Antennegjennomgang: En gjennomgang av fraktale metasurfaces og antennedesign

Konseptet fraktaler ble introdusert av matematikeren Benoit B. Mandelbrot på 1970-tallet, selv om opprinnelsen til fraktalgeometri kan spores tilbake til det tidligere arbeidet til 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 «fractal» fra det latinske adjektivet «fractus», som betyr «brukt» eller «frakturert», dvs. satt sammen av ødelagte eller uregelmessige stykker, for å beskrive uregelmessige og fragmenterte geometriske former som ikke kan klassifiseres av tradisjonell euklidisk 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 kjente og visuelt fascinerende fraktalformen med komplekse og uendelig repeterende mønstre (se figur 1d).
Mandelbrots arbeid har ikke bare hatt innvirkning på matematikk, 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 selvliknende strukturer, har fraktaler mange innovative applikasjoner på forskjellige felt. For eksempel har de blitt mye brukt i følgende bruksområder, 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, trekke ut funksjoner fra bilder, oppdage mønstre og gi effektive bildekomprimering og rekonstruksjonsmetoder;
4. Biologi, som beskriver veksten av planter og organiseringen av nevroner i hjernen;
5. Antenneteori og metamaterialer, design av kompakte/flerbåndsantenner og innovative metaoverflater.
For tiden fortsetter fraktal geometri å finne nye og innovative bruksområder i ulike vitenskapelige, kunstneriske og teknologiske disipliner.
I elektromagnetisk (EM) teknologi er fraktale former svært nyttige for applikasjoner som krever miniatyrisering, fra antenner til metamaterialer og frekvensselektive overflater (FSS). Bruk av fraktal geometri i konvensjonelle antenner kan øke deres elektriske lengde, og dermed redusere den totale størrelsen på resonansstrukturen. I tillegg gjør fraktalformenes selvliknende natur at de er ideelle for å realisere flerbånds- eller bredbåndsresonansstrukturer. De iboende miniatyriseringsegenskapene til fraktaler er spesielt attraktive for utforming av reflektorer, fasede array-antenner, metamaterialabsorbere og metaoverflater for ulike bruksområder. Faktisk kan bruk av svært små array-elementer gi flere fordeler, som å redusere gjensidig kobling eller å kunne jobbe med arrays med svært liten elementavstand, og dermed sikre god skanningsytelse og høyere nivåer av vinkelstabilitet.
Av grunnene nevnt ovenfor representerer fraktale antenner og metaoverflater to fascinerende forskningsområder innen elektromagnetikk som har tiltrukket seg 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 sensing. Deres selv-lignende egenskaper gjør at de kan være små i størrelse samtidig som de opprettholder utmerket elektromagnetisk respons. Denne kompaktheten er spesielt fordelaktig i applikasjoner med begrenset plass, for eksempel mobile enheter, RFID-brikker og romfartssystemer.
Bruken av fraktale antenner og metaoverflater har potensial til å forbedre trådløs kommunikasjon, bildebehandling og radarsystemer betydelig, ettersom de muliggjør kompakte, høyytelsesenheter med forbedret funksjonalitet. I tillegg blir fraktalgeometri i økende grad brukt i utformingen 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 applikasjonsfremgangen til fraktale antenner og metasurfaces og sammenligne eksisterende fraktalbaserte antenner og metasurfaces, og fremheve deres fordeler og begrensninger. Til slutt presenteres en omfattende analyse av innovative reflektarrays og metamaterialenheter, og utfordringene og fremtidig utvikling av disse elektromagnetiske strukturene diskuteres.