I. Pendahuluan
Fraktal mangrupikeun objék matematika anu nunjukkeun sipat anu sami dina skala anu béda. Ieu ngandung harti yén mun anjeun ngazum gede / kaluar dina bentuk fraktal, unggal bagian na Sigana pisan sarupa sakabéh; éta, pola geometric sarupa atawa struktur ulang dina tingkat magnification béda (tingali conto fraktal dina Gambar 1). Seuseueurna fraktal gaduh bentuk anu rumit, detil, sareng kompleks tanpa wates.
angka 1
Konsep fraktal diwanohkeun ku matematikawan Benoit B. Mandelbrot dina 1970-an, sanajan asal muasal géométri fraktal bisa disusud deui ka karya baheula loba matematikawan, kayaning Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915). ), Julia (1918), Fatou (1926), jeung Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot nalungtik hubungan antara fraktal jeung alam ku ngawanohkeun tipe anyar fractals mun simulate struktur leuwih kompleks, kayaning tatangkalan, gunung, jeung coastlines. Anjeunna nyiptakeun kecap "fraktal" tina kecap sipat basa Latin "fractus", hartina "pegat" atawa "bengkah", nyaéta diwangun ku potongan-potongan pegat atawa henteu teratur, pikeun ngajelaskeun wangun géométri anu henteu teratur sarta fragméntasi anu teu bisa digolongkeun ku géométri Euclidean tradisional. Sajaba ti éta, anjeunna ngembangkeun model matematik jeung algoritma pikeun ngahasilkeun sarta diajar fraktal, nu ngarah ka kreasi Mandelbrot set kawentar, nu meureun nu paling kawentar tur visually matak bentuk fraktal kalawan pola kompléks sarta infinitely repeating (tingali Gambar 1d).
Karya Mandelbrot henteu ngan ukur mangaruhan kana matematika, tapi ogé ngagaduhan aplikasi dina sagala rupa widang sapertos fisika, grafik komputer, biologi, ékonomi, sareng seni. Nyatana, kusabab kamampuan pikeun modél sareng ngagambarkeun struktur anu kompleks sareng sami, fraktal ngagaduhan seueur aplikasi inovatif dina sababaraha widang. Contona, aranjeunna geus loba dipaké di wewengkon aplikasi handap, nu ngan sababaraha conto aplikasi lega maranéhanana:
1. Grafik komputer sareng animasi, ngahasilkeun bentang alam, tatangkalan, awan, sareng tékstur anu réalistis sareng pikaresepeun;
2. Téknologi komprési data pikeun ngirangan ukuran file digital;
3. Gambar jeung sinyal processing, extracting fitur tina gambar, detecting pola, sarta nyadiakeun komprési gambar éféktif jeung métode rekonstruksi;
4. Biologi, ngajéntrékeun tumuwuhna tutuwuhan jeung organisasi neuron dina uteuk;
5. Téori anteneu sarta metamaterials, ngarancang kompak / anteneu multi-band na metasurfaces inovatif.
Ayeuna, géométri fraktal terus manggihan kagunaan anyar jeung inovatif dina sagala rupa disiplin ilmiah, artistik jeung téhnologis.
Dina téhnologi éléktromagnétik (EM), wangun fraktal pohara kapaké pikeun aplikasi nu merlukeun miniaturization, ti anteneu nepi ka metamaterials jeung frékuénsi surfaces selektif (FSS). Ngagunakeun géométri fraktal dina anteneu konvensional bisa ningkatkeun panjang listrik maranéhanana, kukituna ngurangan ukuran sakabéh struktur resonant. Salaku tambahan, sifat anu sami sareng bentuk fraktal ngajantenkeun aranjeunna idéal pikeun ngawujudkeun struktur résonansi multi-band atanapi broadband. Kamampuhan miniaturisasi alamiah tina fraktal utamana pikaresepeun pikeun ngarancang reflectarrays, anteneu array phased, absorbers metamaterial jeung metasurfaces pikeun sagala rupa aplikasi. Kanyataanna, ngagunakeun elemen Asép Sunandar Sunarya pisan leutik bisa mawa sababaraha kaunggulan, kayaning ngurangan silih gandeng atawa bisa digawekeun ku arrays kalawan spasi elemen leutik pisan, sahingga mastikeun kinerja scanning alus tur tingkat stabilitas sudut nu leuwih luhur.
Pikeun alesan anu disebatkeun di luhur, anteneu fraktal sareng metasurfaces ngagambarkeun dua daérah panalungtikan anu pikaresepeun dina widang éléktromagnétik anu narik perhatian dina taun-taun ayeuna. Kadua konsép nawiskeun cara unik pikeun ngamanipulasi sareng ngontrol gelombang éléktromagnétik, kalayan rupa-rupa aplikasi dina komunikasi nirkabel, sistem radar sareng sensing. Sipat-sipatna anu sami ngamungkinkeun aranjeunna janten ukuranana leutik bari ngajaga réspon éléktromagnétik anu saé. Kakompakan ieu hususna nguntungkeun dina aplikasi anu dibatesan rohangan, sapertos alat sélulér, tag RFID, sareng sistem aeroangkasa.
