Warta - Tinjauan Antena Jalur Transmisi Metamaterial

I. Bubuka
Métamatéri bisa digambarkeun kalawan hadé salaku struktur anu dirancang sacara jieunan pikeun ngahasilkeun sipat éléktromagnétik anu tangtu anu teu aya sacara alami. Métamatéri kalawan permitivitas négatif jeung perméabilitas négatif disebut métamatéri kénca (LHM). LHM geus ditalungtik sacara éksténsif di komunitas ilmiah jeung rékayasa. Dina taun 2003, LHM dingaranan salah sahiji tina sapuluh kamajuan ilmiah luhur dina jaman kiwari ku majalah Science. Aplikasi, konsép, jeung alat anyar geus dimekarkeun ku cara ngamangpaatkeun sipat unik LHM. Pendekatan jalur transmisi (TL) mangrupa métode desain anu éféktif anu ogé bisa nganalisis prinsip-prinsip LHM. Dibandingkeun jeung TL tradisional, fitur anu pangpentingna tina TL métamatéri nyaéta kontrolabilitas parameter TL (konstanta propagasi) jeung impedansi karakteristik. Kontrolabilitas parameter TL métamatéri nyadiakeun ideu anyar pikeun ngarancang struktur anteneu kalawan ukuran anu leuwih kompak, kinerja anu leuwih luhur, jeung fungsi anyar. Gambar 1 (a), (b), sareng (c) nunjukkeun modél sirkuit tanpa rugi tina jalur transmisi katuhu murni (PRH), jalur transmisi kénca murni (PLH), sareng jalur transmisi kénca-katuhu komposit (CRLH). Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 1(a), modél sirkuit ékuivalén PRH TL biasana mangrupikeun kombinasi induktansi séri sareng kapasitansi shunt. Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 1(b), modél sirkuit PLH TL mangrupikeun kombinasi induktansi shunt sareng kapasitansi séri. Dina aplikasi praktis, henteu layak pikeun nerapkeun sirkuit PLH. Ieu kusabab épék induktansi séri parasit sareng kapasitansi shunt anu teu tiasa dihindari. Ku alatan éta, ciri-ciri jalur transmisi kénca anu tiasa direalisasikeun ayeuna nyaéta sadayana struktur kénca sareng katuhu komposit, sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 1(c).

Gambar 1 Modél sirkuit saluran transmisi anu béda-béda

Konstanta rambatan (γ) tina jalur transmisi (TL) diitung sapertos kieu: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), dimana Y sareng Z masing-masing ngagambarkeun admitansi sareng impedansi. Mertimbangkeun CRLH-TL, Z sareng Y tiasa dikedalkeun sapertos kieu:

CRLH TL anu seragam bakal ngagaduhan hubungan dispersi ieu:

Konstanta fase β tiasa janten angka nyata murni atanapi angka imajinér murni. Upami β leres-leres nyata dina rentang frékuénsi, aya passband dina rentang frékuénsi kusabab kaayaan γ=jβ. Di sisi anu sanés, upami β mangrupikeun angka imajinér murni dina rentang frékuénsi, aya stopband dina rentang frékuénsi kusabab kaayaan γ=α. Stopband ieu unik pikeun CRLH-TL sareng henteu aya dina PRH-TL atanapi PLH-TL. Gambar 2 (a), (b), sareng (c) nunjukkeun kurva dispersi (nyaéta, hubungan ω - β) tina PRH-TL, PLH-TL, sareng CRLH-TL, masing-masing. Dumasar kana kurva dispersi, kecepatan grup (vg=∂ω/∂β) sareng kecepatan fase (vp=ω/β) tina jalur transmisi tiasa diturunkeun sareng diestimasi. Pikeun PRH-TL, ogé tiasa disimpulkeun tina kurva yén vg sareng vp sajajar (nyaéta, vpvg>0). Pikeun PLH-TL, kurva nunjukkeun yén vg sareng vp henteu sajajar (nyaéta, vpvg<0). Kurva dispersi CRLH-TL ogé nunjukkeun ayana daérah LH (nyaéta, vpvg < 0) sareng daérah RH (nyaéta, vpvg > 0). Sakumaha anu tiasa ditingali tina Gambar 2(c), pikeun CRLH-TL, upami γ mangrupikeun angka riil murni, aya pita eureun.

