Nûçe - Çavdêriya Antenna: Vekolînek li ser Metarûpelên Fractal û Sêwirana Antenna

I. Destpêk
Fractals tiştên matematîkî ne ku di pîvanên cihêreng de taybetmendiyên xwe-wekhev nîşan didin. Ev tê wê wateyê ku gava ku hûn li ser şeklek fractal zoom dikin, her perçeyek wê pir dişibihe tevahiyê; ango, qalibên geometrîk an avahîyên mîna hev di astên mezinbûnê yên cihêreng de dubare dibin (li nimûneyên fraktalê li jimar 1 binêre). Piraniya fractals xwedan şeklên tevlihev, hûrgulî û bêsînor in.

jimar 1

Têgeha fraktalan ji hêla matematîkzan Benoit B. Mandelbrot ve di sala 1970-an de hate destnîşan kirin, her çend eslê geometrîya fractal dikare ji xebata berê ya gelek matematîkzanan were şopandin, wek Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915). ), Julia (1918), Fatou (1926), û Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot têkiliya di navbera fractals û xwezayê de bi danasîna celebên nû yên fractals lêkolîn kir da ku avahiyên tevlihevtir, wek dar, çiya, û peravên simulasyonê bikin. Wî peyva "fractal" ji rengdêra latînî "fractus", ku tê maneya "şikestî" an "şkestî", ango ji perçeyên şikestî an nerêkûpêk pêk tê, ji bo ravekirina şeklên geometrîkî yên nerêkûpêk û perçebûyî yên ku ji hêla geometriya kevneşopî ya Euklîdî ve nayên dabeşkirin, çêkir. Wekî din, wî model û algorîtmayên matematîkî ji bo hilberandin û xwendina fractals pêş xist, ku bû sedema afirandina koma Mandelbrot ya navdar, ku belkî şeklê fractalê yê herî navdar û balkêş e ku bi qalibên tevlihev û bêsînor dubare dibe (binihêre Figure 1d).
Xebatên Mandelbrot ne tenê bandora xwe li ser matematîkê kiriye, di warên cuda yên wekî fîzîk, grafîkên kompîturê, biyolojî, aborî û hunerê de jî sepandin hene. Di rastiyê de, ji ber şiyana wan a modelkirin û temsîlkirina strukturên tevlihev û xwe-heman, fractals di warên cihêreng de gelek sepanên nûjen hene. Mînakî, ew bi berfirehî di warên serîlêdana jêrîn de hatine bikar anîn, ku tenê çend mînakên serîlêdana wan a berfireh in:
1. Grafîk û anîmasyon a kompîturê, çêkirina dîmenên xwezayî, dar, ewr û nîgarên rastîn û dîtbarî yên balkêş;
2. Teknolojiya berhevkirina daneyan ji bo kêmkirina mezinahiya pelên dîjîtal;
3. Pêvajoya wêne û nîşanê, derxistina taybetmendiyan ji wêneyan, tespîtkirina qalibên, û peydakirina rêgezên bibandor berhevkirin û ji nû ve avakirina wêneyê;
4. Biyolojî, mezinbûna riwekan û birêxistinkirina noyronan di mejî de;
5. Teoriya antenna û metamaterial, sêwirana antênên kompakt / pir-band û metarûpelên nûjen.
