JURNAL TEKNOLOGI INFORMASI & PENDIDIKAN VOL. 5 NO. 1 MARET 2012
ISSN : 2086 – 4981
PERANCANGAN MICROSTRIP HYBRID COUPLER BERSUBSTRAT FR4 PADAFREKUENSI 2,55 GHz Rudy Fernandez1 ABSTRACT Frequency 2,55 GHz is a frequency in ISM (Industrial, Scientific and Medical), which is unregulated. There are many systems which have equipments working in this frequency. These cause decreased in their performances significantly and high interferences occurred. One of solution is using Butler Matrix Network. Hybrid coupler, which is one of the network component, plays important role in the network performance. Substrate FR4 is easy to find in a market. It has thickness 1.6 mm with dielectic contanta 4.3. Microstrip form is used in order to get a small size component relatively. The simulation result of the design of the hybrid coupler in frequency 2.55 GHz, shows that reflection loss -18,27 dB , isolation loss -28,3 dB and phase coupling 91,33o. The values of the parameters describe that the performance of the design is as expected. Key Word : Hybrid Coupler, Reflection Loss, Isolation Loss, Phase Coupling. INTISARI Frekuensi 2,55 GHz merupakan salah satu frekuensi pada pita ISM (Industrial, Scientific and Medical), yang bebas dari pengaturan penggunaannya. Begitu banyaknya macam-macam peralatan yang menggunakan frekuensi yang sama, menyebabkan munculnya penurunan kinerja secara significant dan interferensi yang cukup tinggi. Salah satu solusinya adalah menggunakan Jaringan Butler Matrix. Hybrid coupler, sebagai komponen penyusun jaringan ini, memainkan peranan penting dalam kinerjanya. Substrat FR4 merupakan bahan yang mudah diperoleh dipasaran. Ketebalannya 1,6 mm dengan konstanta dielektrik 4,3. Bentuk microstrip digunakan untuk mendapatkan komponen yang berukuran relatif kecil Hasil simulasi dari rancangan hybrid coupler ini pada frekuensi 2.55 GHz menunjukkan nilai reflection loss --18,27 dB dB , isolation loss -28,3 dB dan beda phase 91,33o. Nilai-nilai parameternya menunjukkan bahwa kinerja dari rancangan sesuai dengan yang diharapkan. Kata Kunci : Hybrid Coupler, Reflection Loss, Isolation Loss, Phase Coupling.
1
Dosen Jurusan Teknik Elektro Universtas Andalas
149
JURNAL TEKNOLOGI INFORMASI & PENDIDIKAN VOL. 5 NO. 1 MARET 2012 PENDAHULUAN Frekuensi 2,55 GHz berada pada pita Industry, Scientific and Medical (ISM) merupakan frekuensi yang bebas dari pengaturan penggunaannya. Ini merupakan pita frekuensi yang populer digunakan pada sistem komunikasi radio yang low cost, seperti Wireless Personal Area Networks (WPANs), Wireless Local Area Networks (WLANs) dan banyak lainnya mengingat ketersediaannya yang cukup luas. Begitu banyaknya macam-macam peralatan yang menggunakan frekuensi yang sama, menyebabkan munculnya penurunan kinerja secara significant dan interferensi yang cukup tinggi. Smart Antenna System merupakan salah satu solusi untuk mengatasi hal tersebut [1]. Salah satunya adalah berbentuk jaringan switched beam seperti Butler Matrix. Butler matrix merupakan jaringan N x N pencatu pasif dengan kemampuan mengarahkan beam pada antena phased array, dengan N output yang dihubungkan ke elemenelemen antena dan N input atau beam ports. N merupakan bilangan integer dengan nilai kelipatan 2 untuk membentuk jaringan, yang menghasilkan sejumlah N kemungkinan arah beam. Jaringan Butler Matrix konvensional pada dasarnya terdiri dari Hybrid Coupler (hybrid junction), phase shifter dan crossover (cross line), seperti yang terlihat pada gambar 1 dibawah ini.
ISSN : 2086 – 4981
Gambar 1. Blok diagram 4x4 Butler Matrix [2] Hybrid coupler merupakan salah satu perangkat telekomunikasi dan memainkan peranan yang cukup penting dalam berbagai aplikasi pada perangkat microwave. Hybrid coupler pada dasarnya adalah suatu perangkat pasif empat port yang memiliki 4 buah lengan yang simetris untuk dapat menghasilkan sinyal output yang berbeda phase 90º [3]. Hybrid coupler dirancang secara microstrip, dengan keuntungan antara lain; berbiaya rendah, merupakan suatu rangkaian yang lengkap pada suatu substrat dan sangat cocok untuk integrasi rangkaian microwave terpadu. Material yang digunakan adalah FR4 yang memiliki ketebalan 1.6 mm dengan konstanta dielektrik sebesar 4.3. PENDEKATAN PEMECAHAN MASALAH Perancangan Coupler Rancangan dasar normal quadrature hybrid coupler ditunjukkan pada Gambar 2. 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 Z0, sedangkan impedansi pada lengan series sebesar Z0 / 2 ohm dan impedansi pada lengan shunt sebesar Z0 ohm.
