I. Entwodiksyon
Fraktal yo se objè matematik ki montre pwopriyete oto-sanble nan diferan echèl. Sa vle di ke lè ou agrandi/dezoumene yon fòm fraktal, chak pati li yo sanble anpil ak antye a; sa vle di, modèl jewometrik oswa estrikti ki sanble repete nan diferan nivo agrandisman (gade egzanp fraktal nan Figi 1). Pifò fraktal yo gen fòm konplèks, detaye, ak enfini.
figi 1
Matematisyen Benoit B. Mandelbrot te prezante konsèp fraktal yo nan ane 1970 yo, byenke orijin jeyometri fraktal la ka remonte nan travay anpil matematisyen byen bonè, tankou Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915), Julia (1918), Fatou (1926), ak Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot te etidye relasyon ki genyen ant fraktal ak lanati lè li te entwodui nouvo kalite fraktal pou simile estrikti ki pi konplèks, tankou pyebwa, mòn ak litoral. Li te envante mo "fraktal" la soti nan adjektif laten "fractus", ki vle di "kase" oswa "fann", sa vle di konpoze de moso kase oswa iregilye, pou dekri fòm jeyometrik iregilye ak fragmante ke jeyometri eklidyen tradisyonèl la pa ka klase. Anplis de sa, li te devlope modèl matematik ak algoritm pou jenere ak etidye fraktal, sa ki te mennen nan kreyasyon ansanm Mandelbrot ki pi popilè a, ki se pwobableman fòm fraktal ki pi popilè ak vizyèlman kaptivan ak modèl konplèks ak repetisyon enfini (gade Figi 1d).
Travay Mandelbrot la pa sèlman te gen yon enpak sou matematik, men li gen aplikasyon tou nan divès domèn tankou fizik, grafik òdinatè, byoloji, ekonomi ak atizay. Anfèt, akòz kapasite yo pou modle ak reprezante estrikti konplèks ak oto-sanble, fraktal yo gen anpil aplikasyon inovatè nan divès domèn. Pa egzanp, yo te lajman itilize nan domèn aplikasyon sa yo, ki se jis kèk egzanp sou aplikasyon laj yo:
1. Grafik ak animasyon òdinatè, pou jenere peyizaj natirèl, pyebwa, nyaj ak tèkstur ki reyalis e vizyèlman atiran;
2. Teknoloji konpresyon done pou diminye gwosè fichye dijital yo;
3. Tretman imaj ak siyal, ekstrè karakteristik nan imaj, detekte modèl, epi bay metòd konpresyon ak rekonstriksyon imaj efikas;
4. Biyoloji, ki dekri kwasans plant yo ak òganizasyon newòn yo nan sèvo a;
5. Teyori antèn ak metamateryèl, konsepsyon antèn kontra enfòmèl ant/milti-band ak metasifas inovatè.
Kounye a, jeyometri fraktal la kontinye jwenn nouvo itilizasyon inovatè nan divès disiplin syantifik, atistik ak teknolojik.
Nan teknoloji elektwomayetik (EM), fòm fraktal yo trè itil pou aplikasyon ki mande miniaturizasyon, soti nan antèn rive nan metamateryèl ak sifas selektif frekans (FSS). Itilizasyon jeyometri fraktal nan antèn konvansyonèl yo ka ogmante longè elektrik yo, kidonk diminye gwosè jeneral estrikti rezonans lan. Anplis de sa, nati oto-sanble fòm fraktal yo fè yo ideyal pou reyalize estrikti rezonans milti-band oswa bande laj. Kapasite miniaturizasyon natirèl fraktal yo patikilyèman atiran pou konsepsyon reflektè, antèn faz, absòbe metamateryèl ak metasifas pou divès aplikasyon. Anfèt, itilizasyon eleman trè piti ka pote plizyè avantaj, tankou diminye kouplaj mityèl oswa kapasite pou travay avèk etalaj ki gen espasman eleman trè piti, kidonk asire bon pèfòmans eskanè ak pi wo nivo estabilite angilè.
Pou rezon ki mansyone pi wo yo, antèn fraktal ak metasifas reprezante de domèn rechèch kaptivan nan domèn elektwomayetik ki te atire anpil atansyon nan dènye ane yo. Tou de konsèp yo ofri fason inik pou manipile ak kontwole ond elektwomayetik, ak yon pakèt aplikasyon nan kominikasyon san fil, sistèm rada ak deteksyon. Pwopriyete oto-sanble yo pèmèt yo piti an gwosè pandan y ap kenbe yon repons elektwomayetik ekselan. Konpakt sa a patikilyèman avantaje nan aplikasyon ki gen espas limite, tankou aparèy mobil, etikèt RFID, ak sistèm ayewospasyal.
