I. Pambuka
Fraktal minangka obyek matematika sing nuduhake sifat sing padha ing skala sing beda. Iki tegese nalika sampeyan nggedhekake / metu ing wangun fraktal, saben bagean katon banget padha kanggo kabèh; sing, pola geometris padha utawa struktur mbaleni ing tingkat magnification beda (ndeleng conto fraktal ing Figure 1). Umume fraktal duwe bentuk rumit, rinci, lan kompleks tanpa wates.
tokoh 1
Konsep fraktal dikenalake dening ahli matematika Benoit B. Mandelbrot ing taun 1970-an, sanajan asal-usul geometri fraktal bisa ditelusuri maneh ing karya sadurunge akeh ahli matematika, kayata Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915). ), Julia (1918), Fatou (1926), lan Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot nyinaoni hubungan antarane fraktal lan alam kanthi ngenalake jinis fraktal anyar kanggo simulasi struktur sing luwih rumit, kayata wit, gunung, lan garis pantai. Dhèwèké nyipta tembung "fraktal" saka basa Latin "fractus", sing tegesé "rusak" utawa "pecah", yaiku kasusun saka potongan-potongan sing rusak utawa ora teratur, kanggo njlèntrèhaké wangun geometris sing ora teratur lan pecah sing ora bisa diklasifikasikaké miturut géomètri Euclidean tradisional. Kajaba iku, dheweke ngembangake model lan algoritma matematika kanggo ngasilake lan nyinaoni fraktal, sing ndadékaké nggawe set Mandelbrot sing misuwur, sing mbokmenawa minangka wangun fraktal sing paling misuwur lan visual kanthi pola sing rumit lan bola-bali tanpa wates (pirsani Gambar 1d).
Karya Mandelbrot ora mung nduwe pengaruh ing matematika, nanging uga nduweni aplikasi ing macem-macem bidang kayata fisika, grafis komputer, biologi, ekonomi, lan seni. Nyatane, amarga kemampuan kanggo nggawe model lan makili struktur sing kompleks lan mirip, fraktal duwe akeh aplikasi inovatif ing macem-macem lapangan. Contone, wis digunakake akeh ing wilayah aplikasi ing ngisor iki, sing mung sawetara conto aplikasi sing akeh:
1. Grafik lan animasi komputer, ngasilake lanskap alam, wit, awan, lan tekstur sing nyata lan atraktif;
2. Teknologi kompresi data kanggo nyuda ukuran file digital;
3. Pangolahan gambar lan sinyal, ngekstrak fitur saka gambar, ndeteksi pola, lan nyedhiyakake cara kompresi lan rekonstruksi gambar sing efektif;
4. Biologi, nggambarake wutah tetanduran lan organisasi neuron ing otak;
5. Teori antena lan metamaterials, ngrancang antena kompak / multi-band lan metasurfaces inovatif.
Saiki, geometri fraktal terus nemokake panggunaan anyar lan inovatif ing macem-macem disiplin ilmiah, seni lan teknologi.
Ing teknologi elektromagnetik (EM), wangun fraktal migunani banget kanggo aplikasi sing mbutuhake miniaturisasi, saka antena nganti metamaterial lan permukaan selektif frekuensi (FSS). Nggunakake geometri fraktal ing antena konvensional bisa nambah dawa listrik, saéngga nyuda ukuran struktur resonansi sakabèhé. Kajaba iku, sifat fraktal sing padha karo awake dhewe ndadekake dheweke cocog kanggo mujudake struktur resonansi multi-band utawa broadband. Kapabilitas miniaturisasi fraktal utamané atraktif kanggo ngrancang reflectarrays, phased array antena, metamaterial absorbers lan metasurfaces kanggo macem-macem aplikasi. Nyatane, nggunakake unsur array sing cilik banget bisa nggawa sawetara kaluwihan, kayata nyuda kopling bebarengan utawa bisa nggarap array kanthi jarak unsur sing cilik banget, saéngga njamin kinerja mindhai sing apik lan tingkat stabilitas sudut sing luwih dhuwur.
Kanggo alasan sing kasebut ing ndhuwur, antena fraktal lan metasurfaces makili rong wilayah riset sing narik kawigaten ing bidang elektromagnetik sing wis narik kawigaten ing taun-taun pungkasan. Kaloro konsep kasebut nawakake cara unik kanggo ngapusi lan ngontrol gelombang elektromagnetik, kanthi macem-macem aplikasi ing komunikasi nirkabel, sistem radar lan sensing. Sifat-sifat sing padha karo awake dhewe ngidini ukurane cilik nalika njaga respon elektromagnetik sing apik banget. Kekompakan iki utamané mupangati ing aplikasi sing dibatasi spasi, kayata piranti seluler, tag RFID, lan sistem aerospace.