Heya nuha, geometriya fractal berdewam dike ku di warên cihêreng ên zanistî, hunerî û teknolojîk de karanîna nû û nûjen bibîne.
Di teknolojiya elektromagnetîk (EM) de, şeklên fractal ji bo serîlêdanên ku hewceyê piçûkbûnê ne, ji antenan bigire heya metamaterial û rûberên hilbijartî yên frekansê (FSS) pir bikêr in. Bikaranîna geometriya fractal di antênên kevneşopî de dikare dirêjahiya elektrîkê ya wan zêde bike, bi vî rengî mezinahiya giştî ya avahiya resonant kêm bike. Digel vê yekê, xwezaya xwe-wekhev a şeklên fractal wan ji bo têgihiştina strukturên resonant ên pir-band an fireh-band îdeal dike. Kapasîteyên piçûkkirina xwerû yên fractals bi taybetî ji bo sêwirana refleks, antenên rêza qonax, vekêşkerên metamaterial û metarûfên ji bo sepanên cihêreng balkêş in. Di rastiyê de, karanîna hêmanên rêzê yên pir piçûk dikare çend avantajan bîne, wek mînak kêmkirina pevgirêdana hevûdu an karibûna bi rêzikên bi cihê hêmanên pir piçûk re bixebite, bi vî rengî performansa şopandina baş û astên bilind ên aramiya goşeyî misoger dike.
Ji ber sedemên ku li jor hatine destnîşan kirin, antên û metarûpelên fractal du qadên lêkolînê yên balkêş ên di warê elektromagnetîk de temsîl dikin ku di van salên dawî de gelek bal kişandiye ser xwe. Her du têgeh awayên bêhempa yên manîpulekirin û kontrolkirina pêlên elektromagnetîk pêşkêşî dikin, bi cûrbecûr sepanan di ragihandinên bêtêl, pergalên radar û hîskirinê de. Taybetmendiyên wan ên xweser dihêlin ku di heman demê de bertekek elektromagnetîk a hêja diparêzin di mezinahiyê de piçûk bin. Ev kompakt bi taybetî di serîlêdanên cîhê-sînorkirî de, yên wekî cîhazên mobîl, tagên RFID, û pergalên asmanî de bi avantaj e.
Bikaranîna antênên fractal û metaserface xwedan potansiyel e ku bi girîngî pêwendiya bêtêl, wênekirin û pergalên radarê baştir bike, ji ber ku ew amûrên kompakt, performansa bilind bi fonksiyonên pêşkeftî çalak dikin. Wekî din, geometrîya fractal di sêwirana senzorên mîkrofê de ji bo tespîtkirina materyalê her ku diçe zêde tê bikar anîn, ji ber şiyana wê ya xebitandina di gelek bandên frekansê de û jêhatîbûna wê ya piçûkkirinê. Lêkolîna domdar li van deveran berdewam dike ku sêwiran, materyal û teknîkên çêkirinê yên nû vebikolin da ku potansiyela xwe ya tevahî pêk bînin.
Armanca vê gotarê ew e ku lêkolîn û pêşkeftina sepanê ya antên û metarûfên fractal binirxîne û antên û metarûfên bingehîn ên fractal bide ber hev, avantaj û kêmasiyên wan ronî bike. Di dawiyê de, vekolînek berfireh a refleksên nûjen û yekîneyên metamaterial tê pêşkêş kirin, û dijwarî û pêşkeftinên pêşerojê yên van avahiyên elektromagnetîk têne nîqaş kirin.

