Mengenal Power Divider dan Directional Coupler: Komponen Penting dalam Sistem Microwave dan Telekomunikasi Modern

Mengenal Power Divider dan Directional Coupler: Komponen Penting dalam Sistem Microwave dan Telekomunikasi Modern

Sistem microwave adalah salah satu fondasi utama dalam teknologi komunikasi modern yang diterapkan dalam aplikasi seperti radar, satelit, dan jaringan 5G. Konsep dasar sistem ini diuraikan secara mendetail oleh Pozar melalui perambatan gelombang elektromagnetik, jalur transmisi, serta beragam komponen pasif seperti power divider dan directional coupler. Kedua komponen itu memiliki peran krusial dalam distribusi dan penggabungan daya sinyal tanpa memanfaatkan sumber energi aktif, yang merupakan inti dari desain sistem microwave frekuensi tinggi.

Kemajuan teknologi pembagi daya dan penyambung arah dimulai pada tahun 1940-an di Laboratorium Radiasi MIT, dengan menciptakan berbagai jenis jaringan seperti E-plane dan H-plane T-junction, Bethe hole coupler, multihole directional coupler, Schwinger coupler, serta magic-T waveguide. Memasuki tahun 1950-1960-an, inovasi ini berkembang menjadi teknologi planar yang mengandalkan stripline dan microstrip, yang selanjutnya menghasilkan desain modern seperti Wilkinson divider, branch line hybrid, dan coupled line directional coupler. Inovasi ini menandai perubahan signifikan dari sistem gelombang (waveguide) menuju sistem planar yang lebih efisien dan ringkas, sehingga menjadi landasan untuk sistem microwave yang masih digunakan saat ini.

Dalam konteks teori passive reciprocal networks, Pozar menyatakan bahwa power divider dan directional coupler termasuk dalam jaringan pasif yang bersifat timbal balik (reciprocal) dan idealnya tanpa kehilangan daya (lossless). Artinya, keduanya bisa mengatur arah aliran energi secara simetris di antara port tanpa kehilangan daya yang berarti. Konsep ini sangat krusial karena dalam penerapannya, sistem microwave modern memerlukan efisiensi yang tinggi, stabilitas fase, dan isolasi antarport yang baik untuk memastikan akurasi pengiriman sinyal.

Bagi insinyur telekomunikasi masa kini, pengetahuan mengenai konsep dan fungsi power divider serta directional coupler sangat penting. Dua komponen ini tidak hanya berfungsi dalam sistem kendali daya dan pembentukan berkas (beamforming), tetapi juga penting dalam pengukuran, kalibrasi, serta pengelolaan sinyal pada perangkat frekuensi tinggi. Dengan demikian, pemahaman teori dan penerapan jaringan pasif ini merupakan fondasi yang krusial dalam merancang dan mengembangkan sistem komunikasi generasi.

Sifat Dasar Pembagi dan Pengganda

Pada bagian ini, kami akan menggunakan sifat-sifat matriks hamburan untuk mendapatkan beberapa karakteristik dasar jaringan tiga dan empat port. Kami juga akan mendefinisikan isolasi, kopling, dan direktivitas, yang merupakan besaran penting untuk karakterisasi kopler dan hibrida.

Gambar 1 Penggabungan kekuasaan.

Gambar 2 Pembagian kekuasaan

Jaringan Tiga Port (T-Junction)

Jenis pembagi daya yang paling sederhana adalah sambungan-T, yaitu jaringan tiga port dengan dua masukan dan satu keluaran. Matriks hamburan dari jaringan tiga port sembarang memiliki sembilan elemen independen:

Jika perangkat bersifat pasif dan tidak mengandung material anisotropik, maka perangkat tersebut harus bersifat resiprokal dan matriks hamburannya akan simetris Sij=Sji. Biasanya, untuk menghindari rugi daya, kita menginginkan sambungan yang tanpa rugi daya dan tercocok di semua port. Namun, kita dapat dengan mudah menunjukkan bahwa mustahil untuk membangun jaringan resiprokal tanpa rugi daya tiga port yang tercocok di semua port.

