Berita - Ulasan Antena: Tinjauan tentang Metasurface Fraktal dan Desain Antena

I. Pendahuluan
Fraktal adalah objek matematika yang menunjukkan sifat kemiripan diri pada skala yang berbeda. Ini berarti bahwa ketika Anda memperbesar/memperkecil bentuk fraktal, setiap bagiannya terlihat sangat mirip dengan keseluruhannya; yaitu, pola atau struktur geometris yang serupa berulang pada tingkat pembesaran yang berbeda (lihat contoh fraktal pada Gambar 1). Sebagian besar fraktal memiliki bentuk yang rumit, detail, dan sangat kompleks.

gambar 1

Konsep fraktal diperkenalkan oleh matematikawan Benoit B. Mandelbrot pada tahun 1970-an, meskipun asal usul geometri fraktal dapat ditelusuri kembali ke karya-karya awal banyak matematikawan, seperti Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915), Julia (1918), Fatou (1926), dan Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot mempelajari hubungan antara fraktal dan alam dengan memperkenalkan jenis fraktal baru untuk mensimulasikan struktur yang lebih kompleks, seperti pohon, gunung, dan garis pantai. Ia menciptakan kata "fraktal" dari kata sifat Latin "fractus", yang berarti "patah" atau "retak", yaitu terdiri dari potongan-potongan yang patah atau tidak beraturan, untuk menggambarkan bentuk geometris yang tidak beraturan dan terfragmentasi yang tidak dapat diklasifikasikan oleh geometri Euklides tradisional. Selain itu, ia mengembangkan model matematika dan algoritma untuk menghasilkan dan mempelajari fraktal, yang mengarah pada penciptaan himpunan Mandelbrot yang terkenal, yang mungkin merupakan bentuk fraktal paling terkenal dan paling menarik secara visual dengan pola yang kompleks dan berulang tanpa batas (lihat Gambar 1d).
Karya Mandelbrot tidak hanya berdampak pada matematika, tetapi juga memiliki aplikasi di berbagai bidang seperti fisika, grafika komputer, biologi, ekonomi, dan seni. Bahkan, karena kemampuannya untuk memodelkan dan merepresentasikan struktur yang kompleks dan serupa, fraktal memiliki banyak aplikasi inovatif di berbagai bidang. Misalnya, fraktal telah banyak digunakan di bidang-bidang aplikasi berikut, yang hanyalah beberapa contoh dari aplikasi luasnya:
1. Grafis komputer dan animasi, menghasilkan lanskap alam, pepohonan, awan, dan tekstur yang realistis dan menarik secara visual;
2. Teknologi kompresi data untuk mengurangi ukuran file digital;
3. Pemrosesan gambar dan sinyal, mengekstrak fitur dari gambar, mendeteksi pola, dan menyediakan metode kompresi dan rekonstruksi gambar yang efektif;
4. Biologi, yang menjelaskan pertumbuhan tanaman dan organisasi neuron di otak;
5. Teori antena dan metamaterial, perancangan antena kompak/multi-band dan metasurface inovatif.
Saat ini, geometri fraktal terus menemukan kegunaan baru dan inovatif dalam berbagai disiplin ilmu ilmiah, artistik, dan teknologi.
Dalam teknologi elektromagnetik (EM), bentuk fraktal sangat berguna untuk aplikasi yang membutuhkan miniaturisasi, mulai dari antena hingga metamaterial dan permukaan selektif frekuensi (FSS). Penggunaan geometri fraktal pada antena konvensional dapat meningkatkan panjang listriknya, sehingga mengurangi ukuran keseluruhan struktur resonansi. Selain itu, sifat kemiripan diri dari bentuk fraktal menjadikannya ideal untuk mewujudkan struktur resonansi multi-band atau broadband. Kemampuan miniaturisasi yang melekat pada fraktal sangat menarik untuk mendesain reflectarray, antena phased array, penyerap metamaterial, dan metasurface untuk berbagai aplikasi. Bahkan, penggunaan elemen array yang sangat kecil dapat memberikan beberapa keuntungan, seperti mengurangi kopling timbal balik atau mampu bekerja dengan array dengan jarak antar elemen yang sangat kecil, sehingga memastikan kinerja pemindaian yang baik dan tingkat stabilitas sudut yang lebih tinggi.
Karena alasan yang disebutkan di atas, antena fraktal dan metasurface mewakili dua bidang penelitian yang menarik di bidang elektromagnetik yang telah menarik banyak perhatian dalam beberapa tahun terakhir. Kedua konsep tersebut menawarkan cara unik untuk memanipulasi dan mengontrol gelombang elektromagnetik, dengan berbagai aplikasi dalam komunikasi nirkabel, sistem radar, dan penginderaan. Sifat kesamaan diri (self-similar) mereka memungkinkan mereka berukuran kecil sambil mempertahankan respons elektromagnetik yang sangat baik. Kekompakan ini sangat menguntungkan dalam aplikasi yang terbatas ruang, seperti perangkat seluler, tag RFID, dan sistem kedirgantaraan.
Penggunaan antena fraktal dan metasurface berpotensi untuk secara signifikan meningkatkan komunikasi nirkabel, pencitraan, dan sistem radar, karena memungkinkan perangkat yang ringkas dan berkinerja tinggi dengan fungsionalitas yang ditingkatkan. Selain itu, geometri fraktal semakin banyak digunakan dalam desain sensor gelombang mikro untuk diagnostik material, karena kemampuannya untuk beroperasi di berbagai pita frekuensi dan kemampuannya untuk diperkecil ukurannya. Penelitian yang sedang berlangsung di bidang ini terus mengeksplorasi desain, material, dan teknik fabrikasi baru untuk mewujudkan potensi penuhnya.
Makalah ini bertujuan untuk meninjau kemajuan penelitian dan aplikasi antena fraktal dan metasurface serta membandingkan antena dan metasurface berbasis fraktal yang ada, menyoroti keunggulan dan keterbatasannya. Terakhir, analisis komprehensif tentang reflectarray dan unit metamaterial inovatif disajikan, dan tantangan serta perkembangan masa depan dari struktur elektromagnetik ini dibahas.

