pada Lengan seri 3 dB Hybrid Coupler Microstrip Pita Lebar
KURVA PADA LENGAN SER
Karakterisasi dilakukan untuk mendapatkan rancangan modifikasi 3 dB hybrid coupler optimal. Proses karakterisasi dilakukan melalui simulasi dengan menggunakan metode momen untuk memperoleh kinerja 3 dB hybrid coupler yang diharapkan berdasarkan parameter faktor isolasi, faktor refleksi dan faktor kopling.
Dalam proses karakterisasi dilakukan optimalisasi terhadap 5 nilai impedansi pada lengan seri dengan jarak antar lengannya dijaga tetap sebesar ¼ λ.
Kondisi ideal faktor kopling adalah memiliki magnitude yang ekivalen sama besar karena secara struktur bentuknya simetri, dengan beda fasa antara output port sebesar 90°. Kondisi magnitude yang tidak sama antar kedua port disebut dengan kondisi ketidakseimbangan daya sedangkan kondisi beda fasa antar port yang tidak 90°disebut dengan kesalahan fasa.
Tabel 1 menunjukkan hasil simulasi untuk kelima nilai impedansi pada lengan seri terhadap kinerja 3 dB hybrid coupler. Tabel 2 menunjukkan kondisi ketidakseimbangan daya dan kesalahan fasa yang terjadi untuk beberapa nilai impedansi pada lengan seri.
Berdasarkan Tabel 2 terlihat bahwa saat nilai impedansi lengan seri sebesar 50 Ω, kesalahan fasa yang terjadi cukup besar yaitu 6,5°, selanjutnya menurun pada 3 nilai impedansi lainnya (50,6 Ω, 52,5 Ω dan 54,5 Ω ) dan kembali meningkat saat nilai impedansi sebesar 56,7 Ω. Hal ini menunjukkan apabila jarak antar lengan seri tidak lagi ¼ λ maka akan mempengaruhi beda fasa antar kedua port keluaran. Faktor refleksi yang terendah saat impedansi lengan seri sebesar 50,6 Ω dimana hasilnya mencapai -25.45 dB dengan faktor isolasi mencapai -17,26 dB.
Dengan demikian nilai impedansi sebesar 50,6 Ω yang dipilih karena memiliki kinerja
optimal. Berdasarkan persamaan (1) dengan nilai impedansi 50,6 Ω maka lebar salurannya adalah sebesar 4,75 mm. Dengan lebar tersebut menghasilkan jarak antar lengan seri mendekati ¼ λ. Hasil rancangan dari modifikasi 3 dB hybrid coupler yang memiliki kinerja yang optimal ditunjukkan pada Gambar 2. Bentuk geometri tersebut sama dan simetri sehingga port manapun yang digunakan sebagai port masukan dan port keluaran akan menghasilkan kinerja yang sama.
Tabel 1: Pengaruh Nilai Impedansi Lengan Seri
Faktor Refleksi
Faktor
Isolasi Faktor Kopling
Impe- dansi lengan seri (Ω) S11 (dB) S12 (dB) S13 (dB) S13 (°) S14 (dB) S14 (°) 50 -20,33 -13,74 -3,4 164,4 -3,8 80,97 50,6 -25,45 -17,26 -2,8 155,7 -4,0 67,8 52,5 -22,51 -17,45 -2,8 155,5 -4,0 67,73 54,5 -20,7 -17,46 -2,8 155,4 -4,0 67,72 56,7 -19,3 -17,47 -2,9 155,2 -3,8 67,71
Tabel 2: Rata-rata ketidakseimbangan daya dan kesalahan fasa yang terjadi terhadap kondisi ideal
imp len unb (dB φ e (°) edansi gan seri (Ω) alance ) rror 50 0,6 6,5 50,6 0,6 2,1 52,5 0,6 2,2 54,5 0,6 2,3 56,7 0,45 2,5
Gambar 2: Bentuk Geometri 3 dB Hybrid Coupler tanpa Garis Kurva
Berdasarkan [9] salah satu cara untuk memperbaiki kondisi matching yang lebih baik adalah dengan menggunakan impedansi multisection. Maka selanjutnya dilakukan optimalisasi kembali dengan penggunaan impedansi multisection pada lengan seri 3 dB hybrid coupler yang dimodifikasi. Dengan demikian nilai impedansi pada lengan seri tidak linear tetapi membentuk garis kurva. Garis kurva tersebut merupakan fungsi eksponensial. Tabel 3 dan Tabel 4
menunjukkan perbandingan kinerja antara geometri tanpa dan dengan garis kurva.