Jika semua port cocok, maka Sii = 0, dan jika jaringan bersifat resiprokal, matriks hamburan berkurang menjadi

Jika jaringan juga lossless, maka konservasi energi mengharuskan matriks hamburan memenuhi sifat kesatuan, yang mengarah pada kondisi berikut [1, 2]:

Persamaan (6) - (8) menunjukkan bahwa setidaknya dua dari tiga parameter (S12, S13, S23) harus nol. Namun, kondisi ini akan selalu tidak konsisten dengan salah satu persamaan (3) – (5), yang menyiratkan bahwa jaringan tiga port tidak dapat secara simultan tanpa rugi, resiprokal, dan tercocok di semua port. Jika salah satu dari ketiga kondisi ini terpenuhi, maka perangkat yang dapat direalisasikan secara fisik dimungkinkan.

Jika jaringan tiga port bersifat non-resiprokal, maka (Sij ≠ Sji), dan kondisi pencocokan input di semua port serta konservasi energi dapat terpenuhi. Perangkat semacam itu dikenal sebagai sirkulator, dan umumnya bergantung pada material anisotropik, seperti ferit, untuk mencapai perilaku non-resiprokal.

Jika jaringan tidak mengalami kerugian, [S] harus bersifat kesatuan, yang menyiratkan kondisi berikut:

Persamaan ini dapat dipenuhi dengan salah satu dari dua cara, yaitu

atau

Hasil ini menunjukkan bahwa (Sij ≠ Sji) untuk (i ≠ j), yang menyiratkan bahwa perangkat tersebut harus nonresiprokal. Matriks hamburan untuk kedua solusi persamaan (16) ditunjukkan pada gambar 3, beserta simbol untuk dua kemungkinan jenis sirkulator. Satu-satunya perbedaan antara kedua kasus ini terletak pada arah aliran daya antar port: solusi (16) berkorespondensi dengan sirkulator yang hanya memungkinkan aliran daya dari port 1 ke 2, atau port 2 ke 3, atau port 3 ke 1, sementara solusi (17) berkorespondensi dengan sirkulator dengan arah aliran daya yang berlawanan.

Sebagai alternatif, jaringan tiga port tanpa rugi dan resiprokal dapat diwujudkan secara fisik jika hanya dua port-nya yang cocok [1]. Jika port 1 dan 2 adalah port yang cocok, maka matriks hamburan dapat ditulis sebagai

Gambar 3 Dua jenis sirkulator dan matriks hamburannya. (a) Sirkulasi searah jarum jam. (b)Sirkulasi berlawanan arah jarum jam. Referensi fase untuk port bersifat arbitre

        

    Gambar 4 Jaringan tiga port tanpa kehilangan timbal balik yang dicocokkan pada port 1 dan 2.

Agar tidak terjadi kerugian, kondisi kesatuan berikut harus dipenuhi:

Persamaan (22) dan (23) menunjukkan bahwa │S13│= │S23│, sehingga (7.8a) menghasilkan hasil bahwa S13 = S23 = 0. Dengan demikian, │S12│= │S33│= 1. Matriks hamburan dan grafik aliran sinyal yang sesuai untuk jaringan ini ditunjukkan pada Gambar 4, yang menunjukkan bahwa jaringan sebenarnya terbagi menjadi dua komponen terpisah satu jalur dua port yang cocok dan yang lainnya jalur satu port yang sama sekali tidak cocok.

Terakhir, jika jaringan tiga port dibiarkan bersifat lossy, jaringan tersebut dapat bersifat resiprokal dan dicocokkan di semua port; hal ini berlaku untuk pembagi resistif. Selain itu, jaringan tiga port yang lossy dapat dibuat memiliki isolasi di antara port-port keluarannya (misalnya,S23 = S43 = 0).

Jaringan Empat Port (Kopler Terarah)

Jaringan empat-port, seperti directional coupler, adalah komponen gelombang mikro pasif yang idealnya memiliki sifat resiprokal, tanpa rugi (lossless), dan cocok di semua port (matched at all ports). Jaringan yang memenuhi ketiga syarat ini harus berupa directional coupler.

