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

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

1. Antena pita lebar dan multi-frekuensi
Pada saluran transmisi (TL) tipikal dengan panjang l, ketika frekuensi sudut ω0 diberikan, panjang listrik (atau fasa) dari saluran transmisi dapat dihitung sebagai berikut:

Di mana vp mewakili kecepatan fase saluran transmisi. Seperti yang terlihat di atas, bandwidth sangat berkaitan dengan penundaan grup, yang merupakan turunan dari φ terhadap frekuensi. Oleh karena itu, seiring dengan semakin pendeknya panjang saluran transmisi, bandwidth juga semakin lebar. Dengan kata lain, terdapat hubungan terbalik antara bandwidth dan fase fundamental saluran transmisi, yang spesifik untuk desain. Ini menunjukkan bahwa pada sirkuit terdistribusi tradisional, bandwidth operasi tidak mudah dikendalikan. Hal ini dapat dikaitkan dengan keterbatasan saluran transmisi tradisional dalam hal derajat kebebasan. Namun, elemen pemuatan memungkinkan parameter tambahan untuk digunakan dalam saluran transmisi metamaterial, dan respons fase dapat dikendalikan sampai batas tertentu. Untuk meningkatkan bandwidth, diperlukan kemiringan yang serupa di dekat frekuensi operasi dari karakteristik dispersi. Saluran transmisi metamaterial buatan dapat mencapai tujuan ini. Berdasarkan pendekatan ini, banyak metode untuk meningkatkan bandwidth antena diusulkan dalam makalah ini. Para peneliti telah merancang dan membuat dua antena broadband yang dimuat dengan resonator cincin terpisah (lihat Gambar 7). Hasil yang ditunjukkan pada Gambar 7 menunjukkan bahwa setelah resonator cincin terbelah dipasang pada antena monopole konvensional, mode frekuensi resonansi rendah akan terangsang. Ukuran resonator cincin terbelah dioptimalkan untuk mencapai resonansi yang mendekati resonansi antena monopole. Hasil menunjukkan bahwa ketika kedua 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 (4 GHz), dan panjang dan lebar antena monopole yang dipasang resonator cincin terbelah masing-masing adalah 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz). Untuk antena berbentuk F konvensional dan antena berbentuk T tanpa resonator cincin terbelah, gain dan efisiensi radiasi tertinggi yang diukur pada pita 5 GHz masing-masing adalah 3,6 dBi - 78,5% dan 3,9 dBi - 80,2%. Untuk antena yang dilengkapi dengan resonator cincin terpisah, parameter ini 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, yang sesuai 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 dengan antena monopole tradisional dengan ukuran yang kurang lebih tetap.

Gambar 7. Dua antena pita lebar yang dilengkapi dengan resonator cincin terbelah.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, hasil eksperimen antena monopole tercetak kompak ditunjukkan. Ketika S11≤-10 dB, bandwidth operasinya adalah 185% (0,115-2,90 GHz), dan pada 1,45 GHz, gain puncak dan efisiensi radiasi masing-masing adalah 2,35 dBi dan 78,8%. Tata letak antena mirip dengan struktur lembaran segitiga yang saling berhadapan, yang diberi daya 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 memancarkan hampir omnidirectional, mencakup sebagian besar pita VHF dan S, dan 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 yang potensial dalam sistem komunikasi nirkabel pita lebar.

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

Gambar 9 menunjukkan struktur antena planar yang terdiri dari dua pasang loop kawat meander yang saling terhubung dan dihubungkan ke bidang ground berbentuk T terpotong melalui dua via. Ukuran antena adalah 38,5 × 36,6 mm² (0,070λ0 × 0,067λ0), di mana λ0 adalah panjang gelombang ruang bebas sebesar 0,55 GHz. Antena memancarkan secara omnidireksional pada bidang E dalam pita frekuensi operasi 0,55 ~ 3,85 GHz, dengan gain 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.

Gambar 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 fasa β terhadap sudut radiasi (θm) dan lebar berkas maksimum (Δθ) adalah sebagai berikut:

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

3. Antena resonator orde nol
Sifat unik metamaterial CRLH adalah β dapat bernilai 0 ketika frekuensi 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 500 MHz dan 650 MHz. Antena ini beroperasi pada frekuensi 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) dan 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), dengan bandwidth relatif masing-masing 91,9% dan 96,0%. Selain karakteristik ukuran kecil dan bandwidth lebar, gain dan efisiensi antena pertama dan kedua masing-masing adalah 5,3 dBi dan 85% (1 GHz) serta 5,7 dBi dan 90% (1,4 GHz).

Gambar 10. Struktur antena double-E dan triple-E yang diusulkan.

4. Antena Slot
Sebuah metode sederhana telah diusulkan untuk memperbesar bukaan 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 meander, dan terdapat slot berbentuk S pada patch. Antena tersebut diberi daya 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 (3,5 GHz) mewakili panjang gelombang ruang bebas. Hasilnya menunjukkan bahwa antena beroperasi pada pita frekuensi 0,85-7,90 GHz, dan bandwidth operasinya adalah 161,14%. Gain radiasi dan efisiensi tertinggi antena muncul pada 3,5 GHz, yaitu masing-masing 5,12 dBi dan ~80%.