PERANCANGAN PENGKOPEL HYBRID 3 dB UNTUK APLIKASI RADIO ALTIMETER YANG BEKERJA PADA FREKUENSI 4,3 GHz

JETri, Volume 11, Nomor 2, Februari 2014, Halaman 1 - 11, ISSN 1412-0372

PERANCANGAN PENGKOPEL HYBRID 3 dB UNTUK
APLIKASI RADIO ALTIMETER YANG BEKERJA
PADA FREKUENSI 4,3 GHz

Yuli Kurnia Ningsih
Jurusan Teknik Elektro Universitas Trisakti
Jl. Kiai Tapa No 1, Grogol, Jakarta Barat 11410
E-mail: yuli_kn@yahoo.com

ABSTRACT
In this research, a 3 dB hybrid coupler has been developed for altimeter radio with
operating frequency at 4,3 GHz using exponential tapered transmission line on its series
arms, hence impedance characteristics become non-linear. Exponential taper has been
selected due to shorter taper length compare with Triangular taper and Klopfenstein taper,
for a lowest reflection coefficient.
Keywords: 3 dB hybrid coupler, exponential tapered transmission line

ABSTRAK
Dalam penelitian ini, telah dikembangkan suatu pengkopel hibrid 3 dB untuk radio altimeter

yang bekerja pada frekuensi 4,3 GHz dengan menggunakan penyesuaian impedansi lengan
seri dengan distribusi taper eksponensial, sehingga karakteristik impedansi yang diperoleh
menjadi nonlinear. Pemilihan exponential taper disebabkan karena memiliki panjang taper
yang lebih pendek dibandingkan dengan triangular taper dan Klopfenstein taper untuk
koefisien pantulan yang terendah.
Kata kunci: pengkopel hibrid 3 dB, exponential tapered transmission line

JETri, Volume 11, Nomor 2, Februari 2014, Halaman 1 - 11, ISSN 1412-0372

1. PENDAHULUAN
Radio altimeter penting untuk keselamatan dan alat navigasi di dalam
pesawat terbang kecil. Biasanya dirancang sebagai radar frequency-modulated (FM)
jarak pendek pada rentang frekuensi antara 4,2 sampai dengan 4,4 GHz [1]. Akurasi
dan resolusi altimeter radio biasanya terbatas karena terbatasnya ketersediaan lebar
pita (200 MHz) di kisaran 4,3 GHz. Untuk operasi yang benar, antena penerima
harus mendeteksi hanya sinyal yang terpantul dari landasan pacu dan bukan sinyal
radio yang datang langsung dari antena pemancar. Jarak frekuensi yang digunakan
untuk antena penerima dan pemancar harus terpisah cukup jauh untuk menghindari
terjadinya cakap silang (crosstalk). Radio altimeter dengan desain antena tunggal
dimungkinkan namun terbatas hanya pada ketinggian minimum yang ditentukan.

Apabila digunakan antena tunggal, maka dibutuhkan suatu perangkat pengkopel
hibrid yang berfungsi sebagai pembagi daya antara sinyal yang diterima dan yang
dikirim.
Pengkopel hibrid 3 dB adalah suatu perangkat pasif empat terminal yang
memiliki 4 buah lengan linier yang simetris untuk dapat menghasilkan sinyal
keluaran yang berbeda fasa 90º [2]. Pengkopel hibrid 3dB menggunakan saluran
transmisi ¼λ. Biasanya pengkopel hibrid 3 dB berfungsi sebagai pembagi atau
penggabung daya, pencuplik, injeksi sinyal atau pemonitor daya dalam suatu
subsistem pada perangkat komunikasi atau radar [2].
Beberapa penelitian telah dilakukan terkait dengan pengkopel hibrid 3 dB,
diantaranya bertujuan untuk menurunkan dimensi pengkopel hibrid 3 dB [3-5]. Pada
penelitian [3] telah berhasil mengurangi ukuran dengan cara mensubsitusikan sebuah
induktor, sebuah kapasitor dan 2 buah stub yang diletakkan miring secara diagonal.
Dengan cara ini telah berhasil menurunkan dimensi sebesar 27%, namun cara
tersebut menyebabkan fabrikasinya menjadi tidak mudah. Sedangkan pada penelitian
[4-5] berhasil menurunkan dimensi namun impedance bandwidth ≤ 10% untuk
VSWR 1,5. Beberapa penelitian dilakukan untuk mendapatkan karakteristik pita
dengan impedance bandwidth ≥ 10% dengan VSWR 1,5, diantaranya dilakukan pada
penelitian [6-8].