Matriks hamburan [S] untuk jaringan empat-port resiprokal yang cocok di semua port memiliki bentuk simetris dengan nol pada diagonal utama (Sii = 0):

Penerapan kondisi tanpa rugi (unitary matrix) menghasilkan beberapa persamaan kekangan, seperti perkalian baris 1 dan baris 2:

 

dan perkalian baris 4 dan baris 3:

Penyelesaian persamaan-persamaan ini menunjukkan bahwa satu-satunya cara untuk memenuhi semua kondisi (lossless, reciprocal, matched) adalah jika S14 = S23 = 0, yang merupakan karakteristik dari directional coupler.

Dengan memilih referensi fase, dua konfigurasi coupler umum yang mungkin adalah:

1. Symmetric Coupler (θ = Φ = π/2):

2. Antisymmetric Coupler (θ = 0, Φ = π):

Gambar 5 Dua simbol yang umum digunakan untuk kopler arah dan konvensi aliran daya.

Untuk coupler ideal (S14 = S23 = 0), kondisi tanpa rugi menghasilkan hubungan amplitudo berikut dari perkalian setiap baris matriks dengan konjugat kompleksnya (self-products):

Dari sini, disimpulkan bahwa │S13│= │S24│ dan │S12│= │S34│. Jika kita definisikan α = │S12│dan β = │S13│, maka amplitudo α dan β tidak independen, tetapi terikat oleh:

α² + β² = 1

Coupler ideal empat-port hanya memiliki satu derajat kebebasan (nilai α atau β) selain referensi fase.

Dengan daya dimasukkan ke Port 1 (Input):

• Daya disalurkan ke Port 2 (Through) dengan koefisien [S12]² = α².
• Daya dikopel ke Port 3 (Coupled) dengan faktor [S13]² = β².
• Idealnya, tidak ada daya yang disalurkan ke Port 4 (Isolated).

Directional coupler dikarakterisasi oleh beberapa kuantitas yang dinyatakan dalam desibel (dB):

• Coupling (C): Mengukur fraksi daya yang dikopel ke Port 3.

• Directivity (D): Mengukur kemampuan isolasi antara gelombang maju dan mundur. Coupler ideal memiliki D = ∞.

• Isolation (I): Mengukur daya yang disalurkan ke Port 4 yang terisolasi. Coupler ideal memiliki I = ∞.

• Insertion Loss (L): Mengukur daya yang hilang ke Port 2 (Through).

Kuantitas-kuantitas ini terkait oleh:

I = D + C dB

Hybrid couplers adalah kasus khusus directional couplers dengan faktor coupling 3 dB, yang berarti pembagian daya yang sama (α = β = 1/√2).

• Quadrature Hybrid (90°): Contoh dari Symmetric Coupler, memiliki pergeseran fase 90° antara port 2 dan 3. Matriks S-nya adalah:

• Magic-T dan Rat-Race Hybrid (180°): Contoh dari Antisymmetric Coupler, memiliki perbedaan fase 180° antara port 2 dan 3 saat diberi daya di port 4. Matriks S-nya adalah:

Directivity adalah parameter kritis (seringkali ≥ 35 dB) yang sulit diukur langsung karena sinyal tingkat rendahnya dapat ditutupi oleh daya yang dikopel dari gelombang pantul pada saluran through.

Metode pengukuran directivity menggunakan beban geser yang cocok (sliding matched load):

1. Ukur daya output terkopel (Pc) dengan beban cocok (matched load) biasa.

2. Balik posisi coupler dan hubungkan beban geser (Г) ke saluran through.

3. Ubah posisi beban geser untuk mendapatkan daya output minimum (Pmin) dan maksimum (Pmax) di     port terkopel.

Berdasarkan rasio daya M = Pc /Pmax dan m = Pmax/Pmin :

Directivity numerik (D) dapat dihitung dengan rumus:

Metode ini valid jika 丨Г丨< 1/D atau, dalam dB, RL > D.