Tabel 3: Perbandingan Kinerja Berdasarkan perbedaan Geometri Lengan Seri pada fr= 9,4 GHz
Fak- tor Refle ksi Fak- tor Isolas i Faktor Kopling Geometri lenegan seri S11 (dB) S12 (dB) S13 (dB) S13 (°) S14 (dB) S14 (°) TanpaKurva -25,45 -17,26 -2,8 155,7 -4,1 67,8 Dengan Kurva -21,4 -19,28 -3,2 159,3 -3,6 71,3
Tabel 4: Perbandingan Rata-rata Ketidakseimbangan daya dan fasa berdasarkan
geometri lengan seri
Geometri lengan seri (Ω) unbalance (dB) φ error (°) Tanpa curve 0,6 2,1 Garis curve 0,4 2
Gambar 3 merupakan hasil akhir dari rancangan baru 3 dB hybrid coupler dimana pada lengan serinya menggunakan impedansi multisection sehingga membentuk geometri garis kurva.
Gambar 3: Bentuk Geometri 3 dB Hybrid Coupler dengan Garis Kurva pada Lengan Seri
4. HASIL DAN ANALISIS
4.1. Faktor Isolasi
Guna mengetahui kondisi isolasi antara port input maka dilakukan simulasi S12, S21,S34 dan S43. Berdasarkan Tabel 3, faktor isolasi pada hybrid coupler dengan geometri pada lengan seri berbentuk garis kurva dapat meningkat 2 dB dibandingkan dengan hybrid coupler tanpa kurva. Hal tersebut menunjukkan bahwa dengan
bentuk geometri garis kurva pada lengan seri, faktor isolasinya menjadi -19,28 dB untuk frekuensi kerja di 9,4 GHz. Gambar 4 menunjukkan hasil keseluruhan dari nilai koefisien isolasi.
9 9.2 9.4 Frequency (GHz) 9.6 -26 -24 -22 -20 -18 -16 M agni tu d e ( d B) 9.4 GHz-19.26 dB DB(|S(2,1)|) hybrid coupler garis kurva DB(|S(1,2)|) hybrid coupler garis kurva port 2 DB(|S(4,3)|) Hybrid coupler garis kurva port 3 DB(|S(3,4)|) Hybrid coupler garis kurva port 4
Gambar 4: Hasil simulasi Faktor Isolasi Hybrid Coupler dengan Garis Kurva pada Lengan Seri
4.2. Faktor Refleksi
Parameter S11, S22, S33, S44 adalah parameter untuk mengetahui faktor refleksi. Pada Tabel 3 terjadi penurunan nilai faktor refleksi sebesar 4 dB pada rancangan 3 dB hybrid coupler dengan geometri garis kurva. Nilai return loss atau nilai refleksi yang diperoleh pada frekuensi kerja 9,4 GHz sebesar - 21,4 dB seperti terlihat pada Gambar 5. Namun kondisi tersebut masih dalam nilai toleransi yang diinginkan yaitu < -20 dB dan masih cukup baik bila digunakan standar RL sebesar -10 dB, artinya daya yang dipantulkan masih cukup kecil
9 9.2 9.4 Frequency (GHz) 9.6 -23 -22.5 -22 -21.5 -21 -20.5 -20 Ma gn it ude (d B) 9.4 GHz -21.402 dB DB(|S(1,1)|) hybrid coupler garis kurva DB(|S(2,2)|) hybrid coupler garis kurva port 2 DB(|S(3,3)|) Hybrid coupler garis kurva port 3 DB(|S(4,4)|) Hybrid coupler garis kurva port 4
Gambar 5: Hasil simulasi Faktor Refleksi Hybrid Coupler dengan Garis Kurva pada Lengan Seri
4.3. Faktor Kopling
