PERANCANGAN 3dB HYBRID COUPLER

coupler pada dasarnya adalah suatu perangkat pasif empat port yang memiliki 4 buah lengan yang simetris untuk dapat menghasilkan sinyal output yang berbeda fasa 90º. Normal hybrid coupler menggunakan saluran transmisi ¼ λ [2]. Pemilihan substrat menjadi hal yang perlu diperhitungkan dalam merancang mikrostrip khususnya untuk mendapatkan karakteristik pita lebar. Hal tersebut dikarenakan dengan penggunaan substrat yang tebal dengan konstanta dielektrik yang rendah akan dapat menurunkan faktor kualitas Q sehingga lebar pita dapat ditingkatkan. Selain itu pemilihan material substrat secara tidak langsung juga dapat mempengaruhi dimensi. Banyak penelitian telah dilakukan untuk menurunkan dimensi normal hybrid coupler [3- 5]. Pada penelitian [3] telah berhasil mengurangi ukuran dengan cara mensubsitusikan 2 buah stub yang diletakkan miring secara diagonal,sebuah induktor dan sebuah kapasitor. Dengan cara ini telah berhasil menurunkan dimensi sebesar 27, namun dengan cara tersebut menyebabkan fabrikasinya menjadi tidak mudah. Sedangkan pada penelitian [4][5] berhasil menurunkan dimensi namun dalam kondisi pita sempit. Penelitian yang bertujuan untuk meningkatkan lebar pita diantaranya dilakukan pada penelitian [6]. Pada penelitian tersebut hybrid coupler dibuat dengan struktur tandem N section. Dengan cara demikian berhasil mendapatkan pita lebar sebesar 1,9 GHz pada frekuensi 3,6 GHz - 5,5 GHz namun disainnya menjadi kompleks. Dari hasil penelusuran literatur [3-8], material substrat yang digunakan pada penelitian-penelitian tersebut adalah yang memiliki ketebalan h kurang dari 1 mm dengan konstanta dielektrik ε r lebih besar dari 2,2. Makalah ini membahas proses karakterisasi hasil modifikasi 3 dB hybrid coupler untuk penggunaan substrat yang memiliki ketebalan 1,57 mm dengan konstanta dielektrik sebesar 2,2. Dasar pemilihan substrat ini karena memenuhi persyaratan untuk aplikasi frekuensi tinggi. Bagian lengan seri dari 3 dB hybrid coupler membentuk garis kurva. Kondisi ini merupakan hasil modifikasi dari 3 dB hybrid coupler yang normal. Dengan desain tersebut diharapkan dapat diperoleh 3 dB hybrid coupler yang memiliki karakteristik pita lebar dengan disain yang lebih sederhana dan dimensi yang lebih kecil untuk aplikasi di frekuensi X band.

2. PERANCANGAN 3dB HYBRID COUPLER

Rancangan dasar 3 dB hybrid coupler yang normal ditunjukkan pada Gambar 1. Saluran input pada hybrid coupler terbagi menjadi lengan seri dan lengan shunt. Jarak antar lengan sejauh ¼ λ dimana saluran inputnya memiliki karakteristik impedansi sebesar Z Ω, sedangkan impedansi pada lengan seri sebesar Z 2 Ω dan impedansi pada lengan shunt sebesar Z Ω. 2 Z 2 Z Gambar 1: Normal 3 dB Hybrid Coupler [2] Lebar saluran mikrostrip W tergantung dari impedansi karakteristik Z , ketebalan h dan konstanta dielektrik ε r dari substrat yang digunakan. Adapun rumus untuk menghitung lebar saluran mikrostrip diberikan oleh persamaan di bawah ini [2]. 1 2 1 ln2 1 ln 1 0,39 2 r r r h W B B B ε π ε , 61 ε ⎧ ⎫ ⎡ ⎤ − ⎪ ⎪ = − − − + − + − ⎨ ⎬ ⎢ ⎥ ⎪ ⎪ ⎣ ⎦ ⎩ ⎭ 1 Dengan ε r adalah konstanta dielektrik relatif dan : 2 60 r B Z π ε = 2 Berdasarkan Gambar 1 dan persamaan 12 maka lebar saluran masing-masing lengan untuk hybrid coupler dapat dihitung. Pada lengan shunt dari 3 dB hybrid coupler yang normal memiliki nilai impedansi masukan Zo = 50 Ω, maka lebar salurannya adalah sebesar 5 mm dan lengan seri yang memiliki nilai impedansi Zo √2 = 35 Ω maka lebar salurannya akan sebesar 8 mm. Dengan hasil tersebut berarti lebar saluran pada lengan seri sama besar dengan jarak antar lengan seri, dimana jarak ¼ λ untuk 9,4 GHz adalah sebesar 8 mm. Sehingga kedua lengan seri menjadi berhimpitan untuk mendapatkan jarak ¼ λ. Dengan kondisi demikian, kinerja yang dihasilkan tidak sesuai dengan yang diharapkan. Agar dapat diperoleh kinerja yang baik maka perlu dilakukan modifikasi dengan mengurangi lebar saluran pada lengan seri dari hybrid coupler normal. Pengurangan lebar saluran pada lengan seri berarti memperbesar nilai impedansi pada lengan tersebut. Dalam melakukan proses karakterisasi, hal yang menjadi dasar pertimbangan dalam penentuan besarnya nilai impedansi pada lengan seri adalah dengan tetap menjaga jarak antar lengan sebesar ¼ λ. Selain itu juga diasumsikan semua lengan memiliki karakteristik impedansi yang sama besar dengan karakteristik impedansi pada input yaitu sebesar Zo = 50 Ω. Dengan kedua kondisi awal tersebut maka dilakukan proses optimalisasi nilai impedansi pada lengan seri untuk mendapatkan hasil yang sesuai dengan kinerja yang diharapkan. 58 Terdapat 3 parameter yang digunakan untuk melakukan analisis karakterisasi hybrid coupler yaitu faktor isolasi, faktor refleksi dan faktor kopling [1]. Bila port 1 dan port 2 merupakan port input serta port 3 dan port 4 merupakan port output, maka faktor isolasi adalah parameter yang diukur antara kedua port input S 12 , S 21 dan antara kedua port output S 32 ,S 23 . Faktor Refleksi diukur dengan parameter S 11 ,S 22 ,S 33 ,S 44 . Sedangkan faktor kopling diukur dengan parameter S 13 ,S 14 . Hasil simulasi nilai koefisien dari faktor kopling harus memiliki magnitude yang sama besar dengan beda fasa 90º. Ketiga faktor tersebutlah yang menjadi ukuran kinerja 3 dB hybrid coupler.

3. KARAKTERISASI 3 dB HYBRID COUPLER DENGAN GEOMETRI GARIS