Gambar 2 Kurva dispersi tina jalur transmisi anu béda-béda

Biasana, résonansi séri sareng paralel tina CRLH-TL béda, anu disebut kaayaan teu saimbang. Nanging, nalika frékuénsi résonansi séri sareng paralel sami, éta disebut kaayaan saimbang, sareng modél sirkuit ékuivalén anu disederhanakeun dipidangkeun dina Gambar 3(a).

Gambar 3 Modél sirkuit sareng kurva dispersi jalur transmisi kénca komposit

Nalika frékuénsi ningkat, karakteristik dispersi CRLH-TL laun-laun ningkat. Ieu kusabab kecepatan fase (nyaéta, vp=ω/β) beuki gumantung kana frékuénsi. Dina frékuénsi anu handap, CRLH-TL didominasi ku LH, sedengkeun dina frékuénsi anu luhur, CRLH-TL didominasi ku RH. Ieu ngagambarkeun sifat ganda CRLH-TL. Diagram dispersi kasaimbangan CRLH-TL dipidangkeun dina Gambar 3(b). Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 3(b), transisi ti LH ka RH lumangsung dina:

Dimana ω0 nyaéta frékuénsi transisi. Ku kituna, dina kasus anu saimbang, transisi anu mulus lumangsung ti LH ka RH sabab γ nyaéta angka imajinér murni. Ku kituna, teu aya stopband pikeun dispersi CRLH-TL anu saimbang. Sanaos β nyaéta nol dina ω0 (teu terbatas relatif ka panjang gelombang anu dipandu, nyaéta, λg=2π/|β|), gelombang tetep nyebar sabab vg dina ω0 sanés nol. Nya kitu, dina ω0, pergeseran fase nyaéta nol pikeun TL anu panjangna d (nyaéta, φ= - βd=0). Kamajuan fase (nyaéta, φ>0) lumangsung dina rentang frékuénsi LH (nyaéta, ω<ω0), sareng retardasi fase (nyaéta, φ<0) lumangsung dina rentang frékuénsi RH (nyaéta, ω>ω0). Pikeun CRLH TL, impedansi karakteristik dijelaskeun sapertos kieu:

Dimana ZL sareng ZR masing-masing nyaéta impedansi PLH sareng PRH. Pikeun kasus anu teu saimbang, impedansi karakteristik gumantung kana frékuénsi. Persamaan di luhur nunjukkeun yén kasus anu saimbang henteu gumantung kana frékuénsi, janten tiasa gaduh cocog bandwidth anu lega. Persamaan TL anu diturunkeun di luhur sami sareng parameter konstitutif anu ngahartikeun bahan CRLH. Konstanta rambatan TL nyaéta γ=jβ=Sqrt(ZY). Dibikeun konstanta rambatan bahan (β=ω x Sqrt(εμ)), persamaan ieu tiasa diala:

Sarua kitu, impedansi karakteristik TL, nyaéta, Z0=Sqrt(ZY), sarua jeung impedansi karakteristik bahan, nyaéta, η=Sqrt(μ/ε), anu dikedalkeun salaku:

Indéks bias CRLH-TL anu saimbang sareng henteu saimbang (nyaéta, n = cβ/ω) dipidangkeun dina Gambar 4. Dina Gambar 4, indéks bias CRLH-TL dina rentang LH na négatip sareng indéks bias dina rentang RH na positip.

Gambar 4 Indéks bias has tina CRLH TL anu saimbang sareng henteu saimbang.