Salah satu hal yang penting saat merancang 3 dB hybrid coupler adalah kemampuannya membagi daya yang sama dengan beda fasa sebesar 90° antara port
output yang saling terkopel. Dari Tabel 3 dapat dilihat
hasil simulasi S13 dan S14 pada frekuensi 9,4 GHz,
magnitude pada port yang saling terkopel yaitu pada S13
sebesar -3,2 dB dan pada S14 sebesar -3,6 dB sehingga dengan kondisi demikian berarti rata-rata ketidakseimbangan daya yang terbagi antara kedua port
tersebut sebesar -3.4 dB dari yang seharusnya - 3dB. Sedangkan beda fasa yang dihasilkan antara keduanya sebesar 88° yang berarti terjadi error fasa sebesar 2°. Dari Gambar 6-7 terlihat nilai koefisien faktor kopling pada keempat port sama besar, hal ini mencerminkan bahwa geometri 3 dB hybrid coupler sama dan simetri.
9 9.2 9.4 9.6 Frequency (GHz) -4 -3.9 -3.8 -3.7 -3.6 -3.5 -3.4 -3.3 -3.2 M a gni tud e (dB ) 9.4 GHz-3.6321 dB 9.4 GHz -3.2389 dB DB(|S(3,1)|) hybrid coupler garis kurva DB(|S(4,1)|) hybrid coupler garis kurva DB(|S(3,2)|) hybrid coupler garis kurva port 2 DB(|S(4,2)|) hybrid coupler garis kurva port 2
DB(|S(1,3)|) Hybrid coupler garis kurva port 3 DB(|S(2,3)|) Hybrid coupler garis kurva port 3 DB(|S(1,4)|) Hybrid coupler garis kurva port 4 DB(|S(2,4)|) Hybrid coupler garis kurva port 4
Gambar 6: Hasil simulasi Faktor Kopling – Respon Magnitude pada Hybrid Coupler dengan Garis Kurva
pada Lengan Seri
9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 Frequency (GHz) 50 100 150 200 P has e (degr ee ) 9.4 GHz 71.28 Deg 9.3988 GHz 159.3 Deg Ang(S(4,2)) (Deg)
hybrid coupler garis kurva port 2
Ang(S(3,1)) (Deg) hybrid coupler garis kurva
Ang(S(4,1)) (Deg) hybrid coupler garis kurva
Ang(S(3,2)) (Deg) hybrid coupler garis kurva port 2
Ang(S(2,3)) (Deg) Hybrid coupler garis kurva port 3
Ang(S(1,3)) (Deg) Hybrid coupler garis kurva port 3
Ang(S(1,4)) (Deg) Hybrid coupler garis kurva port 4
Ang(S(2,4)) (Deg) Hybrid coupler garis kurva port 4
Gambar 7: Hasil simulasi Faktor Kopling – Respon Fasa pada Hybrid Coupler dengan Garis Kurva pada
Lengan Seri
4.4. Perbandingan Dimensi dan Lebar Pita Hal yang penting pada suatu rancangan adalah ukuran, karena diharapkan suatu komponen harus memiliki ukuran seminimal mungkin, sehingga bila diintegrasikan dengan komponen lain secara keseluruhan menjadi lebih kompak. Pada rancangan 3 dB hybrid coupler dengan garis kurva ini berhasil dilakukan reduksi dimensi karena lebar saluran pada lengan seri yang dirancang memiliki ukuran yang lebih kecil dari standar/normal 3 dB hybrid coupler.
Dengan digunakannya geometri garis kurva pada lengan seri dari rancangan 3 dB hybrid coupler membuat dimensinya semakin kecil.