Panggunaan antena fraktal lan metasurfaces duweni potensi kanggo ningkatake komunikasi nirkabel, pencitraan, lan sistem radar kanthi signifikan, amarga bisa ngaktifake piranti sing kompak lan kinerja dhuwur kanthi fungsi sing luwih apik. Kajaba iku, geometri fraktal saya tambah akeh digunakake ing desain sensor gelombang mikro kanggo diagnosa materi, amarga kemampuane kanggo operate ing macem-macem pita frekuensi lan kemampuan kanggo miniaturized. Panaliten sing ditindakake ing wilayah kasebut terus njelajah desain, bahan, lan teknik fabrikasi anyar kanggo mujudake potensial lengkap.
Makalah iki nduweni tujuan kanggo nyemak riset lan kemajuan aplikasi saka antena fraktal lan metasurfaces lan mbandhingake antena lan metasurfaces adhedhasar fraktal sing ana, nyorot kaluwihan lan watesan. Pungkasan, ana analisis lengkap babagan sinar reflektor inovatif lan unit metamaterial, lan tantangan lan pangembangan struktur elektromagnetik kasebut bakal dibahas.
2. FraktalAntenaunsur
Konsep umum fraktal bisa digunakake kanggo ngrancang unsur antena eksotis sing nyedhiyakake kinerja sing luwih apik tinimbang antena konvensional. Unsur antena fraktal bisa uga ukurane kompak lan nduweni kemampuan multi-band lan/utawa broadband.
Desain antena fraktal kalebu mbaleni pola geometris tartamtu ing skala sing beda ing struktur antena. Pola sing padha karo awake dhewe iki ngidini kita nambah dawa antena sakabèhé ing papan fisik sing winates. Kajaba iku, radiator fraktal bisa entuk pirang-pirang pita amarga bagean antena sing beda-beda padha karo ukuran sing beda. Mulane, unsur antena fraktal bisa kompak lan multi-band, nyedhiyakake jangkoan frekuensi sing luwih akeh tinimbang antena konvensional.
Konsep antena fraktal bisa ditelusuri ing pungkasan taun 1980-an. Ing taun 1986, Kim lan Jaggard nduduhake aplikasi fractal self-similarity ing sintesis array antena.
Ing taun 1988, fisikawan Nathan Cohen mbangun antena unsur fraktal pisanan ing donya. Dheweke ngusulake yen kanthi nggabungake geometri sing padha karo struktur antena, kinerja lan kemampuan miniaturisasi bisa ditingkatake. Ing taun 1995, Cohen ngedegake Fractal Antenna Systems Inc., sing wiwit nyedhiyakake solusi antena basis fraktal komersial pisanan ing donya.
Ing pertengahan 1990-an, Puente et al. nuduhake kemampuan multi-band saka fraktal nggunakake monopole lan dipole Sierpinski.
Wiwit karya Cohen lan Puente, kaluwihan gawan saka antena fraktal wis kepincut kapentingan gedhe saka peneliti lan engineers ing bidang telekomunikasi, anjog kanggo eksplorasi luwih lan pangembangan teknologi antena fraktal.
Saiki, antena fraktal akeh digunakake ing sistem komunikasi nirkabel, kalebu telpon seluler, router Wi-Fi, lan komunikasi satelit. Nyatane, antena fraktal cilik, multi-band, lan efisien banget, saengga cocog kanggo macem-macem piranti lan jaringan nirkabel.
Tokoh ing ngisor iki nuduhake sawetara antena fraktal adhedhasar wangun fraktal kondhang, kang mung sawetara conto saka macem-macem konfigurasi rembugan ing sastra.
