Warta - Tinjauan Antena: Tinjauan Metasurfaces Fraktal sareng Desain Antena

I. Bubuka
Fraktal nyaéta objék matematis anu némbongkeun sipat anu sarua dina skala anu béda. Ieu ngandung harti yén nalika anjeun ngazum gede/gede dina wangun fraktal, unggal bagianna katingalina sami pisan sareng sakabéhna; nyaéta, pola atanapi struktur géométri anu sami ngulang dina tingkat pembesaran anu béda (tingali conto fraktal dina Gambar 1). Kaseueuran fraktal gaduh wangun anu rumit, lengkep, sareng rumit pisan.

gambar 1

Konsép fraktal diwanohkeun ku ahli matematika Benoit B. Mandelbrot dina taun 1970-an, sanaos asal-usul géométri fraktal tiasa disusud deui ka karya-karya awal seueur ahli matematika, sapertos Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915), Julia (1918), Fatou (1926), sareng Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot nalungtik hubungan antara fraktal sareng alam ku cara ngenalkeun jinis fraktal énggal pikeun nirukeun struktur anu langkung rumit, sapertos tangkal, gunung, sareng basisir. Anjeunna nyiptakeun kecap "fraktal" tina kecap sipat Latin "fractus", anu hartosna "rusak" atanapi "retak", nyaéta diwangun ku potongan anu rusak atanapi henteu teratur, pikeun ngagambarkeun bentuk géométri anu henteu teratur sareng fragmén anu henteu tiasa diklasifikasikeun ku géométri Euclidean tradisional. Salian ti éta, anjeunna ngembangkeun modél matematika sareng algoritma pikeun ngahasilkeun sareng nalungtik fraktal, anu ngarah kana nyiptakeun set Mandelbrot anu kasohor, anu panginten mangrupikeun bentuk fraktal anu paling kasohor sareng pikaresepeun sacara visual kalayan pola anu rumit sareng ngulang-ngulang tanpa wates (tingali Gambar 1d).
Karya Mandelbrot teu ngan ukur mangaruhan matematika, tapi ogé ngagaduhan aplikasi dina rupa-rupa widang sapertos fisika, grafik komputer, biologi, ékonomi, sareng seni. Kanyataanna, kusabab kamampuanna pikeun modél sareng ngagambarkeun struktur anu rumit sareng sami, fraktal ngagaduhan seueur aplikasi inovatif dina rupa-rupa widang. Salaku conto, éta parantos seueur dianggo dina widang aplikasi ieu, anu ngan ukur sababaraha conto tina aplikasi anu lega:
1. Grafik komputer sareng animasi, ngahasilkeun bentang alam, tangkal, awan, sareng tékstur anu réalistis sareng pikaresepeun sacara visual;
2. Téhnologi komprési data pikeun ngirangan ukuran file digital;
3. Pamrosésan gambar sareng sinyal, ngekstrak fitur tina gambar, ngadeteksi pola, sareng nyayogikeun metode komprési sareng rekonstruksi gambar anu efektif;
4. Biologi, ngajelaskeun kamekaran tutuwuhan sareng organisasi neuron dina uteuk;
5. Téori anteneu sareng metamaterial, ngarancang anteneu kompak/multi-band sareng metasurfaces inovatif.
Ayeuna, géométri fraktal terus mendakan kagunaan énggal sareng inovatif dina rupa-rupa disiplin ilmiah, artistik, sareng téknologi.
Dina téknologi éléktromagnétik (EM), bentuk fraktal mangpaat pisan pikeun aplikasi anu meryogikeun miniaturisasi, ti anteneu dugi ka metamaterial sareng permukaan selektif frékuénsi (FSS). Ngagunakeun géométri fraktal dina anteneu konvensional tiasa ningkatkeun panjang listrikna, sahingga ngirangan ukuran sakabéh struktur résonansi. Salian ti éta, sipat anu sami sareng bentuk fraktal ngajantenkeun aranjeunna idéal pikeun ngawujudkeun struktur résonansi multi-band atanapi broadband. Kamampuan miniaturisasi anu aya dina fraktal utamina pikaresepeun pikeun ngarancang reflectarray, anteneu array fase, panyerep metamaterial sareng metasurface pikeun rupa-rupa aplikasi. Nyatana, ngagunakeun unsur array anu alit pisan tiasa mawa sababaraha kaunggulan, sapertos ngirangan silih gandéngan atanapi tiasa damel sareng array kalayan jarak unsur anu alit pisan, sahingga mastikeun kinerja scanning anu saé sareng tingkat stabilitas sudut anu langkung luhur.
Kusabab alesan anu kasebat di luhur, anteneu fraktal sareng metasurfaces ngawakilan dua widang panalungtikan anu pikaresepeun dina widang éléktromagnétik anu parantos narik seueur perhatian dina sababaraha taun ka pengker. Kadua konsép nawiskeun cara anu unik pikeun ngamanipulasi sareng ngontrol gelombang éléktromagnétik, kalayan rupa-rupa aplikasi dina komunikasi nirkabel, sistem radar sareng sensing. Sipat anu sami sareng diri ngamungkinkeun ukuranana alit bari ngajaga réspon éléktromagnétik anu saé. Kakompakan ieu khususna nguntungkeun dina aplikasi anu diwatesan rohangan, sapertos alat sélulér, tag RFID, sareng sistem aerospace.
Panggunaan anteneu fraktal sareng metasurfaces gaduh poténsi pikeun ningkatkeun komunikasi nirkabel, pencitraan, sareng sistem radar sacara signifikan, sabab ngamungkinkeun alat anu kompak sareng berkinerja tinggi kalayan fungsionalitas anu ditingkatkeun. Salian ti éta, géométri fraktal beuki seueur dianggo dina desain sensor gelombang mikro pikeun diagnostik bahan, kusabab kamampuanna pikeun beroperasi dina sababaraha pita frékuénsi sareng kamampuanna pikeun diminiaturisasi. Panalungtikan anu lumangsung di daérah ieu terus ngajalajah desain, bahan, sareng téknik fabrikasi énggal pikeun ngawujudkeun poténsi pinuhna.
Ieu tulisan boga tujuan pikeun marios kamajuan panalungtikan sareng aplikasi anteneu fraktal sareng metasurfaces sareng ngabandingkeun anteneu sareng metasurfaces berbasis fraktal anu tos aya, nyorot kaunggulan sareng watesanana. Pamungkas, analisis komprehensif ngeunaan reflectarrays inovatif sareng unit metamaterial dipidangkeun, sareng tantangan sareng perkembangan ka hareup tina struktur éléktromagnétik ieu dibahas.

