Antenni ülevaade: Fractal metapindade ja antenni disaini ülevaade

Fraktaalide mõiste võttis kasutusele matemaatik Benoit B. Mandelbrot 1970. aastatel, kuigi fraktaalgeomeetria päritolu võib otsida paljude matemaatikute varasematest töödest, nagu Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915). ), Julia (1918), Fatou (1926) ja Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot uuris fraktaalide ja looduse vahelisi suhteid, võttes kasutusele uut tüüpi fraktaalid, et simuleerida keerukamaid struktuure, nagu puud, mäed ja rannajooned. Ta lõi sõna "fraktal" ladina omadussõnast "fractus", mis tähendab "katki" või "murdunud", st koosneb purunenud või ebakorrapärastest tükkidest, kirjeldamaks ebakorrapäraseid ja killustatud geomeetrilisi kujundeid, mida ei saa klassifitseerida traditsioonilise eukleidilise geomeetriaga. Lisaks töötas ta välja matemaatilisi mudeleid ja algoritme fraktaalide genereerimiseks ja uurimiseks, mille tulemusel loodi kuulus Mandelbroti komplekt, mis on ilmselt kõige kuulsam ja visuaalselt põnevaim keerukate ja lõpmatult korduvate mustritega fraktaalikuju (vt joonis 1d).
Mandelbroti töö ei ole avaldanud mõju ainult matemaatikale, vaid sellel on rakendusi ka erinevates valdkondades, nagu füüsika, arvutigraafika, bioloogia, majandus ja kunst. Tegelikult on fraktaalidel tänu nende võimele modelleerida ja kujutada keerulisi ja sarnaseid struktuure arvukalt uuenduslikke rakendusi erinevates valdkondades. Näiteks on neid laialdaselt kasutatud järgmistes rakendusvaldkondades, mis on vaid mõned näited nende laialdasest kasutusest:
1. arvutigraafika ja -animatsioon, mis loob realistlikke ja visuaalselt atraktiivseid loodusmaastikke, puid, pilvi ja tekstuure;
2. Andmete tihendamise tehnoloogia digitaalsete failide suuruse vähendamiseks;
3. Kujutise ja signaali töötlemine, piltidelt tunnuste eraldamine, mustrite tuvastamine ning tõhusate kujutise tihendamise ja rekonstrueerimise meetodite pakkumine;
4. Bioloogia, kirjeldades taimede kasvu ja neuronite organiseerumist ajus;
5. Antenniteooria ja metamaterjalid, kompaktsete/mitmeribaliste antennide ja uuenduslike metapindade projekteerimine.
Praegu leiab fraktaalgeomeetria jätkuvalt uusi ja uuenduslikke kasutusviise erinevates teadus-, kunsti- ja tehnoloogiavaldkondades.
Elektromagnetilises (EM) tehnoloogias on fraktaalikujud väga kasulikud rakendustes, mis nõuavad miniaturiseerimist, alates antennidest kuni metamaterjalide ja sagedusselektiivsete pindadeni (FSS). Fraktaalgeomeetria kasutamine tavapärastes antennides võib suurendada nende elektrilist pikkust, vähendades seeläbi resonantsstruktuuri üldist suurust. Lisaks muudab fraktaalikujude isesarnasus need ideaalseks mitmeribaliste või lairibaresonantsstruktuuride realiseerimiseks. Fraktalidele omased miniaturiseerimisvõimalused on eriti atraktiivsed peegelmassiivide, faasmaatriksi antennide, metamaterjali neeldurite ja metapindade kujundamisel erinevate rakenduste jaoks. Tegelikult võib väga väikeste massiivielementide kasutamine tuua kaasa mitmeid eeliseid, näiteks vastastikuse sidumise vähendamine või võimalus töötada massiividega, mille elementide vahe on väga väike, tagades seega hea skaneerimise ja kõrgema nurga stabiilsuse.
Eespool mainitud põhjustel on fraktaalantennid ja metapinnad kaks põnevat elektromagnetilise uurimisvaldkonda, mis on viimastel aastatel palju tähelepanu äratanud. Mõlemad kontseptsioonid pakuvad ainulaadseid viise elektromagnetlainete manipuleerimiseks ja juhtimiseks, millel on lai valik rakendusi traadita side, radarisüsteemide ja tuvastuse valdkonnas. Nende isesarnased omadused võimaldavad neil olla väikesed, säilitades samal ajal suurepärase elektromagnetilise reaktsiooni. See kompaktsus on eriti kasulik piiratud ruumiga rakendustes, nagu mobiilseadmed, RFID-märgised ja kosmosesüsteemid.
Fraktaalantennide ja metapindade kasutamine võib oluliselt parandada traadita side-, pildi- ja radarisüsteeme, kuna need võimaldavad kompaktseid, suure jõudlusega ja täiustatud funktsionaalsusega seadmeid. Lisaks kasutatakse materjalidiagnostika mikrolaineandurite kujundamisel üha enam fraktaalgeomeetriat, kuna see on võimeline töötama mitmes sagedusribas ja olema miniatuurne. Nendes valdkondades käimasolevad uuringud jätkavad uute disainilahenduste, materjalide ja tootmistehnikate uurimist, et realiseerida nende kogu potentsiaal.
Selle artikli eesmärk on vaadata läbi fraktaalantennide ja metapindade uurimise ja rakendamise edenemine ning võrrelda olemasolevaid fraktaalipõhiseid antenne ja metapindu, tuues välja nende eelised ja piirangud. Lõpuks esitatakse uuenduslike peegelkihtide ja metamaterjalide üksuste põhjalik analüüs ning arutatakse nende elektromagnetiliste struktuuride väljakutseid ja edasist arengut.