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 u ranijim radovima mnogih matematičara, poput Cantora (1870), von Kocha (1904), Sierpinskog (1915 ), Julia (1918), Fatou (1926) i Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot proučavao je odnos između fraktala i prirode uvodeći nove vrste fraktala za simulaciju složenijih struktura, kao što su drveće, planine i obale. On je skovao riječ "fraktal" od latinskog pridjeva "fractus", što znači "slomljen" ili "slomljen", 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 uzorcima koji se beskonačno ponavljaju (vidi sliku 1d).
Mandelbrotov rad nije utjecao samo na matematiku, već ima i primjenu u raznim područjima kao što su fizika, računalna grafika, biologija, ekonomija i umjetnost. Zapravo, zahvaljujući svojoj sposobnosti modeliranja i predstavljanja složenih i sebi sličnih struktura, fraktali imaju brojne inovativne primjene u raznim područjima. Na primjer, naširoko su korišteni u sljedećim područjima primjene, što je samo nekoliko 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 slike i rekonstrukcije;
4. Biologija, opis rasta biljaka i organizacije neurona u mozgu;
5. Teorija antena i metamaterijali, projektiranje kompaktnih/višepojasnih antena i inovativnih metapovršina.
Trenutačno fraktalna geometrija nastavlja pronalaziti nove i inovativne primjene u raznim znanstvenim, umjetničkim i tehnološkim disciplinama.
U elektromagnetskoj (EM) tehnologiji, fraktalni oblici vrlo su korisni za aplikacije 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, samoslična priroda fraktalnih oblika čini ih idealnim za realizaciju višepojasnih ili širokopojasnih rezonantnih struktura. Inherentne sposobnosti minijaturizacije fraktala posebno su atraktivne za projektiranje reflektirajućih nizova, faznih antenskih nizova, apsorbera metamaterijala i metapovršina za različite primjene. Zapravo, korištenje vrlo malih elemenata niza može donijeti nekoliko prednosti, kao što je smanjenje međusobnog spajanja ili mogućnost rada s nizovima s vrlo malim razmakom između elemenata, čime se osiguravaju dobre performanse skeniranja i više razine kutne stabilnosti.
Iz gore navedenih razloga, fraktalne antene i metapovršine predstavljaju dva fascinantna istraživačka područja u polju elektromagnetike koja su posljednjih godina privukla veliku pažnju. Oba koncepta nude jedinstvene načine za manipulaciju i kontrolu elektromagnetskih valova, sa širokim rasponom primjena u bežičnim komunikacijama, radarskim sustavima i senzorima. Njihova samoslična svojstva dopuštaju im da budu male veličine uz zadržavanje izvrsnog elektromagnetskog odziva. Ova kompaktnost je posebno povoljna u prostorno ograničenim aplikacijama, 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, budući da omogućuju kompaktne uređaje visokih performansi s poboljšanom funkcionalnošću. Osim toga, fraktalna geometrija se sve više koristi u dizajnu mikrovalnih senzora za dijagnostiku materijala, zbog svoje sposobnosti rada u višestrukim frekvencijskim pojasima i sposobnosti minijaturizacije. Tekuća istraživanja u ovim 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. Na kraju, predstavljena je sveobuhvatna analiza inovativnih reflektirajućih nizova i jedinica metamaterijala, te se raspravlja o izazovima i budućem razvoju ovih elektromagnetskih struktura.