## RANCANG BANGUN HYBRID COUPLER UNTUK LOW-COST

## BUTLER MATRIX

## Rudy Fernandez
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Andalas Corresponding author, e-mail: rfernandez@ft.unand.ac.id
Abstrak — Butler  Matrix merupakan  salah  satu  jaringan switched  beam yang  digunakan  pada Smart Antenna system . Hybrid coupler merupakan salah satu komponen yang memainkan penting dalam jaringan tersebut.  Rancangan coupler dibentuk  dengan  menggunakan  rumus-rumus  yang  berlaku  untuk mendapatkan  dimensi  awalnya,  setelah  itu  disimulasi  untuk  memeriksa  kinerjanya.  Jika  hasil  simulasi sudah  memenuhi  persyaratan  yang  ditentukan,  selanjutnya  difabrikasi  dan  diukur  dengan Network Analyzer.  Coupler ini  difabrikasi  dengan  menggunakan  suatu substrate yang  relatif  murah  dan  mudah diperoleh dipasaran . Substrate FR4 ini memiliki ketebalan 1,6 mm dengan konstanta dielektrik 4,3. Hasil pengukuran dari rancangan hybrid coupler yang difabrikasi pada frekuensi 2.45 GHz menunjukkan nilai reflection  loss  -18,27  dB  dB  ,  isolation  loss  -19,45  dB  dan  beda  phase  -94,4 o .  Hasil  yang  diperoleh  ini menunjukkan  kinerja yang relatif dekat dengan hasil simulasi.

## Kata Kunci : Hybrid Coupler, Return Loss and Phase Coupling
Abstract — Butler Matrix is one of switched beam network that used on a Smart Antenna system. Hybrid coupler plays an important role in the network. A proposed coupler is designed by applying the formula to get an initial dimension and then it is simulated by MWO to verify its performance whether meet the specific requirement. The optimized simulated design is fabricated and measured by network analyzer. The coupler uses a substrate which is relatively cheap and easy to find in a market. The substrate FR4 has thickness of 1.6 mm with dielectric constant of 4.3. The measurement result of the fabricated hybrid coupler in frequency 2.45 GHz, shows that reflection loss -18,27 dB , isolation loss -19,45 dB and phase coupling -94,4 o . The measurement result shows relatively well agreement with the simulation.

## Keywords : Hybrid Coupler, Return Loss and Phase Coupling
Copyright © 2017 JNTE. All rights reserved

## 1. PENDAHULUAN
Penyediaan  layanan  suara  dan  layanan  data kecepatan tinggi oleh suatu operator telekomunikasi  bergerak  bagi  para  pelanggan sudah  menjadi  suatu  keharusan.  Pada  saat bersamaan,  operator  juga  ingin  meningkatkan jumlah pelanggan yang dapat dilayani oleh tiap base  station  agar  dapat  mengurangi  biaya keseluruhan  jaringan  dan  membuat  biaya layanan  menjadi  terjangkau  bagi  pelanggan. Sehingga sistem nirkabel yang dapat menyediakan  kecepatan  data  yang  tinggi  dan sekaligus  memiliki  kapasitas  yang  besar merupakan suatu kebutuhan mendesak.
Bagi  operator  yang  menggunakan  frekuensi populer seperti pada pita Industry, Scientific and Medical (ISM)  dimana  teradapat  banyak penggunanya  seperti  untuk Wireless  Personal Area Networks (WPANs), Wireless Local Area
Networks (WLANs)  dan  banyak  lainnya mengingat  ketersediaannya  yang  cukup  luas. Pita frekuensi ISM berada pada rentang 2.4 – 2.5 GHz. 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].
Smart  Antenna  System secara  umum  dapat dikategorikan  atas  dua  pendekatan  berdasarkan cara  transmisinya,  yaitu adaptive  array s  dan switched  beams [2].    Teknik adaptive  arrays menggunakan  elemen  antenna  yang  multiple baik  pada  sisi  pemancar  maupun  penerima dalam  link  komunikasi,  dimana  sinyal  -  sinyal diproses  secara  adaptif  untuk  mengeksploitasi spatial dari  kanal  radio  yang  bergerak.  Teknik ini  memungkinkan  untuk  mengarahkan main
lobe dalam  arah  sinyal  yang  diinginkan  dan membentuk pattern nulls dalam arah interferensi yang muncul, sehingga menghasilkan signal-to- noise ratio (SNR) yang lebih baik. Akan tetapi, implementasi  teknik  ini  sangat  kompleks  dan menghasilkan sistem yang berbiaya tinggi [2-3].
Jaringan  Butler  Matrix  konvensional  pada dasarnya    terdiri  dari Hybrid  Coupler  (hybrid junction) , phase  shifter dan crossover ( cross line ). 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  [4]. Jaringan Butler  Matrix yang  ada  saat  ini memiliki  bentuk  yang  lebih  kompleks  [5-6]. Penggunaan  2  buah  lapisan  substrat  diterapkan pada  [7]  yang  menyebabkan  biaya  pembuatan serta  material  yang  digunakan  menjadi  relatif mahal.  Rancangan  jaringan  Butler  Matrix  pada penelitian  ini  ditentukan  oleh  konfigurasi coupler  yang  digunakan  serta  substratenya, sehingga  pada  akhirnya  diperoleh  rancangan yang  berbiaya  relatif  rendah  namun  tetap memiliki kinerja yang baik.
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.
Bentuk konfigurasi  yang  dimiliki  lebih  sederhana dibandingkan pada [8-11].
Dengan menggunakan  FR4  sebagai  substrat  yang memiliki  harga  relatif  murah  dan  mudah  dicari dipasaran,  akan  menghasilkan  rancangan  yang berbiaya  relatif  rendah.  Substrat  ini  memiliki ketebalan  1.6  mm  dengan  konstanta  dielektrik sebesar 4.3.

