Mengenal Perangkat Gelombang Akustik Sebagai Media Komunikasi

Teman-teman sekalian tentunya memiliki smartphone, bukan? Bahkan, saat ini teman-teman mungkin sedang membaca artikel ini melalui layar smartphone. Dengan smartphone kita dapat mengakses berbagai macam informasi yang beredar di internet. Salah satu caranya dengan menghubungkan smartphone kita ke dunia internet menggunakan Wi-Fi.

Tahukah teman-teman benda apa yang bisa menghubungkan smartphone kita dengan Wi-Fi? Ternyata di dalam smartphone terdapat benda berukuran kecil yang disebut sebagai filter atau penyaring. Seperti namanya, filter berfungsi untuk menyaring frekuensi sehingga smartphone akan memperoleh frekuensi yang diinginkan oleh penggunanya serta membuang frekuensi yang tidak diperlukan.

Rentang frekuensi yang diinginkan oleh pengguna disebut sebagai passband width. Sebagai contoh, salah satu rentang frekuensi 4G yang digunakan oleh Telkomsel adalah 1800 Mhz. Artinya filter pada smartphone kita harus mampu menangkap sinyal dengan baik pada rentang frekuensi di sekitar 1800 MHz tersebut. Filter untuk frekuensi tinggi dikenal sebagai filter frekuensi radio atau RF filter.

Smartphone sendiri memiliki banyak sekali filter. Ada filter yang berfungsi untuk menerima sinyal “receiver”, ada juga yang berfungsi untuk mengirimkan sinyal “transceiver”. Contohnya, pada iPhone 11 Pro MAX terdapat 7 buah RF filter seperti yang dapat dilihat pada gambar. Filter inilah yang mampu menghubungkan smartphone dengan jaringan Wi-Fi.

Jenis-jenis filter pada iPhone 11 Pro MAX.

Salah satu teknologi yang digunakan untuk membuat filter frekuensi tinggi adalah acoustic waves devices (AWD) atau dapat diterjemahkan ke dalam bahasa Indonesia sebagai “perangkat gelombang akustik.” Keuntungan dari AWD adalah ukurannya yang kecil dan mampu menghasilkan filter untuk frekuensi tinggi hingga 6 GHz, serta biaya pembuatannya yang relatif murah dengan kinerja yang sangat baik karena menggunakan teknologi MEMS (baca juga artikel “Mengenal MEMS” di Majalah kami Agustus 2016).

Secara garis besar AWD terbagi menjadi dua tipe gelombang akustik, yaitu surface acoustic wave (SAW) dan bulk acoustic wave (BAW). Kedua tipe gelombang ini bekerja berdasarkan efek piezoelektrik. Muatan listrik yang dihasilkan pada material piezoelektrik berasal dari tekanan mekanis yang diterapkan pada material tersebut. Bisa juga sebaliknya, perubahan tekanan pada material piezoelektrik diakibatkan adanya tegangan listrik yang mengalir pada material tersebut.

Pada AWD, gelombang yang dihasilkan berasal dari tegangan listrik yang mengalir pada material piezoelektrik yang berada di dalamnya. Selanjutnya, gelombang mekanis tersebut diubah kembali mejadi listrik pada keluaran.

Filter SAW

SAW pertama kali ditemukan oleh Lord Rayleigh pada tahun 1885 ketika ia sedang belajar mengenai gelombang sesimik yang muncul saat terjadi gempa bumi. Teknologi SAW ini dikembangkan lebih lanjut di Eropa dan Amerika sebagai penunjang teknologi militer seperti radar. Kemudian, pada tahun 1960-an SAW mulai dikomersialkan dan saat ini teknologi tersebut banyak digunakan pada perangkat telekomunikasi.

Filter SAW terbuat dari material piezoelektrik seperti lithium tantale (LiTaO₃) dan lithium niobate (LiNbO₃). Pada bagian atas material piezoelektrik terdapat elektrode berbentuk sisir yang dikenal sebagai inter-digital transducers (IDT) yang berfungsi sebagai penghasil SAW yang merambat pada permukaan material piezoelektrik. IDT ini terbuat dari logam yang pada bagian ujungnya terdapat metal (electric port) atau lebih dikenal sebagai “bus bar” yang berfungsi sebagai penghubung pada tegangan listrik. Dengan demikian, ketika listrik RF dihantarkan melalui bus bar, IDT akan mengubah listrik tersebut menjadi gelombang mekanis. Sementara itu, panjang gelombang dan frekuensi dari SAW ditentukan oleh jarak antargaris metal pada IDT.

