Berita - Ulasan Antena: Ulasan Metasurface Fraktal dan Reka Bentuk Antena

I. Pengenalan
Fraktal ialah objek matematik yang mempamerkan sifat serupa diri pada skala yang berbeza. Ini bermakna apabila anda mengezum masuk/keluar pada bentuk fraktal, setiap bahagiannya kelihatan sangat serupa dengan keseluruhannya; iaitu, corak atau struktur geometri yang serupa berulang pada tahap pembesaran yang berbeza (lihat contoh fraktal dalam Rajah 1). Kebanyakan fraktal mempunyai bentuk yang rumit, terperinci dan sangat kompleks.

rajah 1

Konsep fraktal telah diperkenalkan oleh ahli matematik Benoit B. Mandelbrot pada tahun 1970-an, walaupun asal usul geometri fraktal dapat dikesan kembali kepada karya terdahulu ramai ahli matematik, seperti Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915), Julia (1918), Fatou (1926), dan Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot mengkaji hubungan antara fraktal dan alam semula jadi dengan memperkenalkan jenis fraktal baharu untuk mensimulasikan struktur yang lebih kompleks, seperti pokok, gunung, dan garis pantai. Beliau mencipta perkataan "fractal" daripada kata adjektif Latin "fractus", yang bermaksud "pecah" atau "retak", iaitu terdiri daripada kepingan yang pecah atau tidak sekata, untuk menggambarkan bentuk geometri yang tidak sekata dan berpecah-belah yang tidak dapat dikelaskan oleh geometri Euclidean tradisional. Di samping itu, beliau membangunkan model matematik dan algoritma untuk menjana dan mengkaji fraktal, yang membawa kepada penciptaan set Mandelbrot yang terkenal, yang mungkin merupakan bentuk fraktal yang paling terkenal dan menarik secara visual dengan corak yang kompleks dan berulang tanpa henti (lihat Rajah 1d).
Karya Mandelbrot bukan sahaja memberi impak kepada matematik, tetapi juga mempunyai aplikasi dalam pelbagai bidang seperti fizik, grafik komputer, biologi, ekonomi dan seni. Malah, disebabkan oleh keupayaannya untuk memodelkan dan mewakili struktur yang kompleks dan serupa dengan dirinya sendiri, fraktal mempunyai banyak aplikasi inovatif dalam pelbagai bidang. Contohnya, ia telah digunakan secara meluas dalam bidang aplikasi berikut, yang merupakan beberapa contoh aplikasi luasnya:
1. Grafik dan animasi komputer, menghasilkan landskap semula jadi, pokok, awan dan tekstur yang realistik dan menarik secara visual;
2. Teknologi pemampatan data untuk mengurangkan saiz fail digital;
3. Pemprosesan imej dan isyarat, mengekstrak ciri daripada imej, mengesan corak dan menyediakan kaedah pemampatan dan pembinaan semula imej yang berkesan;
4. Biologi, yang menerangkan pertumbuhan tumbuhan dan organisasi neuron di dalam otak;
5. Teori antena dan metamaterial, mereka bentuk antena padat/berbilang jalur dan metapermukaan inovatif.
Pada masa ini, geometri fraktal terus menemui kegunaan baharu dan inovatif dalam pelbagai disiplin saintifik, seni dan teknologi.
Dalam teknologi elektromagnet (EM), bentuk fraktal sangat berguna untuk aplikasi yang memerlukan pengecilan, daripada antena kepada metabahan dan permukaan terpilih frekuensi (FSS). Penggunaan geometri fraktal dalam antena konvensional boleh meningkatkan panjang elektriknya, sekali gus mengurangkan saiz keseluruhan struktur resonan. Di samping itu, sifat kesamaan diri bagi bentuk fraktal menjadikannya sesuai untuk merealisasikan struktur resonan berbilang jalur atau jalur lebar. Keupayaan pengecilan fraktal yang sedia ada amat menarik untuk mereka bentuk tatasusunan pantulan, antena tatasusunan berfasa, penyerap metabahan dan metapermukaan untuk pelbagai aplikasi. Malah, penggunaan elemen tatasusunan yang sangat kecil boleh membawa beberapa kelebihan, seperti mengurangkan gandingan bersama atau dapat berfungsi dengan tatasusunan dengan jarak elemen yang sangat kecil, sekali gus memastikan prestasi pengimbasan yang baik dan tahap kestabilan sudut yang lebih tinggi.
Atas sebab-sebab yang dinyatakan di atas, antena fraktal dan metasurface mewakili dua bidang penyelidikan yang menarik dalam bidang elektromagnet yang telah menarik banyak perhatian sejak kebelakangan ini. Kedua-dua konsep menawarkan cara unik untuk memanipulasi dan mengawal gelombang elektromagnet, dengan pelbagai aplikasi dalam komunikasi tanpa wayar, sistem radar dan penderiaan. Ciri-ciri kesamaan diri mereka membolehkannya bersaiz kecil sambil mengekalkan tindak balas elektromagnet yang sangat baik. Kekompakan ini amat berfaedah dalam aplikasi yang terhad ruang, seperti peranti mudah alih, tag RFID dan sistem aeroangkasa.
Penggunaan antena dan metasurface fraktal berpotensi untuk meningkatkan komunikasi tanpa wayar, pengimejan dan sistem radar dengan ketara, kerana ia membolehkan peranti padat dan berprestasi tinggi dengan fungsi yang dipertingkatkan. Di samping itu, geometri fraktal semakin banyak digunakan dalam reka bentuk sensor gelombang mikro untuk diagnostik bahan, disebabkan oleh keupayaannya untuk beroperasi dalam pelbagai jalur frekuensi dan keupayaannya untuk dikecilkan. Penyelidikan berterusan dalam bidang ini terus meneroka reka bentuk, bahan dan teknik fabrikasi baharu untuk merealisasikan potensi penuhnya.
Kertas kerja ini bertujuan untuk mengkaji semula kemajuan penyelidikan dan aplikasi antena dan metasurface fraktal serta membandingkan antena dan metasurface berasaskan fraktal sedia ada, dengan menonjolkan kelebihan dan kekurangannya. Akhir sekali, analisis komprehensif terhadap tatasusunan pantulan dan unit metamaterial inovatif dibentangkan, dan cabaran serta perkembangan masa depan struktur elektromagnet ini dibincangkan.