## 2. PERANCANGAN COUPLER
Bentuk hybrid  coupler dirancang  sesuai dengan  konfigurasi  yang  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 0 ,  sedangkan  impedansi  pada  lengan series  sebesar  Z 0 / 2 ohm  dan  impedansi  pada lengan shunt sebesar Z 0 ohm.
Adanya  2  impedansi  karakteristik  yang berbeda  pada  coupler  ini,  memberikan  lebar saluran yang berbeda pula untuk dihitung.  Lebar saluran mikrostrip ( W ) tergantung dari
impedansi  karakteristik  ( Z 0 ),  ketebalan  (h)  dan konstanta  dielektrik  (ε r )  dari  substrat  yang digunakan.  Proses  penghitungan  lebar  saluran ini  menggunakan  software  TXline  2003. Software ini menerapkan rumus untuk menghitung  lebar  saluran  mikrostrip  yang diberikan oleh persamaan di bawah ini [1].
1 2 0, 61 1 ln(2 1) ln( 1) 0,39 2 r r r h W B B B                              (1)
Dengan ε r adalah konstanta dielektrik relatif dan nilai B ditunjukkan oleh :
2 0 60 r B Z    (2)
Gambar 1. Bentuk geometris hybrid coupler
Analisis karakterisasi hybrid coupler dilakukan  dengan  berdasarkan  kepada  3 parameter yaitu reflection loss , isolation loss dan phase coupling [4]. Pada Gambar 1, port 1 dan port 4 merupakan input port serta port 2 dan port 3 merupakan output port . Parameter yang diukur antara  kedua input  port (S 14 ,  S 41 )  dan  antara kedua output port (S 32 , S 23 ) adalah isolation loss . Sedangkan reflection  loss diukur  dengan parameter  S 11 ,  S 22 ,  S 33 ,  dan  S 44 .  Parameter reflection loss dan isolation loss dipersyaratkan agar  bernilai  ≤  -10  dB  [12].  Parameter  VSWR ( voltage standing wave ratio ) juga diukur untuk memeriksa  perbandingan  antara  tegangan  yg diberikan  dengan  tegangan  yang  dipantulkan dengan  ketentuan  VSWR  ≤  2. Phase  coupling diukur dengan parameter S 12 , S 13 . Nilai koefisien dari phase  coupling harus  memiliki magnitude yang sama besar dengan beda phase 90º. Ketiga parameter  tersebutlah  yang  menjadi  ukuran kinerja hybrid coupler.
Berdasarkan  Gambar  1  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 2.45 GHz adalah sebesar 30.6 mm.
Dimensi  42  mm  x  42  mm  didapatkan    dari hasil perhitungan yang diberikan pada persamaan  yang  diberikan  pada  gambar  2  dan formula  yang  ada.  Rancangan  dilakukan berdasarkan  perhitungan  yang  diterapkan  pada dimensi yang diberikan pada Gambar 1 dan hasil perhitungan  yang  diperoleh  dari  penggunaan rumus-rumus,  dapat  dilihat  pada  Gambar  2. berikut :
3 mm 5,25 mm 3 mm 30,6 mm 3 0 ,6 m m
Gambar 2.  Bentuk  geometris  rancangan  hybrid coupler

