Огляд антени: Огляд фрактальних метаповерхень і дизайну антени

Поняття фракталів було введено математиком Бенуа Б. Мандельбротом у 1970-х роках, хоча витоки фрактальної геометрії можна простежити до більш ранніх робіт багатьох математиків, таких як Кантор (1870), фон Кох (1904), Серпінський (1915). ), Джулія (1918), Фату (1926) і Річардсон (1953).
Бенуа Б. Мандельброт вивчав взаємозв’язок між фракталами та природою, вводячи нові типи фракталів для імітації більш складних структур, таких як дерева, гори та берегові лінії. Він ввів слово «фрактал» від латинського прикметника «fractus», що означає «зламаний» або «зламаний», тобто складається з зламаних або неправильних частин, для опису неправильних і фрагментованих геометричних форм, які не можуть бути класифіковані традиційною евклідовою геометрією. Крім того, він розробив математичні моделі та алгоритми для генерації та вивчення фракталів, що призвело до створення знаменитої множини Мандельброта, яка є, мабуть, найвідомішою та візуально захоплюючою формою фракталу зі складними та нескінченно повторюваними візерунками (див. рис. 1d).
Роботи Мандельброта не лише вплинули 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 і сигналів, витяг ознак із зображень, виявлення шаблонів і забезпечення ефективних методів стиснення та реконструкції зображень;
4. Біологія, що описує ріст рослин і організацію нейронів у мозку;
5. Теорія антени та метаматеріали, розробка компактних/багатодіапазонних антен та інноваційних метаповерхонь.
В даний час фрактальна геометрія продовжує знаходити нові та інноваційні застосування в різних наукових, художніх і технологічних дисциплінах.
В електромагнітних (ЕМ) технологіях фрактальні форми дуже корисні для застосувань, які потребують мініатюризації, від антен до метаматеріалів і частотно-селективних поверхонь (FSS). Використання фрактальної геометрії у звичайних антенах може збільшити їх електричну довжину, тим самим зменшивши загальний розмір резонансної структури. Крім того, самоподібна природа фрактальних форм робить їх ідеальними для реалізації багатосмугових або широкосмугових резонансних структур. Властиві мініатюризаційні можливості фракталів є особливо привабливими для проектування відбивачів, фазованих антенних решіток, метаматеріальних поглиначів і метаповерхень для різних застосувань. Насправді використання дуже малих елементів масиву може принести кілька переваг, таких як зменшення взаємного зв’язку або можливість працювати з масивами з дуже малим інтервалом між елементами, таким чином забезпечуючи хорошу продуктивність сканування та вищий рівень кутової стабільності.
З причин, згаданих вище, фрактальні антени та метаповерхні являють собою дві захоплюючі галузі досліджень у галузі електромагнетики, які привернули багато уваги в останні роки. Обидві концепції пропонують унікальні способи маніпулювання та контролю електромагнітних хвиль із широким спектром застосувань у бездротовому зв’язку, радарних системах і зондуванні. Їх самоподібні властивості дозволяють їм бути малими за розміром, зберігаючи чудову електромагнітну реакцію. Ця компактність є особливо вигідною для програм з обмеженим простором, таких як мобільні пристрої, мітки RFID та аерокосмічні системи.
Використання фрактальних антен і метаповерхень має потенціал для значного покращення систем бездротового зв’язку, обробки зображень і радіолокації, оскільки вони створюють компактні, високопродуктивні пристрої з розширеною функціональністю. Крім того, фрактальна геометрія все частіше використовується при розробці мікрохвильових датчиків для діагностики матеріалів завдяки її здатності працювати в декількох діапазонах частот і здатності бути мініатюрними. Триваючі дослідження в цих областях продовжують досліджувати нові конструкції, матеріали та технології виготовлення, щоб повністю реалізувати їхній потенціал.
Ця стаття спрямована на огляд досліджень і прогресу застосування фрактальних антен і метаповерхень і порівняння існуючих фрактальних антен і метаповерхней, підкреслюючи їхні переваги та обмеження. Нарешті, представлено комплексний аналіз інноваційних відбивачів і блоків метаматеріалів, а також обговорюються проблеми та майбутні розробки цих електромагнітних структур.