Pagsusuri ng Antenna: Isang Pagsusuri ng Fractal Metasurfaces at Disenyo ng Antenna

Ang konsepto ng fractal ay ipinakilala ng mathematician na si Benoit B. Mandelbrot noong 1970s, bagaman ang mga pinagmulan ng fractal geometry ay maaaring masubaybayan pabalik sa naunang gawain ng maraming mathematician, tulad ng Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915). ), Julia (1918), Fatou (1926), at Richardson (1953).
Pinag-aralan ni Benoit B. Mandelbrot ang ugnayan sa pagitan ng mga fractals at kalikasan sa pamamagitan ng pagpapakilala ng mga bagong uri ng fractals upang gayahin ang mga mas kumplikadong istruktura, tulad ng mga puno, bundok, at baybayin. Siya ang lumikha ng salitang "fractal" mula sa Latin na pang-uri na "fractus", ibig sabihin ay "nasira" o "bali", ibig sabihin ay binubuo ng mga putol o hindi regular na piraso, upang ilarawan ang mga iregular at pira-pirasong geometric na mga hugis na hindi mauuri ng tradisyonal na Euclidean geometry. Bilang karagdagan, bumuo siya ng mga modelo at algorithm ng matematika para sa pagbuo at pag-aaral ng mga fractals, na humantong sa paglikha ng sikat na set ng Mandelbrot, na marahil ang pinakasikat at kaakit-akit na hugis ng fractal sa paningin na may kumplikado at walang katapusan na paulit-ulit na mga pattern (tingnan ang Figure 1d).
Ang gawa ni Mandelbrot ay hindi lamang nagkaroon ng epekto sa matematika, ngunit mayroon ding mga aplikasyon sa iba't ibang larangan tulad ng pisika, computer graphics, biology, economics, at sining. Sa katunayan, dahil sa kanilang kakayahang magmodelo at kumatawan sa kumplikado at magkatulad na mga istruktura, ang mga fractals ay may maraming mga makabagong aplikasyon sa iba't ibang larangan. Halimbawa, ang mga ito ay malawakang ginagamit sa mga sumusunod na lugar ng aplikasyon, na ilan lamang sa mga halimbawa ng kanilang malawak na aplikasyon:
1. Computer graphics at animation, na bumubuo ng makatotohanan at kaakit-akit na mga natural na landscape, puno, ulap, at mga texture;
2. Data compression technology upang bawasan ang laki ng mga digital na file;
3. Pagproseso ng imahe at signal, pag-extract ng mga feature mula sa mga imahe, pag-detect ng mga pattern, at pagbibigay ng epektibong paraan ng pag-compress ng imahe at muling pagtatayo;
4. Biology, na naglalarawan sa paglago ng mga halaman at samahan ng mga neuron sa utak;
5. Teorya at metamaterial ng antena, pagdidisenyo ng mga compact/multi-band antenna at mga makabagong metasurface.
Sa kasalukuyan, ang fractal geometry ay patuloy na nakakahanap ng mga bago at makabagong gamit sa iba't ibang pang-agham, masining at teknolohikal na disiplina.
Sa teknolohiyang electromagnetic (EM), ang mga fractal na hugis ay lubhang kapaki-pakinabang para sa mga application na nangangailangan ng miniaturization, mula sa mga antenna hanggang sa mga metamaterial at frequency selective surface (FSS). Ang paggamit ng fractal geometry sa mga conventional antenna ay maaaring tumaas ang kanilang elektrikal na haba, at sa gayon ay binabawasan ang kabuuang sukat ng resonant na istraktura. Bilang karagdagan, ang likas na pagkakatulad sa sarili ng mga fractal na hugis ay ginagawa itong perpekto para sa pagsasakatuparan ng mga multi-band o broadband na resonant na istruktura. Ang likas na kakayahan ng miniaturization ng fractals ay partikular na kaakit-akit para sa pagdidisenyo ng mga reflectarray, phased array antenna, metamaterial absorbers at metasurfaces para sa iba't ibang aplikasyon. Sa katunayan, ang paggamit ng napakaliit na elemento ng array ay maaaring magdulot ng ilang mga pakinabang, tulad ng pagbabawas ng mutual coupling o kakayahang gumana sa mga array na may napakaliit na espasyo ng elemento, kaya tinitiyak ang mahusay na pagganap ng pag-scan at mas mataas na antas ng angular na katatagan.
Para sa mga kadahilanang nabanggit sa itaas, ang mga fractal antenna at metasurface ay kumakatawan sa dalawang kaakit-akit na lugar ng pananaliksik sa larangan ng electromagnetics na nakakuha ng maraming atensyon sa mga nakaraang taon. Ang parehong mga konsepto ay nag-aalok ng mga natatanging paraan upang manipulahin at kontrolin ang mga electromagnetic wave, na may malawak na hanay ng mga aplikasyon sa mga wireless na komunikasyon, radar system at sensing. Ang kanilang mga katulad na katangian ay nagpapahintulot sa kanila na maging maliit sa laki habang pinapanatili ang mahusay na electromagnetic na tugon. Ang pagiging compact na ito ay partikular na kapaki-pakinabang sa space-constrained na mga application, tulad ng mga mobile device, RFID tag, at aerospace system.
Ang paggamit ng fractal antenna at metasurfaces ay may potensyal na makabuluhang mapabuti ang mga wireless na komunikasyon, imaging, at radar system, dahil pinapagana ng mga ito ang mga compact, high-performance na device na may pinahusay na functionality. Bilang karagdagan, ang fractal geometry ay lalong ginagamit sa disenyo ng mga sensor ng microwave para sa mga diagnostic ng materyal, dahil sa kakayahang gumana sa maraming frequency band at ang kakayahang gawing miniaturize. Ang patuloy na pagsasaliksik sa mga lugar na ito ay patuloy na nagtutuklas ng mga bagong disenyo, materyales, at mga diskarte sa paggawa upang maisakatuparan ang kanilang buong potensyal.
Nilalayon ng papel na ito na suriin ang pag-unlad ng pananaliksik at aplikasyon ng mga fractal antenna at metasurface at ihambing ang mga umiiral na antenna at metasurface na nakabatay sa fractal, na itinatampok ang kanilang mga pakinabang at limitasyon. Sa wakas, ang isang komprehensibong pagsusuri ng mga makabagong reflectarray at metamaterial na yunit ay ipinakita, at ang mga hamon at hinaharap na pag-unlad ng mga electromagnetic na istrukturang ito ay tinalakay.