Power Divider (Pembagi Daya)

Pembagi daya adalah komponen pasif yang mendistribusikan satu sinyal menjadi beberapa keluaran dengan level dan fase yang tetap tertata, sehingga rangkaian berikutnya menerima sinyal yang konsisten dan mudah diolah. Karena bersifat pasif, ia tidak menambah energi, melainkan memastikan pembagian berlangsung rapi sambil menekan pantulan dan gangguan antarkeluaran serta menjaga kecocokan antarmuka dalam rentang frekuensi kerja.

Kebutuhan aplikasi yang berbeda memunculkan rancangan dengan karakter yang juga berbeda: ada yang sederhana dan ringkas untuk distribusi dasar, ada yang diutamakan karena kemudahan dan pita lebar meski kurang efisien, dan ada yang dirancang khusus agar kecocokan dan isolasinya unggul. Dari sini, kita akan mengenal ke tiga jenis yang paling umum ditemui beserta kelebihan, dan keterbatasan masing-masing.

·       Pembagi daya sambungan T

Pembagi daya sambungan T merupakan bentuk paling sederhana dari jaringan tiga port yang digunakan untuk membagi sinyal dari satu saluran menjadi dua keluaran. Struktur dasarnya menyerupai huruf 'T', di mana satu port berfungsi sebagai input dan dua lainnya sebagai output. Jenis pembagi ini banyak digunakan karena desainnya mudah direalisasikan, baik pada sistem microstrip, waveguide, maupun coaxial.

Gambar 6 Pandu Gelombang bidang E-T

Gambar 7 Pandu Gelombang bidang H pemandu T

Gambar 8 Pembagi Sambungan T saluran mikrostrip

Agar sinyal dapat terbagi secara seimbang ke dua port keluaran, nilai impedansi cabang harus disesuaikan.

Apabila saluran diasumsikan lossless atau impedansi karakteristiknya real, maka dapat disederhanakan menjadi:

Dalam praktik, jika tidak dapat diabaikan, maka terdapat beberapa jenis kompensasi diskontinuitas atau elemen penyetelan reaktif yang biasanya dapat digunakan untuk menghilangakn nilai imajiner, setidaknya pada rentang frekuensi sempit.

Gambar 9 Model Saluran transmisi pembagi sambungan T tanpa rugi-rugi

Impedansi saluran keluaran Z₁ dan Z₂ dapat dipilih untuk menyediakan berbagai daya rasio pembagian. Jadi, untuk saluran input 50Ω, pembagi daya 3 dB (pembagian yang sama) dapat dibuat dengan menggunakan dua jalur 100Ω. Jika diperlukan, transformator sperempat gelombang dapat digunakan untuk mengembalikan impedansi saluran keluaran ke level yang diinginkan. Jika saluran keluaran cocok, maka jalur input akan dicocokkan.

Keunggulan utama jenis ini terletak pada efisiensinya yang tinggi dan struktur rangkaiannya yang sederhana. Namun, berdasarkan teori scattering parameter, pembagi sambungan T tidak memiliki isolasi antar port keluaran, yang artinya sinyal dari satu port dapat memengaruhi port lainnya. Kondisi ini ditunjukkan dengan nilai S₂₃ ≠ 0. Selain itu, performanya cenderung optimal hanya pada satu frekuensi tertentu, sehingga kurang sesuai untuk aplikasi broadband.

Secara keseluruhan, pembagi daya sambungan T cocok digunakan untuk sistem yang sederhana dan bekerja pada satu frekuensi tetap, di mana kebutuhan efisiensi lebih diutamakan dibandingkan kestabilan antar port.

·       Pembagi Resistif

Berbeda dari sambungan T, pembagi daya resistif menggunakan resistor sebagai elemen utama untuk membagi sinyal. Komponen resistif ini menyebabkan sebagian daya dari sumber tidak diteruskan ke port keluaran, melainkan terdisipasi menjadi panas. Oleh karena itu, jaringan ini termasuk ke dalam kategori lossy network

Gambar 10 Pembagi daya resistif tiga port yang terbagi sama

Jika seluruh port diakhiri oleh impedansi karakteristik Z₀, maka impedansi masukan dari pembagi daya ini dapat dihitung dengan:

Hasil ini menunjukkan bahwa port masukan sudah matched terhadap sistem transmisi, sehingga tidak menimbulkan pantulan sinyal. Karena struktur rangkaiannya simetris, kedua port keluarannya juga akan memiliki kondisi yang sama.