1. Jaringan LC
Ku cara ngaruntuykeun sél LC bandpass anu dipidangkeun dina Gambar 5(a), CRLH-TL has kalayan keseragaman efektif panjang d tiasa diwangun sacara périodik atanapi non-périodik. Sacara umum, pikeun mastikeun genah itungan sareng manufaktur CRLH-TL, sirkuit kedah périodik. Dibandingkeun sareng modél Gambar 1(c), sél sirkuit Gambar 5(a) teu gaduh ukuran sareng panjang fisikna alit pisan (nyaéta, Δz dina méter). Nginget panjang listrikna θ=Δφ (rad), fase sél LC tiasa dikedalkeun. Nanging, pikeun leres-leres ngawujudkeun induktansi sareng kapasitansi anu diterapkeun, panjang fisik p kedah ditetepkeun. Pilihan téknologi aplikasi (sapertos microstrip, waveguide coplanar, komponén pemasangan permukaan, jsb.) bakal mangaruhan ukuran fisik sél LC. Sél LC Gambar 5(a) sami sareng modél inkremental Gambar 1(c), sareng watesna p=Δz→0. Numutkeun kaayaan seragam p→0 dina Gambar 5(b), TL bisa diwangun (ku cara ngaruntuykeun sél LC) anu sarua jeung CRLH-TL seragam idéal kalawan panjang d, sahingga TL katempo seragam kana gelombang éléktromagnétik.

Gambar 5 CRLH TL dumasar kana jaringan LC.

Pikeun sél LC, ku cara mertimbangkeun kaayaan wates périodik (PBC) anu sami sareng téoréma Bloch-Floquet, hubungan dispersi sél LC dibuktikeun sareng dikedalkeun sapertos kieu:

Impedansi séri (Z) sareng admitansi shunt (Y) tina sél LC ditangtukeun ku persamaan ieu:

Kusabab panjang listrik tina sirkuit LC unit leutik pisan, pendekatan Taylor tiasa dianggo pikeun kéngingkeun:

2. Implementasi Fisik
Dina bagian samemehna, jaringan LC pikeun ngahasilkeun CRLH-TL parantos dibahas. Jaringan LC sapertos kitu ngan ukur tiasa diwujudkeun ku cara ngadopsi komponén fisik anu tiasa ngahasilkeun kapasitansi (CR sareng CL) sareng induktansi (LR sareng LL) anu diperyogikeun. Dina sababaraha taun ka pengker, aplikasi téknologi pemasangan permukaan (SMT) komponén chip atanapi komponén anu disebarkeun parantos narik minat anu ageung. Microstrip, stripline, coplanar waveguide atanapi téknologi anu sami tiasa dianggo pikeun ngawujudkeun komponén anu disebarkeun. Aya seueur faktor anu kedah dipertimbangkeun nalika milih chip SMT atanapi komponén anu disebarkeun. Struktur CRLH berbasis SMT langkung umum sareng langkung gampang diimplementasikeun dina hal analisis sareng desain. Ieu kusabab kasadiaan komponén chip SMT anu tos aya, anu henteu meryogikeun remodeling sareng manufaktur dibandingkeun sareng komponén anu disebarkeun. Nanging, kasadiaan komponén SMT sumebar, sareng biasana ngan ukur tiasa dianggo dina frékuénsi anu handap (nyaéta, 3-6GHz). Ku alatan éta, struktur CRLH berbasis SMT gaduh rentang frékuénsi operasi anu terbatas sareng karakteristik fase khusus. Salaku conto, dina aplikasi radiasi, komponén chip SMT panginten henteu tiasa dilaksanakeun. Gambar 6 nunjukkeun struktur anu disebarkeun dumasar kana CRLH-TL. Struktur ieu diwujudkeun ku kapasitansi interdigital sareng garis sirkuit pondok, ngabentuk kapasitansi séri CL sareng induktansi paralel LL tina LH masing-masing. Kapasitansi antara garis sareng GND dianggap kapasitansi RH CR, sareng induktansi anu dihasilkeun ku fluks magnét anu dibentuk ku aliran arus dina struktur interdigital dianggap induktansi RH LR.