Habari - Mapitio ya Antena: Mapitio ya Fractal Metasurfaces na Ubunifu wa Antena

I. Utangulizi
Fractal ni vitu vya hisabati vinavyoonyesha sifa zinazofanana katika mizani tofauti. Hii ina maana kwamba unapoongeza/kutoa umbo la fractal, kila sehemu yake inaonekana sawa na yote; yaani, mifumo au miundo inayofanana ya kijiometri hurudia katika viwango tofauti vya ukuzaji (tazama mifano ya fractal katika Mchoro 1). Fractal nyingi zina maumbo tata, yenye maelezo, na tata isiyo na kikomo.

mchoro 1

Dhana ya fractals ilianzishwa na mwanahisabati Benoit B. Mandelbrot katika miaka ya 1970, ingawa asili ya jiometri ya fractals inaweza kufuatiliwa nyuma hadi kazi ya awali ya wanahisabati wengi, kama vile Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915), Julia (1918), Fatou (1926), na Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot alisoma uhusiano kati ya vipande vya fraktali na asili kwa kuanzisha aina mpya za vipande vya fraktali ili kuiga miundo tata zaidi, kama vile miti, milima, na ufuo. Alibuni neno "fraktali" kutoka kwa kivumishi cha Kilatini "fraktali", kinachomaanisha "kuvunjika" au "kuvunjika", yaani kilichoundwa na vipande vilivyovunjika au visivyo vya kawaida, kuelezea maumbo ya kijiometri yasiyo ya kawaida na yaliyogawanyika ambayo hayawezi kuainishwa kwa jiometri ya kitamaduni ya Euclidean. Zaidi ya hayo, aliunda mifumo na algoriti za hisabati kwa ajili ya kutengeneza na kusoma vipande vya fraktali, ambayo ilisababisha kuundwa kwa seti maarufu ya Mandelbrot, ambayo labda ni umbo maarufu na la kuvutia la vipande vya fraktali lenye mifumo tata na inayorudiwa bila kikomo (tazama Mchoro 1d).
Kazi ya Mandelbrot haijaathiri tu hisabati, lakini pia ina matumizi katika nyanja mbalimbali kama vile fizikia, michoro ya kompyuta, biolojia, uchumi, na sanaa. Kwa kweli, kutokana na uwezo wao wa kuiga na kuwakilisha miundo tata na inayofanana, fractals zina matumizi mengi bunifu katika nyanja mbalimbali. Kwa mfano, zimetumika sana katika maeneo yafuatayo ya matumizi, ambayo ni mifano michache tu ya matumizi yao mapana:
1. Michoro ya kompyuta na uhuishaji, zinazozalisha mandhari asilia, miti, mawingu, na umbile halisi na linalovutia macho;
2. Teknolojia ya kubana data ili kupunguza ukubwa wa faili za kidijitali;
3. Uchakataji wa picha na ishara, kutoa vipengele kutoka kwa picha, kugundua mifumo, na kutoa mbinu bora za kubana na kujenga upya picha;
4. Biolojia, inayoelezea ukuaji wa mimea na mpangilio wa niuroni katika ubongo;
5. Nadharia ya antena na metamatikeri, kubuni antena ndogo/zenye bendi nyingi na metasurfaces bunifu.
