Antenni ülevaade: fraktaalsete metapindade ja antenni disaini ülevaade

Fraktaalide mõiste võttis kasutusele matemaatik Benoit B. Mandelbrot 1970. aastatel, kuigi fraktaalgeomeetria päritolu saab otsida paljude matemaatikute, näiteks Cantori (1870), von Kochi (1904), Sierpinski (1915), Julia (1918), Fatou (1926) ja Richardsoni (1953) varasematest töödest.
Benoit B. Mandelbrot uuris fraktaalide ja looduse vahelist seost, tutvustades uut tüüpi fraktaale keerukamate struktuuride, näiteks puude, mägede ja rannikualade simuleerimiseks. Ta lõi sõna "fraktaal" ladinakeelsest omadussõnast "fractus", mis tähendab "katkine" või "murdunud", st koosneb purunenud või ebakorrapärastest tükkidest, et kirjeldada ebakorrapäraseid ja fragmenteeritud geomeetrilisi kujundeid, mida ei saa traditsioonilise eukleidilise geomeetria abil liigitada. Lisaks töötas ta välja matemaatilisi mudeleid ja algoritme fraktaalide genereerimiseks ja uurimiseks, mis viis kuulsa Mandelbroti hulga loomiseni, mis on ilmselt kõige kuulsam ja visuaalselt põnevam fraktaalkuju keerukate ja lõpmatult korduvate mustritega (vt joonis 1d).
Mandelbroti töö ei ole mõjutanud mitte ainult matemaatikat, vaid sellel on rakendusi ka erinevates valdkondades, nagu füüsika, arvutigraafika, bioloogia, majandus ja kunst. Tegelikult on fraktaalidel tänu oma võimele modelleerida ja kujutada keerulisi ja enesesarnaseid struktuure arvukalt uuenduslikke rakendusi erinevates valdkondades. Näiteks on neid laialdaselt kasutatud järgmistes rakendusvaldkondades, mis on vaid mõned näited nende laialdasest rakendusest:
1. Arvutigraafika ja animatsioon, mis loob realistlikke ja visuaalselt atraktiivseid loodusmaastikke, puid, pilvi ja tekstuure;
2. Andmete tihendamise tehnoloogia digitaalsete failide suuruse vähendamiseks;
3. Kujutiste ja signaalide töötlemine, piltidelt tunnuste eraldamine, mustrite tuvastamine ning tõhusate piltide tihendamise ja rekonstrueerimise meetodite pakkumine;
4. Bioloogia, mis kirjeldab taimede kasvu ja neuronite organisatsiooni ajus;
5. Antenniteooria ja metamaterjalid, kompaktsete/mitme sagedusribaga antennide ja innovaatiliste metapindade kujundamine.
Praegu leiab fraktaalgeomeetria jätkuvalt uusi ja uuenduslikke kasutusviise erinevates teadus-, kunsti- ja tehnoloogiadistsipliinides.
Elektromagnetilises (EM) tehnoloogias on fraktaalkujud väga kasulikud rakenduste jaoks, mis nõuavad miniaturiseerimist, alates antennidest kuni metamaterjalide ja sagedusselektiivsete pindadeni (FSS). Fraktaalgeomeetria kasutamine tavapärastes antennides võib suurendada nende elektrilist pikkust, vähendades seeläbi resonantsstruktuuri kogusuurust. Lisaks muudab fraktaalkujude isesarnane olemus need ideaalseks mitmeribaliste või lairiba resonantsstruktuuride realiseerimiseks. Fraktaalide loomupärane miniaturiseerimisvõime on eriti atraktiivne peegeldavate massiivide, faasitud massiivantennide, metamaterjalide neelajate ja metapindade kujundamisel mitmesuguste rakenduste jaoks. Tegelikult võib väga väikeste massiivielementide kasutamine tuua mitmeid eeliseid, näiteks vähendada vastastikust sidet või võimaldada töötada väga väikese elementide vahekaugusega massiividega, tagades seega hea skaneerimise jõudluse ja kõrgema nurkstabiilsuse taseme.
Eespool mainitud põhjustel esindavad fraktaalantennid ja metapinnad kahte põnevat uurimisvaldkonda elektromagnetika valdkonnas, mis on viimastel aastatel palju tähelepanu pälvinud. Mõlemad kontseptsioonid pakuvad ainulaadseid viise elektromagnetlainete manipuleerimiseks ja juhtimiseks, millel on lai valik rakendusi traadita side, radarisüsteemide ja sensorite valdkonnas. Nende isesarnased omadused võimaldavad neil olla väikesed, säilitades samal ajal suurepärase elektromagnetilise reageeringu. See kompaktsus on eriti kasulik ruumipiiranguga rakendustes, näiteks mobiilseadmetes, RFID-siltides ja lennundussüsteemides.
Fraktaalantennide ja metapindade kasutamisel on potentsiaal oluliselt parandada traadita side, pildistamise ja radarisüsteeme, kuna need võimaldavad luua kompaktseid, suure jõudlusega ja täiustatud funktsionaalsusega seadmeid. Lisaks kasutatakse fraktaalgeomeetriat üha enam materjalidiagnostika mikrolaineandurite disainimisel, kuna see suudab töötada mitmes sagedusribas ja on miniaturiseeritav. Nendes valdkondades jätkuvad uuringud uute disainide, materjalide ja valmistamistehnikate uurimiseks, et realiseerida nende täielik potentsiaal.
Selle artikli eesmärk on anda ülevaade fraktaalantennide ja metapindade uurimise ja rakendamise edenemisest ning võrrelda olemasolevaid fraktaalipõhiseid antenne ja metapindu, tuues esile nende eelised ja piirangud. Lõpuks esitatakse uuenduslike peegeldusmassiivide ja metamaterjalide üksuste põhjalik analüüs ning arutatakse nende elektromagnetiliste struktuuride väljakutseid ja tulevasi arenguid.