Nûçe - Nirxandina Antenan: Nirxandinek li ser Metasurfacesên Fractal û Sêwirana Antenan

I. Pêşgotin
Fraktal tiştên matematîkî ne ku taybetmendiyên xwe-dişibin di pîvanên cûda de nîşan didin. Ev tê vê wateyê ku dema hûn li ser şeklek fraktalê zoom dikin/jê dûr dixin, her perçeyek wê pir dişibihe tevahîyê; ango, qalib an avahiyên geometrîkî yên wekhev di astên mezinbûnê yên cûda de dubare dibin (mînakên fraktalê di Wêne 1 de bibînin). Piraniya fraktalan xwedî şeklên tevlihev, berfireh û bêdawî tevlihev in.

wêne 1

Têgeha fraktalan ji aliyê matematîkzan Benoit B. Mandelbrot ve di salên 1970an de hate destnîşan kirin, her çend koka geometrîya fraktal dikare were şopandin heta xebatên berê yên gelek matematîkzanan, wekî Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915), Julia (1918), Fatou (1926), û Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot têkiliya di navbera fraktal û xwezayê de bi danasîna cureyên nû yên fraktalan ji bo simulasyona avahiyên tevlihevtir, wek dar, çiya û peravên deryayî, lêkolîn kir. Wî peyva "fractal" ji rengdêra Latînî "fractus", ku tê wateya "şikestî" an "qetiyayî", ango ji perçeyên şikestî an ne rêkûpêk pêk tê, afirand da ku şeklên geometrîkî yên ne rêkûpêk û perçebûyî yên ku bi geometriya kevneşopî ya Euclidean nayên dabeş kirin, diyar bike. Wekî din, wî model û algorîtmayên matematîkî ji bo çêkirin û lêkolîna fraktalan pêşxistin, ku bû sedema afirandina koma Mandelbrot a navdar, ku dibe ku şeklê fraktal ê herî navdar û balkêş ê dîtbarî ye ku xwedan şêwazên tevlihev û bêdawî dubare dibe (li Wêne 1d binêre).
Xebata Mandelbrot ne tenê bandor li ser matematîkê kiriye, lê di heman demê de di warên cûrbecûr de jî wekî fîzîk, grafîkên komputerê, biyolojî, aborî û hunerê de jî serlêdan hene. Bi rastî, ji ber şiyana wan a modelkirin û temsîlkirina avahiyên tevlihev û xwe-dişibin, fraktal di warên cûrbecûr de gelek serlêdanên nûjen hene. Mînakî, ew di warên serlêdanê yên jêrîn de bi berfirehî hatine bikar anîn, ku tenê çend mînakên serîlêdana wan a berfireh in:
1. Grafîkên komputerî û anîmasyon, çêkirina peyzaj, dar, ewr û teksturên xwezayî yên rastîn û bi dîtbarî balkêş;
2. Teknolojiya pêçandina daneyan ji bo kêmkirina mezinahiya pelên dîjîtal;
3. Pêvajoya wêne û sînyalan, derxistina taybetmendiyan ji wêneyan, tespîtkirina qaliban, û peyda kirina rêbazên bi bandor ên pêçandin û ji nû ve avakirina wêneyan;
4. Biyolojî, mezinbûna nebatan û rêxistina neuronan di mêjî de vedibêje;
5. Teoriya anten û metamateryal, sêwirandina antenên kompakt/pir-band û metarûberên nûjen.