Itilizasyon antèn fraktal ak metasifas gen potansyèl pou amelyore anpil kominikasyon san fil, imajri, ak sistèm rada, paske yo pèmèt aparèy kontra enfòmèl ant, pèfòmans segondè ak fonksyonalite amelyore. Anplis de sa, jeyometri fraktal la ap itilize de pli zan pli nan konsepsyon detèktè mikwo ond pou dyagnostik materyèl, akòz kapasite li pou opere nan plizyè bann frekans ak kapasite li pou miniaturize. Rechèch kontinyèl nan domèn sa yo kontinye ap eksplore nouvo konsepsyon, materyèl, ak teknik fabrikasyon pou reyalize tout potansyèl yo.
Atik sa a gen pou objaktif pou revize pwogrè rechèch ak aplikasyon antèn fraktal ak metasifas epi konpare antèn ak metasifas ki deja egziste ki baze sou fraktal, mete aksan sou avantaj ak limit yo. Finalman, yo prezante yon analiz konplè sou rezo reflektè inovatè ak inite metamateryèl, epi yo diskite sou defi ak devlopman nan lavni estrikti elektwomayetik sa yo.
2. FraktalAntènEleman yo
Konsèp jeneral fraktal yo ka itilize pou konsepsyon eleman antèn ekzotik ki bay pi bon pèfòmans pase antèn konvansyonèl yo. Eleman antèn fraktal yo ka kontra enfòmèl ant epi yo ka gen kapasite milti-band ak/oswa bande laj.
Konsepsyon antèn fraktal yo enplike repetisyon modèl jeyometrik espesifik nan diferan echèl nan estrikti antèn lan. Modèl oto-sanblans sa a pèmèt nou ogmante longè total antèn lan nan yon espas fizik limite. Anplis de sa, radyatè fraktal yo ka reyalize plizyè bann paske diferan pati nan antèn lan sanble youn ak lòt nan diferan echèl. Se poutèt sa, eleman antèn fraktal yo ka kontra enfòmèl ant epi milti-bann, bay yon pwoteksyon frekans ki pi laj pase antèn konvansyonèl yo.
Konsèp antèn fraktal yo ka remonte nan fen ane 1980 yo. An 1986, Kim ak Jaggard te demontre aplikasyon oto-similarite fraktal nan sentèz antèn.
An 1988, fizisyen Nathan Cohen te konstwi premye antèn eleman fraktal nan mond lan. Li te pwopoze ke lè yo enkòpore yon jeyometri oto-sanble nan estrikti antèn lan, pèfòmans li ak kapasite miniaturizasyon li yo te kapab amelyore. An 1995, Cohen te ko-fonde Fractal Antenna Systems Inc., ki te kòmanse bay premye solisyon antèn komèsyal ki baze sou fraktal nan mond lan.
Nan mitan ane 1990 yo, Puente et al. te demontre kapasite milti-band fraktal yo lè l sèvi avèk monopol ak dipol Sierpinski yo.
Depi travay Cohen ak Puente te fè a, avantaj natirèl antèn fraktal yo te atire anpil enterè nan men chèchè ak enjenyè nan domèn telekominikasyon yo, sa ki te mennen nan plis eksplorasyon ak devlopman teknoloji antèn fraktal.
Jodi a, antèn fraktal yo lajman itilize nan sistèm kominikasyon san fil, tankou telefòn mobil, routeurs Wi-Fi, ak kominikasyon satelit. Anfèt, antèn fraktal yo piti, milti-band, epi trè efikas, sa ki fè yo apwopriye pou yon varyete aparèy ak rezo san fil.
Figi sa yo montre kèk antèn fraktal ki baze sou fòm fraktal byen koni, ki se jis kèk egzanp nan divès konfigirasyon yo diskite nan literati a.
