Antenos apžvalga: Fraktalų metapaviršių ir antenos dizaino apžvalga

Fraktalų sąvoką aštuntajame dešimtmetyje įvedė matematikas Benoit B. Mandelbrot, nors fraktalų geometrijos ištakos gali būti siejamos su ankstesniais daugelio matematikų, tokių kaip Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915), darbais. ), Julia (1918), Fatou (1926) ir Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot tyrinėjo ryšį tarp fraktalų ir gamtos, pristatydamas naujus fraktalų tipus, kad imituotų sudėtingesnes struktūras, tokias kaip medžiai, kalnai ir pakrantės. Jis sugalvojo žodį „fraktalas“ iš lotyniško būdvardžio „fractus“, reiškiančio „sulaužytas“ arba „sulaužytas“, ty sudarytas iš lūžusių ar netaisyklingų gabalų, kad apibūdintų netaisyklingas ir suskaidytas geometrines figūras, kurių negalima klasifikuoti pagal tradicinę euklidinę geometriją. Be to, jis sukūrė matematinius modelius ir algoritmus, skirtus generuoti ir tirti fraktalus, todėl buvo sukurtas garsusis Mandelbrot rinkinys, kuris yra bene garsiausia ir vizualiai patraukliausia fraktalų forma su sudėtingais ir be galo pasikartojančiais raštais (žr. 1d pav.).
Mandelbroto darbai turėjo įtakos ne tik matematikai, bet ir pritaikyti įvairiose srityse, tokiose kaip fizika, kompiuterinė grafika, biologija, ekonomika ir menas. Tiesą sakant, dėl gebėjimo modeliuoti ir reprezentuoti sudėtingas ir panašias struktūras, fraktalai turi daug naujoviškų pritaikymų įvairiose srityse. Pavyzdžiui, jie buvo plačiai naudojami šiose taikymo srityse, kurios yra tik keli plataus jų taikymo pavyzdžiai:
1. Kompiuterinė grafika ir animacija, kurianti tikroviškus ir vizualiai patrauklius gamtos peizažus, medžius, debesis ir tekstūras;
2. Duomenų glaudinimo technologija, skirta sumažinti skaitmeninių failų dydį;
3. Vaizdo ir signalo apdorojimas, ypatybių išskyrimas iš vaizdų, raštų aptikimas ir veiksmingų vaizdo glaudinimo ir atkūrimo metodų teikimas;
4. Biologija, apibūdinanti augalų augimą ir neuronų organizaciją smegenyse;
5. Antenų teorija ir metamedžiagos, kompaktiškų/daugiajuosčių antenų ir novatoriškų metapaviršių projektavimas.
Šiuo metu fraktalinė geometrija ir toliau randa naujų ir novatoriškų panaudojimo būdų įvairiose mokslo, meno ir technologijų srityse.
Elektromagnetinėje (EM) technologijoje fraktalų formos yra labai naudingos tais atvejais, kai reikia miniatiūrizuoti, nuo antenų iki metamedžiagų ir dažnių selektyvių paviršių (FSS). Fraktalinės geometrijos naudojimas įprastose antenose gali padidinti jų elektrinį ilgį ir taip sumažinti bendrą rezonansinės struktūros dydį. Be to, dėl savo panašaus fraktalų formų pobūdžio jie idealiai tinka kelių juostų arba plačiajuosčio ryšio rezonansinėms struktūroms realizuoti. Fraktalams būdingos miniatiūrizacijos galimybės yra ypač patrauklios kuriant reflektoriaus matricas, fazuotų matricų antenas, metamedžiagų sugėriklius ir metapaviršius įvairioms reikmėms. Tiesą sakant, labai mažų masyvo elementų naudojimas gali duoti keletą privalumų, pavyzdžiui, sumažinti tarpusavio ryšį arba dirbti su matricomis, kurių atstumas tarp elementų yra labai mažas, taip užtikrinant gerą nuskaitymo našumą ir aukštesnį kampinio stabilumo lygį.
Dėl aukščiau paminėtų priežasčių fraktalinės antenos ir metapaviršiai yra dvi patrauklios tyrimų sritys elektromagnetikos srityje, kurios pastaraisiais metais sulaukė daug dėmesio. Abi koncepcijos siūlo unikalius būdus, kaip manipuliuoti ir valdyti elektromagnetines bangas, plačiai pritaikytos belaidžio ryšio, radarų sistemose ir jutimo srityse. Jų panašios savybės leidžia jiems būti mažo dydžio, išlaikant puikų elektromagnetinį atsaką. Šis kompaktiškumas ypač naudingas naudojant ribotą erdvę, pvz., mobiliuosius įrenginius, RFID žymas ir kosmoso sistemas.
Fraktalinių antenų ir metapaviršių naudojimas gali žymiai pagerinti belaidžio ryšio, vaizdo gavimo ir radarų sistemas, nes jos įgalina kompaktiškus, didelio našumo įrenginius su patobulintu funkcionalumu. Be to, fraktalinė geometrija vis dažniau naudojama kuriant mikrobangų jutiklius medžiagų diagnostikai, nes ji gali veikti keliose dažnių juostose ir gali būti miniatiūrizuota. Vykdomi tyrimai šiose srityse ir toliau tiria naujus dizainus, medžiagas ir gamybos būdus, kad būtų išnaudotas visas jų potencialas.
Šiame darbe siekiama apžvelgti fraktalinių antenų ir metapaviršių tyrimų ir taikymo pažangą bei palyginti esamas fraktalų antenas ir metapaviršius, išryškinant jų privalumus ir trūkumus. Galiausiai pateikiama išsami naujoviškų reflektorių ir metamedžiagų vienetų analizė, aptariami šių elektromagnetinių struktūrų iššūkiai ir ateities raida.