Sehingga efisiensi total jaringan hanya mencapai sekitar 50%. Setengah daya lainnya hilang di resistor.

Keunggulan utama pembagi resistif adalah seluruh port dapat matched sempurna tanpa menyebabkan pantulan sinyal (S₁₁ = S₂₂ = S₃₃ = 0). Selain itu, karena tidak bergantung pada panjang gelombang, performanya tetap stabil pada berbagai frekuensi yang menjadikannya ideal untuk aplikasi broadband. Kekurangannya adalah efisiensi yang rendah dan tidak adanya isolasi antar port keluaran S₂₃ = 0, sehingga sinyal dari satu port dapat bocor ke port lainnya.

Dengan demikian, pembagi resistif lebih sesuai digunakan dalam sistem pengujian RF atau kalibrasi laboratorium, di mana kestabilan impedansi lebih penting dibanding efisiensi transmisi daya.

·       Wilkinson Power Divider

Wilkinson Power Divider merupakan pengembangan dari dua jenis sebelumnya dan dirancang untuk menggabungkan semua kelebihannya. Jenis ini mampu memberikan matching sempurna di semua port seperti pembagi resistif, namun tetap efisien dan lossless seperti sambungan T, serta memiliki isolasi antar port keluaran.

Gambar 11 Pembagi daya Wilkinson dengan pembagian yang sama dalam bentuk saluran mikrostrip

Struktur Wilkinson terdiri atas dua saluran transmisi λ/4 yang dihubungkan dengan satu resistor isolasi. Berdasarkan hasil analisis even–odd mode, parameter utama rangkaian ini adalah:

Kedua saluran λ/4 memiliki impedansi karakteristik sebesar √2 kali impedansi sistem, sementara resistor penghubung antar port bernilai dua kali impedansi karakteristik.

Ketika salah satu port mengalami pantulan, energi pantul tersebut akan diserap oleh resistor isolasi, bukan diteruskan ke port lainnya. Kondisi ini menjamin isolasi yang baik antar keluaran, yang secara matematis ditunjukkan oleh S₂₃ = 0. Nilai S₁₁ = S₂₂ = S₃₃ = 0 menunjukkan bahwa seluruh port telah matched sempurna.

Keunggulan utama Wilkinson Divider terletak pada efisiensinya yang sangat tinggi dan kemampuannya menjaga kestabilan fasa antar keluaran. Jaringan ini juga hampir bebas rugi pada kondisi ideal, karena daya pantul diserap resistor, bukan hilang di saluran. Namun, desainnya lebih kompleks dan hanya bekerja optimal pada frekuensi tertentu karena bergantung pada panjang λ/4. Selain itu, kesalahan kecil pada nilai resistor atau dimensi saluran transmisi dapat menurunkan performa isolasi.

Jenis pembagi ini banyak digunakan pada sistem antena array, radar, serta perangkat pengukuran frekuensi tinggi yang membutuhkan pembagian daya seimbang, efisien, dan memiliki kestabilan antar port yang baik.

Directional Couplers:

Directional couplers adalah komponen mikrowave pasif yang digunakan untuk pembagian daya atau penggabungan daya. Dalam pembagian daya, sinyal masukan dibagi menjadi dua (atau lebih) sinyal keluaran dengan daya yang lebih kecil, sementara penggabungan daya menerima dua atau lebih sinyal masukan dan menggabungkannya di port keluaran. Biasanya Directional couplers memiliki empat port yaitu meliputi input port, through port, coupled port, dan isolated port. 

Konsep inti dari directional coupler sendiri ialah sinyal gelombang mikro yang merambat pada saluran transmisi membawa medan listrik (E-field) dan medan magnet (H-field). Ketika dua saluran transmisi diletakkan dalam jarak yang cukup dekat, sebagian energi medan elektromagnetik dari satu saluran akan menginduksi tegangan dan arus pada saluran lainnya. Fenomena ini dikenal sebagai kopling elektromagnetik (electromagnetic coupling).