2. FraktalAntenaUnsur-unsur
Konsep umum fraktal boleh digunakan untuk mereka bentuk elemen antena eksotik yang memberikan prestasi yang lebih baik daripada antena konvensional. Elemen antena fraktal mungkin bersaiz padat dan mempunyai keupayaan berbilang jalur dan/atau jalur lebar.
Reka bentuk antena fraktal melibatkan pengulangan corak geometri tertentu pada skala yang berbeza dalam struktur antena. Corak kesamaan diri ini membolehkan kita meningkatkan panjang keseluruhan antena dalam ruang fizikal yang terhad. Di samping itu, radiator fraktal boleh mencapai berbilang jalur kerana bahagian antena yang berbeza adalah serupa antara satu sama lain pada skala yang berbeza. Oleh itu, elemen antena fraktal boleh menjadi padat dan berbilang jalur, memberikan liputan frekuensi yang lebih luas daripada antena konvensional.
Konsep antena fraktal boleh dikesan kembali ke akhir 1980-an. Pada tahun 1986, Kim dan Jaggard menunjukkan aplikasi persamaan kendiri fraktal dalam sintesis tatasusunan antena.
Pada tahun 1988, ahli fizik Nathan Cohen membina antena elemen fraktal pertama di dunia. Beliau mencadangkan bahawa dengan menggabungkan geometri kesamaan diri ke dalam struktur antena, prestasi dan keupayaan pengecilannya dapat ditingkatkan. Pada tahun 1995, Cohen mengasaskan bersama Fractal Antenna Systems Inc., yang mula menyediakan penyelesaian antena berasaskan fraktal komersial pertama di dunia.
Pada pertengahan 1990-an, Puente et al. menunjukkan keupayaan berbilang jalur fraktal menggunakan monopole dan dipol Sierpinski.
Sejak karya Cohen dan Puente, kelebihan antena fraktal yang sedia ada telah menarik minat yang besar daripada para penyelidik dan jurutera dalam bidang telekomunikasi, yang membawa kepada penerokaan dan pembangunan lanjut teknologi antena fraktal.
Hari ini, antena fraktal digunakan secara meluas dalam sistem komunikasi tanpa wayar, termasuk telefon bimbit, penghala Wi-Fi dan komunikasi satelit. Malah, antena fraktal adalah kecil, berbilang jalur dan sangat cekap, menjadikannya sesuai untuk pelbagai peranti dan rangkaian tanpa wayar.
Rajah berikut menunjukkan beberapa antena fraktal berdasarkan bentuk fraktal yang terkenal, yang merupakan beberapa contoh pelbagai konfigurasi yang dibincangkan dalam literatur.
Secara khususnya, Rajah 2a menunjukkan monopole Sierpinski yang dicadangkan di Puente, yang mampu menyediakan operasi berbilang jalur. Segitiga Sierpinski dibentuk dengan menolak segitiga terbalik tengah daripada segitiga utama, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1b dan Rajah 2a. Proses ini meninggalkan tiga segitiga yang sama pada struktur, setiap satu dengan panjang sisi separuh daripada segitiga permulaan (lihat Rajah 1b). Prosedur penolakan yang sama boleh diulang untuk segitiga yang tinggal. Oleh itu, setiap satu daripada tiga bahagian utamanya adalah sama persis dengan keseluruhan objek, tetapi dalam perkadaran dua kali ganda, dan sebagainya. Disebabkan oleh persamaan istimewa ini, Sierpinski boleh menyediakan berbilang jalur frekuensi kerana bahagian antena yang berbeza adalah serupa antara satu sama lain pada skala yang berbeza. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2, monopole Sierpinski yang dicadangkan beroperasi dalam 5 jalur. Dapat dilihat bahawa setiap satu daripada lima sub-gasket (struktur bulatan) dalam Rajah 2a adalah versi berskala keseluruhan struktur, sekali gus menyediakan lima jalur frekuensi operasi yang berbeza, seperti yang ditunjukkan dalam pekali pantulan input dalam Rajah 2b. Rajah tersebut juga menunjukkan parameter yang berkaitan dengan setiap jalur frekuensi, termasuk nilai frekuensi fn (1 ≤ n ≤ 5) pada nilai minimum kehilangan pulangan input yang diukur (Lr), lebar jalur relatif (Bwidth), dan nisbah frekuensi antara dua jalur frekuensi bersebelahan (δ = fn +1/fn). Rajah 2b menunjukkan bahawa jalur monopol Sierpinski dijarakkan secara berkala secara logaritma dengan faktor 2 (δ ≅ 2), yang sepadan dengan faktor penskalaan yang sama yang terdapat dalam struktur serupa dalam bentuk fraktal.