Hivi sasa, jiometri ya fractal inaendelea kupata matumizi mapya na bunifu katika taaluma mbalimbali za kisayansi, kisanii na kiteknolojia.
Katika teknolojia ya sumakuumeme (EM), maumbo ya fractal ni muhimu sana kwa matumizi yanayohitaji uundaji mdogo, kuanzia antena hadi metamatikeri na nyuso zinazochagua masafa (FSS). Kutumia jiometri ya fractal katika antena za kawaida kunaweza kuongeza urefu wao wa umeme, na hivyo kupunguza ukubwa wa jumla wa muundo wa resonant. Kwa kuongezea, asili inayofanana ya maumbo ya fractal huyafanya kuwa bora kwa ajili ya kutambua miundo ya resonant ya bendi nyingi au broadband. Uwezo wa asili wa uundaji mdogo wa fractal unavutia sana kwa kubuni reflectorarrays, antena za safu zilizopangwa kwa awamu, vifyonzaji vya metamatikeri na metasurfaces kwa matumizi mbalimbali. Kwa kweli, kutumia vipengele vidogo sana vya safu kunaweza kuleta faida kadhaa, kama vile kupunguza muunganisho wa pande zote mbili au kuweza kufanya kazi na safu zenye nafasi ndogo sana ya vipengele, hivyo kuhakikisha utendaji mzuri wa kuchanganua na viwango vya juu vya utulivu wa pembe.
Kwa sababu zilizotajwa hapo juu, antena za fractal na metasurfaces zinawakilisha maeneo mawili ya utafiti ya kuvutia katika uwanja wa sumakuumeme ambayo yamevutia umakini mkubwa katika miaka ya hivi karibuni. Dhana zote mbili hutoa njia za kipekee za kudhibiti na kudhibiti mawimbi ya sumakuumeme, pamoja na matumizi mbalimbali katika mawasiliano yasiyotumia waya, mifumo ya rada na kuhisi. Sifa zao zinazofanana huziruhusu kuwa ndogo kwa ukubwa huku zikidumisha mwitikio bora wa sumakuumeme. Ufupi huu una faida hasa katika matumizi yenye vikwazo vya nafasi, kama vile vifaa vya mkononi, lebo za RFID, na mifumo ya anga za juu.
Matumizi ya antena za fractal na metasurfaces yana uwezo wa kuboresha kwa kiasi kikubwa mawasiliano yasiyotumia waya, upigaji picha, na mifumo ya rada, kwani huwezesha vifaa vidogo na vya utendaji wa juu vyenye utendaji ulioboreshwa. Zaidi ya hayo, jiometri ya fractal inazidi kutumika katika muundo wa vitambuzi vya microwave kwa ajili ya utambuzi wa nyenzo, kutokana na uwezo wake wa kufanya kazi katika bendi nyingi za masafa na uwezo wake wa kupunguzwa. Utafiti unaoendelea katika maeneo haya unaendelea kuchunguza miundo, vifaa, na mbinu mpya za utengenezaji ili kufikia uwezo wao kamili.
Karatasi hii inalenga kukagua maendeleo ya utafiti na matumizi ya antena za fractal na metasurfaces na kulinganisha antena na metasurfaces zilizopo zenye msingi wa fractal, ikiangazia faida na mapungufu yake. Hatimaye, uchambuzi kamili wa reflectionarrays bunifu na vitengo vya metamaterial unawasilishwa, na changamoto na maendeleo ya baadaye ya miundo hii ya sumakuumeme yanajadiliwa.