Pamakéan anteneu fraktal sareng metasurfaces berpotensi ningkatkeun komunikasi nirkabel, pencitraan, sareng sistem radar sacara signifikan, sabab tiasa ngaktifkeun alat anu kompak, kinerja luhur sareng fungsionalitas anu ditingkatkeun. Salaku tambahan, géométri fraktal beuki dianggo dina desain sénsor gelombang mikro pikeun diagnosa bahan, kusabab kamampuanna pikeun beroperasi dina sababaraha pita frékuénsi sareng kamampuanana pikeun miniatur. Panalitian anu lumangsung di daérah ieu terus ngajalajah desain, bahan, sareng téknik fabrikasi énggal pikeun ngawujudkeun poténsi pinuhna.
Tulisan ieu boga tujuan pikeun marios panalungtikan sareng kamajuan aplikasi tina anteneu fraktal sareng metasurfaces sareng ngabandingkeun anteneu sareng metasurfaces dumasar fraktal anu aya, nyorot kaunggulan sareng watesanana. Tungtungna, analisis komprehensif ngeunaan reflectarrays inovatif sarta unit metamaterial dibere, sarta tantangan jeung kamajuan hareup struktur éléktromagnétik ieu dibahas.
2. FraktalanteneuUnsur-unsur
Konsep umum fractals bisa dipaké pikeun ngarancang elemen anteneu aheng nu nyadiakeun kinerja hadé ti anteneu konvensional. Unsur anteneu fraktal tiasa ukuranana kompak sareng gaduh kamampuan multi-band sareng / atanapi broadband.
Desain anteneu fraktal ngalibatkeun ngulang pola géométri husus dina skala béda dina struktur anteneu. Pola anu sami sareng diri ieu ngamungkinkeun urang ningkatkeun panjang anteneu sadayana dina rohangan fisik anu terbatas. Salaku tambahan, radiator fraktal tiasa ngahontal sababaraha pita sabab bagian-bagian anteneu anu béda-béda sami sareng anu sanés dina skala anu béda. Ku alatan éta, elemen anteneu fraktal tiasa kompak sareng multi-band, nyayogikeun sinyalna frékuénsi anu langkung lega tibatan anteneu konvensional.
Konsep anteneu fraktal bisa disusud deui ka ahir 1980s. Dina 1986, Kim jeung Jaggard nunjukkeun aplikasi fraktal timer kasaruaan dina sintésis Asép Sunandar Sunarya anteneu.
Dina 1988, fisikawan Nathan Cohen ngawangun anteneu unsur fraktal munggaran di dunya. Anjeunna ngusulkeun yén ku ngalebetkeun géométri anu sami kana struktur anteneu, kamampuan sareng kamampuan miniaturisasi tiasa ningkat. Dina 1995, Cohen ko-diadegkeun Fractal Antenna Systems Inc., nu mimiti nyadiakeun solusi anteneu basis fraktal komérsial munggaran di dunya.
Dina pertengahan 1990-an, Puente et al. nunjukkeun kamampuan multi-band tina fraktal ngagunakeun monopole sareng dipole Sierpinski.
Kusabab karya Cohen na Puente, kaunggulan alamiah anteneu fraktal geus narik minat hébat ti peneliti sarta insinyur dina widang telekomunikasi, ngarah kana éksplorasi salajengna jeung ngembangkeun téhnologi anteneu fraktal.
Ayeuna, anteneu fraktal seueur dianggo dina sistem komunikasi nirkabel, kalebet telepon sélulér, router Wi-Fi, sareng komunikasi satelit. Kanyataanna, anteneu fraktal leutik, multi-band, sarta pohara efisien, sahingga cocog pikeun rupa-rupa alat jeung jaringan nirkabel.
Inohong di handap nembongkeun sababaraha anteneu fraktal dumasar kana wangun fraktal well-dipikawanoh, nu ngan sababaraha conto rupa konfigurasi dibahas dina literatur.