rajah 2

Rajah 3a menunjukkan antena dawai kecil yang panjang berdasarkan lengkung fraktal Koch. Antena ini dicadangkan untuk menunjukkan cara mengeksploitasi sifat pengisian ruang bentuk fraktal untuk mereka bentuk antena kecil. Malah, mengurangkan saiz antena adalah matlamat utama sebilangan besar aplikasi, terutamanya yang melibatkan terminal mudah alih. Monopol Koch dicipta menggunakan kaedah pembinaan fraktal yang ditunjukkan dalam Rajah 3a. Lelaran awal K0 ialah monopol lurus. Lelaran seterusnya K1 diperoleh dengan menggunakan transformasi kesamaan kepada K0, termasuk penskalaan sebanyak satu pertiga dan putaran masing-masing sebanyak 0°, 60°, −60°, dan 0°. Proses ini diulang secara lelaran untuk mendapatkan elemen seterusnya Ki (2 ≤ i ≤ 5). Rajah 3a menunjukkan versi lima lelaran monopol Koch (iaitu, K5) dengan ketinggian h bersamaan dengan 6 cm, tetapi jumlah panjang diberikan oleh formula l = h ·(4/3) 5 = 25.3 cm. Lima antena yang sepadan dengan lima lelaran pertama lengkung Koch telah direalisasikan (lihat Rajah 3a). Kedua-dua eksperimen dan data menunjukkan bahawa monopole fraktal Koch boleh meningkatkan prestasi monopole tradisional (lihat Rajah 3b). Ini menunjukkan bahawa antena fraktal mungkin boleh "mengecilkan" saiz, membolehkannya dimuatkan dalam isipadu yang lebih kecil sambil mengekalkan prestasi yang cekap.

rajah 3

Rajah 4a menunjukkan antena fraktal berdasarkan set Cantor, yang digunakan untuk mereka bentuk antena jalur lebar untuk aplikasi penuaian tenaga. Sifat unik antena fraktal yang memperkenalkan pelbagai resonans bersebelahan dieksploitasi untuk menyediakan lebar jalur yang lebih luas daripada antena konvensional. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1a, reka bentuk set fraktal Cantor adalah sangat mudah: garis lurus awal disalin dan dibahagikan kepada tiga segmen yang sama, yang mana segmen tengah dialih keluar; proses yang sama kemudiannya digunakan secara berulang pada segmen yang baru dijana. Langkah-langkah lelaran fraktal diulang sehingga lebar jalur antena (BW) 0.8–2.2 GHz dicapai (iaitu, 98% BW). Rajah 4 menunjukkan gambar prototaip antena yang direalisasikan (Rajah 4a) dan pekali pantulan inputnya (Rajah 4b).

rajah 4

Rajah 5 memberikan lebih banyak contoh antena fraktal, termasuk antena monopole berasaskan lengkung Hilbert, antena tampalan mikrojalur berasaskan Mandelbrot dan tampalan fraktal pulau Koch (atau "kepingan salji").

rajah 5

Akhir sekali, Rajah 6 menunjukkan susunan fraktal yang berbeza bagi elemen tatasusunan, termasuk tatasusunan satah permaidani Sierpinski, tatasusunan cincin Cantor, tatasusunan linear Cantor dan pokok fraktal. Susunan ini berguna untuk menjana tatasusunan jarang dan/atau mencapai prestasi berbilang jalur.