Antenna Review: A Fractal Metasurfaces and Antenna Design áttekintése

A fraktálok fogalmát Benoit B. Mandelbrot matematikus vezette be az 1970-es években, bár a fraktálgeometria eredete számos matematikus, például Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915) korábbi munkáira vezethető vissza. ), Julia (1918), Fatou (1926) és Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot a fraktálok és a természet kapcsolatát tanulmányozta új típusú fraktálok bevezetésével bonyolultabb struktúrák, például fák, hegyek és tengerpartok szimulálására. A „fraktál” szót a latin „fractus” melléknévből alkotta meg, ami „törött” vagy „törött”, azaz törött vagy szabálytalan darabokból álló, szabálytalan és töredezett geometriai formák leírására szolgál, amelyeket a hagyományos euklideszi geometria nem minősíthet. Emellett matematikai modelleket és algoritmusokat dolgozott ki fraktálok generálására és tanulmányozására, ami a híres Mandelbrot halmaz megalkotásához vezetett, amely valószínűleg a leghíresebb és vizuálisan leglenyűgözőbb összetett és végtelenül ismétlődő mintákkal rendelkező fraktál alakzat (lásd 1d. ábra).
Mandelbrot munkássága nem csak a matematikára volt hatással, hanem számos olyan területen is alkalmazható, mint a fizika, a számítógépes grafika, a biológia, a közgazdaságtan és a művészet. Valójában a fraktálok összetett és önhasonló struktúrák modellezésére és ábrázolására való képességük miatt számos innovatív alkalmazással rendelkeznek a különböző területeken. Például széles körben használták a következő alkalmazási területeken, amelyek csak néhány példa széles körű alkalmazásukra:
1. Számítógépes grafika és animáció valósághű és vizuálisan vonzó természeti tájak, fák, felhők és textúrák létrehozásával;
2. Adattömörítési technológia a digitális fájlok méretének csökkentésére;
3. Kép- és jelfeldolgozás, jellemzők kinyerése a képekből, mintázatok detektálása, valamint hatékony képtömörítési és -rekonstrukciós módszerek biztosítása;
4. Biológia, a növények növekedésének és az agyi idegsejtek szerveződésének leírása;
5. Antennaelmélet és metaanyagok, kompakt/többsávos antennák és innovatív metafelületek tervezése.
Jelenleg a fraktálgeometria továbbra is új és innovatív felhasználási lehetőségeket talál a különböző tudományos, művészeti és technológiai tudományágakban.
Az elektromágneses (EM) technológiában a fraktálformák nagyon hasznosak a miniatürizálást igénylő alkalmazásokban, az antennáktól a metaanyagokig és a frekvenciaszelektív felületekig (FSS). A fraktálgeometria használata a hagyományos antennákban növelheti az elektromos hosszukat, ezáltal csökkentve a rezonáns szerkezet teljes méretét. Ezenkívül a fraktál alakzatok önhasonló jellege ideálissá teszi őket többsávos vagy szélessávú rezonáns struktúrák megvalósításához. A fraktálok rejlő miniatürizálási képességei különösen vonzóak reflektáló tömbök, fázissoros antennák, metaanyag-elnyelők és metafelületek tervezésénél különféle alkalmazásokhoz. Valójában a nagyon kis tömbelemek használata számos előnnyel járhat, például csökkentheti a kölcsönös csatolást, vagy nagyon kis elemtávolságú tömbökkel dolgozhat, így biztosítva a jó szkennelési teljesítményt és a magasabb szögstabilitást.
A fent említett okokból kifolyólag a fraktálantennák és a metafelületek két olyan lenyűgöző kutatási területet képviselnek az elektromágnesesség területén, amelyek az elmúlt években nagy figyelmet kaptak. Mindkét koncepció egyedülálló módot kínál az elektromágneses hullámok manipulálására és szabályozására, széles körű alkalmazásokkal a vezeték nélküli kommunikációban, radarrendszerekben és érzékelésben. Az önhasonló tulajdonságaik lehetővé teszik, hogy kis méretűek legyenek, miközben megtartják kiváló elektromágneses reakciójukat. Ez a kompaktság különösen előnyös a helyszűke alkalmazásokban, mint például a mobileszközök, RFID-címkék és repülőgép-rendszerek.
A fraktálantennák és metafelületek használata jelentős mértékben javíthatja a vezeték nélküli kommunikációs, képalkotó és radarrendszereket, mivel kompakt, nagy teljesítményű eszközöket tesznek lehetővé továbbfejlesztett funkcionalitással. Emellett a fraktálgeometriát egyre gyakrabban alkalmazzák az anyagdiagnosztikai mikrohullámú érzékelők tervezésében, mivel több frekvenciasávban is képes működni, valamint miniatürizálható. Az ezeken a területeken folyó kutatások továbbra is új terveket, anyagokat és gyártási technikákat kutatnak, hogy teljes potenciáljukat kiaknázhassák.
Jelen cikk célja, hogy áttekintse a fraktálantennák és metafelületek kutatásának és alkalmazásának előrehaladását, és összehasonlítsa a meglévő fraktál alapú antennákat és metafelületeket, kiemelve előnyeiket és korlátaikat. Végül bemutatjuk az innovatív reflektáló tömbök és metaanyag-egységek átfogó elemzését, és megvitatjuk ezen elektromágneses struktúrák kihívásait és jövőbeli fejlesztéseit.