2

Yuli Kurnia Ningsih, “Perancangan Pengkopel Hybrid 3 dB Untuk Aplikasi Radio ...”

Pada penelitian [6], pengkopel hibrid 3 dB dibuat dengan struktur tandem N
section. Dengan cara demikian berhasil didapatkan lebar pita sebesar 1,9 GHz untuk
VSWR 1.5 pada frekuensi 3,6 GHz – 5,5 GHz, namun desainnya menjadi kompleks.
Begitu pula pada penelitian [7-8], yang menggunakan struktur multisection cascaded.
Pada dasarnya penggunaan multisection pada pengkopel hibrid mikrostrip 3 dB
relatif sulit, karena membutuhkan impedansi yang tinggi di saluran cabangnya
(branch line), sehingga lebar saluran akan semakin kecil, yang berakibat kesulitan
dalam melakukan fabrikasi.

2. PENGKOPEL HIBRID 3 dB
Pengkopel hibrid 3 dB adalah pengkopel dengan perbedaan fasa sebesar 90°
pada kedua keluarannya, yaitu port through (terminal 3) dan port coupled (terminal
4) [2]. Pada pengkopel hibrid 3 dB, koefisien insersi dan koefisien koplingnya
memiliki nilai yang sama, berarti pengkopel hibrid 3 dB akan membagi daya sama
besar pada terminal langsung dan terminal yang terkopel.
Gambar 1 adalah pengkopel hibrid 3 dB (branch-line hybrid) yang banyak

digunakan. Bila suatu pengkopel hibrid 3 dB dicatu dengan impedansi sebesar Zo,
maka nilai impedansi pada lengan shunt = Zo dan nilai impedansi pada lengan
serinya = Zo/√2. Sedangkan jarak antar lengan λ/4 ditentukan oleh frekuensi
resonansi yang diinginkan.
¼
1/4λ

11
1/4λ

¼

3

Z0Z0

Z𝑍00
√2
2

22

ZZ00

4
𝑍0

√2

Gambar 1. Pengkopel hibrid 3 dB (branch-line hybrid) [2]
3

JETri, Volume 11, Nomor 2, Februari 2014, Halaman 1 - 11, ISSN 1412-0372

Berdasarkan Gambar 1 diatas, operasi dasar pada pengkopel hibrid 3 dB
adalah sebagai berikut: bila semua terminal dalam keadaan matched, daya yang
masuk ke terminal 1 akan dibagi rata diantara terminal 3 dan terminal 4, dengan
pergeseran fasa 90° antara kedua keluarannya dan tidak ada daya yang dikopling ke
terminal 2 (isolated port). Dengan kata lain bila S11 = 0, maka daya yang masuk ke
terminal 1 menghasilkan nilai koefisien kopling S31 dan S41 sebesar ½ dari daya yang

masuk (3 dB) dengan beda fasa sebesar 90° antara kedua keluarannya.
Beda fasa 90° terjadi akibat panjang masing-masing lengan ¼λ. Saat
daya masuk ke terminal 1 sampai ke terminal 3, fasanya adalah 90° karena
melalui lengan seri yang panjangnya ¼λ, sedangkan daya yang masuk ke
terminal 1 sampai ke terminal 4 fasanya 2 x ¼λ atau 180° karena melalui
lengan shunt dan lengan seri. Dengan demikian selisih fasa S31 dengan S41
sebesar ¼λ atau sama dengan 90°. Tidak boleh ada daya yang masuk ke
terminal 2 (isolated port) yang berarti nilai koefisien isolasi S21 haruslah 0.
Uraian tersebut dapat dipersingkat dengan menggunakan matriks [S] untuk
pengkopel hibrid 3 dB yang dinyatakan oleh [2]:

𝑆11
1 𝑆12
[S] = − [
√2 𝑆13
𝑆14

𝑆12
𝑆22
𝑆23

𝑆24

𝑆13
𝑆23
𝑆33
𝑆34

0 0 1
𝑆14
𝑗
𝑆24
1 0 0
]= − [
1 0
√2 𝑗
𝑆34
𝑆44
1 𝑗 0

𝑗

1
]
0
0

(1)

Pengkopel hibrid 3 dB memiliki derajat simetri yang tinggi, sehingga semua

terminalnya dapat bekerja sebagai masukan. Terminal keluaran akan selalu berada di
sisi yang berlawanan dengan terminal masukan. Isolated port akan selalu berada di
satu sisi dengan port masukan. Simetri ini terefleksi pada scattering matriksnya,
dimana setiap baris dapat dicari dengan mentranspos baris pertamanya.
Pengkopel hibrid 3 dB yang ideal, seharusnya memiliki perbedaan daya
diantara kedua terminal keluaran sebesar 0 dB, namun pada prakteknya, frekuensi
mempengaruhi keseimbangan amplitudo sehingga tidak dapat mencapai perbedaan
ideal 0 dB.

