Pregled antene: Pregled fraktalnih metapovršina i dizajna antene

Koncept fraktala uveo je matematičar Benoit B. Mandelbrot 1970-ih, iako se podrijetlo fraktalne geometrije može pratiti do ranijih radova mnogih matematičara, poput Cantora (1870.), von Kocha (1904.), Sierpinskog (1915.), Julia (1918.), Fatoua (1926.) i Richardsona (1953.).
Benoit B. Mandelbrot proučavao je odnos između fraktala i prirode uvođenjem novih vrsta 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 vjerojatno najpoznatiji i vizualno najfascinantniji fraktalni oblik sa složenim i beskonačno ponavljajućim uzorcima (vidi sliku 1d).
Mandelbrotov rad nije utjecao samo na matematiku, već ima i primjenu u raznim područjima poput fizike, računalne grafike, biologije, ekonomije i umjetnosti. Zapravo, zbog svoje sposobnosti modeliranja i predstavljanja složenih i samosličnih struktura, fraktali imaju brojne inovativne primjene u raznim područjima. Na primjer, široko su korišteni u sljedećim područjima primjene, koja su samo neki od primjera njihove široke primjene:
1. Računalna grafika i animacija, generiranje realističnih i vizualno atraktivnih prirodnih krajolika, drveća, oblaka i tekstura;
2. Tehnologija kompresije podataka za smanjenje veličine digitalnih datoteka;
3. Obrada slike i signala, izdvajanje značajki iz slika, otkrivanje uzoraka i pružanje učinkovitih metoda kompresije i rekonstrukcije slike;
4. Biologija, opis rasta biljaka i organizacije neurona u mozgu;
5. Teorija antena i metamaterijali, projektiranje kompaktnih/višepojasnih antena i inovativnih metapovršina.
Trenutno, fraktalna geometrija nastavlja pronalaziti nove i inovativne primjene u raznim znanstvenim, umjetničkim i tehnološkim disciplinama.
U elektromagnetskoj (EM) tehnologiji, fraktalni oblici su vrlo 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 duljinu, 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 posebno su atraktivne za projektiranje reflektivnih nizova, faznih antenskih nizova, metamaterijalnih apsorbera i metapovršina za različite primjene. Zapravo, 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 veća razina kutne stabilnosti.
Iz gore navedenih razloga, fraktalne antene i metapovršine predstavljaju dva fascinantna istraživačka područja u području elektromagnetike koja su posljednjih godina privukla mnogo pozornosti. Oba koncepta nude jedinstvene načine manipuliranja i kontrole elektromagnetskih valova, sa širokim rasponom primjena u bežičnim komunikacijama, radarskim sustavima i senzorima. Njihova samoslična svojstva omogućuju im da budu male veličine uz održavanje izvrsnog elektromagnetskog odziva. Ova kompaktnost je posebno povoljna u primjenama s ograničenim prostorom, kao što su mobilni uređaji, RFID oznake i zrakoplovni sustavi.
Korištenje fraktalnih antena i metapovršina ima potencijal značajno poboljšati bežične komunikacije, slikovne i radarske sustave, jer omogućuju kompaktne, visokoučinkovite uređaje s poboljšanom funkcionalnošću. Osim toga, fraktalna geometrija se sve više koristi u dizajnu mikrovalnih senzora za dijagnostiku materijala, zbog svoje sposobnosti rada u više frekvencijskih pojaseva i mogućnosti minijaturizacije. Kontinuirana istraživanja u tim područjima nastavljaju istraživati ​​nove dizajne, materijale i tehnike izrade kako bi se ostvario njihov puni potencijal.
Ovaj rad ima za cilj pregledati napredak istraživanja i primjene fraktalnih antena i metapovršina te usporediti postojeće antene i metapovršine temeljene na fraktalima, ističući njihove prednosti i ograničenja. Konačno, predstavljena je sveobuhvatna analiza inovativnih reflektivnih nizova i metamaterijskih jedinica te se raspravlja o izazovima i budućem razvoju ovih elektromagnetskih struktura.