Pawarta - Tinjauan Antena: Tinjauan Metasurface Fraktal lan Desain Antena

I. Pambuka
Fraktal iku obyek matematika sing nuduhake sipat sing padha dhewe ing skala sing beda-beda. Iki tegese nalika sampeyan nggedhekake/nyilikake bentuk fraktal, saben bageane katon meh padha karo kabeh; yaiku, pola utawa struktur geometris sing padha diulang ing tingkat pembesaran sing beda-beda (waca conto fraktal ing Gambar 1). Umume fraktal duwe bentuk sing rumit, rinci, lan rumit banget.

gambar 1

Konsep fraktal dikenalake dening ahli matematika Benoit B. Mandelbrot ing taun 1970-an, sanajan asal-usul geometri fraktal bisa ditelusuri maneh saka karya-karya awal saka akeh ahli matematika, kayata Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915), Julia (1918), Fatou (1926), lan Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot nyinaoni gegayutan antarane fraktal lan alam kanthi ngenalake jinis fraktal anyar kanggo nyimulasikake struktur sing luwih kompleks, kayata wit, gunung, lan garis pantai. Dheweke nggawe tembung "fraktal" saka tembung Latin "fractus", sing tegese "rusak" utawa "retak", yaiku kasusun saka potongan sing rusak utawa ora teratur, kanggo njlentrehake bentuk geometris sing ora teratur lan terfragmentasi sing ora bisa diklasifikasikake dening geometri Euclidean tradisional. Kajaba iku, dheweke ngembangake model matematika lan algoritma kanggo ngasilake lan nyinaoni fraktal, sing nyebabake digawe set Mandelbrot sing misuwur, sing mbokmenawa minangka bentuk fraktal sing paling misuwur lan menarik sacara visual kanthi pola sing kompleks lan bola-bali tanpa wates (waca Gambar 1d).
Karya Mandelbrot ora mung nduweni pengaruh ing matematika, nanging uga nduweni aplikasi ing macem-macem bidang kayata fisika, grafis komputer, biologi, ekonomi, lan seni. Nyatane, amarga kemampuane kanggo model lan makili struktur sing kompleks lan padha karo awake dhewe, fraktal nduweni akeh aplikasi inovatif ing macem-macem bidang. Contone, fraktal wis digunakake sacara wiyar ing area aplikasi ing ngisor iki, yaiku mung sawetara conto aplikasi sing wiyar:
1. Grafis lan animasi komputer, ngasilake lanskap alam, wit-witan, mega, lan tekstur sing realistis lan narik kawigaten sacara visual;
2. Teknologi kompresi data kanggo nyuda ukuran file digital;
3. Pangolahan gambar lan sinyal, njupuk fitur saka gambar, ndeteksi pola, lan nyedhiyakake metode kompresi lan rekonstruksi gambar sing efektif;
4. Biologi, njlèntrèhaké tuwuhing tetuwuhan lan organisasi neuron ing otak;
5. Teori antena lan metamaterial, ngrancang antena kompak/multi-band lan metasurface inovatif.
Saiki, geometri fraktal terus nemokake panggunaan anyar lan inovatif ing macem-macem disiplin ilmu, seni, lan teknologi.
Ing teknologi elektromagnetik (EM), wujud 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, saengga nyuda ukuran sakabèhé struktur resonansi. Kajaba iku, sifat sing padha karo awake dhewe saka wujud fraktal ndadekake ideal kanggo ngwujudake struktur resonansi multi-band utawa broadband. Kapabilitas miniaturisasi fraktal sing ana gandheng cenenge menarik banget kanggo ngrancang reflectarray, antena phased array, penyerap metamaterial lan metasurface kanggo macem-macem aplikasi. Nyatane, nggunakake elemen array sing cilik banget bisa nggawa sawetara kaluwihan, kayata nyuda kopling bebarengan utawa bisa kerja karo array kanthi jarak elemen sing cilik banget, saengga njamin kinerja pemindaian sing apik lan tingkat stabilitas sudut sing luwih dhuwur.
Amarga alesan sing wis kasebut ing ndhuwur, antena fraktal lan metasurfaces makili rong bidang riset sing menarik ing bidang elektromagnetik sing wis narik kawigaten akeh ing taun-taun pungkasan. Kaloro konsep kasebut nawakake cara unik kanggo manipulasi lan ngontrol gelombang elektromagnetik, kanthi macem-macem aplikasi ing komunikasi nirkabel, sistem radar, lan penginderaan. Sifat-sifat sing padha karo awake dhewe ngidini ukurane cilik nalika njaga respon elektromagnetik sing apik banget. Kekompakan iki utamane migunani ing aplikasi sing diwatesi ruang, kayata piranti seluler, tag RFID, lan sistem aerospace.
Panggunaan antena lan metasurface fraktal nduweni potensi kanggo ningkatake komunikasi nirkabel, pencitraan, lan sistem radar kanthi signifikan, amarga piranti kasebut ngaktifake piranti sing kompak lan berkinerja tinggi kanthi fungsi sing ditingkatake. Kajaba iku, geometri fraktal saya akeh digunakake ing desain sensor gelombang mikro kanggo diagnostik material, amarga kemampuane kanggo beroperasi ing pirang-pirang pita frekuensi lan kemampuane kanggo diminiaturisasi. Riset sing terus ditindakake ing wilayah kasebut terus njelajah desain, bahan, lan teknik fabrikasi anyar kanggo nggayuh potensiale kanthi maksimal.
Makalah iki nduweni tujuan kanggo nliti kemajuan riset lan aplikasi antena fraktal lan metasurfaces lan mbandhingake antena lan metasurfaces berbasis fraktal sing wis ana, kanthi nyoroti kaluwihan lan watesane. Pungkasan, analisis lengkap babagan reflectorarrays lan unit metamaterial inovatif diwenehake, lan tantangan lan perkembangan struktur elektromagnetik iki ing mangsa ngarep dibahas.

