Antenos apžvalga: fraktalinių metapaviršių ir antenos dizaino apžvalga

Fraktalų sąvoką aštuntajame dešimtmetyje pristatė matematikas Benoit B. Mandelbrot, nors fraktalų geometrijos ištakas galima atsekti ankstesniuose daugelio matematikų, tokių kaip Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915), Julia (1918), Fatou (1926) ir Richardson (1953), darbuose.
Benoit B. Mandelbrot tyrinėjo fraktalų ir gamtos ryšį, pristatydamas naujų tipų fraktalus, kad imituotų sudėtingesnes struktūras, tokias kaip medžiai, kalnai ir pakrantės. Žodį „fraktalas“ jis sukūrė iš lotyniško būdvardžio „fractus“, reiškiančio „sulaužytas“ arba „suskilęs“, t. y. sudarytas iš sulaužytų arba netaisyklingų gabalėlių, norėdamas apibūdinti netaisyklingas ir suskaidytas geometrines figūras, kurių negalima klasifikuoti pagal tradicinę euklidinę geometriją. Be to, jis sukūrė matematinius modelius ir algoritmus fraktalų generavimui ir tyrimui, kurie lėmė garsiojo Mandelbrot aibės, kuri yra bene garsiausia ir vizualiai žaviausia fraktalinė figūra su sudėtingais ir be galo pasikartojančiais raštais, sukūrimą (žr. 1d pav.).
Mandelbroto darbai turėjo įtakos ne tik matematikai, bet ir įvairiose srityse, tokiose kaip fizika, kompiuterinė grafika, biologija, ekonomika ir menas. Iš tiesų, dėl savo gebėjimo modeliuoti ir pavaizduoti sudėtingas ir panašias į save struktūras, fraktalai turi daugybę novatoriškų pritaikymų įvairiose srityse. Pavyzdžiui, jie buvo plačiai naudojami šiose taikymo srityse, kurios yra tik keli jų plataus pritaikymo pavyzdžiai:
1. Kompiuterinė grafika ir animacija, kuriantys tikroviškus ir vizualiai patrauklius gamtos peizažus, medžius, debesis ir tekstūras;
2. Duomenų glaudinimo technologija, skirta sumažinti skaitmeninių failų dydį;
3. Vaizdų ir signalų apdorojimas, savybių išskyrimas iš vaizdų, šablonų aptikimas ir efektyvių vaizdų glaudinimo bei rekonstrukcijos metodų taikymas;
4. Biologija, aprašanti augalų augimą ir neuronų organizaciją smegenyse;
5. Antenų teorija ir metamedžiagos, kompaktiškų / daugiajuosčių antenų ir inovatyvių metapaviršių projektavimas.
Šiuo metu fraktalinė geometrija ir toliau randa naujų ir novatoriškų panaudojimo būdų įvairiose mokslo, meno ir technologijų disciplinose.
Elektromagnetinėje (EM) technologijoje fraktalinės formos yra labai naudingos taikymams, kuriems reikalinga miniatiūrizacija, pradedant antenomis ir baigiant metamedžiagomis bei dažnio atrankos paviršiais (FSS). Naudojant fraktalinę geometriją įprastose antenose, galima padidinti jų elektrinį ilgį, taip sumažinant bendrą rezonansinės struktūros dydį. Be to, fraktalinių formų panašumas į save daro jas idealias daugiajuostėms arba plačiajuosčio ryšio rezonansinėms struktūroms realizuoti. Dėl fraktalų miniatiūrizacijos galimybių jos yra ypač patrauklios projektuojant atspindinčias matricas, fazinių gardelių antenas, metamedžiagų absorberius ir metapaviršius įvairioms reikmėms. Iš tiesų, labai mažų gardelių elementų naudojimas gali suteikti keletą privalumų, pavyzdžiui, sumažinti tarpusavio sąveiką arba galimybę dirbti su gardelėmis su labai mažais elementų tarpais, taip užtikrinant gerą skenavimo našumą ir didesnį kampinio stabilumo lygį.
Dėl aukščiau paminėtų priežasčių fraktalinės antenos ir metapaviršiai yra dvi įdomios elektromagnetikos srities tyrimų sritys, kurios pastaraisiais metais sulaukė daug dėmesio. Abi koncepcijos siūlo unikalius būdus manipuliuoti ir valdyti elektromagnetines bangas, turinčias platų pritaikymo spektrą belaidžio ryšio, radarų sistemų ir jutiklių srityse. Dėl savo panašių savybių jos yra mažo dydžio, tačiau išlaiko puikų elektromagnetinį atsaką. Šis kompaktiškumas ypač naudingas erdvės apribojimų taikymuose, tokiuose kaip mobilieji įrenginiai, RFID žymos ir kosmoso sistemos.
Fraktalinių antenų ir metapaviršių naudojimas gali gerokai patobulinti belaidžio ryšio, vaizdo gavimo ir radarų sistemas, nes jos leidžia sukurti kompaktiškus, didelio našumo įrenginius su patobulintomis funkcijomis. Be to, fraktalinė geometrija vis dažniau naudojama projektuojant mikrobangų jutiklius medžiagų diagnostikai, nes ji gali veikti keliose dažnių juostose ir būti miniatiūrizuota. Nuolatiniai tyrimai šiose srityse ir toliau ieško naujų dizainų, medžiagų ir gamybos būdų, siekiant išnaudoti visą jų potencialą.
Šio straipsnio tikslas – apžvelgti fraktalinių antenų ir metapaviršių tyrimų ir taikymo pažangą bei palyginti esamas fraktalinėmis antenomis ir metapaviršiais pagrįstas antenas ir metapaviršius, pabrėžiant jų privalumus ir trūkumus. Galiausiai pateikiama išsami novatoriškų atspindžių matricų ir metamedžiagų blokų analizė, aptariami šių elektromagnetinių struktūrų iššūkiai ir būsima plėtra.