Husus, Gambar 2a nembongkeun monopole Sierpinski diusulkeun dina Puente, nu sanggup nyadiakeun operasi multi-band. Segitiga Sierpinski dibentuk ku cara ngurangan segitiga inverted sentral ti segitiga utama, ditémbongkeun saperti dina Gambar 1b jeung Gambar 2a. Prosés ieu ninggalkeun tilu segitiga sarua dina struktur, masing-masing mibanda panjang sisi satengah tina segitiga dimimitian (tingali Gambar 1b). Prosedur pangurangan anu sami tiasa diulang pikeun segitiga anu sésana. Ku alatan éta, unggal tilu bagian utama na persis sarua jeung sakabeh objek, tapi dua kali proporsi, jeung saterusna. Alatan kamiripan husus ieu, Sierpinski bisa nyadiakeun sababaraha pita frékuénsi sabab bagian béda anteneu nu sarupa silih dina skala béda. Ditémbongkeun saperti dina Gambar 2, monopole Sierpinski diusulkeun beroperasi dina 5 pita. Ieu bisa ditempo yén unggal lima sub-gaskets (struktur bunderan) dina Gambar 2a mangrupakeun versi skala sakabeh struktur, sahingga nyadiakeun lima pita frékuénsi operasi béda, ditémbongkeun saperti dina koefisien cerminan input dina Gambar 2b. Angka ieu ogé nunjukkeun parameter anu aya hubunganana sareng unggal pita frékuénsi, kalebet nilai frékuénsi fn (1 ≤ n ≤ 5) dina nilai minimum tina rugi pangbalikan input anu diukur (Lr), rubakpita relatif (Bwidth), sareng rasio frékuénsi antara. dua pita frékuénsi padeukeut (δ = fn +1/fn). Gambar 2b nunjukeun yen pita tina monopoles Sierpinski sacara periodik logaritmik dipisahkeun ku faktor 2 (δ ≅ 2), nu pakait jeung faktor skala sarua hadir dina struktur sarupa dina bentuk fraktal.
angka 2
Gambar 3a nembongkeun anteneu kawat panjang leutik dumasar kana kurva fraktal Koch. Antena ieu diusulkeun pikeun nunjukkeun kumaha mangpaatkeun sipat ngeusian rohangan tina bentuk fraktal pikeun ngarancang anteneu leutik. Nyatana, ngirangan ukuran anteneu mangrupikeun tujuan utama sajumlah ageung aplikasi, khususna anu ngalibetkeun terminal mobile. The Koch monopole dijieun maké métode konstruksi fraktal ditémbongkeun dina Gambar 3a. Iterasi awal K0 nyaéta monopole lempeng. Iterasi saterusna K1 dimeunangkeun ku cara nerapkeun transformasi kasaruaan ka K0, kaasup skala sapertilu jeung puteran masing-masing 0°, 60°, −60°, jeung 0°. Prosés ieu diulang iteratively pikeun meunangkeun elemen saterusna Ki (2 ≤ i ≤ 5). Gambar 3a nembongkeun versi lima iterasi tina monopole Koch (ie, K5) kalawan jangkungna h sarua jeung 6 cm, tapi panjang total dirumuskeun ku rumus l = h ·(4/3) 5 = 25,3 cm. Lima anteneu pakait jeung lima iterations mimiti kurva Koch geus direalisasikeun (tingali Gambar 3a). Duanana percobaan sareng data nunjukkeun yén monopole fraktal Koch tiasa ningkatkeun kinerja monopole tradisional (tingali Gambar 3b). Ieu nunjukkeun yén mungkin waé pikeun "miniaturize" anteneu fraktal, ngamungkinkeun aranjeunna pas kana volume anu langkung alit bari ngajaga kinerja anu efisien.
angka 3
Gambar 4a nembongkeun anteneu fraktal dumasar kana susunan Cantor, nu dipaké pikeun ngarancang anteneu wideband pikeun aplikasi Panén énergi. Sipat unik tina anteneu fraktal anu ngenalkeun sababaraha résonansi anu padeukeut dieksploitasi pikeun nyayogikeun bandwidth anu langkung lega tibatan anteneu konvensional. Ditémbongkeun saperti dina Gambar 1a, desain susunan fraktal Cantor basajan pisan: garis lempeng awal disalin sarta dibagi kana tilu bagéan sarua, ti mana bagéan puseur dicabut; prosés anu sarua ieu lajeng iteratively dilarapkeun ka bagéan anyar dihasilkeun. Léngkah-léngkah iterasi fraktal diulang nepi ka ngahontal bandwidth anteneu (BW) 0,8–2,2 GHz (nyaéta, 98% BW). angka 4 nembongkeun photograph prototipe anteneu sadar (gambar 4a) jeung koefisien cerminan input na (Gambar 4b).
angka 4
angka 5 méré leuwih conto anteneu fraktal, kaasup anteneu monopole basis kurva Hilbert, anteneu patch microstrip basis Mandelbrot, sarta pulo Koch (atawa "snowflake") patch fraktal.
angka 5
Tungtungna, Gambar 6 nembongkeun susunan fraktal béda unsur Asép Sunandar Sunarya, kaasup Sierpinski karpét planar arrays, Cantor ring arrays, Cantor linear arrays, sarta tangkal fraktal. arrangements ieu mangpaat pikeun ngahasilkeun arrays sparse jeung / atawa achieving kinerja multi-band.
angka 6
Pikeun leuwih jéntré ngeunaan anteneu, mangga buka:
waktos pos: Jul-26-2024
