Antennikatsaus: Katsaus fraktaalimetapintoihin ja antennisuunnitteluun

Fraktaalien käsitteen esitteli matemaatikko Benoit B. Mandelbrot 1970-luvulla, vaikka fraktaaligeometrian alkuperä voidaan jäljittää monien matemaatikkojen, kuten Cantorin (1870), von Kochin (1904), Sierpinskin (1915), Julian (1918), Fatoun (1926) ja Richardsonin (1953), aikaisempaan työhön.
Benoit B. Mandelbrot tutki fraktaalien ja luonnon välistä suhdetta esittelemällä uudentyyppisiä fraktaaleja simuloidakseen monimutkaisempia rakenteita, kuten puita, vuoria ja rannikoita. Hän loi sanan "fraktaali" latinan adjektiivista "fractus", joka tarkoittaa "rikkinäistä" tai "murtunutta", eli koostuvaa rikkoutuneista tai epäsäännöllisistä paloista, kuvaamaan epäsäännöllisiä ja fragmentoituneita geometrisia muotoja, joita ei voida luokitella perinteisen euklidisen geometrian avulla. Lisäksi hän kehitti matemaattisia malleja ja algoritmeja fraktaalien luomiseksi ja tutkimiseksi, mikä johti kuuluisan Mandelbrotin joukon luomiseen, joka on luultavasti tunnetuin ja visuaalisesti kiehtovin fraktaalimuoto, jossa on monimutkaisia ​​ja äärettömän toistuvia kuvioita (katso kuva 1d).
Mandelbrotin työllä on ollut vaikutusta paitsi matematiikkaan, myös sovelluksia useilla aloilla, kuten fysiikassa, tietokonegrafiikassa, biologiassa, taloustieteessä ja taiteessa. Itse asiassa fraktaaleilla on lukuisia innovatiivisia sovelluksia eri aloilla, koska ne pystyvät mallintamaan ja esittämään monimutkaisia ​​ja itseään muistuttavia rakenteita. Esimerkiksi niitä on käytetty laajalti seuraavilla sovellusalueilla, jotka ovat vain muutamia esimerkkejä niiden laajasta sovelluksesta:
1. Tietokonegrafiikka ja animaatio, realististen ja visuaalisesti houkuttelevien luonnonmaisemien, puiden, pilvien ja tekstuurien luominen;
2. Tiedonpakkaustekniikka digitaalisten tiedostojen koon pienentämiseksi;
3. Kuvan ja signaalin käsittely, ominaisuuksien erottaminen kuvista, kuvioiden havaitseminen ja tehokkaiden kuvanpakkaus- ja rekonstruointimenetelmien tarjoaminen;
4. Biologia, joka kuvaa kasvien kasvua ja aivojen hermosolujen organisaatiota;
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) teknologiassa fraktaalimuodot ovat erittäin hyödyllisiä sovelluksissa, jotka vaativat pienentämistä, antenneista metamateriaaleihin ja taajuusselektiivisiin pintoihin (FSS). Fraktaaligeometrian käyttö perinteisissä antenneissa voi lisätä niiden sähköistä pituutta, mikä pienentää resonanssirakenteen kokonaiskokoa. Lisäksi fraktaalimuotojen itsesimilaarinen luonne tekee niistä ihanteellisia monikaistaisten tai laajakaistaisten resonanssirakenteiden toteuttamiseen. Fraktaalien luontaiset miniatyrisointiominaisuudet ovat erityisen houkuttelevia heijastusmatriisien, vaiheistettujen matriisiantennien, metamateriaaliabsorboijien ja metapintojen suunnittelussa erilaisiin sovelluksiin. Itse asiassa hyvin pienten matriisielementtien käyttö voi tuoda useita etuja, kuten keskinäisen kytkennän vähentämisen tai mahdollisuuden työskennellä matriisien kanssa, joilla on hyvin pieni elementtiväli, mikä varmistaa hyvän skannaustehon ja korkeamman kulmavakauden.
Edellä mainituista syistä fraktaaliantennit ja metapinnat edustavat kahta kiehtovaa tutkimusaluetta sähkömagneettisuuden alalla, jotka ovat herättäneet paljon huomiota viime vuosina. Molemmat konseptit tarjoavat ainutlaatuisia tapoja manipuloida ja hallita sähkömagneettisia aaltoja, ja niillä on laaja valikoima sovelluksia langattomassa viestinnässä, tutkajärjestelmissä ja sensoritekniikassa. Niiden itsesimilaariset ominaisuudet mahdollistavat niiden pienen koon ja samalla erinomaisen sähkömagneettisen vasteen. Tämä kompaktius on erityisen edullista ahtaissa sovelluksissa, kuten mobiililaitteissa, RFID-tunnisteissa ja ilmailu- ja avaruusjärjestelmissä.
Fraktaaliantennien ja metapintojen käytöllä on potentiaalia parantaa merkittävästi langatonta viestintää, kuvantamista ja tutkajärjestelmiä, koska ne mahdollistavat kompaktien, tehokkaiden ja toiminnallisuudeltaan parannettujen laitteiden valmistuksen. Lisäksi fraktaaligeometriaa käytetään yhä enemmän materiaalidiagnostiikassa käytettävien mikroaaltoantureiden suunnittelussa, koska se pystyy toimimaan useilla taajuusalueilla ja sitä voidaan pienentää. Näillä aloilla tehtävä tutkimus jatkaa uusien mallien, materiaalien ja valmistustekniikoiden tutkimista niiden täyden potentiaalin hyödyntämiseksi.
Tässä artikkelissa tarkastellaan fraktaaliantennien ja metapintojen tutkimus- ja sovelluskehitystä sekä vertaillaan olemassa olevia fraktaalipohjaisia ​​antenneja ja metapintoja korostaen niiden etuja ja rajoituksia. Lopuksi esitetään kattava analyysi innovatiivisista heijastusmatriiseista ja metamateriaaliyksiköistä ja käsitellään näiden sähkömagneettisten rakenteiden haasteita ja tulevaa kehitystä.