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Rancangan pada Gambar 2 ini disimulasikan dengan  menggunakan  perangkat  lunak  MWO 2012 ( Microwave Office 2012). Proses optimasi perlu  dilakukan  mengingat  rancangan  tersebut dibuat  berdasarkan  hasil  perhitungan  dari formula  yang  ditetapkan..  Hasil  simulasi menunjukkan  bahwa reflection  loss -18,27  dB, isolation  loss -24,04  dB  dan phase  coupling 91.33 o .  Nilai-nilai  parameter  tersebut  telah memenuhi kriteria yang ditetapkan sebelumnya.
Rancangan  hasil  simulasi  merupakan  dasar untuk di fabrikasi, seperti pada Gambar 3 berikut ini:
Gambar 3. Hybrid coupler hasil fabrikasi
Lalu  hybrid  coupler  fabrikasi  ini  diukur dengan Network Analyzer. Dari hasil pengukuran,  diperoleh  nilai reflection  loss , isolation  loss dan VSWR .  Hasil  pengukuran  ini dibandingkan  dengan  nilai  parameter  hasil simulasinya. Perbandingan antara hasil simulasi dan pengukuran untuk reflection loss dan VSWR diperlihatkan pada Gambar 4 dan 5.
2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 Reflection Loss M agnit ude (dB) frequency (GHz) Simulasi Pengukuran
Gambar 4.  Perbandingan reflection loss simulasi dengan pengukuran
2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 0 1 2 3 VSWR M agnit ude frequency (GHz) Simulasi Pengukuran
Gambar 5.  Perbandingan VSWR simulasi dengan pengukuran
Sedangkan  pada  Gambar  6  memperlihatkan perbandingan antara hasil simulasi dan pengukuran untuk isolation loss .
2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 -34 -32 -30 -28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 Isolation Loss M agnit ude (dB) frequency (GHz) Simulasi Pengukuran
Gambar 6.  Perbandingan Isolation Loss simulasi dengan pengukuran
Pada  Gambar  4  dan  5  terlihat  walaupun terdapat  pergeseran  pada  kurva  yang  dibentuk oleh  data-data  hasil  pengukuran,  namun  masih menunjukkan  bentuk  yang  mendekati  bentuk kurva  dari data-data hasil simulasi. Dari kedua gambar  tersebut,  bandwidth  yang  dicapai  oleh masing-masing hasil tidak menunjukkan adanya perbedaan yang signifikan
Sebaliknya  pada  Gambar  6  terlihat  bentuk kedua  kurva  relatif  sama  dengan  perbedaan magnitude dari    parameter isolation  loss . Perbedaan ini terjadi karena beberapa hal antara lain  proses  solder  yang  kurang  rapi  dan homogenitas  nilai  konstanta  dielektrik  yang tidak  terdistribusi  dengan  merata  pada  substrat FR4 yang digunakan.
Perbandingan  nilai  parameter  dari  kedua hasil, baik dari simulasi maupun dari pengukuran pada frekuensi 2.45 GHz dinyatakan dalam Tabel 1.
Pada Tabel 1, nilai magnitude coupling yang diperoleh  untuk  kedua  hasil  menunjukkan adanya perbedaan yg relatif kecil. Demikian juga dengan phase  coupling masing-masing  hasil masing dalam kisaran toleransi [12].
Nilai-nilai yang diperoleh dari hasil pengukuran  untuk  coupler  ini  masih  dalam toleransi  yang  dipersyaratkan  [13].  Sehingga dapat  dikatakan  bahwa  coupler  hasil  fabrikasi telah bekerja cukup baik.
Tabel 1.   Perbandingan Parameter hasil simulasi dan  pengukuran  untuk  hybrid  coupler pada frekuensi 2.45 GHz Parameter Simulasi Pengukuran Reflection Loss -18,27 dB -22.87 dB Isolation Loss -24.04 dB -19.45 dB Phase Coupling 91.33 o -94.4 o Magnitude Coupling -4.443 -5.848 Bandwidth pada VSWR ≤ 2 12.27 % (313MHz) 11.56 % (295 MHz)

