Огляд антени: Огляд фрактальних метаповерхонь та дизайну антен

Концепцію фракталів запровадив математик Бенуа Б. Мандельброт у 1970-х роках, хоча витоки фрактальної геометрії можна простежити до ранніх робіт багатьох математиків, таких як Кантор (1870), фон Кох (1904), Серпінський (1915), Юлія (1918), Фату (1926) та Річардсон (1953).
Бенуа Б. Мандельброт вивчав взаємозв'язок між фракталами та природою, вводячи нові типи фракталів для моделювання складніших структур, таких як дерева, гори та берегові лінії. Він придумав слово «фрактал» від латинського прикметника «fractus», що означає «розламаний» або «тріщинуватий», тобто складений з розламаних або неправильних частин, для опису неправильних та фрагментованих геометричних фігур, які неможливо класифікувати за традиційною евклідовою геометрією. Крім того, він розробив математичні моделі та алгоритми для генерації та вивчення фракталів, що призвело до створення відомої множини Мандельброта, яка, ймовірно, є найвідомішою та візуально захопливою фрактальною формою зі складними та нескінченно повторюваними візерунками (див. рисунок 1d).
Роботи Мандельброта вплинули не лише на математику, але й знайшли застосування в різних галузях, таких як фізика, комп'ютерна графіка, біологія, економіка та мистецтво. Фактично, завдяки своїй здатності моделювати та представляти складні та самоподібні структури, фрактали мають численні інноваційні застосування в різних галузях. Наприклад, вони широко використовуються в наступних сферах застосування, які є лише кількома прикладами їх широкого застосування:
1. Комп'ютерна графіка та анімація, що створюють реалістичні та візуально привабливі природні ландшафти, дерева, хмари та текстури;
2. Технологія стиснення даних для зменшення розміру цифрових файлів;
3. Обробка зображень та сигналів, вилучення ознак із зображень, виявлення закономірностей та забезпечення ефективних методів стиснення та реконструкції зображень;
4. Біологія, що описує ріст рослин та організацію нейронів у мозку;
5. Теорія антен та метаматеріалів, проектування компактних/багатодіапазонних антен та інноваційних метаповерхонь.
В даний час фрактальна геометрія продовжує знаходити нові та інноваційні застосування в різних наукових, художніх та технологічних дисциплінах.
В електромагнітній (ЕМ) технології фрактальні форми дуже корисні для застосувань, що потребують мініатюризації, від антен до метаматеріалів та частотно-селективних поверхонь (ЧСП). Використання фрактальної геометрії у звичайних антенах може збільшити їх електричну довжину, тим самим зменшуючи загальний розмір резонансної структури. Крім того, самоподібна природа фрактальних форм робить їх ідеальними для реалізації багатодіапазонних або широкосмугових резонансних структур. Властиві фракталам можливості мініатюризації особливо привабливі для проектування відбивних решіток, фазованих антенних решіток, метаматеріальних поглиначів та метаповерхонь для різних застосувань. Фактично, використання дуже малих елементів решітки може мати кілька переваг, таких як зменшення взаємного зв'язку або можливість роботи з решітками з дуже малою відстанню між елементами, що забезпечує хорошу продуктивність сканування та вищий рівень кутової стабільності.
З вищезазначених причин, фрактальні антени та метаповерхні являють собою дві захопливі галузі досліджень в галузі електромагнетики, які привернули значну увагу в останні роки. Обидві концепції пропонують унікальні способи маніпулювання та керування електромагнітними хвилями, з широким спектром застосування в бездротовому зв'язку, радіолокаційних системах та сенсориці. Їхні самоподібні властивості дозволяють їм бути малими за розміром, зберігаючи при цьому чудову електромагнітну характеристику. Ця компактність є особливо вигідною в обмеженому просторі, таких як мобільні пристрої, RFID-мітки та аерокосмічні системи.
Використання фрактальних антен та метаповерхонь має потенціал для значного покращення бездротового зв'язку, візуалізації та радіолокаційних систем, оскільки вони дозволяють створювати компактні, високопродуктивні пристрої з розширеною функціональністю. Крім того, фрактальна геометрія все частіше використовується в розробці мікрохвильових датчиків для діагностики матеріалів завдяки своїй здатності працювати в кількох діапазонах частот та можливості мініатюризації. Поточні дослідження в цих галузях продовжують досліджувати нові конструкції, матеріали та методи виготовлення, щоб реалізувати їхній повний потенціал.
Ця стаття має на меті огляд прогресу досліджень та застосування фрактальних антен і метаповерхонь, а також порівняння існуючих антен і метаповерхонь на основі фракталів, висвітлюючи їхні переваги та обмеження. Нарешті, представлено комплексний аналіз інноваційних відбивних решіток та метаматеріальних блоків, а також обговорено проблеми та майбутній розвиток цих електромагнітних структур.