Berita - Tinjauan Antena Saluran Transmisi Berbasis Metamaterial (Bagian 2)

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

1. Antena pita lebar dan multifrekuensi
Dalam TL khas dengan panjang l, ketika frekuensi sudut ω0 diberikan, panjang listrik (atau fase) dari saluran transmisi dapat dihitung sebagai berikut:

Di mana vp mewakili kecepatan fase saluran transmisi. Seperti yang dapat dilihat dari uraian di atas, lebar pita berkaitan erat dengan penundaan grup, yang merupakan turunan dari φ terhadap frekuensi. Oleh karena itu, seiring dengan semakin pendeknya panjang saluran transmisi, lebar pita juga menjadi lebih lebar. Dengan kata lain, terdapat hubungan terbalik antara lebar pita dan fase fundamental saluran transmisi, yang spesifik terhadap desain. Hal ini menunjukkan bahwa dalam rangkaian terdistribusi tradisional, lebar pita operasi tidak mudah dikontrol. Hal ini dapat dikaitkan dengan keterbatasan saluran transmisi tradisional dalam hal derajat kebebasan. Namun, elemen pembebanan memungkinkan penggunaan parameter tambahan dalam TL metamaterial, dan respons fase dapat dikontrol hingga batas tertentu. Untuk meningkatkan lebar pita, diperlukan kemiringan yang serupa di dekat frekuensi operasi karakteristik dispersi. TL metamaterial buatan dapat mencapai tujuan ini. Berdasarkan pendekatan ini, banyak metode untuk meningkatkan lebar pita antena diusulkan dalam makalah ini. Para ahli telah merancang dan membuat dua antena pita lebar yang dibebani dengan resonator cincin terpisah (lihat Gambar 7). Hasil yang ditunjukkan pada Gambar 7 menunjukkan bahwa setelah resonator cincin terbagi dimuati dengan antena monopole konvensional, mode frekuensi resonansi rendah dibangkitkan. Ukuran resonator cincin terbagi dioptimalkan untuk mencapai resonansi yang mendekati antena monopole. Hasilnya menunjukkan bahwa ketika kedua resonansi bertepatan, karakteristik lebar pita dan radiasi antena meningkat. Panjang dan lebar antena monopole masing-masing adalah 0,25λ0×0,11λ0 dan 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), dan panjang dan lebar antena monopole yang dimuati resonator cincin terbagi masing-masing adalah 0,29λ0×0,21λ0 (2,9GHz). Untuk antena berbentuk F konvensional dan antena berbentuk T tanpa resonator cincin terbagi, penguatan dan efisiensi radiasi tertinggi yang diukur pada pita 5GHz masing-masing adalah 3,6dBi - 78,5% dan 3,9dBi - 80,2%. Untuk antena yang dibebani resonator cincin terpisah, parameter ini masing-masing adalah 4 dBi - 81,2% dan 4,4 dBi - 83% pada pita 6 GHz. Dengan menerapkan resonator cincin terpisah sebagai beban yang sesuai pada antena monopole, pita 2,9 GHz ~ 6,41 GHz dan 2,6 GHz ~ 6,6 GHz dapat didukung, yang setara dengan lebar pita fraksional masing-masing sebesar 75,4% dan ~87%. Hasil ini menunjukkan bahwa lebar pita pengukuran meningkat sekitar 2,4 kali dan 2,11 kali dibandingkan antena monopole tradisional dengan ukuran yang kurang lebih tetap.

Gambar 7. Dua antena pita lebar yang dimuati resonator cincin terpisah.

Seperti ditunjukkan pada Gambar 8, hasil eksperimen antena monopole cetak kompak ditampilkan. Pada S11≤-10 dB, lebar pita operasinya 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 ini mirip dengan struktur lembaran segitiga yang saling membelakangi, yang dialiri daya oleh pembagi daya kurvilinear. GND yang terpotong berisi stub pusat yang ditempatkan di bawah feeder, dan empat cincin resonansi terbuka didistribusikan di sekitarnya, yang memperlebar lebar pita antena. Antena ini meradiasikan hampir omnidirectional, mencakup sebagian besar pita VHF dan S, serta seluruh pita UHF dan L. Ukuran fisik antena adalah 48,32×43,72×0,8 mm³, dan ukuran listriknya adalah 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Antena ini memiliki keunggulan ukuran kecil dan biaya rendah, serta memiliki prospek aplikasi potensial dalam sistem komunikasi nirkabel pita lebar.

Gambar 8: Antena monopole yang dimuati resonator cincin terpisah.

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

Gambar 9 Struktur antena planar yang diusulkan.

2. Antena Gelombang Bocor (LWA)
Antena gelombang bocor yang baru merupakan salah satu aplikasi utama untuk mewujudkan TL metamaterial buatan. Untuk antena gelombang bocor, pengaruh konstanta fase β terhadap sudut radiasi (θm) dan lebar berkas 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 metamaterial CRLH adalah β dapat bernilai 0 ketika frekuensinya tidak sama dengan nol. Berdasarkan sifat ini, resonator orde nol (ZOR) baru dapat dihasilkan. Ketika β bernilai nol, tidak terjadi pergeseran fasa di seluruh resonator. Hal ini disebabkan oleh 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 berbentuk E, dan ukuran totalnya masing-masing adalah 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 dan 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, di mana λ0 merepresentasikan panjang gelombang ruang bebas pada frekuensi operasi masing-masing 500 MHz dan 650 MHz. 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 ukuran kecil dan bandwidth lebar, penguatan dan efisiensi antena pertama dan kedua masing-masing adalah 5,3 dBi dan 85% (1 GHz) dan 5,7 dBi dan 90% (1,4 GHz).

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

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