2. FraktalAntenaUnsur-unsur
Konsép umum fraktal tiasa dianggo pikeun ngarancang unsur anteneu éksotik anu nyayogikeun kinerja anu langkung saé tibatan anteneu konvensional. Unsur anteneu fraktal tiasa ukuranana kompak sareng gaduh kamampuan multi-band sareng/atanapi broadband.
Desain anteneu fraktal ngalibatkeun ngulang pola géométri spésifik dina skala anu béda dina struktur anteneu. Pola anu sami ieu ngamungkinkeun urang pikeun ningkatkeun panjang sakabéh anteneu dina rohangan fisik anu terbatas. Salian ti éta, radiator fraktal tiasa ngahontal sababaraha pita sabab bagian anteneu anu béda-béda sami dina skala anu béda. Ku alatan éta, unsur anteneu fraktal tiasa kompak sareng multi-pita, nyayogikeun jangkauan frékuénsi anu langkung lega tibatan anteneu konvensional.
Konsép anteneu fraktal tiasa dilacak deui ka ahir taun 1980-an. Dina taun 1986, Kim sareng Jaggard nunjukkeun aplikasi kamiripan diri fraktal dina sintésis susunan anteneu.
Dina taun 1988, fisikawan Nathan Cohen ngawangun anteneu unsur fraktal munggaran di dunya. Anjeunna ngusulkeun yén ku cara ngasupkeun géométri anu sami-diri kana struktur anteneu, kinerja sareng kamampuan miniaturisasina tiasa ningkat. Dina taun 1995, Cohen ngadegkeun Fractal Antenna Systems Inc., anu mimiti nyayogikeun solusi anteneu berbasis fraktal komérsial munggaran di dunya.
Dina pertengahan taun 1990-an, Puente et al. nunjukkeun kamampuan multi-pita fraktal nganggo monopole sareng dipole Sierpinski.
Ti saprak karya Cohen sareng Puente, kaunggulan anu aya dina anteneu fraktal parantos narik minat anu ageung ti para panaliti sareng insinyur dina widang telekomunikasi, anu ngarah kana éksplorasi sareng pamekaran téknologi anteneu fraktal salajengna.
Ayeuna, anteneu fraktal seueur dianggo dina sistem komunikasi nirkabel, kalebet telepon sélulér, router Wi-Fi, sareng komunikasi satelit. Kanyataanna, anteneu fraktal téh alit, multi-band, sareng efisien pisan, janten cocog pikeun rupa-rupa alat sareng jaringan nirkabel.
Gambar-gambar di handap ieu nunjukkeun sababaraha anteneu fraktal dumasar kana bentuk fraktal anu terkenal, anu ngan ukur sababaraha conto tina rupa-rupa konfigurasi anu dibahas dina literatur.
Sacara husus, Gambar 2a nunjukkeun monopole Sierpinski anu diusulkeun di Puente, anu sanggup nyadiakeun operasi multi-band. Segitiga Sierpinski dibentuk ku cara ngurangan segitiga tibalik tengah tina segitiga utama, sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 1b sareng Gambar 2a. Prosés ieu nyésakeun tilu segitiga anu sami dina strukturna, masing-masing kalayan panjang sisi satengah tina segitiga awal (tingali Gambar 1b). Prosedur pangurangan anu sami tiasa diulang pikeun segitiga anu sésana. Ku alatan éta, masing-masing tina tilu bagian utama na persis sami sareng sakumna objék, tapi dina proporsi dua kali lipat, sareng saterasna. Kusabab kamiripan khusus ieu, Sierpinski tiasa nyayogikeun sababaraha pita frékuénsi sabab bagian anteneu anu béda-béda sami dina skala anu béda. Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 2, monopole Sierpinski anu diusulkeun beroperasi dina 5 pita. Éta tiasa katingali yén masing-masing tina lima sub-gasket (struktur bunderan) dina Gambar 2a mangrupikeun vérsi skala tina sakumna struktur, sahingga nyayogikeun lima pita frékuénsi operasi anu béda, sakumaha anu dipidangkeun dina koefisien pantulan input dina Gambar 2b. Gambar ieu ogé nunjukkeun paraméter anu aya hubunganana sareng unggal pita frékuénsi, kalebet nilai frékuénsi fn (1 ≤ n ≤ 5) dina nilai minimum tina rugi mulang input anu diukur (Lr), bandwidth relatif (Bwidth), sareng babandingan frékuénsi antara dua pita frékuénsi anu padeukeut (δ = fn +1/fn). Gambar 2b nunjukkeun yén pita monopol Sierpinski sacara logaritmik dipisahkeun sacara périodik ku faktor 2 (δ ≅ 2), anu pakait sareng faktor skala anu sami anu aya dina struktur anu sami dina bentuk fraktal.