4

Yuli Kurnia Ningsih, “Perancangan Pengkopel Hybrid 3 dB Untuk Aplikasi Radio ...”

3. PARAMETER KINERJA PENGKOPEL HIBRID 3 dB
Kinerja pengkopel hibrid ditentukan oleh parameter-parameter berikut ini [1]:
a. Faktor refleksi yang menunjukkan nilai kesesuaian dari impedansi masukan. Jika
masukan sesuai maka koefisien refleksi akan rendah yang berarti hanya sedikit
daya yang dipantulkan kembali.
Return loss atau reflection loss = -20 log |𝑆11 |

(2)

b. Faktor kopling menunjukkan suatu jumlah daya yang dikopel dari terminal
langsung. Nilai ini menunjukkan jenis pengkopelnya. Pengkopel hibrid 3 dB
merupakan pengkopel yang memiliki daya yang dikopel sebesar setengah dari
daya yang diberikan. Daya tersebut dibagi dua antara terminal langsung dengan
terminal yang terkopel.
Coupling = -20 log |𝑆31 |

(3)

c. Faktor isolasi menunjukkan seberapa besar kemampuan pengkopel mampu
mempertahankan daya sehingga daya tidak keluar melalui terminal isolasi. Untuk
kondisi yang ideal, isolasinya akan sama dengan tak hingga:
Isolasi = -20 log |𝑆21 |

(4)

d. Faktor insersi menunjukkan jumlah daya yang masuk ke terminal langsung:
Insersi = -20 log |𝑆41 |

(5)

4. PENGEMBANGAN PENGKOPEL HIBRID 3 dB NONLINEAR PITA
LEBAR
Pengkopel hibrid yang standar (tradisional) pada dasarnya memiliki
kekurangan, diantaranya memiliki karakteristik pita terbatas dimana impedance
bandwidth ≤ 10% [2] serta memiliki ukuran atau dimensi yang besar.
5

JETri, Volume 11, Nomor 2, Februari 2014, Halaman 1 - 11, ISSN 1412-0372

Salah satu cara yang dapat digunakan untuk meningkatkan lebar pita adalah
penggunaan penyesuai impedansi berbasis saluran secara kontinu berbentuk taper
[2]. Struktur taper mempunyai keunggulan dari segi lebar pita. Struktur taper
tergantung pada penentuan model distribusi impedansi yang digunakan. Model
distribusi impedansi berkaitan erat dengan sebaran koefisien pantul yang dihasilkan.
Terdapat 3 macam model yang umum digunakan, yaitu Eksponensial, Segitiga dan
Klopfenstein, dimana model dengan distribusi taper eksponensial memiliki panjang
taper terpendek untuk mendapatkan koefisien refleksi terendah. Oleh karena itu,
dalam penelitian ini digunakan metode taper dengan distribusi taper eksponensial
pada pengkopel hibrid 3 dB untuk mendapatkan lebar pita ≥ 10% untuk VSWR 1.5.
Hal yang pertama dilakukan terlebih dahulu adalah melakukan simulasi untuk
mendapatkan impedansi

karakteristik

lengan

seri dengan distribusi

taper

eksponensial terkait dengan geometri dan karakteristik yang diharapkan. Jika
pengkopel hibrid 3 dB mempunyai impedansi keluaran sebesar 50 Ohm, maka taper
yang dirancang harus dapat melakukan proses transformasi yang baik sampai
mendapatkan karakteristik refleksi, isolasi dan kopling yang diharapkan. Dalam
perancangan ini dibuat jarak antar lengan tetap ¼λ. Dalam tahap ini dilakukan
analisis secara numerik terhadap proses tersebut, berkaitan dengan nilai koefisien
refleksi dan distribusi impedansi karakteristiknya.
Simulasi penyesuaian impedansi lengan seri dengan distribusi taper
eksponensial agar diperoleh nilai impedansi yang dapat menghasilkan karakteristik
yang diharapkan. Dengan menggunakan penyesuai impedansi distribusi taper
eksponensial, maka impedansi pada bagian lengan seri pengkopel hibrid 3 dB
menjadi tidak linear. Proses simulasi dilakukan untuk beberapa ukuran atau nilai
impedansi lengan seri. Impedansi lengan seri yang optimal adalah impedansi yang
menghasilkan koefisien refleksi dan koefisien isolasi sebesar ≤ -18 dB, koefisien
kopling -3 dB dengan beda fasa 90. Toleransi ketidakseimbangan daya sebesar ± 1
dB dan kesalahan fasa sebesar ± 3°. Selain itu VSWR yang diharapkan adalah
sebesar 1,5 yang merupakan standar untuk operasi radar. Sedangkan lebar pita yang
diinginkan untuk kebutuhan transmisi data kecepatan tinggi adalah sebesar ≥ 10%.