Four-Port Networks (Directional Couplers)

Seperti yang sudah di sebutkan sebelumnya, bahwa Directional Couplers memiliki 4 (empat) port, yang dimana setiap port memiliki peran spesifik yang saling berhubungan. Keempat port ini tidak hanya berfungsi sebagai titik masuk dan keluar sinyal, tetapi juga sebagai representasi arah aliran daya elektromagnetik dalam sistem. Dalam kondisi ideal, aliran daya pada coupler bersifat terarah dan terisolasi, sehingga hanya port-port tertentu yang aktif untuk arah rambat tertentu.

 

1.     Port 1 – Input Port

Berfungsi sebagai jalur masuk utama bagi sinyal atau daya RF ke dalam sistem coupler. Sinyal yang dikirim ke port ini akan terbagi menjadi dua bagian yaitu Sebagian besar daya akan diteruskan menuju port 2 (Through Port) dan Sebagian kecil akan di hubungkan menuju port 3 (Coupled Port).

2.     Port 2 – Through Port

Port ini membawa sebagian besar daya yang masuk dari Port 1, sehingga sinyal tetap dapat diteruskan ke sistem atau perangkat berikutnya tanpa kehilangan yang signifikan.

3.     Port 3 – Coupled Port

Port yang di mana sebagian kecil daya dari jalur utama dihubungkan keluar. Besarnya daya yang muncul di port ini bergantung pada faktor kopling (coupling factor), yang umumnya bernilai antara 3 dB hingga 30 dB tergantung desain coupler.

4.     Port 4 – Isolated Port

Port yang idealnya tidak menerima daya sama sekali bila sinyal datang dari Port 1.
Pada directional coupler ideal, hasil interferensi di dalam daerah kopling membuat gelombang-gelombang pada arah ini saling meniadakan (interferensi destruktif), sehingga daya di Port 4 mendekati nol.

 

Matriks penyebaran dari jaringan empat port timbal balik yang disesuaikan di semua port memiliki bentuk sebagai berikut:

Parameter UItama Pada Directional Couplers

Operasi dasar dari sebuah directional coupler dapat dijelaskan dengan bantuan Gambar dibawah, yang menunjukkan dua simbol yang umum digunakan untuk directional coupler dan definisi portnya.

Gambar 12 Dua simbol yang umum digunakan untuk menghubungkan arah dan konvensi aliran daya

Besaran-besaran berikut umumnya digunakan untuk menggambarkan penghubung arah:

1. Coupling Factor (C)

Dapat disimbolkan dengan C merupakan parameter yang menunjukkan seberapa besar daya dari port input yang dikopel menuju port coupled.

Nilai coupling factor biasanya dinyatakan dalam satuan desibel (dB), dan nilainya menentukan proporsi daya yang dikopel.

2. Directivty Factor (D)

Dapat disimbolkan dengan D, menunjukkan kemampuan coupler dalam membedakan arah propagasi gelombang, yaitu seberapa baik coupler dapat mengkopel sinyal yang datang dari satu arah dan menolak sinyal dari arah berlawanan.

Nilai directivity yang tinggi berarti coupler memiliki kemampuan yang sangat baik untuk memisahkan gelombang maju dan gelombang pantul.

3. Isolation Factor (I)

disimbolkan dengan I, adalah ukuran seberapa kecil daya bocor ke port yang seharusnya terisolasi (isolated port). Idealnya, port ini sama sekali tidak menerima daya, tetapi dalam kenyataan selalu ada sedikit kebocoran karena ketidaksempurnaan fisik atau mismatch impedansi.

Isolasi adalah ukuran daya yang disalurkan ke port yang tidak terhubung. Besaran-besaran ini saling terkait sebagai :

I= D+C dB

Artinya, isolasi merupakan gabungan antara tingkat kopling dan kemampuan arah coupler. Jika directivity tinggi, maka isolasi juga otomatis meningkat.

4. Insertion Loss (L)

Mencakup daya masukan yang disalurkan ke Through port, dikurangi dengan daya yang disalurkan ke coupled port dan isolated port. Penghubung ideal memiliki arah langsung  dan isolasi tak terbatas ( S₁₄ = 0). Maka, baik α maupun β dapat ditentukan dari faktor penghubung, C.