gambar 2

Gambar 3a nunjukkeun anteneu kawat panjang leutik dumasar kana kurva fraktal Koch. Anteneu ieu diusulkeun pikeun nunjukkeun kumaha ngamangpaatkeun sipat ngeusian rohangan tina bentuk fraktal pikeun ngarancang anteneu leutik. Nyatana, ngirangan ukuran anteneu mangrupikeun tujuan pamungkas tina sajumlah ageung aplikasi, khususna anu ngalibatkeun terminal sélulér. Monopole Koch didamel nganggo metode konstruksi fraktal anu dipidangkeun dina Gambar 3a. Iterasi awal K0 nyaéta monopole lempeng. Iterasi salajengna K1 diala ku cara nerapkeun transformasi kamiripan ka K0, kalebet skala ku sapertiluna sareng muter ku 0°, 60°, −60°, sareng 0°, masing-masing. Prosés ieu diulang sacara iteratif pikeun kéngingkeun unsur-unsur salajengna Ki (2 ≤ i ≤ 5). Gambar 3a nunjukkeun vérsi lima iterasi tina monopole Koch (nyaéta, K5) kalayan jangkungna h sami sareng 6 cm, tapi total panjangna dipasihkeun ku rumus l = h ·(4/3) 5 = 25,3 cm. Lima anteneu anu pakait sareng lima iterasi munggaran tina kurva Koch parantos direalisasikeun (tingali Gambar 3a). Boh ékspérimén sareng data nunjukkeun yén monopole fraktal Koch tiasa ningkatkeun kinerja monopole tradisional (tingali Gambar 3b). Ieu nunjukkeun yén kamungkinan pikeun "ngaminimalkeun" anteneu fraktal, ngamungkinkeun aranjeunna pas kana volume anu langkung alit bari ngajaga kinerja anu efisien.

gambar 3

Gambar 4a nunjukkeun anteneu fraktal dumasar kana set Cantor, anu dianggo pikeun ngarancang anteneu pita lega pikeun aplikasi panén énergi. Sipat unik anteneu fraktal anu ngenalkeun sababaraha résonansi anu padeukeut dimanfaatkeun pikeun nyayogikeun bandwidth anu langkung lega tibatan anteneu konvensional. Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 1a, desain set fraktal Cantor saderhana pisan: garis lempeng awal disalin sareng dibagi kana tilu segmen anu sami, ti mana segmen tengahna dipiceun; prosés anu sami teras diterapkeun sacara iteratif kana segmen anu nembé dihasilkeun. Léngkah-léngkah iterasi fraktal diulang dugi ka bandwidth anteneu (BW) 0,8–2,2 GHz kahontal (nyaéta, 98% BW). Gambar 4 nunjukkeun poto prototipe anteneu anu direalisasikeun (Gambar 4a) sareng koéfisién pantulan inputna (Gambar 4b).

gambar 4

Gambar 5 masihan langkung seueur conto anteneu fraktal, kalebet anteneu monopole dumasar kurva Hilbert, anteneu patch mikrostrip dumasar Mandelbrot, sareng patch fraktal pulo Koch (atanapi "kepingan salju").

gambar 5

Pamungkas, Gambar 6 nunjukkeun susunan fraktal anu béda-béda tina unsur susunan, kalebet susunan planar karpét Sierpinski, susunan cincin Cantor, susunan linier Cantor, sareng tangkal fraktal. Susunan ieu mangpaat pikeun ngahasilkeun susunan sparse sareng/atanapi ngahontal kinerja multi-band.