Berita - Review antena saluran transmisi berbasis metamaterial (Bagian 2)

2. Penerapan MTM-TL pada Sistem Antena
Bagian ini akan fokus pada TL metamaterial buatan dan beberapa aplikasinya yang paling umum dan relevan untuk mewujudkan berbagai struktur antena dengan biaya rendah, pembuatan mudah, miniaturisasi, bandwidth lebar, penguatan dan efisiensi tinggi, kemampuan pemindaian jangkauan luas, dan profil rendah. Hal tersebut dibahas di bawah ini.

1. Antena broadband dan multifrekuensi
Dalam TL tipikal dengan panjang l, ketika frekuensi sudut ω0 diberikan, panjang listrik (atau fasa) saluran transmisi dapat dihitung sebagai berikut:

Dimana vp mewakili kecepatan fasa saluran transmisi. Seperti dapat dilihat di atas, bandwidth berhubungan erat dengan penundaan grup, yang merupakan turunan dari φ terhadap frekuensi. Oleh karena itu, semakin pendek panjang saluran transmisi, bandwidth juga menjadi lebih lebar. Dengan kata lain, terdapat hubungan terbalik antara bandwidth dan fase dasar saluran transmisi, yang merupakan desain spesifik. Hal ini menunjukkan bahwa dalam sirkuit terdistribusi tradisional, bandwidth operasi tidak mudah dikendalikan. Hal ini dapat dikaitkan dengan keterbatasan jalur transmisi tradisional dalam hal derajat kebebasan. Namun, elemen pemuatan memungkinkan parameter tambahan untuk digunakan dalam TL metamaterial, dan respons fase dapat dikontrol sampai batas tertentu. Untuk meningkatkan bandwidth, diperlukan kemiringan yang serupa di dekat frekuensi operasi karakteristik dispersi. TL metamaterial buatan dapat mencapai tujuan ini. Berdasarkan pendekatan ini, banyak metode untuk meningkatkan bandwidth antena diusulkan dalam makalah ini. Para sarjana telah merancang dan membuat dua antena broadband yang dilengkapi dengan resonator cincin terpisah (lihat Gambar 7). Hasil yang ditunjukkan pada Gambar 7 menunjukkan bahwa setelah memuat resonator cincin terpisah dengan antena monopole konvensional, mode frekuensi resonansi rendah tereksitasi. Ukuran resonator cincin terpisah dioptimalkan untuk mencapai resonansi yang mendekati resonansi antena monopole. Hasilnya menunjukkan bahwa ketika dua resonansi bertepatan, bandwidth dan karakteristik radiasi antena meningkat. Panjang dan lebar antena monopole masing-masing adalah 0,25λ0×0,11λ0 dan 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), dan panjang serta lebar antena monopole yang dilengkapi dengan resonator cincin terpisah adalah 0,29λ0×0,21λ0 (2,9GHz ), masing-masing. Untuk antena berbentuk F konvensional dan antena berbentuk T tanpa resonator cincin terpisah, penguatan tertinggi dan efisiensi radiasi yang diukur pada pita 5GHz masing-masing adalah 3,6dBi - 78,5% dan 3,9dBi - 80,2%. Untuk antena yang dilengkapi dengan resonator cincin terpisah, parameternya masing-masing adalah 4dBi - 81,2% dan 4,4dBi - 83%, pada pita 6GHz. Dengan menerapkan resonator cincin terpisah sebagai beban pencocokan pada antena monopole, pita 2,9GHz ~ 6,41GHz dan 2,6GHz ~ 6,6GHz dapat didukung, sesuai dengan bandwidth fraksional masing-masing sebesar 75,4% dan ~87%. Hasil ini menunjukkan bahwa bandwidth pengukuran ditingkatkan sekitar 2,4 kali dan 2,11 kali dibandingkan dengan antena monopole tradisional yang berukuran kira-kira tetap.