Jenis-Jenis Directional Coupler

Directional coupler dikembangkan dalam berbagai bentuk dan konfigurasi untuk memenuhi kebutuhan sistem gelombang mikro yang beragam. Secara umum, terdapat empat jenis directional coupler yang paling banyak digunakan dalam aplikasi mikrostrip dan sistem RF, yaitu:

1. Coupled-Line Coupler

Ketika dua saluran transmisi diletakkan berdekatan tanpa pelindung, sebagian energi dapat berpindah dari satu saluran ke saluran lainnya karena interaksi medan listrik dan medan magnet di sekitarnya. Fenomena ini disebut kopling elektromagnetik, dan sistem tersebut dikenal sebagai saluran transmisi terkopel (coupled transmission line). Struktur paling umum terdiri dari dua strip sejajar dan satu bidang tanah (ground plane), membentuk konfigurasi tiga konduktor yang simetris.

2. Lange Coupler

Secara umum, sambungan pada pengkopel garis terkopel terlalu lemah untuk mencapai faktor pengkopelan 3 atau 6 dB. Salah satu cara untuk meningkatkan pengkopelan antara garis terkopel tepi adalah dengan menggunakan beberapa garis yang sejajar satu sama lain, sehingga medan pinggiran di kedua tepi garis berkontribusi pada pengkopelan.

Gambar 13 Lange Coupler Tata letak dalam bentuk microstrip 

Gambar 14 Lange Coupler yang tidak dilipat

 

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar, di mana empat garis terhubung paralel digunakan dengan sambungan untuk menyediakan penghubung yang ketat. Penghubung ini dapat dengan mudah mencapai rasio penghubung 3 dB, dengan lebar pita satu oktaf atau lebih. Kekurangan utama kopling Lange kemungkinan bersifat praktis, karena garis-garisnya sangat sempit dan berdekatan, dan kabel pengikat yang diperlukan di antara garis-garis tersebut meningkatkan kompleksitas.

3. Branch-Line Hybrid Coupler

Branch-line hybrid coupler, juga dikenal sebagai quadrature hybrid coupler, merupakan salah satu jenis directional coupler empat port yang paling sering digunakan dalam sistem gelombang mikro. Hybrid Couplers adalah kasus khusus dari directional couplers, di mana faktor penghubungnya adalah 3 dB, yang berarti α = β = 1/√2 . Quadrature hybrid coupler memiliki pergeseran fase 90° antara port 2 dan 3 (ፀ = φ = π/2) saat diberi masukan di port 1, dan merupakan contoh penghubung simetris. Matriks penyebaran (scattering matrix) nya memiliki bentuk sebagai berikut:

Branch-line hybrid coupler banyak digunakan dalam aplikasi yang memerlukan sinyal kuadratur (90°), seperti balanced mixer, modulator I/Q, phase shifter, dan antenna feed network.

4. Ring Hybrid Coupler

Ring Hybrid Coupler, atau yang lebih dikenal sebagai Rat-Race Coupler, merupakan jenis directional coupler empat port yang menggunakan struktur berbentuk cincin tertutup. Ring Hybrid Coupler memiliki perbedaan fase 180◦ antara port 2 dan 3 saat diberi masukan di port 4, dan merupakan contoh pengkopel antisimetris. Matriks pencarannya memiliki bentuk sebagai berikut:

Dari sisi aplikasi, ring hybrid coupler banyak digunakan dalam sistem radar, penggabung daya (power combiner), dan sistem antena diferensial, di mana diperlukan sinyal keluaran yang memiliki beda fasa 180°.

Ilustrasi bentuk fisik microstrip coupler dan arah sinyal.

Secara fisik, directional coupler berbasis microstrip direalisasikan menggunakan jalur konduktor sejajar di atas substrat dielektrik dengan bidang tanah (ground plane) di bagian bawah. Jalur-jalur konduktor ini bertindak sebagai saluran transmisi tempat gelombang mikro merambat. Struktur dasar ini ditunjukkan pada gambar dibawah ( Berbagai geometri garis transmisi terhubung. (a) Garis transmisi terhubung (datar, atau terhubung tepi). (b) Garis transmisi terhubung (bertumpuk, atau terhubung sisi lebar) ) dan gambar Jalur transmisi tiga kabel yang terhubung dan jaringan kapasitansi setaraannya, yang menggambarkan dua strip sejajar di atas substrat dengan jarak pemisah kecil.

