Przegląd anten: Przegląd metasurface'ów fraktalnych i projektów anten

Koncepcję fraktali wprowadził matematyk Benoit B. Mandelbrot w latach 70. XX wieku, chociaż początki geometrii fraktalnej można odnaleźć 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 „połamany”, tj. złożony z połamanych lub nieregularnych kawałków, aby opisać nieregularne i pofragmentowane kształty geometryczne, których nie można sklasyfikować za pomocą tradycyjnej geometrii euklidesowej. Ponadto opracował modele matematyczne i algorytmy do generowania i badania fraktali, co doprowadziło do stworzenia 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 nie tylko wpłynęły na matematykę, ale mają również zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak fizyka, grafika komputerowa, biologia, ekonomia i sztuka. W rzeczywistości, ze względu na ich zdolność do modelowania i reprezentowania złożonych i samopodobnych struktur, fraktale mają wiele innowacyjnych zastosowań w różnych dziedzinach. Na przykład, były szeroko stosowane w następujących obszarach zastosowań, które są tylko kilkoma przykładami ich szerokiego zastosowania:
1. Grafika i animacja komputerowa, generowanie realistycznych i atrakcyjnych wizualnie krajobrazów naturalnych, drzew, chmur i tekstur;
2. Technologia kompresji danych mająca na celu zmniejszenie 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 coraz to nowe i innowacyjne zastosowania w wielu 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, zmniejszając tym samym całkowity rozmiar struktury rezonansowej. Ponadto samopodobna natura kształtów fraktalnych sprawia, że ​​idealnie nadają się do realizacji wielopasmowych lub szerokopasmowych struktur rezonansowych. Wrodzone możliwości miniaturyzacji fraktali są szczególnie atrakcyjne w projektowaniu reflektorów, anten z fazowanymi układami, absorberów metamateriałów i metapowierzchni do różnych zastosowań. W rzeczywistości użycie bardzo małych elementów układu może przynieść kilka korzyści, takich jak zmniejszenie wzajemnego sprzężenia lub możliwość pracy z układami o bardzo małych odstępach między elementami, zapewniając w ten sposób dobrą wydajność skanowania i wyższy poziom stabilności kątowej.
Z wyżej wymienionych powodów, anteny fraktalne i metasurfaces stanowią dwa fascynujące obszary badawcze w dziedzinie elektromagnetyki, 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 być małymi rozmiarami przy zachowaniu doskonałej odpowiedzi elektromagnetycznej. Ta kompaktowość jest szczególnie korzystna w zastosowaniach o ograniczonej przestrzeni, takich jak urządzenia mobilne, znaczniki RFID i systemy lotnicze.
Zastosowanie anten fraktalnych i metasurfaces ma potencjał, aby znacząco poprawić komunikację bezprzewodową, obrazowanie i systemy radarowe, ponieważ umożliwiają one kompaktowe, wydajne urządzenia o ulepszonej funkcjonalności. Ponadto geometria fraktalna jest coraz częściej stosowana w projektowaniu czujników mikrofalowych do diagnostyki materiałów, ze względu na jej zdolność do działania w wielu pasmach częstotliwości i możliwość miniaturyzacji. Trwające badania w tych obszarach nadal eksplorują nowe projekty, materiały i techniki wytwarzania, aby w pełni wykorzystać ich potencjał.
Niniejszy artykuł ma na celu przegląd postępów w badaniach i zastosowaniach anten fraktalnych i metasurfaces oraz porównanie istniejących anten i metasurfaces opartych na fraktalu, podkreślając ich zalety i ograniczenia. Na koniec przedstawiono kompleksową analizę innowacyjnych reflektorów i jednostek metamateriałowych, a także omówiono wyzwania i przyszłe kierunki rozwoju tych struktur elektromagnetycznych.