2. FraktalAntenaElemen
Konsep umum fraktal dapat digunakan untuk mendesain elemen antena eksotis yang memberikan kinerja lebih baik daripada antena konvensional. Elemen antena fraktal dapat berukuran kompak dan memiliki kemampuan multi-band dan/atau broadband.
Desain antena fraktal melibatkan pengulangan pola geometris spesifik pada skala yang berbeda dalam struktur antena. Pola yang serupa ini memungkinkan kita untuk meningkatkan panjang keseluruhan antena dalam ruang fisik yang terbatas. Selain itu, radiator fraktal dapat mencapai beberapa pita frekuensi karena bagian-bagian antena yang berbeda memiliki kemiripan satu sama lain pada skala yang berbeda. Oleh karena itu, elemen antena fraktal dapat kompak dan multi-pita, memberikan cakupan frekuensi yang lebih luas daripada antena konvensional.
Konsep antena fraktal dapat ditelusuri kembali ke akhir tahun 1980-an. Pada tahun 1986, Kim dan Jaggard mendemonstrasikan penerapan kesamaan diri fraktal dalam sintesis susunan antena.
Pada tahun 1988, fisikawan Nathan Cohen membangun antena elemen fraktal pertama di dunia. Ia mengusulkan bahwa dengan menggabungkan geometri yang serupa ke dalam struktur antena, kinerja dan kemampuan miniaturisasinya dapat ditingkatkan. Pada tahun 1995, Cohen ikut mendirikan Fractal Antenna Systems Inc., yang mulai menyediakan solusi antena berbasis fraktal komersial pertama di dunia.
Pada pertengahan tahun 1990-an, Puente dkk. mendemonstrasikan kemampuan multi-band dari fraktal menggunakan monopole dan dipole Sierpinski.
Sejak karya Cohen dan Puente, keunggulan inheren antena fraktal telah menarik minat besar dari para peneliti dan insinyur di bidang telekomunikasi, yang mengarah pada eksplorasi dan pengembangan lebih lanjut teknologi antena fraktal.
Saat ini, antena fraktal banyak digunakan dalam sistem komunikasi nirkabel, termasuk telepon seluler, router Wi-Fi, dan komunikasi satelit. Faktanya, antena fraktal berukuran kecil, multi-band, dan sangat efisien, sehingga cocok untuk berbagai perangkat dan jaringan nirkabel.
Gambar-gambar berikut menunjukkan beberapa antena fraktal berdasarkan bentuk fraktal yang terkenal, yang hanyalah beberapa contoh dari berbagai konfigurasi yang dibahas dalam literatur.
Secara spesifik, Gambar 2a menunjukkan monopole Sierpinski yang diusulkan di Puente, yang mampu menyediakan operasi multi-band. Segitiga Sierpinski dibentuk dengan mengurangi segitiga terbalik pusat dari segitiga utama, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b dan Gambar 2a. Proses ini menghasilkan tiga segitiga yang sama pada struktur, masing-masing dengan panjang sisi setengah dari segitiga awal (lihat Gambar 1b). Prosedur pengurangan yang sama dapat diulangi untuk segitiga yang tersisa. Oleh karena itu, masing-masing dari tiga bagian utamanya persis sama dengan keseluruhan objek, tetapi dalam proporsi dua kali lipat, dan seterusnya. Karena kesamaan khusus ini, Sierpinski dapat menyediakan beberapa pita frekuensi karena bagian-bagian antena yang berbeda mirip satu sama lain pada skala yang berbeda. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, monopole Sierpinski yang diusulkan beroperasi dalam 5 pita. Dapat dilihat bahwa masing-masing dari lima sub-gasket (struktur lingkaran) pada Gambar 2a adalah versi skala dari keseluruhan struktur, sehingga menyediakan lima pita frekuensi operasi yang berbeda, seperti yang ditunjukkan pada koefisien refleksi input pada Gambar 2b. Gambar tersebut juga menunjukkan parameter yang terkait dengan setiap pita frekuensi, termasuk nilai frekuensi fn (1 ≤ n ≤ 5) pada nilai minimum dari rugi balik input terukur (Lr), lebar pita relatif (Bwidth), dan rasio frekuensi antara dua pita frekuensi yang berdekatan (δ = fn +1/fn). Gambar 2b menunjukkan bahwa pita-pita monopole Sierpinski berjarak secara periodik logaritmik dengan faktor 2 (δ ≅ 2), yang sesuai dengan faktor penskalaan yang sama yang ada pada struktur serupa dalam bentuk fraktal.

