I. Ynlieding
Fraktalen binne wiskundige objekten dy't selsferlykbere eigenskippen fertoane op ferskillende skalen. Dit betsjut dat as jo yn- of útzoome op in fraktale foarm, elk fan syn ûnderdielen der tige op liket op it gehiel; dat wol sizze, ferlykbere geometryske patroanen of struktueren werhelje har op ferskillende fergruttingsnivo's (sjoch fraktale foarbylden yn figuer 1). De measte fraktalen hawwe yngewikkelde, detaillearre en ûneinich komplekse foarmen.
figuer 1
It konsept fan fraktalen waard yntrodusearre troch wiskundige Benoit B. Mandelbrot yn 'e jierren '70, hoewol de oarsprong fan fraktale geometry weromfierd wurde kin nei it eardere wurk fan in protte wiskundigen, lykas Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915), Julia (1918), Fatou (1926), en Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot bestudearre de relaasje tusken fraktalen en de natuer troch nije soarten fraktalen yn te fieren om kompleksere struktueren te simulearjen, lykas beammen, bergen en kustlinen. Hy betocht it wurd "fraktaal" fan it Latynske eigenskipswurd "fractus", dat "brutsen" of "fraktuerd" betsjut, d.w.s. gearstald út brutsen of unregelmjittige stikken, om unregelmjittige en fragmintearre geometryske foarmen te beskriuwen dy't net klassifisearre wurde kinne troch tradisjonele Euklidyske geometry. Derneist ûntwikkele hy wiskundige modellen en algoritmen foar it generearjen en bestudearjen fan fraktalen, wat late ta de skepping fan 'e ferneamde Mandelbrot-set, dy't wierskynlik de meast ferneamde en fisueel fassinearjende fraktale foarm is mei komplekse en ûneinich werhellende patroanen (sjoch figuer 1d).
It wurk fan Mandelbrot hat net allinnich ynfloed hân op wiskunde, mar hat ek tapassingen yn ferskate fjilden lykas natuerkunde, kompjûtergrafiken, biology, ekonomy en keunst. Eins hawwe fraktalen, troch har fermogen om komplekse en selsferlykbere struktueren te modellearjen en te fertsjintwurdigjen, tal fan ynnovative tapassingen yn ferskate fjilden. Se binne bygelyks breed brûkt yn 'e folgjende tapassingsgebieten, dy't mar in pear foarbylden binne fan har brede tapassing:
1. Kompjûtergrafiken en animaasje, dy't realistyske en fisueel oantreklike natuerlike lânskippen, beammen, wolken en tekstueren generearje;
2. Datakompresjetechnology om de grutte fan digitale bestannen te ferminderjen;
3. Ofbyldings- en sinjaalferwurking, it ekstrahearjen fan funksjes út ôfbyldings, it detektearjen fan patroanen, en it leverjen fan effektive metoaden foar ôfbyldingskompresje en rekonstruksje;
4. Biology, dy't de groei fan planten en de organisaasje fan neuroanen yn 'e harsens beskriuwt;
5. Antenneteory en metamaterialen, ûntwerpen fan kompakte/multibandantennes en ynnovative metasurfaces.
Op it stuit bliuwt fraktale geometry nije en ynnovative gebrûken fine yn ferskate wittenskiplike, artistike en technologyske dissiplines.
Yn elektromagnetyske (EM) technology binne fraktale foarmen tige nuttich foar tapassingen dy't miniaturisaasje fereaskje, fan antennes oant metamaterialen en frekwinsjeselektive oerflakken (FSS). It brûken fan fraktale geometry yn konvinsjonele antennes kin har elektryske lingte fergrutsje, wêrtroch't de totale grutte fan 'e resonante struktuer fermindere wurdt. Derneist makket de sels-ferlykbere aard fan fraktale foarmen se ideaal foar it realisearjen fan multiband- of breedbânresonante struktueren. De ynherinte miniaturisaasjemooglikheden fan fraktalen binne benammen oantreklik foar it ûntwerpen fan reflektearjende arrays, phased array-antennes, metamateriaalabsorbers en metasurfaces foar ferskate tapassingen. Eins kin it brûken fan heul lytse array-eleminten ferskate foardielen bringe, lykas it ferminderjen fan ûnderlinge koppeling of it kinne wurkje mei arrays mei heul lytse elemintôfstân, wêrtroch't goede scanprestaasjes en hegere nivo's fan hoekestabiliteit garandearre wurde.
Om de hjirboppe neamde redenen fertsjintwurdigje fraktale antennes en metasurfaces twa fassinearjende ûndersyksgebieten op it mêd fan elektromagnetika dy't de lêste jierren in soad oandacht lutsen hawwe. Beide konsepten biede unike manieren om elektromagnetyske weagen te manipulearjen en te kontrolearjen, mei in breed skala oan tapassingen yn draadloze kommunikaasje, radarsystemen en deteksje. Harren selsferlykbere eigenskippen meitsje it mooglik dat se lyts fan grutte binne, wylst se in poerbêste elektromagnetyske respons behâlde. Dizze kompaktheid is benammen foardielich yn romtebeheinde tapassingen, lykas mobile apparaten, RFID-tags en loftfeartsystemen.