Khusus, Gambar 2a nuduhake monopole Sierpinski sing diusulake ing Puente, sing bisa nyedhiyakake operasi multi-band. Segitiga Sierpinski dibentuk kanthi nyuda segitiga terbalik tengah saka segitiga utama, kaya sing ditampilake ing Gambar 1b lan Gambar 2a. Proses iki ninggalake telung segi telu sing padha ing struktur, saben kanthi dawa sisih setengah saka segi telu wiwitan (pirsani Gambar 1b). Prosedur pangurangan sing padha bisa diulang kanggo segitiga sing isih ana. Mulane, saben telung bagean utama persis padha karo kabeh obyek, nanging kaping pindho proporsi, lan sateruse. Amarga podho khusus iki, Sierpinski bisa nyedhiyakake sawetara pita frekuensi amarga bagean antena sing beda-beda padha karo saben liyane ing skala sing beda. Minangka ditampilake ing Figure 2, monopole Sierpinski ngajokaken makaryakke ing 5 bands. Bisa dideleng yen saben limang sub-gasket (struktur bunder) ing Figure 2a minangka versi skala saka struktur kabeh, saéngga nyedhiyakake limang pita frekuensi operasi sing beda, kaya sing ditampilake ing koefisien refleksi input ing Gambar 2b. Angka kasebut uga nuduhake paramèter sing ana gandhengane karo saben pita frekuensi, kalebu nilai frekuensi fn (1 ≤ n ≤ 5) kanthi nilai minimal saka kerugian bali input sing diukur (Lr), bandwidth relatif (Bwidth), lan rasio frekuensi antarane. rong pita frekuensi jejer (δ = fn +1/fn). Gambar 2b nuduhake yen pita saka monopole Sierpinski sacara logaritmik kanthi periodik kanthi faktor 2 (δ ≅ 2), sing cocog karo faktor skala sing padha ing struktur sing padha ing wangun fraktal.
tokoh 2
Figure 3a nuduhake antena kabel dawa cilik adhedhasar kurva fraktal Koch. Antena iki diusulake kanggo nuduhake cara ngeksploitasi sifat ngisi ruang saka bentuk fraktal kanggo ngrancang antena cilik. Nyatane, nyuda ukuran antena minangka tujuan utama saka akeh aplikasi, utamane sing nglibatake terminal seluler. Monopole Koch digawe kanthi nggunakake metode konstruksi fraktal sing ditampilake ing Gambar 3a. Iterasi awal K0 minangka monopole lurus. Pengulangan sabanjure K1 dipikolehi kanthi nggunakake transformasi mirip karo K0, kalebu skala siji katelu lan muter kanthi 0°, 60°, −60°, lan 0°. Proses iki diulang kanthi iteratif kanggo entuk unsur sabanjure Ki (2 ≤ i ≤ 5). Figure 3a nuduhake versi limang pengulangan saka monopole Koch (ie, K5) karo dhuwur h padha karo 6 cm, nanging dawa total diwenehi dening rumus l = h ·(4/3) 5 = 25,3 cm. Lima antena sing cocog karo limang lelaran pisanan saka kurva Koch wis diwujudake (pirsani Gambar 3a). Loro-lorone eksperimen lan data nuduhake yen monopole fraktal Koch bisa ningkatake kinerja monopole tradisional (pirsani Gambar 3b). Iki nuduhake manawa bisa uga "miniaturisasi" antena fraktal, supaya bisa pas karo volume sing luwih cilik nalika njaga kinerja sing efisien.
tokoh 3
Figure 4a nuduhake antena fraktal adhedhasar pesawat Cantor, kang digunakake kanggo desain antena wideband kanggo aplikasi panen energi. Properti unik saka antena fraktal sing ngenalake macem-macem resonansi jejer dieksploitasi kanggo nyedhiyakake bandwidth sing luwih akeh tinimbang antena konvensional. Minangka ditampilake ing Figure 1a, desain pesawat fraktal Cantor prasaja banget: garis lurus awal disalin lan dipérang dadi telung bagéan sing padha, saka ngendi bagéan tengah dibusak; proses padha banjur iteratively Applied menyang perangan mentas kui. Langkah-langkah pengulangan fraktal diulang nganti bandwidth antena (BW) 0,8–2,2 GHz entuk (yaiku, 98% BW). Gambar 4 nuduhake foto prototipe antena sing diwujudake (Gambar 4a) lan koefisien refleksi input (Gambar 4b).
tokoh 4
Figure 5 menehi conto liyane saka antena fraktal, kalebu Hilbert kurva basis monopole antena, Mandelbrot basis microstrip patch antena, lan pulo Koch (utawa "snowflake") patch fraktal.
tokoh 5
Akhire, Figure 6 nuduhake noto fraktal beda unsur Uploaded, kalebu Sierpinski karpet susunan planar, Cantor ring array, Cantor linear array, lan wit fraktal. Pangaturan iki migunani kanggo ngasilake susunan lan / utawa entuk kinerja multi-band.
tokoh 6
Kanggo mangerteni sing luwih lengkap babagan antena, bukak:
Wektu kirim: Jul-26-2024
