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

2. Aplikasi MTM-TL dalam 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, lebar pita lebar, penguatan dan efisiensi tinggi, kemampuan pemindaian jangkauan luas, dan profil rendah. Semua itu 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 merupakan kecepatan fase saluran transmisi. Seperti yang dapat dilihat dari uraian di atas, lebar pita berhubungan erat dengan penundaan grup, yang merupakan turunan dari φ terhadap frekuensi. Oleh karena itu, ketika panjang saluran transmisi menjadi lebih pendek, lebar pita juga menjadi lebih lebar. Dengan kata lain, terdapat hubungan terbalik antara lebar pita dan fase dasar 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 pemuatan memungkinkan parameter tambahan untuk digunakan dalam TL metamaterial, dan respons fase dapat dikontrol hingga batas tertentu. Untuk meningkatkan lebar pita, diperlukan kemiringan yang sama 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 ilmuwan telah merancang dan membuat dua antena pita lebar yang dimuat dengan resonator cincin terpisah (lihat Gambar 7). Hasil yang ditunjukkan pada Gambar 7 menunjukkan bahwa setelah memuat resonator cincin terbagi dengan antena monopole konvensional, mode frekuensi resonansi rendah tereksitasi. Ukuran resonator cincin terbagi dioptimalkan untuk mencapai resonansi yang mendekati antena monopole. Hasil menunjukkan bahwa ketika dua resonansi bertepatan, lebar pita 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 dan lebar antena monopole yang dimuat dengan 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 dalam pita 5GHz masing-masing adalah 3,6dBi - 78,5% dan 3,9dBi - 80,2%. Untuk antena yang dimuat dengan resonator cincin terpisah, parameter ini adalah 4 dBi - 81,2% dan 4,4 dBi - 83%, masing-masing, dalam 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 sesuai dengan lebar pita fraksional masing-masing sebesar 75,4% dan ~87%. Hasil ini menunjukkan bahwa lebar pita pengukuran ditingkatkan sekitar 2,4 kali dan 2,11 kali dibandingkan dengan antena monopole tradisional dengan ukuran yang kira-kira tetap.

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

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, hasil eksperimen antena monopole cetak kompak ditunjukkan. Ketika S11≤- 10 dB, lebar pita 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 yang saling membelakangi, yang diumpankan oleh pembagi daya lengkung. GND yang terpotong berisi stub pusat yang ditempatkan di bawah pengumpan, dan empat cincin resonansi terbuka didistribusikan di sekitarnya, yang memperlebar lebar pita antena. Antena memancar hampir secara omnidirectional, mencakup sebagian besar pita VHF dan S, dan semua 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 dilengkapi resonator cincin terbelah.

Gambar 9 menunjukkan struktur antena planar yang terdiri dari dua pasang lilitan kawat berkelok-kelok yang saling terhubung yang dibumikan ke bidang tanah berbentuk T yang terpotong melalui dua vias. Ukuran antena adalah 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), di mana λ0 adalah panjang gelombang ruang bebas 0,55 GHz. Antena memancarkan radiasi omnidirectional di bidang E dalam 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 membuat antena yang diusulkan cocok untuk berbagai aplikasi, termasuk UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi, dan Bluetooth.

Gbr. 9 Struktur antena planar yang diusulkan.

2. Antena Gelombang Bocor (LWA)
Antena gelombang bocor baru merupakan salah satu aplikasi utama untuk mewujudkan TL metamaterial buatan. Untuk antena gelombang bocor, pengaruh konstanta fase β pada 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 bahwa 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 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 berbentuk 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 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 lebar pita relatif 91,9% dan 96,0%. Selain karakteristik ukuran kecil dan lebar pita 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
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 CRLH yang ditumpuk secara vertikal satu sama lain, yang berisi patch dan garis berkelok-kelok, dan terdapat slot berbentuk S pada patch tersebut. Antena tersebut 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 tersebut beroperasi pada pita frekuensi 0,85-7,90GHz, dan lebar pita operasinya adalah 161,14%. Penguatan radiasi dan efisiensi antena tertinggi muncul pada 3,5GHz, yaitu masing-masing sebesar 5,12dBi dan ~80%.