2. FraktalAntenaUnsur-unsur
Konsep umum fraktal bisa digunakake kanggo ngrancang elemen antena eksotis sing nyedhiyakake kinerja sing luwih apik tinimbang antena konvensional. Elemen antena fraktal bisa uga ukurane kompak lan duwe kemampuan multi-band lan/utawa broadband.
Desain antena fraktal nglibatake mbaleni pola geometris tartamtu ing skala sing beda-beda ing struktur antena. Pola sing padha dhewe iki ngidini kita nambah dawa sakabèhé antena ing papan fisik sing winates. Kajaba iku, radiator fraktal bisa entuk pirang-pirang pita amarga bagean antena sing beda-beda padha karo siji liyane ing skala sing beda-beda. Mulane, elemen antena fraktal bisa kompak lan multi-pita, nyedhiyakake jangkoan frekuensi sing luwih akeh tinimbang antena konvensional.
Konsep antena fraktal bisa ditelusuri maneh nganti pungkasan taun 1980-an. Ing taun 1986, Kim lan Jaggard nduduhake aplikasi kemiripan diri fraktal ing sintesis susunan antena.
Ing taun 1988, fisikawan Nathan Cohen mbangun antena unsur fraktal pertama ing donya. Dheweke ngusulake manawa kanthi nggabungake geometri sing padha karo awake dhewe menyang struktur antena, kinerja lan kemampuan miniaturisasi bisa ditingkatake. Ing taun 1995, Cohen ngedegake Fractal Antenna Systems Inc., sing wiwit nyedhiyakake solusi antena berbasis fraktal komersial pertama ing donya.
Ing pertengahan taun 1990-an, Puente et al. nduduhake kemampuan multi-pita fraktal nggunakake monopole lan dipole Sierpinski.
Wiwit karya Cohen lan Puente, kaluwihan sing ana gandhengane karo antena fraktal wis narik kawigaten gedhe saka para peneliti lan insinyur ing bidang telekomunikasi, sing ndadékaké eksplorasi lan pangembangan teknologi antena fraktal luwih lanjut.
Saiki, antena fraktal digunakake sacara wiyar ing sistem komunikasi nirkabel, kalebu telpon seluler, router Wi-Fi, lan komunikasi satelit. Nyatane, antena fraktal iku cilik, multi-band, lan efisien banget, saengga cocok kanggo macem-macem piranti lan jaringan nirkabel.
Gambar ing ngisor iki nuduhake sawetara antena fraktal adhedhasar bentuk fraktal sing misuwur, sing mung sawetara conto saka macem-macem konfigurasi sing dirembug ing literatur.
Sacara spesifik, 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 dituduhake ing Gambar 1b lan Gambar 2a. Proses iki ninggalake telung segitiga sing padha ing struktur, saben kanthi dawa sisih setengah saka segitiga wiwitan (waca Gambar 1b). Prosedur pengurangan sing padha bisa diulang kanggo segitiga sing isih ana. Mulane, saben telung bagean utama persis padha karo kabeh obyek, nanging kanthi proporsi kaping pindho, lan sateruse. Amarga kamiripan khusus iki, Sierpinski bisa nyedhiyakake pirang-pirang pita frekuensi amarga bagean antena sing beda-beda padha karo siji liyane ing skala sing beda-beda. Kaya sing dituduhake ing Gambar 2, monopole Sierpinski sing diusulake beroperasi ing 5 pita. Bisa dideleng yen saben limang sub-gasket (struktur bunder) ing Gambar 2a minangka versi skala saka kabeh struktur, saengga nyedhiyakake limang pita frekuensi operasi sing beda, kaya sing dituduhake ing koefisien refleksi input ing Gambar 2b. Gambar iki uga nuduhake parameter sing ana gandhengane karo saben pita frekuensi, kalebu nilai frekuensi fn (1 ≤ n ≤ 5) ing nilai minimal saka kerugian bali input sing diukur (Lr), bandwidth relatif (Bwidth), lan rasio frekuensi antarane rong pita frekuensi sing jejer (δ = fn +1/fn). Gambar 2b nuduhake yen pita monopol Sierpinski sacara logaritmik dipisahake kanthi faktor 2 (δ ≅ 2), sing cocog karo faktor skala sing padha sing ana ing struktur sing padha ing bentuk fraktal.