It gebrûk fan fraktale antennes en meta-oerflakken hat de potinsje om draadloze kommunikaasje, ôfbylding en radarsystemen signifikant te ferbetterjen, om't se kompakte, hege prestaasjes apparaten mei ferbettere funksjonaliteit mooglik meitsje. Derneist wurdt fraktale geometry hieltyd faker brûkt yn it ûntwerp fan mikrogolfsensors foar materiaaldiagnostyk, fanwegen syn fermogen om te operearjen yn meardere frekwinsjebannen en syn fermogen om miniaturisearre te wurden. Oanhâldend ûndersyk op dizze gebieten bliuwt nije ûntwerpen, materialen en fabrikaazjetechniken ferkenne om har folsleine potinsjeel te realisearjen.
Dit artikel hat as doel de foarútgong fan ûndersyk en tapassing fan fraktale antennes en metasurfaces te besjen en besteande fraktale antennes en metasurfaces te fergelykjen, wêrby't har foardielen en beheiningen wurde markearre. Ta beslút wurdt in wiidweidige analyze fan ynnovative reflektearjende arrays en metamateriaal-ienheden presintearre, en wurde de útdagings en takomstige ûntwikkelingen fan dizze elektromagnetyske struktueren besprutsen.
2. FraktaalAntenneEleminten
It algemiene konsept fan fraktalen kin brûkt wurde om eksoatyske antenne-eleminten te ûntwerpen dy't bettere prestaasjes leverje as konvinsjonele antennes. Fraktale antenne-eleminten kinne kompakt fan grutte wêze en multiband- en/of breedbânmooglikheden hawwe.
It ûntwerp fan fraktale antennes omfettet it werheljen fan spesifike geometryske patroanen op ferskate skalen binnen de antennestruktuer. Dit sels-ferlykbere patroan lit ús de totale lingte fan 'e antenne fergrutsje binnen in beheinde fysike romte. Derneist kinne fraktale radiatoren meardere bannen berikke, om't ferskate dielen fan 'e antenne op ferskate skalen op elkoar lykje. Dêrom kinne fraktale antenne-eleminten kompakt en multiband wêze, wêrtroch't in bredere frekwinsjedekking ûntstiet as konvinsjonele antennes.
It konsept fan fraktale antennes kin weromfierd wurde nei de lette jierren '80. Yn 1986 demonstrearren Kim en Jaggard de tapassing fan fraktale sels-similariteit yn antenne-array-synteze.
Yn 1988 boude natuerkundige Nathan Cohen de earste fraktale elemintantenne fan 'e wrâld. Hy stelde foar dat troch selsferlykbere geometry yn 'e antennestruktuer op te nimmen, de prestaasjes en miniaturisaasjemooglikheden ferbettere wurde koene. Yn 1995 wie Cohen mei-oprjochter fan Fractal Antenna Systems Inc., dat begon mei it leverjen fan 'e earste kommersjele fraktale antenne-oplossingen fan 'e wrâld.
Mids jierren '90 demonstrearren Puente et al. de multibandmooglikheden fan fraktalen mei help fan Sierpinski's monopoal en dipoal.
Sûnt it wurk fan Cohen en Puente hawwe de ynherinte foardielen fan fraktale antennes grutte belangstelling lutsen fan ûndersikers en yngenieurs op it mêd fan telekommunikaasje, wat laat hat ta fierdere ferkenning en ûntwikkeling fan fraktale antennetechnology.
Tsjintwurdich wurde fraktale antennes in soad brûkt yn draadloze kommunikaasjesystemen, ynklusyf mobile tillefoans, Wi-Fi-routers en satellytkommunikaasje. Eins binne fraktale antennes lyts, multiband en tige effisjint, wêrtroch't se geskikt binne foar in ferskaat oan draadloze apparaten en netwurken.
De folgjende figueren litte guon fraktale antennes sjen basearre op bekende fraktale foarmen, dy't mar in pear foarbylden binne fan 'e ferskate konfiguraasjes dy't yn 'e literatuer besprutsen wurde.