Niha, geometrîya fraktal di gelek dîsîplînên zanistî, hunerî û teknolojîk de karanînên nû û nûjen dibîne.
Di teknolojiya elektromagnetîk (EM) de, şeklên fraktal ji bo sepanên ku hewceyê mînyaturîzasyonê ne, ji antenan bigire heya metamateryalan û rûberên bijartî yên frekansê (FSS), pir bikêr in. Bikaranîna geometrîya fraktal di antenên kevneşopî de dikare dirêjahiya wan a elektrîkî zêde bike, bi vî rengî mezinahiya giştî ya avahiya rezonansê kêm bike. Wekî din, xwezaya xwe-dişibihe şeklên fraktal wan ji bo pêkanîna avahiyên rezonansê yên pir-band an jî fireh-fireh îdeal dike. Kapasîteyên mînyaturîzasyona xwerû yên fraktalan bi taybetî ji bo sêwirandina reflectarrays, antenên strîza qonaxkirî, vegirên metamateryalan û metasurfaces ji bo sepanên cûrbecûr balkêş in. Bi rastî, karanîna hêmanên strîza pir piçûk dikare çend avantajan bîne, wekî kêmkirina girêdana hevbeş an jî şiyana xebitandina bi strîzan re bi mesafeya hêmanan a pir piçûk, bi vî rengî performansa şopandina baş û astên bilindtir ên aramiya goşeyî misoger dike.
Ji ber sedemên ku li jor hatine behs kirin, antenên fraktal û metasurfaces du warên lêkolînê yên balkêş di warê elektromagnetîkê de temsîl dikin ku di salên dawî de gelek bal kişandine ser xwe. Her du têgeh jî rêbazên bêhempa pêşkêş dikin ji bo manîpulekirin û kontrolkirina pêlên elektromagnetîk, bi rêzek fireh ji sepanên di ragihandina bêtêl, pergalên radar û hîskirinê de. Taybetmendiyên wan ên xwe-dişibin hev dihêle ku ew di mezinahiya xwe de piçûk bin di heman demê de bersiva elektromagnetîk a hêja biparêzin. Ev kompaktbûn bi taybetî di sepanên bi sînor ên fezayê de, wekî cîhazên mobîl, etîketên RFID û pergalên fezayê de avantajek e.
Bikaranîna antenên fraktal û metasurfaces xwedî potansiyela baştirkirina girîng a pergalên ragihandina bêtêl, wênekirinê û radarê ye, ji ber ku ew amûrên kompakt û performansa bilind bi fonksiyonên pêşkeftî çalak dikin. Wekî din, geometrîya fraktal her ku diçe di sêwirana sensorên mîkropêlê de ji bo teşhîsa materyalan tê bikar anîn, ji ber şiyana wê ya xebitandina di gelek bandên frekansê de û şiyana wê ya piçûkkirinê. Lêkolînên berdewam di van waran de berdewam dikin ku sêwiran, materyal û teknîkên çêkirinê yên nû bigerin da ku potansiyela wan a tevahî pêk bînin.
Ev gotar armanc dike ku pêşketinên lêkolîn û sepandina antenên fraktal û metarûberan binirxîne û anten û metarûberên heyî yên li ser bingeha fraktalê bide ber hev, avantaj û kêmasiyên wan ronî bike. Di dawiyê de, analîzek berfireh a reflekstarrên nûjen û yekîneyên metamateryalê tê pêşkêş kirin, û dijwarî û pêşkeftinên pêşerojê yên van avahiyên elektromagnetîk têne nîqaş kirin.