Gambar 7. Dua antena broadband yang dilengkapi dengan resonator cincin terpisah.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, hasil percobaan antena monopole cetak kompak ditampilkan. Ketika S11≤- 10 dB, bandwidth operasi adalah 185% (0,115-2,90 GHz), dan pada 1,45 GHz, penguatan puncak dan efisiensi radiasi masing-masing adalah 2,35 dBi dan 78,8%. Tata letak antena mirip dengan struktur lembaran segitiga saling membelakangi, yang dialiri oleh pembagi daya lengkung. GND yang terpotong berisi stub pusat yang ditempatkan di bawah pengumpan, dan empat cincin resonansi terbuka didistribusikan di sekitarnya, yang memperluas bandwidth antena. Antena memancar hampir ke segala arah, mencakup sebagian besar pita VHF dan S, serta semua pita UHF dan L. Ukuran fisik antena adalah 48,32×43,72×0,8 mm3, dan ukuran listriknya 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Ini mempunyai keuntungan dari ukurannya yang kecil dan biaya rendah, dan memiliki prospek penerapan potensial dalam sistem komunikasi nirkabel broadband.

Gambar 8: Antena monopole yang dilengkapi dengan resonator cincin terpisah.

Gambar 9 menunjukkan struktur antena planar yang terdiri dari dua pasang lilitan kawat berliku yang saling berhubungan yang dihubungkan ke bidang tanah berbentuk T terpotong melalui dua vias. Ukuran antena adalah 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), dimana λ0 adalah panjang gelombang ruang bebas 0,55 GHz. Antena memancarkan segala arah di E-plane pada pita frekuensi pengoperasian 0,55 ~ 3,85 GHz, dengan penguatan maksimum 5,5dBi pada 2,35GHz dan efisiensi 90,1%. Fitur-fitur ini membuat antena yang diusulkan cocok untuk berbagai aplikasi, termasuk UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi dan Bluetooth.

Gambar 9 Usulan struktur antena planar.

2. Antena Gelombang Bocor (LWA)
Antena gelombang bocor baru adalah salah satu aplikasi utama untuk mewujudkan TL metamaterial buatan. Untuk antena gelombang bocor, pengaruh konstanta fasa β terhadap sudut radiasi (θm) dan lebar pancaran maksimum (Δθ) adalah sebagai berikut:

L adalah panjang antena, k0 adalah bilangan gelombang di ruang bebas, dan λ0 adalah panjang gelombang di ruang bebas. Perhatikan bahwa radiasi hanya terjadi ketika |β|

3. Antena resonator orde nol
Sifat unik dari metamaterial CRLH adalah β bisa menjadi 0 jika frekuensinya tidak sama dengan nol. Berdasarkan properti ini, resonator orde nol (ZOR) baru dapat dihasilkan. Ketika β adalah nol, tidak ada pergeseran fasa yang terjadi di seluruh resonator. Hal ini karena konstanta pergeseran fasa φ = - βd = 0. Selain itu, resonansi hanya bergantung pada beban reaktif dan tidak bergantung pada panjang struktur. Gambar 10 menunjukkan bahwa antena yang diusulkan dibuat dengan menerapkan dua dan tiga unit dengan bentuk E, dan ukuran totalnya masing-masing adalah 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 dan 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, di mana λ0 mewakili panjang gelombang ruang kosong pada frekuensi operasi 500 MHz dan 650 MHz, masing-masing. Antena beroperasi pada frekuensi 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) dan 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), dengan bandwidth relatif 91,9% dan 96,0%. Selain karakteristik ukurannya yang kecil dan bandwidth yang lebar, gain dan efisiensi antena pertama dan kedua masing-masing sebesar 5,3dBi dan 85% (1GHz) serta 5,7dBi dan 90% (1,4GHz).

Gambar 10 Usulan struktur antena double-E dan triple-E.

4. Antena Slot
Sebuah metode sederhana telah diusulkan untuk memperbesar bukaan antena CRLH-MTM, namun ukuran antenanya hampir tidak berubah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11, antena mencakup unit CRLH yang ditumpuk secara vertikal satu sama lain, yang berisi tambalan dan garis berliku-liku, dan terdapat slot berbentuk S pada tambalan tersebut. Antena diumpankan oleh rintisan pencocokan CPW, dan ukurannya 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, sesuai dengan 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, di mana λ0 (3,5GHz) mewakili panjang gelombang ruang bebas. Hasil penelitian menunjukkan bahwa antena beroperasi pada pita frekuensi 0,85-7,90GHz, dan bandwidth operasinya 161,14%. Perolehan radiasi dan efisiensi antena tertinggi muncul pada 3,5GHz, yaitu masing-masing 5,12dBi dan ~80%.