150
JURNAL TEKNOLOGI INFORMASI & PENDIDIKAN VOL. 5 NO. 1 MARET 2012
S21) dan antara kedua port output (S32,S23). Faktor Refleksi diukur dengan parameter S11,S22,S33,S44. Parameter Reflection dan Isolation dipersyaratkan bernilai ≤ -10 dB [Bhartia 2003]. Sedangkan faktor kopling diukur dengan parameter S13,S14. Hasil simulasi nilai koefisien dari faktor kopling harus memiliki magnitude yang sama besar dengan beda phase 90º. Ketiga faktor tersebutlah yang menjadi ukuran kinerja hybrid coupler.
Gambar 2. Bentuk geometris hybrid coupler Lebar saluran mikrostrip (W) tergantung dari impedansi karakteristik (Z0), ketebalan (h) dan konstanta dielektrik (εr) dari substrat yang digunakan. Adapun rumus untuk menghitung lebar saluran mikrostrip diberikan oleh persamaan di bawah ini [1]. W
ISSN : 2086 – 4981
r 1 2h 0,61 B 1 ln(2B 1) (1) ln( B 1) 0,39 2 r r
HASIL DAN PEMBAHASAN Berdasarkan dimensi yang diberikan pada Gambar 2 dan hasil perhitungan yang diperoleh, maka diperoleh bentuk rancangan nya dengan enclosure 42 mm x 42 mm seperti pada gambar 3. berikut : 3 mm
Dengan εr adalah konstanta dielektrik relatif dan : 60 2 B Z0 r
3 mm
29,5 mm
(2)
Berdasarkan Gambar 2 dan rumus (1)(2) maka lebar saluran masing-masing lengan pada normal hybrid coupler dapat dihitung. Pada lengan shunt yang memiliki nilai impedansi Zo = 50 Ω, maka lebar salurannya adalah sebesar 3 mm dan lengan seri yang memiliki nilai impedansi Zo/√2 = 35 Ω maka lebar salurannya akan sebesar 5.25 mm. Dengan hasil tersebut berarti lebar saluran pada lengan seri sama besar dengan jarak antar lengan seri, dimana jarak ¼ λ untuk 2.55 GHz adalah sebesar 29.5 mm. Terdapat 3 parameter yang digunakan untuk melakukan analisis karakterisasi hybrid coupler yaitu faktor isolasi, faktor refleksi dan faktor kopling [3]. 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 (S12,
29,5 mm
5,25 mm
Gambar 3. Bentuk geometris rancangan hybrid coupler Rancangan ini disimulasikan dengan menggunakan perangkat lunak MWO 2009 (Microwave Office 2009). Parameter-parameter coupler dari hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar 4, 5, 6 dan 7.
151
JURNAL TEKNOLOGI INFORMASI & PENDIDIKAN VOL. 5 NO. 1 MARET 2012
ISSN : 2086 – 4981
Gambar 7. Magnitude coupling coupler
Gambar 4. Reflection loss coupler
Dengan memperhatikan nilainilai parameter perancangan yang harus dicapai, maka dari tiap gambar untuk frekuensi yang diinginkan, 2,55 GHz diperoleh nilai-nilai parameter yang sesuai. Sedangkan nilai beda phase masih dalam kisaran toleransi. [4] Parameter-parameter hasil simulasi dari Gambar 4, 5, 6 dan 7 dapat disajikan dalam bentuk tabel 1 berikut ini. Gambar 5. Isolation loss coupler
Tabel 1. Parameter hasil simulasi Coupler Parameter
2.55 GHz
Reflection Loss Isolation Loss
-18,27 dB -28,3 dB
Phase Coupling Magnitude Coupling
91,33o -4,23 dB
KESIMPULAN Rancangan hybrid coupler dengan substrat FR4, yang bekerja pada frekuensi 2.55 GHz berhasil disimulasikan. Hasil simulasi hybrid coupler dengan garis kurva pada frekuensi 2.55 GHz menunjukkan parameter sebagai berikut, reflection loss = -18,27 dB, isolation loss = -28.3 dB dan beda phase 91.33o. .
Gambar 6. Phase coupling coupler
152
JURNAL TEKNOLOGI INFORMASI & PENDIDIKAN VOL. 5 NO. 1 MARET 2012 DAFTAR PUSTAKA [1] Winter J. H. 1998. Smart antennas fore wireless systems, IEEE Personal Communications, Vol. 1, 23–27, Feb. [2]
Siti Rohaini Ahmad and Fauziahanim Che Seman, “4Port Butler Matrix for Switched Multibeam Antenna Array”, AsiaPacific Conference on Applied Electromagnetic Proceedings, December 20-21, 2005
[3]
Pozar,D.M., “Microwave Engineering”, New York, John Wiley & Sons,2nd ed. 1998
[4] Indie Bahl and Prakash Bhartia, “Microwave Solid State Circuit Design”, New York, John Wiley & Sons,2nd ed. 2003
153
ISSN : 2086 – 4981
