Antennikatsaus: Fractal Metasurfaces and Antenna Design -katsaus

Fraktaalien käsitteen esitteli matemaatikko Benoit B. Mandelbrot 1970-luvulla, vaikka fraktaaligeometrian alkuperä voidaan jäljittää monien matemaatikoiden, kuten Cantorin (1870), von Kochin (1904), Sierpinskin (1915) aikaisempiin töihin. ), Julia (1918), Fatou (1926) ja Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot tutki fraktaalien ja luonnon välistä suhdetta ottamalla käyttöön uudentyyppisiä fraktaaleja, jotka simuloivat monimutkaisempia rakenteita, kuten puita, vuoria ja rannikkoviivoja. Hän loi sanan "fraktaali" latinalaisesta adjektiivista "fractus", joka tarkoittaa "rikki" tai "murtunut", eli se koostuu rikkoutuneista tai epäsäännöllisistä kappaleista, kuvaamaan epäsäännöllisiä ja pirstoutuneita geometrisia muotoja, joita ei voida luokitella perinteisellä euklidisella geometrialla. Lisäksi hän kehitti matemaattisia malleja ja algoritmeja fraktaalien luomiseen ja tutkimiseen, mikä johti kuuluisan Mandelbrot-joukon luomiseen, joka on luultavasti tunnetuin ja visuaalisesti kiehtovin fraktaalimuoto monimutkaisine ja loputtomasti toistuvine kuvioineen (katso kuva 1d).
Mandelbrotin työllä ei ole ollut vaikutusta vain matematiikkaan, vaan sillä on myös sovelluksia eri aloilla, kuten fysiikassa, tietokonegrafiikassa, biologiassa, taloustieteessä ja taiteessa. Itse asiassa, koska fraktaalit pystyvät mallintamaan ja esittämään monimutkaisia ​​ja samankaltaisia ​​rakenteita, niillä on lukuisia innovatiivisia sovelluksia eri aloilla. Niitä on käytetty laajalti esimerkiksi seuraavilla sovellusalueilla, jotka ovat vain muutamia esimerkkejä niiden laajasta sovelluksesta:
1. Tietokonegrafiikka ja -animaatio, joka tuottaa realistisia ja visuaalisesti houkuttelevia luonnonmaisemia, puita, pilviä ja tekstuureja;
2. Tietojen pakkaustekniikka digitaalisten tiedostojen koon pienentämiseksi;
3. Kuvan ja signaalin käsittely, piirteiden erottaminen kuvista, kuvioiden havaitseminen ja tehokkaiden kuvanpakkaus- ja rekonstruointimenetelmien tarjoaminen;
4. Biologia, joka kuvaa kasvien kasvua ja hermosolujen järjestystä aivoissa;
5. Antenniteoria ja metamateriaalit, kompaktien/monikaistaisten antennien ja innovatiivisten metapintojen suunnittelu.
Tällä hetkellä fraktaaligeometria löytää jatkuvasti uusia ja innovatiivisia käyttötarkoituksia eri tieteen, taiteen ja teknologian aloilla.
Sähkömagneettisessa (EM) tekniikassa fraktaalimuodot ovat erittäin hyödyllisiä sovelluksissa, jotka vaativat pienentämistä, antenneista metamateriaaleihin ja taajuusselektiivisiin pintoihin (FSS). Fraktaaligeometrian käyttäminen tavanomaisissa antenneissa voi lisätä niiden sähköistä pituutta, mikä vähentää resonanssirakenteen kokonaiskokoa. Lisäksi fraktaalimuotojen itsensä samankaltaisuus tekee niistä ihanteellisia monikaistaisten tai laajakaistaisten resonanssirakenteiden toteuttamiseen. Fraktaalien luontaiset miniatyrisointiominaisuudet ovat erityisen houkuttelevia heijastusryhmien, vaiheistettujen ryhmäantennien, metamateriaalin absorboijien ja metapintojen suunnittelussa erilaisiin sovelluksiin. Itse asiassa hyvin pienten ryhmäelementtien käyttö voi tuoda useita etuja, kuten vähentää keskinäistä kytkentää tai työskennellä ryhmien kanssa, joiden elementtiväli on hyvin pieni, mikä varmistaa hyvän skannaussuorituskyvyn ja korkeamman kulmavakauden.
Edellä mainituista syistä fraktaaliantennit ja metapinnat edustavat kahta kiehtovaa sähkömagneettisen alan tutkimusaluetta, jotka ovat herättäneet paljon huomiota viime vuosina. Molemmat konseptit tarjoavat ainutlaatuisia tapoja manipuloida ja hallita sähkömagneettisia aaltoja, ja ne tarjoavat laajan valikoiman sovelluksia langattomassa viestinnässä, tutkajärjestelmissä ja anturissa. Niiden itsensä samankaltaiset ominaisuudet mahdollistavat niiden pienen koon säilyttäen samalla erinomaisen sähkömagneettisen vasteen. Tämä tiiviys on erityisen edullinen avaruusrajoitteisissa sovelluksissa, kuten mobiililaitteissa, RFID-tunnisteissa ja ilmailujärjestelmissä.
Fraktaaliantennien ja metapintojen käytöllä on potentiaalia parantaa merkittävästi langattomia viestintä-, kuvantamis- ja tutkajärjestelmiä, koska ne mahdollistavat kompakteja, tehokkaita laitteita, joissa on paranneltu toiminnallisuus. Lisäksi fraktaaligeometriaa käytetään yhä enemmän materiaalidiagnostiikkaan tarkoitettujen mikroaaltoanturien suunnittelussa, koska se pystyy toimimaan useilla taajuuskaistoilla ja sen kyky pienentää. Jatkuva tutkimus näillä aloilla jatkaa uusien mallien, materiaalien ja valmistustekniikoiden tutkimista niiden täyden potentiaalin toteuttamiseksi.
Tämän artikkelin tarkoituksena on tarkastella fraktaaliantennien ja metapintojen tutkimus- ja soveltamisprosessia ja vertailla olemassa olevia fraktaalipohjaisia ​​antenneja ja metapintoja korostaen niiden etuja ja rajoituksia. Lopuksi esitetään kattava analyysi innovatiivisista heijastusjärjestelmistä ja metamateriaaliyksiköistä sekä keskustellaan näiden sähkömagneettisten rakenteiden haasteista ja tulevasta kehityksestä.