Gambar 15 Berbagai geometri garis transmisi terhubung. (a) Garis transmisi terhubung (datar, atau terhubung tepi). (b) Garis transmisi terhubung (bertumpuk, atau terhubung sisi lebar).

Gambar 16  Jalur transmisi tiga kabel yang terhubung dan jaringan kapasitansi setaraannya.

Ketika sinyal diberikan pada port 1 (input), sebagian besar daya diteruskan ke port 2 (through), sementara sebagian kecil dikopel ke port 3 (coupled) melalui medan elektromagnetik yang saling berinteraksi antarjalur. Port 4 (isolated) idealnya tidak menerima daya sama sekali. Bentuk fisik coupler kemudian berkembang dalam berbagai konfigurasi, bergantung pada kebutuhan kopling dan fasa. Kemudian pada gambar diatas diperlihatkan struktur Lange coupler, yang terdiri dari empat saluran paralel dengan bonding wires penghubung di ujung-ujungnya. Desain ini menghasilkan kopling kuat dan pembagian daya 3 dB dengan perbedaan fasa 90°.

Gambar 17 Tiga jenis sambungan hibrida. (a) Sambungan hibrida cincin, atau rat-race, dalam bentuk garis mikrostrip ataugaris strip. (b) Sambungan hibrida garis terhubung berlekuk. (c) Sambungan hibrida gelombang, atau magic-T.

Selanjutnya gambar diatas menunjukkan ring hybrid (rat-race) coupler, yang memiliki bentuk fisik melingkar dengan total panjang lintasan 1.5λ. Empat port diletakkan berjarak 90° satu sama lain di sepanjang cincin. Sinyal yang masuk melalui port 1 terbagi menjadi dua gelombang yang berjalan berlawanan arah dan bertemu kembali dengan perbedaan fasa 180°, sehingga menghasilkan keluaran in-phase dan out-of-phase pada port yang berbeda.

Kesimpulan

Power Divider dan Directional Coupler memiliki peran yang sangat penting dalam sistem microwave sebagai komponen pasif yang berfungsi untuk membagi atau menggabungkan daya secara efisien. Power Divider digunakan untuk membagi sinyal menjadi dua atau lebih keluaran dengan rasio daya tertentu, sedangkan Directional Coupler digunakan untuk mengarahkan sebagian daya ke port lain dengan menjaga isolasi antarport. Kinerja kedua komponen ini sangat dipengaruhi oleh parameter seperti matching, isolation, directivity, dan insertion loss yang menentukan efisiensi transmisi daya dan akurasi pengukuran dalam sistem microwave.

Dalam implementasi praktis, terdapat tantangan yang perlu diatasi, seperti kerugian daya (power loss) akibat resistansi atau ketidaksempurnaan bahan serta bandwidth yang terbatas yang dapat memengaruhi stabilitas performa pada frekuensi tinggi. Oleh karena itu, riset dan inovasi terus dikembangkan menuju desain Wideband Power Divider, Miniaturized Coupler, dan SIW-based Coupler (Substrate Integrated Waveguide) yang menawarkan efisiensi tinggi, ukuran kompak, dan cakupan frekuensi yang lebih luas.Secara keseluruhan, pemahaman mendalam terhadap karakteristik Power Divider dan Directional Coupler memiliki relevansi besar terhadap pengembangan teknologi modern seperti komunikasi 5G, sistem radar adaptif, dan satelit generasi baru, yang semuanya menuntut sistem microwave dengan performa tinggi, efisiensi daya optimal, serta ukuran yang semakin ringkas.

BIODATA

mardiana dwi saputri, muhammad zamroni nuril akbar wiliansyah, dwiko hadisha maulana, dwiko hadisha maulana, alda khayla ramadhani, daffa afnandra wahyuwono pratama