2. FraktalAntênElements
Têgeha giştî ya fractals dikare were bikar anîn ji bo sêwirana hêmanên antenna biyanî ku performansa çêtir ji antênên kevneşopî peyda dikin. Dibe ku hêmanên antenna Fractal bi mezinahiyê tevlihev bin û xwedî kapasîteyên pir-band û/an bandên fireh bin.
Sêwirana antênên fractal dubarekirina qalibên geometrîkî yên taybetî di pîvanên cihêreng de di hundurê avahiya antenna de vedihewîne. Ev şêwaza xwe-wekhev rê dide me ku em dirêjahiya giştî ya antenna di nav cîhek fîzîkî ya sînordar de zêde bikin. Digel vê yekê, radyatorên fractal dikarin gelek bendên bi dest bixin ji ber ku beşên cûda yên antenna di pîvanên cûda de mîna hev in. Ji ber vê yekê, hêmanên antenna fractal dikarin tevlihev û pir-band bin, ji antênên kevneşopî vegirtinek frekansa firehtir peyda dikin.
Têgeha antênên fractal dikare di dawiya salên 1980-an de were şopandin. Di sala 1986 de, Kim û Jaggard sepana xweseriya fractal di senteza array antenna de nîşan dan.
Di sala 1988 de, fîzîknas Nathan Cohen antenna yekem a elementa fractal a cîhanê çêkir. Wî pêşniyar kir ku bi tevlêkirina geometriya xwe-wekhev di nav avahiya antenna de, performansa wê û kapasîteyên piçûkkirina wê dikare were çêtir kirin. Di 1995-an de, Cohen hev-avakara Fractal Antenna Systems Inc., ku dest bi peydakirina yekem çareseriyên antenna-bingeha fractal a bazirganî ya cîhanê kir.
Di nîvê salên 1990-an de, Puente et al. kapasîteyên pir-bandê yên fractals bi karanîna monopol û dupola Sierpinski nîşan da.
Ji ber xebata Cohen û Puente, avantajên xwerû yên antênên fractal eleqeyek mezin ji lêkolîner û endezyarên di warê têlefonê de kişandiye, ku rê li ber vedîtin û pêşkeftina teknolojiya antenna fractal vekiriye.
Îro, antên fractal bi berfirehî di pergalên pêwendiya bêtêlê de, di nav de têlefonên desta, rêwerên Wi-Fi, û ragihandina satelîtê de têne bikar anîn. Di rastiyê de, antênên fractal piçûk, pir-band û pir bikêr in, ku wan ji bo cûrbecûr cîhaz û torên bêtêl maqûl dike.
Nîgarên jêrîn hin antên fractal ên li ser bingeha şeklên fraktal ên naskirî destnîşan dikin, ku tenê çend nimûne ne ji konfigurasyonên cihêreng ên ku di wêjeyê de hatine nîqaş kirin.
Bi taybetî, jimar 2a monopola Sierpinski ya ku li Puente hatî pêşniyar kirin nîşan dide, ku karibe operasyona pir-band peyda bike. Sêgoşeya Sierpinski bi kêmkirina sêgoşeya berevajîkirî ya navendî ji sêgoşeya sereke pêk tê, wekî ku di jimar 1b û jimar 2a de têne xuyang kirin. Ev pêvajo sê sêgoşeyên wekhev li ser avahiyê dihêle, her yek bi dirêjahiya aliyek nîvê ya sêgoşeya destpêkê ye (binihêre Figure 1b). Heman prosedûra jêbirinê dikare ji bo sêgoşeyên mayî jî were dubare kirin. Ji ber vê yekê, her sê beşên wê yên sereke tam bi tevahiyê re wekhev e, lê bi ducarî nîsbet û hwd. Ji ber van wekheviyên taybetî, Sierpinski dikare çend bendên frekansê peyda bike ji ber ku beşên cûda yên antenna di pîvanên cûda de dişibin hev. Wekî ku di jimar 2 de tê xuyang kirin, monopola Sierpinski ya pêşniyarkirî di 5 beşan de dixebite. Dikare were dîtin ku her yek ji pênc jêr-gask (avahiyên çemberê) yên di Xiflteya 2a de guhertoyek pîvandî ya tevahiyê ye, bi vî rengî pênc bandên frekansa xebitandinê yên cihêreng peyda dike, wekî ku di jimareya 2b de di rêjeya refleksa têketinê de tê xuyang kirin. Di heman demê de jimar pîvanên bi her bandê frekansê re têkildar nîşan dide, di nav de nirxa frekansê fn (1 ≤ n ≤ 5) di nirxa hindiktirîn a windabûna vegerê ya têketinê ya pîvandî (Lr), firehiya bandê têkildar (Bwidth), û rêjeya frekansê ya di navbera du bandên frekansa cîran (δ = fn +1/fn). Wêneya 2b nîşan dide ku bandên monopolên Sierpinski bi awayekî periyodîk ji hêla faktorek 2 (δ ≅ 2) ve bi logarîtmîkî ve têne veqetandin, ku bi heman faktora pîvandinê ya ku di strukturên wekhev de di şeklê fractal de heye re têkildar e.