6

Yuli Kurnia Ningsih, “Perancangan Pengkopel Hybrid 3 dB Untuk Aplikasi Radio ...”

Beberapa impedansi lengan seri yang berbeda digunakan untuk mendapatkan
panjang taper yang optimal dengan karakteristik yang diharapkan. Panjang taper
tidak boleh melebihi panjang ¼λ, karena akan berakibat pada perbedaan fasa yang
dihasilkan.
Gambar 2 merupakan hasil akhir dari rancangan baru pengkopel hibrid 3 dB
untuk frekuensi 4,3 GHz dimana pada lengan serinya menggunakan penyesuaian
impedansi dengan distribusi taper eksponensial sehingga geometri lengan serinya
menjadi non linear. Dimensi ukurannya adalah millimeter (mm)
45

P3

P1

30.5
,

27.75
,

8.75
,

P2

P4

8.75
,

9.5
,

Gambar 2. Pengkopel hibrid 3 dB non linear untuk fc = 4,3 GHz

5. ANALISIS HASIL SIMULASI PENGKOPEL HIBRID 3 dB NONLINEAR
PITA LEBAR
Terdapat 3 parameter yang digunakan untuk melakukan analisis karakterisasi
pengkopel hibrid 3 dB yaitu koefisien isolasi, koefisien refleksi dan koefisien
kopling. Target yang diharapkan untuk koefisien refleksi adalah sebesar -18 dB,
koefisien isolasi -18 dB dan koefisien kopling -3 dB dengan beda fasa 90°.
a. Koefisien Refleksi
Parameter S11, S22, S33, S44 adalah parameter untuk mengetahui koefisien
refleksi (Return Loss). Hasil simulasi koefisien refleksi di frekuensi 4,3 GHz terlihat
pada Gambar 3.
7

JETri, Volume 11, Nomor 2, Februari 2014, Halaman 1 - 11, ISSN 1412-0372

Return loss 4 GHz
-12
DB(|S(1,1)|)
3 dB Hybrid Coupler 4 GHz

Magnitude (dB)

-14

-16

-18
4.301 GHz
-21.02 dB

-20

-22
3.5

4

4.5

5

Frequency (GHz)

Gambar 3. Hasil simulasi koefisien refleksi di fc = 4,3 GHz
b. Koefisien Isolasi
Guna mengetahui kondisi isolasi antara terminal masukan maka dilakukan
simulasi di parameter S12, S21,S34 dan S43. Gambar 4 menunjukkan hasil simulasi
koefisien isolasi pada frekuensi kerja 4,3 GHz. Terlihat koefisien isolasi terendah
(S21) sekitar -38 dB.

Isolation Factor 4 GHz
-5

Magnitude (dB)

-10

-15
4.3 GHz
-16.23 dB

-20
4.1 GHz
-21.75 dB

DB(|S(2,1)|)
3 dB Hybrid Coupler 4 GHz

-25
3.5

4

4.5

5

Frequency (GHz)

Gambar 4. Hasil simulasi Koefisien Isolasi di fc = 4,3 GHz

8

Yuli Kurnia Ningsih, “Perancangan Pengkopel Hybrid 3 dB Untuk Aplikasi Radio ...”

c. Koefisien Kopling
Salah satu hal yang penting saat merancang pengkopel hibrid 3 dB adalah
kemampuannya membagi daya yang sama dengan beda fasa sebesar 90° antara
terminal keluaran yang saling terkopel (koefisien kopling). Pada Gambar 5 terlihat
hasil simulasi pada fc= 4,3 GHz, daya dari kedua terminal keluaran sama besar yaitu
3,37 dB, sehingga ketidakseimbangan daya rata-ratanya adalah sebesar 0,7 dB.
Coupling Factor 4 GHz
-2
4.704 GHz
-3.393 dB

Magnitude (dB)

-3

4.9 GHz
-3.606 dB

3.903 GHz
-2.764 dB

-4

3.899 GHz
-4.288 dB

4.301 GHz
-3.371 dB

4.697 GHz
-3.884 dB

4.901 GHz
-4.037 dB

-5

-6

DB(|S(3,1)|)
3 dB Hybrid Coupler
DB(|S(4,1)|)
3 dB Hybrid Coupler

-7
3.5

4

4.5

5

Frequency (GHz)

