Antennegjennomgang: En gjennomgang av fraktale metasurfacer og antennedesign

Konseptet med fraktaler ble introdusert av matematikeren Benoit B. Mandelbrot på 1970-tallet, selv om opprinnelsen til fraktal geometri kan spores tilbake til tidligere arbeid av mange matematikere, som Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915), Julia (1918), Fatou (1926) og Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot studerte forholdet mellom fraktaler og natur ved å introdusere nye typer fraktaler for å simulere mer komplekse strukturer, som trær, fjell og kystlinjer. Han laget ordet «fraktal» fra det latinske adjektivet «fractus», som betyr «ødelagt» eller «frakturert», dvs. sammensatt av ødelagte eller uregelmessige biter, for å beskrive uregelmessige og fragmenterte geometriske former som ikke kan klassifiseres av tradisjonell euklidsk geometri. I tillegg utviklet han matematiske modeller og algoritmer for å generere og studere fraktaler, noe som førte til opprettelsen av det berømte Mandelbrot-settet, som sannsynligvis er den mest berømte og visuelt fascinerende fraktalformen med komplekse og uendelig gjentakende mønstre (se figur 1d).
Mandelbrots arbeid har ikke bare hatt innvirkning på matematikken, men har også anvendelser innen ulike felt som fysikk, datagrafikk, biologi, økonomi og kunst. Faktisk, på grunn av deres evne til å modellere og representere komplekse og selvlignende strukturer, har fraktaler en rekke innovative anvendelser innen ulike felt. For eksempel har de blitt mye brukt i følgende anvendelsesområder, som bare er noen få eksempler på deres brede anvendelse:
1. Datagrafikk og animasjon, som genererer realistiske og visuelt attraktive naturlandskap, trær, skyer og teksturer;
2. Datakomprimeringsteknologi for å redusere størrelsen på digitale filer;
3. Bilde- og signalbehandling, utvinning av funksjoner fra bilder, deteksjon av mønstre og tilveiebringelse av effektive metoder for bildekomprimering og rekonstruksjon;
4. Biologi, som beskriver planters vekst og organiseringen av nevroner i hjernen;
5. Antenneteori og metamaterialer, design av kompakte/flerbåndsantenner og innovative metasoverflater.
For tiden fortsetter fraktalgeometri å finne nye og innovative bruksområder innen ulike vitenskapelige, kunstneriske og teknologiske disipliner.
Innen elektromagnetisk (EM) teknologi er fraktale former svært nyttige for applikasjoner som krever miniatyrisering, fra antenner til metamaterialer og frekvensselektive overflater (FSS). Bruk av fraktalgeometri i konvensjonelle antenner kan øke deres elektriske lengde, og dermed redusere den totale størrelsen på resonansstrukturen. I tillegg gjør den selvlignende naturen til fraktale former dem ideelle for å realisere flerbånds- eller bredbåndsresonansstrukturer. De iboende miniatyriseringsegenskapene til fraktaler er spesielt attraktive for design av reflektormatriser, fasede matriseantenner, metamaterialabsorbenter og metasoverflater for ulike applikasjoner. Faktisk kan bruk av svært små matriseelementer gi flere fordeler, for eksempel å redusere gjensidig kobling eller kunne arbeide med matriser med svært liten elementavstand, og dermed sikre god skanneytelse og høyere nivåer av vinkelstabilitet.
Av grunnene nevnt ovenfor representerer fraktale antenner og metaoverflater to fascinerende forskningsområder innen elektromagnetikk som har fått mye oppmerksomhet de siste årene. Begge konseptene tilbyr unike måter å manipulere og kontrollere elektromagnetiske bølger på, med et bredt spekter av bruksområder innen trådløs kommunikasjon, radarsystemer og sensorer. Deres selvlignende egenskaper gjør at de kan være små i størrelse samtidig som de opprettholder utmerket elektromagnetisk respons. Denne kompaktheten er spesielt fordelaktig i plassbegrensede applikasjoner, for eksempel mobile enheter, RFID-brikker og luftfartssystemer.
Bruken av fraktale antenner og metaoverflater har potensial til å forbedre trådløs kommunikasjon, bildebehandling og radarsystemer betydelig, ettersom de muliggjør kompakte, høytytende enheter med forbedret funksjonalitet. I tillegg brukes fraktal geometri i økende grad i design av mikrobølgesensorer for materialdiagnostikk, på grunn av dens evne til å operere i flere frekvensbånd og dens evne til å miniatyriseres. Pågående forskning på disse områdene fortsetter å utforske nye design, materialer og fabrikasjonsteknikker for å realisere deres fulle potensial.
Denne artikkelen tar sikte på å gjennomgå forsknings- og anvendelsesfremgangen til fraktale antenner og metaoverflater, og sammenligne eksisterende fraktalbaserte antenner og metaoverflater, med vekt på deres fordeler og begrensninger. Til slutt presenteres en omfattende analyse av innovative reflektormatriser og metamaterialenheter, og utfordringene og den fremtidige utviklingen av disse elektromagnetiske strukturene diskuteres.