## 4. KESIMPULAN
Rancangan  hybrid  coupler  dengan  substrat FR4,  yang  bekerja  pada  frekuensi  2.45  GHz berhasil  dirancang  bangun.  Hasil  pengukuran hybrid coupler tersebut menunjukkan parameter sebagai  berikut, reflection  loss =  -22,87  dB, isolation  loss =  -19.45  dB  dengan phase coupling -94.4 o .  Nilai  dari reflection  loss dan isolation loss berada pada nilai ≤ -10 dB. Nilai phase coupling sebesar -94.4 o masih dalam batas toleransi,  sehingga  kinerja  coupler  hasil rancangan memenuhi persyaratan yang ditetapkan

## 5. UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian didanai dalam kegiatan penelitian dosen  Fakultas  Teknik  dana  PNBP  Universitas Andalas No. 010/UN.16.09.D/PL/2016

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Winter J. H. “ Smart antennas for wireless systems ”, IEEE Personal Communications, Vol. 1, 23–27 (1998) [2] Fakoukis,  F.E.,  S.  G.  Diamantis,  A.P. Orfanides, and G.A. Kyriacou,
Development  of  an  adaptive  and  a switched  beam  smart  antenna  system  for wireless  communications ”,  Journal  of
Electromagnetic Waves and Applications,Vol.  20,  No.  3,  399-408 (2006)
[3] Ho,  M.  J.,  G.  L.  Stuber,  and  M.  Austin, “ Performance  of  switched  beam  smart antennas  for  cellular  radio  systems ,”
IEEE Trans. Veh. Technol., Vol. 47, No.
1, 10–19, (1998)
[4] Pozar,D.M.,  “ Microwave  Engineering ”,
2 nd ed, John Wiley & Sons,. (1998)
[5] Mourad  Nedil,  Tayeb  A  Denidni,and
Larbi  Talbi,” Novel  Butler  Matrix  using CPW  Multilayer  Technology ”,  IEEE
Transactions  on  Microwave  Theory  and Techniques, vol. 54, No. 1 (2006)
[6] Siti Rohaini Ahmad and Fauziahanim Che
Seman,  “ 4-Port  Butler  Matrix  for
Switched  Multibeam  Antenna  Array ”,
Asia-Pacific  Conference  on  Applied
Electromagnetic  Proceedings,  December 20-21, 2005
[7] Lamine  M.  Abdelghani,  Tayeb.  A. Denidni  and  Mourad  Nedil,  " Ultra-
broadband  4x4  Compact  Butler  Matrix using  Multilayer  Directional  Couplers and Phase Shifters ", Microwave Symposium  Digest  IEEE  MTT,  2012-S International, 2012. [8] Cho, Jeong Hoon, Hee Yong 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 (2005) [9] Liao,S.S., P.T.Sun, N.C.Chin, and J.T.Peng, ,   “ A    Novel    Compact    Size
Branch Line Coupler ”,  IEEE Microwave and Wireless Component Letters, Vo. 15,
No. 9 (2005)
[10] Sun, K.O., 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, Vo. 15, No. 8 ( 2005) [11] Chao Gai, Yong-Chang Jiao and Yu-Long Zhao, “ Compact Dual-band Branch Line coupler  with  dual  transmission  lines ”, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol26, No.5 (2016) [12] Indie Bahl and Prakash Bhartia,
“Microwave Solid State Circuit Design ”,
2 nd ed, John Wiley and Sons (2003)
[13] Young-Hoon  Chun  and  Jia-Sheng  Hong,
“Compact  Wide-band  Branch  Line Hybrids”, IEEE Transactions on
Microwave Theory (2006)

## Biodata Penulis
Rudy  Fernandez ,  Dosen  di  Jurusan  Teknik Elektro  Fakultas  Teknik  Universitas  Andalas sejak  tahun  1999.  Menyelesaikan  pendidikan Sarjana  pada  tahun  1997  dan  pendidikan Magister Teknik pada tahun 2010 di Universitas Indonesia.  Bidang  penelitian  difokuskan  pada antenna dan komponen microwave.