2. FraktalAntênHêman
Têgeha giştî ya fraktalan dikare ji bo sêwirandina elementên antenên eksotîk were bikar anîn ku performansek çêtir ji antenên kevneşopî peyda dikin. Elementên antenên fraktal dikarin ji hêla mezinahiyê ve kompakt bin û xwedî şiyanên pir-band û/an jî fireh-band bin.
Dizayna antenên fraktal dubarekirina şêweyên geometrîkî yên taybetî di pîvanên cûda de di nav avahiya antenê de vedihewîne. Ev şêweya xwe-dişibihe dihêle ku em dirêjahiya giştî ya antenê di nav cîhek fîzîkî ya sînorkirî de zêde bikin. Wekî din, radyatorên fraktal dikarin gelek bendan bi dest bixin ji ber ku beşên cûda yên antenê di pîvanên cûda de dişibin hev. Ji ber vê yekê, hêmanên antenên fraktal dikarin kompakt û pir-bend bin, ku berfirehiyek frekansê ya berfirehtir ji antenên kevneşopî peyda dikin.
Têgeha antenên fraktal dikare heta dawiya salên 1980-an were şopandin. Di sala 1986-an de, Kim û Jaggard sepandina xwe-şibihiya fraktal di senteza rêzikên antenê de nîşan dan.
Di sala 1988an de, fîzîknas Nathan Cohen yekem antenna elementa fraktal a cîhanê çêkir. Wî pêşniyar kir ku bi tevlêkirina geometrîya xwe-dişibihe nav avahiya antenê, performans û şiyanên wê yên piçûkkirinê dikarin werin baştir kirin. Di sala 1995an de, Cohen hev-damezrand Fractal Antenna Systems Inc., ku dest bi dabînkirina yekem çareseriyên antenna bazirganî yên cîhanê yên li ser bingeha fraktal kir.
Di nîvê salên 1990î de, Puente û hevkarên wî şiyanên pir-band ên fraktalan bi karanîna monopol û dîpola Sierpinski nîşan dan.
Ji xebatên Cohen û Puente ve, avantajên xwerû yên antena fraktal bala lêkolîner û endezyarên di warê telekomunîkasyonê de kişandiye, û ev yek bûye sedema lêkolîn û pêşxistina bêtir a teknolojiya antena fraktal.
Îro, antenên fraktal bi berfirehî di pergalên ragihandinê yên bêtêl de têne bikar anîn, di nav de telefonên mobîl, routerên Wi-Fi û ragihandinên satelîtê. Bi rastî, antenên fraktal piçûk, pir-band û pir bikêrhatî ne, ji ber vê yekê ew ji bo cûrbecûr cîhaz û torên bêtêl guncan in.
Wêneyên jêrîn hin antenên fraktal nîşan didin ku li ser şeklên fraktal ên naskirî hatine çêkirin, ku ew tenê çend mînakên mîhengên cûrbecûr ên ku di wêjeyê de hatine nîqaş kirin in.
Bi taybetî, Wêne 2a monopola Sierpinski ya ku li Puente tê pêşniyarkirin nîşan dide, ku dikare xebata pir-band peyda bike. Sêgoşeya Sierpinski bi derxistina sêgoşeya navendî ya berevajî ji sêgoşeya sereke tê çêkirin, wekî ku di Wêne 1b û Wêne 2a de tê xuyang kirin. Ev pêvajo sê sêgoşeyên wekhev li ser avahiyê dihêle, her yek bi dirêjahiya aliyek nîvê sêgoşeya destpêkê ye (li Wêne 1b binêre). Heman prosedûra derxistinê dikare ji bo sêgoşeyên mayî were dubare kirin. Ji ber vê yekê, her yek ji sê beşên wê yên sereke bi tevahî wekhev e, lê bi rêjeya du qat, û hwd. Ji ber van dişibiniyên taybetî, Sierpinski dikare gelek bandên frekansê peyda bike ji ber ku beşên cûda yên antenê di pîvanên cûda de dişibin hev. Wekî ku di Wêne 2 de tê xuyang kirin, monopola Sierpinski ya pêşniyarkirî di 5 band de dixebite. Dikare were dîtin ku her yek ji pênc jêr-gasketan (avahiyên çemberê) di Wêne 2a de guhertoyek pîvandî ya tevahiya avahiyê ye, bi vî rengî pênc bandên frekansê yên xebitandinê yên cûda peyda dike, wekî ku di katsayiya refleksa têketinê de di Wêne 2b de tê xuyang kirin. Wêne her wiha parametreyên têkildarî her benda frekansê nîşan dide, di nav de nirxa frekansê fn (1 ≤ n ≤ 5) li nirxa herî kêm a windabûna vegera têketinê ya pîvandî (Lr), firehiya bandfireh a nisbî (Bwidth), û rêjeya frekansê di navbera du bendên frekansê yên cîran de (δ = fn +1/fn). Wêne 2b nîşan dide ku bendên monopolên Sierpinski bi awayekî logarîtmîkî bi faktorek 2 (δ ≅ 2) ve bi awayekî periyodîk têne veqetandin, ku bi heman faktora pîvandinê re têkildar e ku di avahiyên wekhev de di şiklê fraktal de heye.