Espesyalman, Figi 2a montre monopole Sierpinski ki pwopoze nan Puente a, ki kapab bay operasyon milti-band. Triyang Sierpinski a fòme lè yo soustrè triyang santral envèse a nan triyang prensipal la, jan yo montre nan Figi 1b ak Figi 2a. Pwosesis sa a kite twa triyang egal sou estrikti a, chak ak yon longè kote ki egal a mwatye longè triyang depa a (gade Figi 1b). Menm pwosedi soustraksyon an ka repete pou triyang ki rete yo. Kidonk, chak nan twa pati prensipal li yo egzakteman egal ak objè a an antye, men nan de fwa pwopòsyon an, e konsa. Akòz resanblans espesyal sa yo, Sierpinski ka bay plizyè bann frekans paske diferan pati nan antèn lan sanble youn ak lòt nan diferan echèl. Jan yo montre nan Figi 2, monopole Sierpinski ki pwopoze a opere nan 5 bann. Nou ka wè ke chak nan senk sou-garnitur yo (estrikti sèk) nan Figi 2a se yon vèsyon echèl nan tout estrikti a, kidonk bay senk bann frekans fonksyònman diferan, jan yo montre nan koyefisyan refleksyon antre a nan Figi 2b. Figi a montre tou paramèt ki gen rapò ak chak bann frekans, tankou valè frekans fn (1 ≤ n ≤ 5) nan valè minimòm pèt retou antre ki mezire a (Lr), lajè band relatif la (Bwidth), ak rapò frekans ant de bann frekans adjasan (δ = fn +1/fn). Figi 2b montre ke bann monopol Sierpinski yo espace logaritmikman peryodikman pa yon faktè 2 (δ ≅ 2), ki koresponn ak menm faktè eskalad ki prezan nan estrikti menm jan an nan fòm fraktal.
figi 2
Figi 3a montre yon ti antèn fil long ki baze sou koub fraktal Koch la. Yo pwopoze antèn sa a pou montre kijan pou eksplwate pwopriyete ranpli espas fòm fraktal yo pou konsepsyon ti antèn. Anfèt, diminye gwosè antèn yo se objektif final yon gwo kantite aplikasyon, espesyalman sa yo ki enplike tèminal mobil yo. Yo kreye monopòl Koch la lè l sèvi avèk metòd konstriksyon fraktal ki montre nan Figi 3a. Iterasyon inisyal K0 a se yon monopòl dwat. Yo jwenn pwochen iterasyon K1 la lè yo aplike yon transfòmasyon similarite sou K0, ki gen ladan l mete l nan yon tyè epi vire l pa 0°, 60°, −60°, ak 0°, respektivman. Yo repete pwosesis sa a iteratifman pou jwenn eleman ki vin apre yo Ki (2 ≤ i ≤ 5). Figi 3a montre yon vèsyon senk iterasyon monopòl Koch la (sa vle di, K5) ak yon wotè h egal a 6 cm, men longè total la bay pa fòmil l = h ·(4/3) 5 = 25.3 cm. Yo reyalize senk antèn ki koresponn ak senk premye iterasyon koub Koch la (gade Figi 3a). Tou de eksperyans yo ak done yo montre ke monopol fraktal Koch la ka amelyore pèfòmans monopol tradisyonèl la (gade Figi 3b). Sa sijere ke li ta ka posib pou "miniaturize" antèn fraktal yo, sa ki pèmèt yo anfòm nan pi piti volim pandan y ap kenbe pèfòmans efikas.
figi 3
Figi 4a montre yon antèn fraktal ki baze sou yon ansanm Cantor, ki itilize pou konsepsyon yon antèn laj bann pou aplikasyon pou rekòlte enèji. Pwopriyete inik antèn fraktal yo ki prezante plizyè rezonans adjasan yo eksplwate pou bay yon laj bann ki pi laj pase antèn konvansyonèl yo. Jan yo montre nan Figi 1a, konsepsyon ansanm fraktal Cantor la trè senp: liy dwat inisyal la kopye epi divize an twa segman egal, kote yo retire segman santral la; menm pwosesis la aplike iteratifman nan segman ki fèk pwodui yo. Etap iterasyon fraktal yo repete jiskaske yo rive nan yon laj bann antèn (BW) 0.8–2.2 GHz (sa vle di, 98% BW). Figi 4 montre yon foto pwototip antèn ki reyalize a (Figi 4a) ak koyefisyan refleksyon antre li (Figi 4b).
figi 4
Figi 5 bay plis egzanp antèn fraktal, tankou yon antèn monopole ki baze sou koub Hilbert, yon antèn patch mikwostrip ki baze sou Mandelbrot, ak yon patch fraktal zile Koch (oswa "flokon nèj").
figi 5
Finalman, Figi 6 montre diferan aranjman fraktal eleman etalaj yo, tankou etalaj planè tapi Sierpinski, etalaj bag Cantor, etalaj lineyè Cantor, ak pyebwa fraktal. Aranjman sa yo itil pou jenere etalaj ra ak/oswa reyalize pèfòmans milti-band.
figi 6
Pou aprann plis bagay sou antèn yo, tanpri vizite:
Dat piblikasyon: 26 Jiyè 2024
