Przegląd anten: Przegląd metasurface'ów fraktalnych i konstrukcji anten

Koncepcję fraktali wprowadził matematyk Benoit B. Mandelbrot w latach 70. XX wieku, choć początki geometrii fraktalnej można doszukiwać się w wcześniejszych pracach wielu matematyków, takich jak Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915), Julia (1918), Fatou (1926) i Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot badał związek między fraktalami a naturą, wprowadzając nowe typy fraktali, aby symulować bardziej złożone struktury, takie jak drzewa, góry i linie brzegowe. Ukuł słowo „fraktal” od łacińskiego przymiotnika „fractus”, oznaczającego „połamany” lub „spękany”, tj. złożony z połamanych lub nieregularnych fragmentów, aby opisać nieregularne i pofragmentowane kształty geometryczne, których nie da się sklasyfikować za pomocą tradycyjnej geometrii euklidesowej. Ponadto opracował modele matematyczne i algorytmy do generowania i badania fraktali, co doprowadziło do powstania słynnego zbioru Mandelbrota, który jest prawdopodobnie najsłynniejszym i najbardziej fascynującym wizualnie kształtem fraktalnym o złożonych i nieskończenie powtarzających się wzorach (patrz rysunek 1d).
Prace Mandelbrota wywarły wpływ nie tylko na matematykę, ale znalazły również zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak fizyka, grafika komputerowa, biologia, ekonomia i sztuka. W rzeczywistości, dzięki zdolności do modelowania i reprezentowania złożonych i samopodobnych struktur, fraktale znajdują liczne innowacyjne zastosowania w różnych dziedzinach. Na przykład, były szeroko wykorzystywane w następujących obszarach zastosowań, które stanowią zaledwie kilka przykładów ich szerokiego zastosowania:
1. Grafika i animacja komputerowa, generująca realistyczne i atrakcyjne wizualnie krajobrazy naturalne, drzewa, chmury i tekstury;
2. Technologia kompresji danych mająca na celu redukcję rozmiaru plików cyfrowych;
3. Przetwarzanie obrazu i sygnału, wyodrębnianie cech z obrazów, wykrywanie wzorców oraz zapewnianie efektywnych metod kompresji i rekonstrukcji obrazu;
4. Biologia, opisująca wzrost roślin i organizację neuronów w mózgu;
5. Teoria anten i metamateriały, projektowanie anten kompaktowych/wielopasmowych i innowacyjnych metapowierzchni.
Geometria fraktalna znajduje obecnie nowe i innowacyjne zastosowania w różnych dyscyplinach naukowych, artystycznych i technologicznych.
W technologii elektromagnetycznej (EM) kształty fraktalne są bardzo przydatne w zastosowaniach wymagających miniaturyzacji, od anten po metamateriały i powierzchnie selektywne częstotliwościowo (FSS). Zastosowanie geometrii fraktalnej w konwencjonalnych antenach może zwiększyć ich długość elektryczną, a tym samym zmniejszyć całkowity rozmiar struktury rezonansowej. Ponadto, samopodobna natura kształtów fraktalnych sprawia, że ​​idealnie nadają się one do realizacji wielopasmowych lub szerokopasmowych struktur rezonansowych. Wrodzone możliwości miniaturyzacji fraktali są szczególnie atrakcyjne przy projektowaniu matryc refleksyjnych, anten z fazowanymi szykami antenowymi, absorberów metamateriałowych i metapowierzchni do różnych zastosowań. W rzeczywistości, użycie bardzo małych elementów szyku może przynieść szereg korzyści, takich jak redukcja wzajemnego sprzężenia lub możliwość pracy z szykami o bardzo małych odstępach między elementami, co zapewnia dobrą wydajność skanowania i wyższy poziom stabilności kątowej.
Z powyższych powodów, anteny fraktalne i metapowierzchnie reprezentują dwa fascynujące obszary badawcze w dziedzinie elektromagnetyzmu, które w ostatnich latach przyciągnęły wiele uwagi. Obie koncepcje oferują unikalne sposoby manipulowania i kontrolowania fal elektromagnetycznych, z szerokim zakresem zastosowań w komunikacji bezprzewodowej, systemach radarowych i czujnikach. Ich samopodobne właściwości pozwalają im zachować niewielkie rozmiary przy jednoczesnym zachowaniu doskonałej odpowiedzi elektromagnetycznej. Ta kompaktowość jest szczególnie korzystna w zastosowaniach o ograniczonej przestrzeni, takich jak urządzenia mobilne, znaczniki RFID i systemy kosmiczne.
Zastosowanie anten fraktalnych i metasurfaces ma potencjał znaczącej poprawy komunikacji bezprzewodowej, obrazowania i systemów radarowych, ponieważ umożliwia tworzenie kompaktowych, wysokowydajnych urządzeń o ulepszonej funkcjonalności. Ponadto, geometria fraktalna jest coraz częściej wykorzystywana w projektowaniu czujników mikrofalowych do diagnostyki materiałów, ze względu na jej zdolność do pracy w wielu pasmach częstotliwości i możliwość miniaturyzacji. Trwające badania w tych dziedzinach nieustannie eksplorują nowe konstrukcje, materiały i techniki wytwarzania, aby w pełni wykorzystać ich potencjał.
Celem niniejszego artykułu jest przegląd postępów w badaniach i zastosowaniach anten fraktalnych i metasurfaces oraz porównanie istniejących anten i metasurfaces opartych na fraktalu, z uwzględnieniem ich zalet i ograniczeń. Na koniec przedstawiono kompleksową analizę innowacyjnych matryc refleksyjnych i jednostek metamateriałowych, a także omówiono wyzwania i przyszły rozwój tych struktur elektromagnetycznych.