Gambar 5. Hasil simulasi Koefisien Kopling di fc = 4,3 GHz
Gambar 6 merupakan hasil simulasi untuk frekuensi 4,3 GHz, dimana terjadi
kesalahan fasa 3°.
Respon Phase HC
200
4.3 GHz
123.3 Deg

Phasa (Deg)

100

4.3 GHz
35.75 Deg

0

-100

Ang(S(3,1)) (Deg)
3 dB Hybrid Coupler
Ang(S(4,1)) (Deg)
3 dB Hybrid Coupler

-200
3.5

4

4.5

5

Frequency (GHz)

Gambar 6. Hasil simulasi koefisien kopling respon fasa pengkopel hibrid 3 dB
nonlinear untuk fc = 4,3 GHz
9

JETri, Volume 11, Nomor 2, Februari 2014, Halaman 1 - 11, ISSN 1412-0372

Gambar 7 merupakan hasil simulasi pengkopel hibrid 3 dB nonlinear pada
frekuensi 4,3 GHz. Terlihat hasil simulasi untuk VSWR = 1,5 lebar pita mencapai
0,8 GHz atau sebesar [(|4,79-3,99 |/4,3) x 100%] = 18,6%.

Gambar 7. Hasil simulasi VSWR di fc = 4,3 GHz

6. KESIMPULAN
Studi mengenai pengkopel hibrid 3 dB pita lebar telah dilakukan dan
diperoleh suatu rancangan baru pengkopel hibrid 3 dB nonlinear. Modifikasi yang
dilakukan pada pengkopel hibrid 3 dB adalah penggunaan impedansi karakteristik
nonlinear pada bagian lengan serinya. Penyesuai impedansi nonlinear pada lengan
seri pengkopel hibrid 3 dB tersebut dilakukan dengan menggunakan metode taper.
Impedance bandwidth yang diperoleh pengkopel hibrid 3 dB nonlinear untuk VSWR
1.5 adalah sebesar 18,6% pada frekuensi kerja 4,3 GHz dengan hanya menggunakan
satu lapis substrat. Koefisien refleksi dan koefisien isolasi yang dihasilkan ≤ -18 dB,
dengan ketidakseimbangan daya sebesar 1,4 dB dan kesalahan fasa sebesar 4°.
Reduksi dimensi pengkopel hibrid 3 dB sebesar 27,8%

dibandingkan dengan

pengkopel hibrid konvensional.

DAFTAR PUSTAKA
[1]. Leo Maloratsky G, ”An Aircraft Single-Antenna FM Radio Altimeter”,
Microwave Journal, Technical Feature, 2002

10

Yuli Kurnia Ningsih, “Perancangan Pengkopel Hybrid 3 dB Untuk Aplikasi Radio ...”

[2]. D. M. Pozar, Microwave Engineering. John Wiley & Sons, Edisi ke-2,
NewYork, 1998.
[3]. S Shamsinejad, M. Soleimani, and N. Komjani, ”Novel Enhanced and
Miniaturized 90º Coupler for 3G EH Mixers”, Progress in Electromagnetics
Research Letters, Vol.3, hlm 43-50, 2008
[4]. K. O. Sun, S. J. Ho, C. C. Yen and D. V. D. Weide, “A Compact Branch Line
Coupler Using Discontinuous Microstrip Lines”, IEEE Microwave and
Wireless Component Letters, Vol. 15, No. 8, Agustus, 2005.
[5]. S. S. Liao, P. T. Sun, N. C. Chin, and J. T. Peng, ”A Novel Compact Size
Branch Line Coupler”, IEEE Microwave and Wireless Component Letters, Vol.
15, No. 9, September, 2005.
[6]. Jeong Hoon Cho, Hee Y. Hwang and Sang Won Yun, ”A Design of Wideband
3 dB Coupler with N Section Microstrip Tandem Structure”, IEEE Microwave
and Wireless Components Letters, Vol. 15, No. 2, February, 2005.
[7]. Tayeb A. Denidni, and Taro Eric Libar, ”Wideband Four Port Butler Matrix for
Switched Multibeam Antenna Array”, the 14th IEEE International Symposium
on Personal, Indoor and Mobile Radio Communication Proceedings, 2003
[8]. J. He, dkk, ”Wideband X Band Microstrip Butler Matrix”, Progress in
Electromagnetic Research, PIER 74, pp 131-140, 2007.

11