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 banyak dipelajari di kalangan ilmuwan dan insinyur. 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 paling signifikan dari TL metamaterial adalah kemampuan pengendalian parameter TL (konstanta propagasi) dan impedansi karakteristik. Kemampuan pengendalian parameter TL metamaterial memberikan ide-ide baru untuk mendesain struktur antena dengan ukuran yang lebih kompak, kinerja yang lebih tinggi, dan fungsi-fungsi baru. Gambar 1 (a), (b), dan (c) menunjukkan model rangkaian tanpa rugi dari saluran transmisi tangan kanan murni (PRH), saluran transmisi tangan kiri murni (PLH), dan saluran transmisi tangan kiri-kanan komposit (CRLH), masing-masing. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1(a), model rangkaian ekivalen saluran transmisi PRH biasanya merupakan kombinasi induktansi seri dan kapasitansi paralel. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1(b), model rangkaian saluran transmisi PLH merupakan kombinasi induktansi paralel dan kapasitansi seri. Dalam aplikasi praktis, tidak memungkinkan untuk mengimplementasikan rangkaian PLH. Hal ini disebabkan oleh efek induktansi seri parasit dan kapasitansi paralel yang tidak dapat dihindari. Oleh karena itu, karakteristik saluran transmisi tangan kiri yang dapat direalisasikan saat ini semuanya merupakan struktur tangan kiri dan kanan komposit, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1(c).

Gambar 1. Berbagai model rangkaian saluran transmisi.

Konstanta propagasi (γ) dari 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:

Nilai CRLH TL yang seragam akan memiliki hubungan dispersi sebagai berikut:

Konstanta fasa β dapat berupa bilangan riil murni atau bilangan imajiner murni. Jika β sepenuhnya riil dalam suatu rentang frekuensi, maka terdapat pita lolos (passband) dalam rentang frekuensi tersebut karena kondisi γ=jβ. Di sisi lain, jika β adalah bilangan imajiner murni dalam suatu rentang frekuensi, maka terdapat pita henti (stopband) dalam rentang frekuensi tersebut karena kondisi γ=α. Pita henti ini unik untuk CRLH-TL dan tidak ada pada PRH-TL atau 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, kecepatan grup (vg=∂ω/∂β) dan kecepatan fasa (vp=ω/β) dari saluran transmisi dapat diturunkan dan diperkirakan. Untuk PRH-TL, dapat disimpulkan juga dari kurva 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 terlihat pada Gambar 2(c), untuk CRLH-TL, jika γ adalah bilangan riil murni, terdapat stop band.

Gambar 2 Kurva dispersi dari berbagai saluran transmisi

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

Gambar 3 Model rangkaian dan kurva dispersi saluran transmisi tangan kiri komposit

Seiring meningkatnya frekuensi, karakteristik dispersi CRLH-TL secara bertahap meningkat. Hal ini karena kecepatan fase (yaitu, vp=ω/β) menjadi semakin bergantung pada frekuensi. Pada frekuensi rendah, CRLH-TL didominasi oleh LH, sedangkan pada frekuensi tinggi, CRLH-TL didominasi oleh RH. Ini menggambarkan sifat ganda CRLH-TL. Diagram dispersi CRLH-TL kesetimbangan 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 yang mulus terjadi dari LH ke RH karena γ adalah bilangan imajiner murni. Oleh karena itu, tidak ada stopband untuk dispersi CRLH-TL yang seimbang. Meskipun β bernilai nol pada ω0 (tak terhingga relatif terhadap panjang gelombang terpandu, yaitu, λg=2π/|β|), gelombang masih merambat karena vg pada ω0 tidak nol. Demikian pula, pada ω0, pergeseran fasa adalah nol untuk TL dengan panjang d (yaitu, φ= - βd=0). Pergeseran fasa maju (yaitu, φ>0) terjadi pada rentang frekuensi LH (yaitu, ω<ω0), dan pergeseran fasa mundur (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 pencocokan bandwidth yang lebar. Persamaan TL yang diturunkan di atas mirip 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 seimbang dan tidak seimbang (yaitu, n = cβ/ω) ditunjukkan pada Gambar 4. Pada Gambar 4, indeks bias CRLH-TL pada rentang LH-nya negatif dan indeks bias pada rentang RH-nya positif.

Gambar 4. Indeks bias tipikal dari TL CRLH seimbang dan tidak seimbang.

1. Jaringan LC
Dengan menyusun sel LC bandpass yang ditunjukkan pada Gambar 5(a), CRLH-TL tipikal dengan keseragaman panjang efektif d dapat dibangun secara periodik atau non-periodik. Secara umum, untuk memastikan kemudahan perhitungan dan pembuatan CRLH-TL, rangkaian perlu bersifat 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 mewujudkan induktansi dan kapasitansi yang diterapkan, panjang fisik p perlu ditetapkan. Pilihan teknologi aplikasi (seperti microstrip, pandu gelombang koplanar, komponen pemasangan permukaan, dll.) akan memengaruhi ukuran fisik sel LC. Sel LC pada Gambar 5(a) mirip dengan model inkremental pada Gambar 1(c), dan batasnya p=Δz→0. Berdasarkan kondisi keseragaman p→0 pada Gambar 5(b), sebuah TL dapat dibangun (dengan menyusun sel LC secara berurutan) yang setara dengan CRLH-TL seragam ideal dengan panjang d, sehingga TL tersebut 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, relasi dispersi sel LC dibuktikan dan dinyatakan sebagai berikut:

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

Karena panjang listrik dari rangkaian LC satuan sangat kecil, aproksimasi Taylor dapat digunakan untuk memperoleh:

2. Implementasi Fisik
Pada bagian sebelumnya, jaringan LC untuk menghasilkan CRLH-TL telah dibahas. Jaringan LC tersebut hanya dapat diwujudkan dengan mengadopsi komponen fisik yang dapat menghasilkan kapasitansi (CR dan CL) dan induktansi (LR dan LL) yang dibutuhkan. Dalam beberapa tahun terakhir, aplikasi komponen chip surface mount technology (SMT) atau komponen terdistribusi telah menarik minat yang besar. Microstrip, stripline, coplanar waveguide, 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 karena ketersediaan komponen chip SMT siap pakai, yang tidak memerlukan modifikasi dan manufaktur dibandingkan dengan komponen terdistribusi. Namun, ketersediaan komponen SMT tersebar, dan biasanya hanya bekerja pada frekuensi rendah (yaitu, 3-6 GHz). Oleh karena itu, struktur CRLH berbasis SMT memiliki rentang frekuensi operasi yang terbatas dan karakteristik fase tertentu. 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, membentuk kapasitansi seri CL dan induktansi paralel LL dari LH masing-masing. Kapasitansi antara saluran dan GND diasumsikan sebagai kapasitansi RH CR, dan induktansi yang dihasilkan oleh fluks magnetik yang dibentuk oleh aliran arus dalam struktur interdigital diasumsikan sebagai induktansi RH LR.