Berita - Tinjauan Antena Saluran Transmisi Metamaterial

I. Pendahuluan
Metamaterial dapat digambarkan dengan baik 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 kompak, kinerja yang lebih tinggi, dan fungsi-fungsi baru. Gambar 1 (a), (b), dan (c) menunjukkan model rangkaian lossless dari saluran transmisi tangan kanan murni (PRH), saluran transmisi tangan kiri murni (PLH), dan saluran transmisi tangan kiri-kanan komposit (CRLH). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1(a), model rangkaian ekivalen PRH TL biasanya merupakan kombinasi dari induktansi seri dan kapasitansi shunt. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1(b), model rangkaian TL PLH merupakan kombinasi dari induktansi shunt dan kapasitansi seri. Dalam aplikasi praktis, tidak layak untuk mengimplementasikan rangkaian PLH. Hal ini disebabkan oleh efek induktansi seri parasit dan kapasitansi shunt yang tidak dapat dihindari. Oleh karena itu, karakteristik saluran transmisi tangan kiri yang dapat direalisasikan saat ini semuanya adalah struktur tangan kiri dan tangan 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:

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 rentang frekuensi, terdapat passband dalam rentang frekuensi tersebut karena kondisi γ=jβ. Di sisi lain, jika β merupakan bilangan imajiner murni dalam rentang frekuensi, terdapat stopband dalam rentang frekuensi tersebut karena kondisi γ=α. Stopband ini unik untuk CRLH-TL dan tidak ada dalam 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 fase (vp=ω/β) dari 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 daerah LH (yaitu, vpvg < 0) dan daerah RH (yaitu, vpvg > 0). Seperti dapat dilihat dari 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 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 sederhana yang dihasilkan ditunjukkan pada Gambar 3(a).

Gambar 3 Model rangkaian dan kurva dispersi saluran transmisi kiri komposit

Seiring dengan meningkatnya frekuensi, karakteristik dispersi CRLH-TL meningkat secara bertahap. 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. Hal 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 halus terjadi dari LH ke RH karena γ adalah angka imajiner murni. Oleh karena itu, tidak ada pita henti untuk dispersi CRLH-TL yang seimbang. Meskipun β adalah nol pada ω0 (tak terbatas 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). Kemajuan fasa (yaitu, φ>0) terjadi dalam rentang frekuensi LH (yaitu, ω<ω0), dan retardasi fasa (yaitu, φ<0) terjadi dalam 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 yang tidak seimbang, impedansi karakteristik bergantung pada frekuensi. Persamaan di atas menunjukkan bahwa kasus yang seimbang tidak bergantung pada frekuensi, sehingga dapat memiliki kecocokan lebar pita 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 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 seimbang dan tidak seimbang.

1. Jaringan LC
Dengan mengkaskadekan sel-sel LC bandpass yang ditunjukkan pada Gambar 5(a), CRLH-TL yang khas dengan keseragaman efektif panjang d dapat dibangun secara periodik atau non-periodik. Secara umum, untuk memastikan kemudahan perhitungan dan pembuatan CRLH-TL, rangkaian harus periodik. Dibandingkan dengan model Gambar 1(c), sel rangkaian 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 mikrostrip, pandu gelombang koplanar, komponen pemasangan permukaan, dll.) akan memengaruhi ukuran fisik sel LC. Sel LC Gambar 5(a) mirip dengan model inkremental 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 dari 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 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, 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 saat 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 pemodelan ulang dan pembuatan 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 tertentu yang terbatas. Misalnya, dalam aplikasi radiasi, komponen chip SMT mungkin tidak layak. Gambar 6 menunjukkan struktur terdistribusi berdasarkan CRLH-TL. Struktur tersebut diwujudkan oleh kapasitansi interdigital dan jalur hubung singkat, yang masing-masing membentuk kapasitansi seri CL dan induktansi paralel LL dari LH. Kapasitansi antara jalur 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.