wêne 2

Wêneya 3a anteneke biçûk a bi têlên dirêj nîşan dide ku li ser bingeha xêza fraktal a Koch hatiye çêkirin. Ev anten ji bo nîşandana ka meriv çawa taybetmendiyên dagirtina cîh ên şeklên fraktal bikar tîne da ku antenên piçûk sêwirîne, tê pêşniyar kirin. Bi rastî, kêmkirina mezinahiya antenan armanca dawîn a hejmareke mezin ji serîlêdanan e, nemaze yên ku termînalên mobîl tê de hene. Monopola Koch bi karanîna rêbaza avakirina fraktal a ku di Wêneya 3a de tê nîşandan tê afirandin. Dubarekirina destpêkê K0 monopoleke rasterast e. Dubarekirina din K1 bi sepandina veguherînek wekheviyê li ser K0 tê bidestxistin, di nav de pîvandina bi sêyeka yekê û zivirandina bi rêzê ve bi 0°, 60°, −60°, û 0°. Ev pêvajo bi dubarekirin tê dubarekirin da ku hêmanên paşîn Ki (2 ≤ i ≤ 5) werin bidestxistin. Wêneya 3a guhertoyek pênc-dubarekirina monopola Koch (ango, K5) bi bilindahiya h wekhevî 6 cm nîşan dide, lê dirêjahiya tevahî bi formula l = h ·(4/3) 5 = 25.3 cm tê dayîn. Pênc antenên ku bi pênc dubarekirinên pêşîn ên xêza Koch re têkildar in hatine pêkanîn (li Wêne 3a binêre). Hem ceribandin û hem jî daneyên nîşan didin ku monopola fraktal a Koch dikare performansa monopola kevneşopî baştir bike (li Wêne 3b binêre). Ev yek nîşan dide ku dibe ku "mînyaturîzekirina" antenên fraktal gengaz be, ku dihêle ew di nav cildên piçûktir de bicîh bibin dema ku performansa bibandor diparêzin.

wêne 3

Wêne 4a anteneke fraktal nîşan dide ku li ser bingeha komek Cantor hatiye çêkirin, ku ji bo sêwirandina anteneke firehband ji bo sepanên berhevkirina enerjiyê tê bikar anîn. Taybetmendiya bêhempa ya antenên fraktal ku gelek rezonansên cîran didin destpêkirin, ji bo peydakirina bandfirehiyek firehtir ji antenên kevneşopî tê bikar anîn. Wekî ku di Wêne 1a de tê xuyang kirin, sêwirana koma fraktal a Cantor pir hêsan e: xeta rasterast a destpêkê tê kopî kirin û li sê beşên wekhev tê dabeş kirin, ku ji wan beşa navendî tê derxistin; heman pêvajo dûv re bi awayekî dubarekirî li ser beşên nû hatine çêkirin tê sepandin. Gavên dubarekirina fraktal têne dubare kirin heya ku bandfirehiya antenê (BW) ya 0.8–2.2 GHz were bidestxistin (ango, 98% BW). Wêne 4 wêneyek prototîpa antenê ya pêkhatî nîşan dide (Wêne 4a) û katsayiya refleksa têketina wê (Wêne 4b).

wêne 4

Wêne 5 mînakên bêtir ên antênên fraktal dide, di nav de anteneke monopol a li ser bingeha xêza Hilbert, anteneke patch a mîkroşîrîtê ya li ser bingeha Mandelbrot, û patcheke fraktal a girava Koch (an "perçiqên berfê").

wêne 5

Di dawiyê de, Wêne 6 rêziknameyên fraktal ên cûda yên elementên rêzikê nîşan dide, di nav de rêzikên planar ên xalîçeya Sierpinski, rêzikên halqeya Cantor, rêzikên xêzikî yên Cantor, û darên fraktal. Ev rêzikname ji bo çêkirina rêzikên kêm û/an bidestxistina performansa pir-band kêrhatî ne.