2. FraktaliAntenaVipengele
Wazo la jumla la fractals linaweza kutumika kubuni vipengele vya antena za kigeni vinavyotoa utendaji bora kuliko antena za kawaida. Vipengele vya antena za fractal vinaweza kuwa vidogo kwa ukubwa na kuwa na uwezo wa bendi nyingi na/au broadband.
Ubunifu wa antena za fractal unahusisha kurudia mifumo maalum ya kijiometri katika mizani tofauti ndani ya muundo wa antena. Muundo huu unaofanana unaturuhusu kuongeza urefu wa jumla wa antena ndani ya nafasi ndogo ya kimwili. Zaidi ya hayo, radiator za fractal zinaweza kufikia bendi nyingi kwa sababu sehemu tofauti za antena zinafanana katika mizani tofauti. Kwa hivyo, vipengele vya antena za fractal vinaweza kuwa vidogo na vyenye bendi nyingi, na kutoa chanjo pana zaidi ya masafa kuliko antena za kawaida.
Wazo la antena za fraktali linaweza kufuatiliwa hadi mwishoni mwa miaka ya 1980. Mnamo 1986, Kim na Jaggard walionyesha matumizi ya kufanana kwa fraktali katika usanisi wa safu ya antena.
Mnamo 1988, mwanafizikia Nathan Cohen aliunda antena ya kwanza ya kipengele cha fractal duniani. Alipendekeza kwamba kwa kuingiza jiometri inayofanana katika muundo wa antena, utendaji wake na uwezo wake wa miniaturization unaweza kuboreshwa. Mnamo 1995, Cohen alianzisha Fractal Antenna Systems Inc., ambayo ilianza kutoa suluhisho za antena za kwanza za kibiashara duniani zenye msingi wa fractal.
Katikati ya miaka ya 1990, Puente et al. walionyesha uwezo wa bendi nyingi za fractals kwa kutumia monopole na dipole ya Sierpinski.
Tangu kazi ya Cohen na Puente, faida za asili za antena za fractal zimevutia shauku kubwa kutoka kwa watafiti na wahandisi katika uwanja wa mawasiliano ya simu, na kusababisha uchunguzi zaidi na maendeleo ya teknolojia ya antena za fractal.
Leo, antena za fractal hutumika sana katika mifumo ya mawasiliano isiyotumia waya, ikiwa ni pamoja na simu za mkononi, ruta za Wi-Fi, na mawasiliano ya setilaiti. Kwa kweli, antena za fractal ni ndogo, zenye bendi nyingi, na zenye ufanisi mkubwa, na kuzifanya zifae kwa vifaa na mitandao mbalimbali isiyotumia waya.
Takwimu zifuatazo zinaonyesha antena za fractal kulingana na maumbo ya fractal yanayojulikana, ambayo ni mifano michache tu ya usanidi mbalimbali unaojadiliwa katika fasihi.
Hasa, Mchoro 2a unaonyesha monopole ya Sierpinski iliyopendekezwa huko Puente, ambayo ina uwezo wa kutoa operesheni ya bendi nyingi. Pembetatu ya Sierpinski huundwa kwa kutoa pembetatu ya kati iliyogeuzwa kutoka kwa pembetatu kuu, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1b na Mchoro 2a. Mchakato huu unaacha pembetatu tatu sawa kwenye muundo, kila moja ikiwa na urefu wa pembeni wa nusu ya pembetatu ya kuanzia (tazama Mchoro 1b). Utaratibu huo huo wa kutoa unaweza kurudiwa kwa pembetatu zilizobaki. Kwa hivyo, kila moja ya sehemu zake kuu tatu ni sawa kabisa na kitu kizima, lakini kwa uwiano mara mbili, na kadhalika. Kutokana na kufanana huku maalum, Sierpinski inaweza kutoa bendi nyingi za masafa kwa sababu sehemu tofauti za antena zinafanana kwa kila mmoja kwa mizani tofauti. Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 2, monopole iliyopendekezwa ya Sierpinski inafanya kazi katika bendi 5. Inaweza kuonekana kwamba kila moja ya gasket ndogo tano (miundo ya duara) katika Mchoro 2a ni toleo la kipimo cha muundo mzima, hivyo kutoa bendi tano tofauti za masafa ya uendeshaji, kama inavyoonyeshwa kwenye mgawo wa uakisi wa ingizo katika Mchoro 2b. Mchoro pia unaonyesha vigezo vinavyohusiana na kila bendi ya masafa, ikiwa ni pamoja na thamani ya masafa fn (1 ≤ n ≤ 5) kwa thamani ya chini kabisa ya hasara ya kurudisha ingizo iliyopimwa (Lr), kipimo data cha jamaa (Bwidth), na uwiano wa masafa kati ya bendi mbili za masafa zilizo karibu (δ = fn +1/fn). Mchoro 2b unaonyesha kwamba bendi za monopole za Sierpinski hupangwa kwa mpangilio wa logarithmic mara kwa mara na kipengele cha 2 (δ ≅ 2), ambacho kinalingana na kipengele sawa cha upimaji kilichopo katika miundo sawa katika umbo la fractal.