gambar 2

Gambar 3a menunjukkan antena kawat panjang kecil berdasarkan kurva fraktal Koch. Antena ini diusulkan untuk menunjukkan bagaimana memanfaatkan sifat pengisian ruang dari bentuk fraktal untuk mendesain antena kecil. Faktanya, pengurangan ukuran antena adalah tujuan utama dari sejumlah besar aplikasi, terutama yang melibatkan terminal seluler. Monopole Koch dibuat menggunakan metode konstruksi fraktal yang ditunjukkan pada Gambar 3a. Iterasi awal K0 adalah monopole lurus. Iterasi berikutnya K1 diperoleh dengan menerapkan transformasi kesamaan pada K0, termasuk penskalaan sepertiga dan rotasi masing-masing sebesar 0°, 60°, −60°, dan 0°. Proses ini diulang secara iteratif untuk mendapatkan elemen selanjutnya Ki (2 ≤ i ≤ 5). Gambar 3a menunjukkan versi lima iterasi dari monopole Koch (yaitu, K5) dengan tinggi h sama dengan 6 cm, tetapi panjang totalnya diberikan oleh rumus l = h ·(4/3) 5 = 25,3 cm. Lima antena yang sesuai dengan lima iterasi pertama kurva Koch telah direalisasikan (lihat Gambar 3a). Baik eksperimen maupun data menunjukkan bahwa monopole fraktal Koch dapat meningkatkan kinerja monopole tradisional (lihat Gambar 3b). Hal ini menunjukkan bahwa mungkin dimungkinkan untuk "meminiaturkan" antena fraktal, sehingga dapat masuk ke dalam volume yang lebih kecil sambil mempertahankan kinerja yang efisien.

gambar 3

Gambar 4a menunjukkan antena fraktal berdasarkan himpunan Cantor, yang digunakan untuk mendesain antena pita lebar untuk aplikasi pemanenan energi. Sifat unik antena fraktal yang memperkenalkan beberapa resonansi yang berdekatan dimanfaatkan untuk memberikan bandwidth yang lebih lebar daripada antena konvensional. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a, desain himpunan fraktal Cantor sangat sederhana: garis lurus awal disalin dan dibagi menjadi tiga segmen yang sama, di mana segmen tengah dihilangkan; proses yang sama kemudian diterapkan secara iteratif pada segmen yang baru dihasilkan. Langkah-langkah iterasi fraktal diulangi hingga bandwidth antena (BW) sebesar 0,8–2,2 GHz tercapai (yaitu, 98% BW). Gambar 4 menunjukkan foto prototipe antena yang telah direalisasikan (Gambar 4a) dan koefisien refleksi inputnya (Gambar 4b).

gambar 4

Gambar 5 memberikan contoh lebih lanjut dari antena fraktal, termasuk antena monopole berbasis kurva Hilbert, antena patch mikrostrip berbasis Mandelbrot, dan patch fraktal pulau Koch (atau "kepingan salju").

gambar 5

Terakhir, Gambar 6 menunjukkan berbagai susunan fraktal elemen array, termasuk array planar karpet Sierpinski, array cincin Cantor, array linier Cantor, dan pohon fraktal. Susunan ini berguna untuk menghasilkan array jarang dan/atau mencapai kinerja multi-band.