Skema dasar filter SAW.

Filter SAW mampu melakukan penyaringan gelombang pada frekuensi 1.9 GHz yang mencakup GSM, CDMA, 3G, dan beberapa band 4G. Selain itu, beberapa filter SAW untuk rentang frekuensi yang berbeda dapat diintegrasikan ke dalam satu buah cip. Namun, kemampuan filter SAW tidak terlalu baik pada frekuensi di bawah 1 GHz dan frekuensi di sekitar 2.5 GHz. Terutama dengan semakin banyaknya jumlah smartphone, rentang frekuensi rendah ini sudah semakin padat karena banyaknya pengguna.

Filter BAW

Filter BAW terbuat dari material piezoelektrik berupa kristal quartz (kuarsa) yang terletak di antara dua lapisan elektrode menyerupai sandwich. Dengan struktur seperti ini, gelombang akustik akan merambat secara vertikal pada seluruh bagian material piezoelektrik. Hal ini yang menjadi perbedaan mendasar antara filter BAW dan SAW.

Panjang gelombang dan frekuensi resonansi pada filter BAW ditentukan oleh ketebalan material piezoelektrik dan massa elektrode. Untuk menghasilkan frekuensi yang tinggi, ketebalan dari material piezoelektrik akan semakin tipis, bahkan hingga beberapa mikrometer sehingga strukturnya akan semakin tipis dan rapuh seiring bertambahnya frekuensi resonansi yang diinginkan. Para ilmuwan mencoba mengatasi masalah tersebut menggunakan teknologi thin film bulk acoustic resonators (FBAR) dan solidly mounted resonator (SMR) untuk meningkatkan frekuensi pada filter BAW.

Skema dasar filter BAW.

FBAR diproses dengan cara membuat rongga di bagian bawah struktur filter BAW. Rongga tersebut berfungsi untuk mengurung gelombang akustik agar tetap berada pada medium piezoelektrik dengan memanfaatkan tingkat pantulan akustik yang tinggi pada batas antara medium piezoelektrik dan rongga.

Pada teknologi SMR, sebuah pemantul yang disebut sebagai acoustric Bragg reflector dipasang pada filter BAW untuk mencegah gelombang akustik keluar dari material piezoelektrik. Dengan kedua teknologi tersebut, tidak ada energi yang terbuang ketika gelombang sedang merambat. Akan tetapi, kelemahan dari teknologi SMR adalah sensitivitas frekuensi yang rendah serta munculnya respons frekuensi palsu di sekitar respon frekuensi yang diinginkan.

Ilustrasi filter BAW berbasis FBAR dan SMR.

Teknologi BAW mulai dikembangkan sejak Perang Dunia I. Filter BAW ini memiliki beberapa keunggulan jika dibandingkan dengan filter SAW, di antaranya mampu melakukan filtrasi untuk rentang frekuensi yang lebih sempit. Selain itu, filter BAW dapat beroperasi pada rentang frekuensi yang lebih tinggi (di atas 1.5 GHz) dan tidak sensitif terhadap perubahan suhu.

Dengan kelebihan yang dimilikinya, filter BAW ini banyak digunakan pada teknologi 3G dan 4G, serta digunakan untuk rentang frekuensi LTE di atas 1.9 GHz. Filter BAW sangat cocok digunakan pada perangkat telekomunikasi berukuran kecil seperti smartphone mengingat rentang frekuensi kerjanya yang semakin tinggi jika ukurannya diperkecil.

Belakangan ini para ilmuwan aktif melakukan penelitian untuk menggabungkan teknologi SAW dan BAW dengan tujuan memperoleh filter dengan struktur yang lebih kuat serta mampu menghasillkan frekuensi resonansi yang lebih tinggi. Frekuensi yang lebih tinggi ini diperlukan karena rentang frekuensi rendah yang sudah semakin padat seiring banyaknya pengguna.