Berita - Tinjauan Antena Saluran Transmisi Metamaterial

I. Pendahuluan
Metamaterial dapat digambarkan sebagai struktur yang dirancang secara artifisial untuk menghasilkan sifat elektromagnetik tertentu yang tidak ada secara alami. Metamaterial dengan permitivitas negatif dan permeabilitas negatif disebut metamaterial tangan kiri (LHM). LHM telah dipelajari secara ekstensif dalam komunitas ilmiah dan teknik. Pada tahun 2003, LHM dinobatkan sebagai salah satu dari sepuluh terobosan ilmiah teratas di era kontemporer oleh majalah Science. Aplikasi, konsep, dan perangkat baru telah dikembangkan dengan memanfaatkan sifat unik LHM. Pendekatan saluran transmisi (TL) adalah metode desain yang efektif yang juga dapat menganalisis prinsip-prinsip LHM. Dibandingkan dengan TL tradisional, fitur TL metamaterial yang paling signifikan adalah pengendalian parameter TL (konstanta propagasi) dan impedansi karakteristik. Pengendalian parameter TL metamaterial memberikan ide-ide baru untuk merancang struktur antena dengan ukuran yang lebih ringkas, kinerja yang lebih tinggi, dan fungsi-fungsi baru. Gambar 1 (a), (b), dan (c) masing-masing menunjukkan model rangkaian tanpa rugi-rugi dari saluran transmisi tangan kanan murni (PRH), saluran transmisi tangan kiri murni (PLH), dan saluran transmisi tangan kiri-kanan komposit (CRLH). Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1(a), model rangkaian ekivalen PRH TL biasanya merupakan kombinasi induktansi seri dan kapasitansi shunt. Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1(b), model rangkaian PLH TL merupakan kombinasi induktansi shunt dan kapasitansi seri. Dalam aplikasi praktis, penerapan rangkaian PLH tidaklah memungkinkan. Hal ini disebabkan oleh efek induktansi seri parasitik dan kapasitansi shunt yang tak terelakkan. Oleh karena itu, karakteristik saluran transmisi tangan kiri yang dapat direalisasikan saat ini semuanya merupakan struktur komposit tangan kiri dan tangan kanan, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1(c).

Gambar 1 Berbagai model rangkaian saluran transmisi

Konstanta propagasi (γ) saluran transmisi (TL) dihitung sebagai: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), di mana Y dan Z masing-masing mewakili admitansi dan impedansi. Dengan mempertimbangkan CRLH-TL, Z dan Y dapat dinyatakan sebagai:

CRLH TL yang seragam akan memiliki hubungan dispersi sebagai berikut:

Konstanta fase β dapat berupa bilangan riil murni atau bilangan imajiner murni. Jika β sepenuhnya riil dalam suatu rentang frekuensi, terdapat pita lewat (passband) di dalam rentang frekuensi tersebut karena kondisi γ=jβ. Di sisi lain, jika β merupakan bilangan imajiner murni dalam suatu rentang frekuensi, terdapat pita henti (stopband) di dalam rentang frekuensi tersebut karena kondisi γ=α. Pita henti ini unik untuk CRLH-TL dan tidak ada pada PRH-TL maupun PLH-TL. Gambar 2 (a), (b), dan (c) menunjukkan kurva dispersi (yaitu, hubungan ω - β) dari PRH-TL, PLH-TL, dan CRLH-TL, masing-masing. Berdasarkan kurva dispersi tersebut, kecepatan grup (vg=∂ω/∂β) dan kecepatan fase (vp=ω/β) dari saluran transmisi dapat diturunkan dan diestimasi. Untuk PRH-TL, kurva juga dapat disimpulkan bahwa vg dan vp sejajar (yaitu, vpvg>0). Untuk PLH-TL, kurva menunjukkan bahwa vg dan vp tidak sejajar (yaitu, vpvg<0). Kurva dispersi CRLH-TL juga menunjukkan keberadaan daerah LH (yaitu, vpvg < 0) dan daerah RH (yaitu, vpvg > 0). Seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2(c), untuk CRLH-TL, jika γ adalah bilangan riil murni, terdapat pita henti.

Gambar 2 Kurva dispersi dari berbagai saluran transmisi

Biasanya, resonansi seri dan paralel CRLH-TL berbeda, yang disebut keadaan tidak seimbang. Namun, ketika frekuensi resonansi seri dan paralelnya sama, keadaan tersebut disebut keadaan seimbang, dan model rangkaian ekivalen sederhana yang dihasilkan ditunjukkan pada Gambar 3(a).

Gambar 3 Model rangkaian dan kurva dispersi saluran transmisi kiri komposit

Seiring meningkatnya frekuensi, karakteristik dispersi CRLH-TL secara bertahap meningkat. Hal ini disebabkan oleh kecepatan fase (yaitu, vp=ω/β) yang semakin bergantung pada frekuensi. Pada frekuensi rendah, CRLH-TL didominasi oleh LH, sementara pada frekuensi tinggi, CRLH-TL didominasi oleh RH. Hal ini menggambarkan sifat ganda CRLH-TL. Diagram dispersi kesetimbangan CRLH-TL ditunjukkan pada Gambar 3(b). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3(b), transisi dari LH ke RH terjadi pada:

Di mana ω0 adalah frekuensi transisi. Oleh karena itu, dalam kasus seimbang, transisi halus terjadi dari LH ke RH karena γ adalah bilangan imajiner murni. Oleh karena itu, tidak ada pita henti untuk dispersi CRLH-TL yang seimbang. Meskipun β nol pada ω0 (tak terhingga relatif terhadap panjang gelombang terpandu, yaitu, λg=2π/|β|), gelombang tetap merambat karena vg pada ω0 tidak nol. Demikian pula, pada ω0, pergeseran fasa nol untuk TL dengan panjang d (yaitu, φ= - βd=0). Percepatan fasa (yaitu, φ>0) terjadi pada rentang frekuensi LH (yaitu, ω<ω0), dan perlambatan fasa (yaitu, φ<0) terjadi pada rentang frekuensi RH (yaitu, ω>ω0). Untuk TL CRLH, impedansi karakteristik dijelaskan sebagai berikut:

