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 kidal (LHM). LHM telah dipelajari secara ekstensif di komunitas ilmiah dan teknik. Pada tahun 2003, LHM dinobatkan sebagai salah satu dari sepuluh terobosan ilmiah era kontemporer oleh majalah Science. Aplikasi, konsep, dan perangkat baru telah dikembangkan dengan memanfaatkan sifat unik LHM. Pendekatan saluran transmisi (TL) merupakan metode perancangan 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. Pengendalian parameter TL metamaterial memberikan ide-ide baru untuk merancang struktur antena dengan ukuran lebih kompak, kinerja lebih tinggi, dan fungsi baru. Gambar 1 (a), (b), dan (c) menunjukkan model rangkaian lossless saluran transmisi tangan kanan murni (PRH), saluran transmisi tangan kiri murni (PLH), dan saluran transmisi komposit tangan kiri-kanan ( CRLH), masing-masing. Seperti ditunjukkan pada Gambar 1(a), model rangkaian ekivalen PRH TL biasanya merupakan kombinasi induktansi seri dan kapasitansi shunt. Seperti terlihat pada Gambar 1(b), model rangkaian PLH TL merupakan kombinasi induktansi shunt dan kapasitansi seri. Dalam penerapan praktisnya, penerapan rangkaian PLH tidak layak dilakukan. Hal ini disebabkan oleh induktansi seri parasit dan efek kapasitansi shunt yang tidak dapat dihindari. Oleh karena itu, ciri-ciri saluran transmisi kiri yang dapat direalisasikan saat ini adalah seluruh struktur komposit kiri dan kanan, seperti terlihat pada Gambar 1(c).

Gambar 1 Model rangkaian saluran transmisi yang berbeda

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

CRLH TL yang seragam akan memiliki hubungan dispersi berikut:

Konstanta fasa β dapat berupa bilangan real murni atau bilangan imajiner murni. Jika β benar-benar nyata dalam suatu rentang frekuensi, terdapat pita sandi dalam rentang frekuensi tersebut karena kondisi γ=jβ. Di sisi lain, jika β adalah bilangan imajiner murni dalam rentang frekuensi, terdapat pita penghenti dalam rentang frekuensi karena kondisi γ=α. Stopband ini unik untuk CRLH-TL dan tidak ada di PRH-TL atau PLH-TL. Gambar 2 (a), (b), dan (c) masing-masing menunjukkan kurva dispersi (yaitu, hubungan ω - β) dari PRH-TL, PLH-TL, dan CRLH-TL. Berdasarkan kurva dispersi, kecepatan grup (vg=∂ω/∂β) dan kecepatan fase (vp=ω/β) saluran transmisi dapat diturunkan dan diperkirakan. Untuk PRH-TL, dapat juga disimpulkan 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 wilayah LH (yaitu vpvg < 0) dan wilayah RH (yaitu vpvg > 0). Seperti terlihat pada Gambar 2(c), untuk CRLH-TL, jika γ adalah bilangan real murni, maka terdapat pita stop.

Gambar 2 Kurva dispersi saluran transmisi yang berbeda

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

Gambar 3 Model rangkaian dan kurva dispersi saluran transmisi komposit kidal

Dengan meningkatnya frekuensi, karakteristik dispersi CRLH-TL meningkat secara bertahap. Hal ini karena kecepatan fasa (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 kesetimbangan CRLH-TL ditunjukkan pada Gambar 3(b). Seperti terlihat pada Gambar 3(b), transisi dari LH ke RH terjadi di:

Dimana ω0 adalah frekuensi transisi. Oleh karena itu, dalam kasus seimbang, transisi 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 (relatif tak terhingga terhadap panjang gelombang terpandu, yaitu λg=2π/|β|), gelombang tetap merambat karena vg pada ω0 tidak nol. Demikian pula, pada ω0, pergeseran fasa adalah nol untuk TL dengan panjang d (yaitu, φ= - βd=0). Kemajuan fase (yaitu, φ>0) terjadi pada rentang frekuensi LH (yaitu, ω<ω0), dan keterbelakangan fase (yaitu, φ<0) terjadi pada rentang frekuensi RH (yaitu, ω>ω0). Untuk TL CRLH, impedansi karakteristik dijelaskan sebagai berikut:

Dimana ZL dan ZR berturut-turut 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 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). Mengingat konstanta propagasi material (β=ω x Sqrt(εμ)), persamaan berikut dapat diperoleh:

Demikian pula, impedansi karakteristik TL, yaitu Z0=Sqrt(ZY), serupa 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 adalah negatif dan indeks bias pada rentang RH-nya rentangnya positif.

Gambar 4 Indeks bias khas CRLH TL seimbang dan tidak seimbang.

1. Jaringan LC
Dengan mengalirkan sel LC bandpass yang ditunjukkan pada Gambar 5(a), CRLH-TL tipikal dengan keseragaman panjang d yang efektif dapat dibuat secara periodik atau non-periodik. Secara umum, untuk menjamin kenyamanan perhitungan dan pembuatan CRLH-TL, rangkaian perlu dilakukan secara berkala. 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). Mengingat 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 mikrostrip, pandu gelombang coplanar, komponen pemasangan permukaan, dll.) akan mempengaruhi ukuran fisik sel LC. Sel LC pada Gambar 5(a) mirip dengan model inkremental pada Gambar 1(c), dan batasnya p=Δz→0. Menurut kondisi keseragaman p→0 pada Gambar 5(b), TL dapat dibuat (dengan mengalirkan sel LC) yang setara 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 masuk shunt (Y) sel LC ditentukan oleh persamaan berikut:

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

2. Implementasi Fisik
Pada bagian sebelumnya telah dibahas jaringan LC untuk menghasilkan CRLH-TL. Jaringan LC tersebut hanya dapat diwujudkan dengan mengadopsi komponen fisik yang dapat menghasilkan kapasitansi (CR dan CL) dan induktansi (LR dan LL) yang diperlukan. Dalam beberapa tahun terakhir, penerapan komponen chip teknologi pemasangan permukaan (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 diterapkan dalam hal analisis dan desain. Hal ini karena ketersediaan komponen chip SMT siap pakai, yang tidak memerlukan renovasi dan manufaktur dibandingkan dengan komponen yang didistribusikan. 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 tertentu yang terbatas. Misalnya, dalam aplikasi radiasi, komponen chip SMT mungkin tidak dapat digunakan. Gambar 6 menunjukkan struktur terdistribusi berdasarkan CRLH-TL. Struktur tersebut diwujudkan oleh kapasitansi interdigital dan jalur hubung singkat, 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.