jimar 2

Xiflteya 3a antenna têl a dirêj a piçûk li ser bingeha keviya fractal a Koch nîşan dide. Ev antenna tê pêşniyar kirin ku nîşan bide ka meriv çawa taybetmendiyên dagirtina cîhê şeklên fractal bikar tîne da ku antênên piçûk sêwirîne. Bi rastî, kêmkirina mezinahiya antênan armanca dawîn a hejmareke mezin a serîlêdanan e, nemaze yên ku termînalên mobîl tê de ne. Monopola Koch bi karanîna rêbaza avakirina fractal a ku di Xiflteya 3a de hatî xuyang kirin tê afirandin. Dubarekirina destpêkê K0 monopolek rasterast e. Dubarekirina paşîn K1 bi sepandina veguheztina wekhevî ya K0, di nav de pîvandina bi sêyekek û zivirîna bi rêzê ve bi 0°, 60°, -60°, û 0°, tê bidestxistin. Ji bo bidestxistina hêmanên paşîn Ki (2 ≤ i ≤ 5) ev pêvajo car bi car tê dubare kirin. Xiflteya 3a guhertoyek pênc-tebatî ya monopola Koch (ango, K5) bi bilindahiya h wekhev 6 cm nîşan dide, lê dirêjahiya giştî bi formula l = h ·(4/3) 5 = 25,3 cm tê dayîn. Pênc antenên ku bi pênc dubareyên pêşîn ên kevroşka Koch re têkildar in hatine fêhm kirin (binihêrin Figure 3a). Hem ceribandin û hem jî dane nîşan didin ku monopola fraktalî ya Koch dikare performansa monopola kevneşopî baştir bike (binihêre Figure 3b). Ev destnîşan dike ku dibe ku meriv antênên fractal "mînyatur" bike, û bihêle ku ew di nav cildên piçûktir de cih bigirin dema ku performansa bikêr diparêzin.

jimar 3

Wêneyê 4a antenek fractal a li ser bingeha setek Cantor nîşan dide, ku ji bo sêwirana antenek fireh ji bo sepanên berhevkirina enerjiyê tê bikar anîn. Taybetmendiya bêhempa ya antênên fractal ên ku gelek resonansên cîran destnîşan dikin, ji bo peydakirina bandfirehiyek ji antênên kevneşopî têne bikar anîn. Wekî ku di Figure 1a de tê xuyang kirin, sêwirana koma fractal a Cantor pir hêsan e: xeta rast a destpêkê tê kopî kirin û di sê beşên wekhev de tê dabeş kirin, ku beşa navendê jê tê derxistin; Dûv re heman pêvajo bi dûbare li ser beşên nû hatine çêkirin tê sepandin. Pêngavên dubarekirina fractal têne dubare kirin heya ku firehiya antenna (BW) ya 0,8-2,2 GHz were bidestxistin (ango, 98% BW). Wêneya 4-ê wêneyek prototîpa antenna têgihîştî (Wêne 4a) û hevsengiya refleksa têketina wê (Wêne 4b) nîşan dide.

jimar 4

Xiflteya 5 mînakên zêdetir antênên fractal dide, di nav de antena monopolek-based a Hilbert, antena patchê ya mîkroşiya-based Mandelbrot, û pişkek fraktalî ya girava Koch (an "berfê").

jimar 5

Di dawiyê de, jimar 6 verastkirinên cûda yên fraktalî yên hêmanên rêzê nîşan dide, di nav de rêzikên plankirî yên xalîçeya Sierpinski, rêzikên zengila Cantor, rêzikên rêzikên Cantor, û darên fractal. Van aranjmanan ji bo hilberandina rêzikên sparse û/an bidestxistina performansa pir-band bikêr in.