Spesifyk lit figuer 2a de Sierpinski-monopole sjen dy't yn Puente foarsteld is, dy't by steat is om multiband-operaasje te leverjen. De Sierpinski-trijehoek wurdt foarme troch de sintrale omkearde trijehoek fan 'e haadtrijehoek ôf te lûken, lykas te sjen is yn figuer 1b en figuer 2a. Dit proses lit trije gelikense trijehoeken op 'e struktuer oer, elk mei in sydlingte fan 'e helte fan dy fan 'e begjintrijehoek (sjoch figuer 1b). Deselde ôflûkproseduere kin werhelle wurde foar de oerbleaune trijehoeken. Dêrom is elk fan syn trije haaddielen presys gelyk oan it heule objekt, mar yn twa kear de ferhâlding, ensafuorthinne. Fanwegen dizze spesjale oerienkomsten kin Sierpinski meardere frekwinsjebannen leverje, om't ferskate dielen fan 'e antenne op ferskate skalen oan elkoar gelyk binne. Lykas te sjen is yn figuer 2, wurket de foarstelde Sierpinski-monopole yn 5 bannen. It kin sjoen wurde dat elk fan 'e fiif subpakkingen (sirkelstrukturen) yn figuer 2a in skaalferzje is fan 'e heule struktuer, wêrtroch fiif ferskillende wurkfrekwinsjebannen levere wurde, lykas te sjen is yn 'e ynfierrefleksjekoëffisjint yn figuer 2b. De figuer lit ek de parameters sjen dy't relatearre binne oan elke frekwinsjebân, ynklusyf de frekwinsjewearde fn (1 ≤ n ≤ 5) by de minimale wearde fan it mjitten ynfierretourferlies (Lr), de relative bânbreedte (Bwidth), en de frekwinsjeferhâlding tusken twa neistlizzende frekwinsjebannen (δ = fn +1/fn). Figuer 2b lit sjen dat de bannen fan 'e Sierpinski-monopolen logaritmysk periodyk ferdield binne mei in faktor fan 2 (δ ≅ 2), wat oerienkomt mei deselde skalearringsfaktor dy't oanwêzich is yn ferlykbere struktueren yn fraktale foarm.
figuer 2
Figuer 3a lit in lytse lange triedantenne sjen basearre op 'e Koch-fraktale kromme. Dizze antenne wurdt foarsteld om te sjen litten hoe't de romte-foljende eigenskippen fan fraktale foarmen brûkt wurde kinne om lytse antennes te ûntwerpen. Eins is it ferminderjen fan 'e grutte fan antennes it úteinlike doel fan in grut oantal tapassingen, foaral dyjingen dy't mobile terminals omfetsje. De Koch-monopool wurdt makke mei de fraktale konstruksjemetoade werjûn yn figuer 3a. De earste iteraasje K0 is in rjochte monopool. De folgjende iteraasje K1 wurdt krigen troch in oerienkomsttransformaasje ta te passen op K0, ynklusyf skalearring mei ien tredde en rotaasje mei respektivelik 0°, 60°, −60° en 0°. Dit proses wurdt iteratyf werhelle om de folgjende eleminten Ki (2 ≤ i ≤ 5) te krijen. Figuer 3a lit in fiif-iteraasjeferzje sjen fan 'e Koch-monopool (d.w.s. K5) mei in hichte h gelyk oan 6 sm, mar de totale lingte wurdt jûn troch de formule l = h ·(4/3) 5 = 25,3 sm. Fiif antennes dy't oerienkomme mei de earste fiif iteraasjes fan 'e Koch-kromme binne realisearre (sjoch figuer 3a). Sawol eksperiminten as gegevens litte sjen dat de Koch-fraktale monopoal de prestaasjes fan 'e tradisjonele monopoal kin ferbetterje (sjoch figuer 3b). Dit suggerearret dat it mooglik wêze kin om fraktale antennes te "miniaturisearjen", wêrtroch't se yn lytsere folumes passe kinne, wylst effisjinte prestaasjes behâlden wurde.
figuer 3
Figuer 4a lit in fraktale antenne sjen basearre op in Cantor-set, dy't brûkt wurdt om in breedbânantenne te ûntwerpen foar enerzjy-rispinge-tapassingen. De unike eigenskip fan fraktale antennes dy't meardere neistlizzende resonânsjes yntrodusearje, wurdt eksploitearre om in bredere bânbreedte te leverjen as konvinsjonele antennes. Lykas te sjen is yn figuer 1a, is it ûntwerp fan 'e Cantor-fraktale set tige ienfâldich: de earste rjochte line wurdt kopiearre en ferdield yn trije gelikense segminten, wêrfan it sintrale segmint fuorthelle wurdt; itselde proses wurdt dan iteratyf tapast op 'e nij generearre segminten. De fraktale iteraasjestappen wurde werhelle oant in antennebânbreedte (BW) fan 0,8–2,2 GHz berikt wurdt (d.w.s. 98% BW). Figuer 4 lit in foto sjen fan it realisearre antenneprototype (figuer 4a) en syn ynfierrefleksjekoëffisjint (figuer 4b).
figuer 4
Figuer 5 jout mear foarbylden fan fraktale antennes, ynklusyf in Hilbert-kromme-basearre monopoalantenne, in Mandelbrot-basearre mikrostrip-patchantenne, en in Koch-eilân (of "snieflokken") fraktale patch.
figuer 5
Uteinlik lit figuer 6 ferskate fraktale arranzjeminten fan array-eleminten sjen, ynklusyf Sierpinski-tapytplanêre arrays, Cantor-ringarrays, Cantor-lineêre arrays en fraktale beammen. Dizze arranzjeminten binne nuttich foar it generearjen fan sparse arrays en/of it berikken fan multibandprestaasjes.
figuer 6
Om mear te learen oer antennes, kinne jo terecht op:
Pleatsingstiid: 26 july 2024