Tabel 5 memperlihat perbandingan dimensi ketiga kondisi dari hybrid coupler tersebut.
Tabel 5: Perbandingan Dimensi
Pa o Ta
cur
De Cu
rameter N rmal npa
ve ngan rve Leb ser m 4,7 7 ar lengan i 8 m 5 mm 4, 5 mm Lu tem 384 mm 278 77 as Bidang baga 2 ,5 mm2 2 mm2
Begitu juga dengan lebar pita, pada beberapa aplikasi dibutuhkan pita lebar. Pada rancangan ini berhasil diperoleh lebar pita sebesar 1,3 GHz atau sekitar 14,28 % dari frekuensi kerja di 8,5 GHz – 9,8 GHz seperti ditunjukkan pada Gambar 8, dimana digunakan standar VSWR sebesar 2 dan dengan mempertimbangkan daya yang terbagi mendekati – 3 dB serta perbedaan fasa pada port output sebesar 90° dan RL sebesar -10 dB. 8.2 8.7 9.2 9.7 10 Frequency (GHz) VSWR 1.5 2 2.5 3 8.8 GHz 1.721 dB 8.5631 GHz 2 dB 9.2 GHz 1.594 dB 9.6 GHz1.792 dB 9.8421 GHz 2 dB 9.4 GHz 1.662 dB DB(VSWR(1)) hybrid coupler port 1 DB(VSWR(1)) hybrid coupler port 2
DB(VSWR(1)) hybrid coupler port 3 DB(VSWR(1)) hybrid coupler port 4
Gambar 8: Lebar Pita Hybrid Coupler dengan Garis Kurva pada Lengan Seri
5. KESIMPULAN
Pada penelitian ini telah berhasil dirancang disain baru 3 dB hybrid coupler pita lebar dengan lebar pita yang diperoleh sebesar 1,3 GHz (14,28%) yang termasuk sebagai katagori pita lebar. Dengan menggunakan impedansi multisection yang membentuk garis kurva pada bagian lengan serinya diperoleh ketidakseimbangan daya yang terbagi pada kedua port output sebesar 0,4 dB dan kesalahan fasa sebesar 2o. Di samping itu, nilai koefisien refleksi dan nilai koefisien isolasi yang diperoleh kurang dari -15 dB.
DAFTAR REFERENSI
[1]
W-D. Wirth, Radar Techniques Using Array Antennas, IEE, 2001
[2] Pozar,D.M.,1998, Microwave Engineering, New York, John Wiley&Sons,2nd ed.
[3] Shamsinejad S., M. Soleimani,and N. Komjani, 2008, Novel Enhanched and Miniaturized 90° Coupler for 3G EH Mixer, Progress In Electromagnetics Research Letters, Vol. 3,43-50.
[4] Sun, K.O., S.J. Ho., C.C.Yen and D.V.D. Weide, 2005, A Compact Branch Line Coupler Using Discontinuous Microstrip Lines”, IEEE Microwave and Wireless Component Letters, Vo. 15, No. 8,August. [5] Liao,S.S., P.T.Sun, N.C.Chin, and J.T.Peng,
2005, A Novel Compact Size Branch Line Coupler, IEEE Microwave and Wireless Component Letters, Vo. 15, No. 9, September
[6] Cho, Jeong Hoon, Hee Yong Hwang and Sang Won Yun, 2005, A Design Of Wideband 3 Db Coupler With N Section Microstrip Tandem Structure, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 15, No.2, February
[7] WR Li,CY Chu,et al, 2004, Switched Beam Antenna Based On Modified Butler Matrix With Low Side Lobe Level, Electronics Letters 4th, Vol. 40 No. 5 ,March.
[8] Denidni ,Tayeb A.,and Taro Eric Libar, 2003, Wideband Four Port Butler Matrix for Switched Multibeam Antenna Array, the 14th IEEE International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communication Proceedings
[9] Collin,R.E,1992,Foundation for
Microwave Engineering,2-nd Edition,Mc Graw Hill International
Edition,pp 347-348.