Pregled antene: Pregled fraktalnih metapovršina i dizajna antene

Koncept fraktala uveo je matematičar Benoit B. Mandelbrot 1970-ih, iako se porijeklo fraktalne geometrije može pratiti do ranijih radova mnogih matematičara, kao što su Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915), Julia (1918), Fatou (1926) i Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot proučavao je odnos između fraktala i prirode uvođenjem novih tipova fraktala kako bi simulirao složenije strukture, poput drveća, planina i obala. Riječ "fraktal" skovao je od latinskog pridjeva "fractus", što znači "slomljen" ili "izlomljen", tj. sastavljen od slomljenih ili nepravilnih dijelova, kako bi opisao nepravilne i fragmentirane geometrijske oblike koji se ne mogu klasificirati tradicionalnom euklidskom geometrijom. Osim toga, razvio je matematičke modele i algoritme za generiranje i proučavanje fraktala, što je dovelo do stvaranja poznatog Mandelbrotovog skupa, koji je vjerovatno najpoznatiji i vizualno najfascinantniji fraktalni oblik sa složenim i beskonačno ponavljajućim uzorcima (vidi Sliku 1d).
Mandelbrotov rad nije imao samo utjecaja na matematiku, već ima i primjenu u raznim oblastima kao što su fizika, kompjuterska grafika, biologija, ekonomija i umjetnost. U stvari, zbog svoje sposobnosti modeliranja i predstavljanja složenih i samosličnih struktura, fraktali imaju brojne inovativne primjene u raznim oblastima. Na primjer, široko su korišteni u sljedećim područjima primjene, koja su samo neki od primjera njihove široke primjene:
1. Kompjuterska grafika i animacija, generiranje realističnih i vizualno atraktivnih prirodnih pejzaža, drveća, oblaka i tekstura;
2. Tehnologija kompresije podataka za smanjenje veličine digitalnih datoteka;
3. Obrada slika i signala, izdvajanje karakteristika iz slika, otkrivanje obrazaca i obezbjeđivanje efikasnih metoda kompresije i rekonstrukcije slika;
4. Biologija, koja opisuje rast biljaka i organizaciju neurona u mozgu;
5. Teorija antena i metamaterijali, projektovanje kompaktnih/višepojasnih antena i inovativnih metapovršina.
Trenutno, fraktalna geometrija nastavlja pronalaziti nove i inovativne primjene u raznim naučnim, umjetničkim i tehnološkim disciplinama.
U elektromagnetnoj (EM) tehnologiji, fraktalni oblici su veoma korisni za primjene koje zahtijevaju minijaturizaciju, od antena do metamaterijala i frekvencijski selektivnih površina (FSS). Korištenje fraktalne geometrije u konvencionalnim antenama može povećati njihovu električnu dužinu, čime se smanjuje ukupna veličina rezonantne strukture. Osim toga, samosličnost fraktalnih oblika čini ih idealnim za realizaciju višepojasnih ili širokopojasnih rezonantnih struktura. Inherentne mogućnosti minijaturizacije fraktala su posebno atraktivne za dizajniranje reflektivnih nizova, faznih antenskih nizova, metamaterijalnih apsorbera i metapovršina za različite primjene. U stvari, korištenje vrlo malih elemenata niza može donijeti nekoliko prednosti, kao što su smanjenje međusobnog spajanja ili mogućnost rada s nizovima s vrlo malim razmakom elemenata, čime se osiguravaju dobre performanse skeniranja i viši nivoi kutne stabilnosti.
Iz gore navedenih razloga, fraktalne antene i metapovršine predstavljaju dva fascinantna istraživačka područja u oblasti elektromagnetike koja su posljednjih godina privukla mnogo pažnje. Oba koncepta nude jedinstvene načine manipulacije i kontrole elektromagnetnih talasa, sa širokim spektrom primjena u bežičnim komunikacijama, radarskim sistemima i senzorima. Njihova samoslična svojstva omogućavaju im da budu male veličine uz održavanje odličnog elektromagnetnog odziva. Ova kompaktnost je posebno povoljna u primjenama sa ograničenim prostorom, kao što su mobilni uređaji, RFID oznake i vazduhoplovni sistemi.
Upotreba fraktalnih antena i metapovršina ima potencijal da značajno poboljša bežične komunikacije, sisteme za snimanje i radarske sisteme, jer omogućavaju kompaktne, visokoperformansne uređaje sa poboljšanom funkcionalnošću. Osim toga, fraktalna geometrija se sve više koristi u dizajnu mikrotalasnih senzora za dijagnostiku materijala, zbog svoje sposobnosti rada u više frekventnih opsega i mogućnosti minijaturizacije. Kontinuirana istraživanja u ovim oblastima nastavljaju da istražuju nove dizajne, materijale i tehnike izrade kako bi se ostvario njihov puni potencijal.
Ovaj rad ima za cilj da pregleda napredak u istraživanju i primjeni fraktalnih antena i metapovršina i uporedi postojeće antene i metapovršine zasnovane na fraktalima, ističući njihove prednosti i ograničenja. Konačno, predstavljena je sveobuhvatna analiza inovativnih reflektorskih nizova i metamaterijskih jedinica, te se razmatraju izazovi i budući razvoj ovih elektromagnetnih struktura.