gambar 2

Gambar 3a nuduhake antena kawat cilik dawa adhedhasar kurva fraktal Koch. Antena iki diusulake kanggo nuduhake carane nggunakake 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 nggunakake metode konstruksi fraktal sing dituduhake ing Gambar 3a. Iterasi awal K0 yaiku monopole lurus. Iterasi sabanjure K1 dipikolehi kanthi ngetrapake transformasi kamiripan karo K0, kalebu skala sapratelo lan muter kanthi 0°, 60°, −60°, lan 0°. Proses iki diulang kanthi iteratif kanggo entuk unsur sabanjure Ki (2 ≤ i ≤ 5). Gambar 3a nuduhake versi limang iterasi saka monopole Koch (yaiku, K5) kanthi dhuwur h padha karo 6 cm, nanging dawa total diwenehake dening rumus l = h ·(4/3) 5 = 25,3 cm. Lima antena sing cocog karo limang iterasi pisanan saka kurva Koch wis direalisasikake (waca Gambar 3a). Eksperimen lan data nuduhake yen monopole fraktal Koch bisa ningkatake kinerja monopole tradisional (waca Gambar 3b). Iki nuduhake yen bisa uga "ngminimalake" antena fraktal, saengga bisa pas karo volume sing luwih cilik nalika njaga kinerja sing efisien.

gambar 3

Gambar 4a nuduhake antena fraktal adhedhasar set Cantor, sing digunakake kanggo ngrancang antena wideband kanggo aplikasi panen energi. Sifat unik antena fraktal sing ngenalake pirang-pirang resonansi sing jejer dieksploitasi kanggo nyedhiyakake bandwidth sing luwih amba tinimbang antena konvensional. Kaya sing dituduhake ing Gambar 1a, desain set fraktal Cantor gampang banget: garis lurus awal disalin lan dipérang dadi telung segmen sing padha, saka ngendi segmen tengah dicopot; proses sing padha banjur ditrapake kanthi iteratif menyang segmen sing mentas digawe. Langkah-langkah iterasi fraktal diulang nganti bandwidth antena (BW) 0,8-2,2 GHz digayuh (yaiku, 98% BW). Gambar 4 nuduhake foto prototipe antena sing direalisasi (Gambar 4a) lan koefisien refleksi input (Gambar 4b).

gambar 4

Gambar 5 menehi conto liyane babagan antena fraktal, kalebu antena monopole berbasis kurva Hilbert, antena patch mikrostrip berbasis Mandelbrot, lan patch fraktal pulau Koch (utawa "kepingan salju").

gambar 5

Pungkasan, Gambar 6 nuduhake susunan fraktal sing beda-beda saka elemen array, kalebu susunan planar karpet Sierpinski, susunan cincin Cantor, susunan linier Cantor, lan wit fraktal. Susunan iki migunani kanggo ngasilake susunan sparse lan/utawa entuk kinerja multi-band.