Di mana ZL dan ZR masing-masing adalah impedansi PLH dan PRH. Untuk kasus tidak seimbang, impedansi karakteristik bergantung pada frekuensi. Persamaan di atas menunjukkan bahwa kasus seimbang tidak bergantung pada frekuensi, sehingga dapat memiliki kecocokan lebar pita yang lebar. Persamaan TL yang diturunkan di atas serupa dengan parameter konstitutif yang mendefinisikan material CRLH. Konstanta propagasi TL adalah γ=jβ=Sqrt(ZY). Dengan konstanta propagasi material (β=ω x Sqrt(εμ)), persamaan berikut dapat diperoleh:

Demikian pula, impedansi karakteristik TL, yaitu Z0=Sqrt(ZY), mirip dengan impedansi karakteristik material, yaitu η=Sqrt(μ/ε), yang dinyatakan sebagai:

Indeks bias CRLH-TL yang seimbang dan tidak seimbang (yaitu, n = cβ/ω) ditunjukkan pada Gambar 4. Pada Gambar 4, indeks bias CRLH-TL dalam rentang LH-nya negatif dan indeks bias dalam rentang RH-nya positif.

Gbr. 4 Indeks bias khas TL CRLH yang seimbang dan tidak seimbang.

1. Jaringan LC
Dengan mengkaskadekan sel-sel LC bandpass yang ditunjukkan pada Gambar 5(a), CRLH-TL tipikal dengan keseragaman efektif panjang d dapat dibangun secara periodik atau non-periodik. Secara umum, untuk memastikan kemudahan perhitungan dan manufaktur CRLH-TL, rangkaian harus periodik. Dibandingkan dengan model pada Gambar 1(c), sel rangkaian pada Gambar 5(a) tidak memiliki ukuran dan panjang fisiknya sangat kecil (yaitu, Δz dalam meter). Dengan mempertimbangkan panjang listriknya θ=Δφ (rad), fase sel LC dapat dinyatakan. Namun, untuk benar-benar merealisasikan induktansi dan kapasitansi yang diterapkan, panjang fisik p perlu ditetapkan. Pemilihan teknologi aplikasi (seperti mikrostrip, pandu gelombang koplanar, komponen pemasangan permukaan, dll.) akan memengaruhi ukuran fisik sel LC. Sel LC pada Gambar 5(a) serupa dengan model inkremental pada Gambar 1(c), dan limitnya p=Δz→0. Berdasarkan kondisi keseragaman p→0 pada Gambar 5(b), TL dapat dibangun (dengan mengkaskadekan sel LC) yang ekuivalen dengan CRLH-TL seragam ideal dengan panjang d, sehingga TL tampak seragam terhadap gelombang elektromagnetik.

Gambar 5 CRLH TL berdasarkan jaringan LC.

Untuk sel LC, dengan mempertimbangkan kondisi batas periodik (PBC) yang mirip dengan teorema Bloch-Floquet, hubungan dispersi sel LC dibuktikan dan dinyatakan sebagai berikut:

Impedansi seri (Z) dan admitansi shunt (Y) sel LC ditentukan oleh persamaan berikut:

Karena panjang listrik rangkaian LC unit sangat kecil, pendekatan Taylor dapat digunakan untuk memperoleh:

2. Implementasi Fisik
Pada bagian sebelumnya, jaringan LC untuk menghasilkan CRLH-TL telah dibahas. Jaringan LC semacam itu hanya dapat diwujudkan dengan mengadopsi komponen fisik yang dapat menghasilkan kapasitansi (CR dan CL) serta induktansi (LR dan LL) yang dibutuhkan. Dalam beberapa tahun terakhir, penerapan komponen chip teknologi pemasangan permukaan (SMT) atau komponen terdistribusi telah menarik minat yang besar. Mikrostrip, stripline, pandu gelombang koplanar, atau teknologi serupa lainnya dapat digunakan untuk mewujudkan komponen terdistribusi. Ada banyak faktor yang perlu dipertimbangkan ketika memilih chip SMT atau komponen terdistribusi. Struktur CRLH berbasis SMT lebih umum dan lebih mudah diimplementasikan dalam hal analisis dan desain. Hal ini disebabkan oleh ketersediaan komponen chip SMT siap pakai, yang tidak memerlukan remodeling dan manufaktur dibandingkan dengan komponen terdistribusi. Namun, ketersediaan komponen SMT tersebar, dan biasanya hanya bekerja pada frekuensi rendah (yaitu, 3-6GHz). Oleh karena itu, struktur CRLH berbasis SMT memiliki rentang frekuensi operasi dan karakteristik fase spesifik yang terbatas. Misalnya, dalam aplikasi radiasi, komponen chip SMT mungkin tidak layak. Gambar 6 menunjukkan struktur terdistribusi berdasarkan CRLH-TL. Struktur ini diwujudkan oleh kapasitansi interdigital dan saluran hubung singkat, yang masing-masing membentuk kapasitansi seri CL dan induktansi paralel LL dari LH. Kapasitansi antara saluran dan GND diasumsikan sebagai kapasitansi RH CR, dan induktansi yang dihasilkan oleh fluks magnet yang dibentuk oleh aliran arus dalam struktur interdigital diasumsikan sebagai induktansi RH LR.