Mchoro 2

Mchoro 3a unaonyesha antena ndogo ndefu ya waya kulingana na mkunjo wa fractal wa Koch. Antena hii inapendekezwa kuonyesha jinsi ya kutumia sifa za kujaza nafasi za maumbo ya fractal kubuni antena ndogo. Kwa kweli, kupunguza ukubwa wa antena ndio lengo kuu la idadi kubwa ya programu, haswa zile zinazohusisha vituo vya kuhama. Monopole ya Koch imeundwa kwa kutumia mbinu ya ujenzi wa fractal iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 3a. Urudiaji wa awali K0 ni monopole iliyonyooka. Urudiaji unaofuata K1 unapatikana kwa kutumia mabadiliko ya kufanana kwa K0, ikiwa ni pamoja na kuongeza kwa theluthi moja na kuzungusha kwa 0°, 60°, −60°, na 0°, mtawalia. Mchakato huu unarudiwa mara kwa mara ili kupata vipengele vinavyofuata Ki (2 ≤ i ≤ 5). Mchoro 3a unaonyesha toleo la urudiaji tano la monopole ya Koch (yaani, K5) yenye urefu wa h sawa na 6 cm, lakini urefu wote umetolewa na fomula l = h ·(4/3) 5 = 25.3 cm. Antena tano zinazolingana na marudio matano ya kwanza ya mkunjo wa Koch zimegunduliwa (tazama Mchoro 3a). Majaribio na data zote zinaonyesha kwamba monopole ya fractal ya Koch inaweza kuboresha utendaji wa monopole ya jadi (tazama Mchoro 3b). Hii inaonyesha kwamba inawezekana "kupunguza" antena za fractal, na kuziruhusu kutoshea katika ujazo mdogo huku zikidumisha utendaji mzuri.

mchoro 3

Mchoro 4a unaonyesha antena ya fractal kulingana na seti ya Cantor, ambayo hutumika kubuni antena ya bendi pana kwa matumizi ya kuvuna nishati. Sifa ya kipekee ya antena za fractal zinazoanzisha miale mingi iliyo karibu hutumiwa kutoa kipimo data pana kuliko antena za kawaida. Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1a, muundo wa seti ya fractal ya Cantor ni rahisi sana: mstari wa kwanza ulionyooka unanakiliwa na kugawanywa katika sehemu tatu sawa, ambapo sehemu ya katikati huondolewa; mchakato huo huo kisha hutumika mara kwa mara kwa sehemu mpya zinazozalishwa. Hatua za urudiaji wa fractal hurudiwa hadi kipimo data cha antena (BW) cha 0.8–2.2 GHz kipatikane (yaani, 98% BW). Mchoro 4 unaonyesha picha ya mfano wa antena iliyogunduliwa (Mchoro 4a) na mgawo wake wa kuakisi ingizo (Mchoro 4b).

mchoro 4

Mchoro 5 unatoa mifano zaidi ya antena za fractal, ikiwa ni pamoja na antena ya monopole inayotegemea mkunjo wa Hilbert, antena ya kiraka cha microstrip inayotegemea Mandelbrot, na kiraka cha fractal cha kisiwa cha Koch (au "theluji").

mchoro 5

Hatimaye, Mchoro 6 unaonyesha mipangilio tofauti ya fractal ya vipengele vya safu, ikiwa ni pamoja na safu za planar za zulia la Sierpinski, safu za pete za Cantor, safu za mstari za Cantor, na miti ya fractal. Mipangilio hii ni muhimu kwa ajili ya kuzalisha safu chache na/au kufikia utendaji wa bendi nyingi.