox RF VNA N9923-A.



Lab. Transmisi & Frekuensi Tinggi – PNUP 2019



Gambar 9. Daftar fungsi Tombol pada VNA N9923-A.



10



Lab. Transmisi & Frekuensi Tinggi – PNUP 2019



11



Gambar 10. Tampilan Top Panel dan panel samping VNA N9923-A.



(b) Gambar 11. (a) Blok diagram pemasangan antena pada terminal VNA, dan (b) contoh pemasangan Antena dan dummy load 50 Ohm.



Lab. Transmisi & Frekuensi Tinggi – PNUP 2019



(a)



12



3.2 Prosedur Pengukuran 1. Pasanglah konektor Charger DC ke input terminal DC cord pada sisi samping VNA. 2. Instalasi antenna dan dummy load seperti pada Gambar 9 dan 10. 3. Tekan tombol Power (1)



hingga VNA dalam keadaan ON.



4. Atur frekuensi kerja VNA dengan menekan tombol Feq/Dist



,



kemudian tekan tombol Start dan ketik angka 1.81 disusul tekan tombol GHz pada panel (17) dekat layar, maka pada layar akan tertulis frekuensi Start 1.810 GHz. Kemudian tekan tombol Stop disusul angka 1.850 dan tombol GHz. Pada layar akn tertulis frekuensi Stop 1.850 MHz. Dengan demikian maka frekuensi 1.810



VNA sudah disetel bekerja pada



GHz sampai 1.850 GHz. Catatan: pengaturan



frekuensi Start dan Stop disesuaikan dengan frekuensi kerja antena. 5. Agar gambar grafik pada layar mudah dibaca, aturlah skala ukur untuk sumbu vertikal. Tekan tombol Amptd vertikal



. Pada layar, skala sumbu



secara otomoatis 10 dB/div. Ubah dengan cara menekan



tombol angka yang lebih kecil, misalnya 5 disusul tekan tombol dB. Maka skala sudah berubah menjadi 5 dB/div. Tiap garis adalah 1 divisi



Lab. Transmisi & Frekuensi Tinggi – PNUP 2019



atau 1 bagian. Silahkan mengubah skala sampai penampilan gambar



13



lebih baik di layar. 6. Tekan tombol Marker



, kemudian putar tombol Dial (No. 16)



sehingga marker (penanda) bergerak sampai mencapai level terendah Return Loss pada grafik. Besaran frekuensi dan level Return Loss ditampilkan pada kanan atas layar. Contoh pengukuran seperti diperlihatkan pada Gambar 12 diatas dimana pada diperoleh Return Loss -53.42 dB pada frekuensi 1826 MHz. Frekuensi yang ditunjukkan menyatakan frekuensi resonansi antenna.



Gambar 12. Posisi tombol Marker dan Dial



7. Amati layar. Gambar grafik pada layar menyatakan grafik return loss antenna sebagai fungsi frekuensi. Gambar 13 memperlihatkan contoh tampilan pada layar untuk pengukuran Return Loss (S11) antenna.



8. Tahap berikutnya adalah mengukur Impedansi antenna. Tekan tombol Format yang terdapat di bawah tulisan Format [Log Mag]. Kemudian tekan tombol yang sejajar dengan tulisan Smith. Maka pada layar akan tampil grafik Smith Chart seperti pada Gambar 15. Impedansi antenna diukur pada frekuensi dimana posisi marker/ cursor berada. Nilai impedansi dan frekuensi saat itu dapat di baca pada kanan atas layar. Contoh pada Gambar 15. Frekuensi: 1828 MHz, Impedansi = 49.9 – j.08 Ohm. Tanda negatif pada rekatansi menyatakan bahwa impedanmsi antenna bersifat kapasitif.



Lab. Transmisi & Frekuensi Tinggi – PNUP 2019



Gambar 13. Pengukuran Retun Loss antenna pada layar VNA.



14



Gambar 14. Posisi tombol Format.



Gambar 15. Tampilan grafik Smith chart. Kursor akan menunjukkan Impedansi antenna saat resonansi. 9. Tahap berikutnya adalah mengukur VSWR antenna. Tekan tombol VSWR maka akan tampil pada layar grafiuk SWR seperti pada Gambar 16. Posisi kurson menyatakan posisi SWR terendah pada



Lab. Transmisi & Frekuensi Tinggi – PNUP 2019



frekuensi 1828 MHz dengan nilai SWR = 1.019 (lihat kanan anatas



15



layar).



Gambar 16. Grafik SWR fungsi frekuensi.



10. Untuk menormalisir kembali VNA, tekan tombol yang sejajar dengan Format dan tombol Log Mag. Maka VNA akan menampiulkan kembali grafik S11 atau Return loss. 11. Tahap berikutnya adalah pengukuran Low Pass Filter (LPF). Tekan tombol selama 1 detik Power agar VNA dalam posisi Standby. Kemudian lepas antenna dari Port-1. 12. Pasanglah LPF pada Port-1. Hubungkan ujung LPF lainnya dengan kabel Coaxial yang sudah tersedia. Ujung kabel coaxial koneksikan ke Port-2. Lihat Gambar 16.



Gambar 17. Posisi LPF pada Port VNA.



13. Tekan tombol Power agar VNA kembali ON. Atur kembali skala Frekuensi dan Amplitudo agar tampilan grafik pada layar terlihat



Stop 550 MHz. 14. Tampilan normal yang pertama muncul di layar adalah parameter S11.



Gambar 18. Grafik Return Loss (S11) dan transfer fungsi filter LPF. Sering disebut respons frekuensi filter LPF (S21).



Lab. Transmisi & Frekuensi Tinggi – PNUP 2019



mudah di baca. Misalnya Frekuensi Start = 300 MHz dan Frekuensi



16



Gambar 19. Parameter S12 dan S22.



15. Pengukuran rugi-rugi sisipan/redaman (insertion loss)



filter LPF.



Tampilkan grafik S21 pada layar. Kemudian ubah skala ukur amplitude dengan menekan tombol Scale/Amptd dan tombol Scale. Ubah skala menjadi 0.5 dB. Maka pada layar akan ditampilkan grafik respons frekuensi LPF pada bagian pass band seperti pada Gambar 19. Pada



Lab. Transmisi & Frekuensi Tinggi – PNUP 2019



gambar terlihat bahwa redaman filter sebesar 0,5270 dB.



17



Gambar 20. Redaman filter pada daerah pita lolosnya (pass band). 16. Ukurlah filter LPF lainnya kemudian catat dan gambarkan hasil pengukurannya. 17. Buatlah laporan lengkap dari seluruh hasil pengukuran yang sudah dilakukan. Analisa hasil pengukuran harus merujuk pada acuan teoritik dan tujuan percobaan. 18. Buatlah kesimpulan berdasarkan hasil analisa dan tujuan percobaan. Jangan sekali-kali menyontek dalam membuat analisa dan kesimpulan.