stringtranslate.com

Фрактальная антенна

Пример фрактальной антенны: кривая, заполняющая пространство, называемая « островом Минковского » [1] или «фракталом Минковского» [2].

Фрактальная антенна — это антенна , в которой используется фрактальная самоподобная конструкция для максимизации эффективной длины или увеличения периметра (на внутренних секциях или внешней структуре) материала, который может принимать или передавать электромагнитное излучение в пределах заданной общей площади поверхности. или объем.

Такие фрактальные антенны также называются многоуровневыми кривыми и кривыми заполнения пространства , но ключевой аспект заключается в повторении ими мотива в двух или более размерах масштаба [3] или «итерациях». По этой причине фрактальные антенны очень компактны, многодиапазонны или широкополосны и имеют полезные применения в сотовой телефонной и микроволновой связи. Реакция фрактальной антенны заметно отличается от характеристик традиционных антенн тем, что она способна работать с хорошими или отличными характеристиками одновременно на многих разных частотах. Обычно стандартные антенны необходимо «подрезать» под частоту, на которой они будут использоваться, и поэтому стандартные антенны хорошо работают только на этой частоте.

Кроме того, фрактальная природа антенны позволяет уменьшить ее размер без использования каких-либо компонентов, таких как катушки индуктивности или конденсаторы.

Логопериодические антенны и фракталы

Логопериодические антенны — это решетки, изобретенные в 1952 году и обычно называемые телевизионными антеннами. Это было задолго до того, как Мандельброт в 1975 году придумал слово «фрактал» . [4] Некоторые авторы (например, Коэн) [5] считают логопериодические антенны ранней формой фрактальных антенн из-за их бесконечного самоподобия во всех масштабах. Однако они имеют конечную длину даже в теоретическом пределе с бесконечным числом элементов и, следовательно, не имеют фрактальной размерности , превышающей их топологическую размерность , что является одним из способов определения фракталов. Чаще всего авторы (например, Панди) [6] рассматривают их как отдельный, но родственный класс антенн.

Антенны фрактальных элементов и производительность

Фрактальная антенна с плоской решеткой ( H-дерево )

Антенные элементы (в отличие от антенных решеток, которые обычно не включаются в фрактальные антенны), сделанные из самоподобных форм, были впервые созданы Натаном Коэном [7], тогда профессором Бостонского университета , начиная с 1988 года. [8] Усилия Коэна с различные конструкции фрактальных антенн были впервые опубликованы в 1995 году [1] , что стало первой научной публикацией о фрактальных антеннах.

Многие антенны с фрактальными элементами используют фрактальную структуру как виртуальную комбинацию конденсаторов и индукторов . Это делает антенну такой, что она имеет множество различных резонансов, которые можно выбирать и регулировать, выбирая подходящий фрактальный дизайн. Эта сложность возникает из-за того, что ток в структуре имеет сложную структуру, обусловленную индуктивностью и собственной емкостью. В целом, хотя их эффективная электрическая длина больше, антенны фрактальных элементов сами по себе физически меньше, опять же из-за реактивной нагрузки.

Таким образом, антенны с фрактальными элементами меньше по размеру по сравнению с традиционными конструкциями и не требуют дополнительных компонентов, при условии, что структура имеет желаемый резонансный входной импеданс. В общем, фрактальная размерность фрактальной антенны не позволяет предсказать ее производительность и применение. Не все фрактальные антенны хорошо подходят для конкретного приложения или набора приложений. Методы компьютерного поиска и моделирование антенн обычно используются для определения того, какие конструкции фрактальных антенн лучше всего соответствуют потребностям приложения.

Исследования 2000-х годов показали преимущества технологии фрактальных элементов в реальных приложениях, таких как RFID [9] и сотовые телефоны. [10] Фракталы коммерчески используются в антеннах с 2010-х годов. [11] Их преимуществами являются хорошая многодиапазонная производительность, широкая полоса пропускания и небольшая площадь. [12] Усиление при небольшом размере является результатом конструктивной интерференции с несколькими максимумами тока, обеспечиваемыми электрически длинной структурой на небольшой площади. [13]

Некоторые исследователи оспаривают, что фрактальные антенны обладают превосходными характеристиками. С.Р. Бест (2003) заметил, что «сама по себе геометрия антенны, фрактальная или иная, не определяет однозначно электромагнитные свойства небольшой антенны». [14] Хансен и Коллин (2011) проанализировали множество статей о фрактальных антеннах и пришли к выводу, что они не дают никаких преимуществ перед толстыми диполями, нагруженными диполями или простыми петлями и что нефракталы всегда лучше. [15] Баланис (2011) сообщил о нескольких фрактальных антеннах и обнаружил, что их характеристики эквивалентны электрически малым антеннам, с которыми их сравнивали. [16] Логарифмические периодики, форма фрактальной антенны, имеют свои электромагнитные характеристики, однозначно определяемые геометрией через угол раскрытия. [17] [18]

Фрактальные антенны, частотная инвариантность и уравнения Максвелла

Еще одним полезным свойством некоторых фрактальных антенн является их самомасштабируемость. В 1957 году В. Х. Рамси [18] представил результаты, согласно которым масштабирование по углу было одним из основных требований для того, чтобы сделать антенны инвариантными (иметь одинаковые свойства излучения) на ряде или диапазоне частот. Работа Ю. Мушиаке в Японии, начавшаяся в 1948 г. [19], продемонстрировала аналогичные результаты для частотно-независимых антенн, обладающих самодополняемостью.

Считалось, что для того, чтобы это было правдой, антенны должны определяться углами, но в 1999 году было обнаружено [20] , что самоподобие было одним из основных требований, позволяющих сделать антенны инвариантными по частоте и полосе пропускания . Другими словами, аспект самоподобия был основным требованием, наряду с симметрией начала координат, для частотной независимости. Антенны с определением угла являются самоподобными, но другие самоподобные антенны не зависят от частоты, хотя и не зависят от угла.

Этот анализ, основанный на уравнениях Максвелла, показал, что фрактальные антенны предлагают закрытую форму и уникальное понимание ключевого аспекта электромагнитных явлений. А именно: свойство инвариантности уравнений Максвелла. Сейчас это известно как принцип Холфельда-Коэна-Рамси (HCR). Было показано, что более ранняя работа Мушиаке по самодополняемости ограничивалась плавностью импеданса, как и ожидалось из принципа Бабине, но не частотной инвариантностью.

Другое использование

Помимо использования в качестве антенн, фракталы также нашли применение в других компонентах антенных систем, включая нагрузки, противовесы и заземляющие плоскости.

Фрактальные индукторы и фрактальные настроенные схемы (фрактальные резонаторы) также были открыты и изобретены одновременно с антеннами с фрактальными элементами. [3] [21] Новый пример такого явления – метаматериалы . Недавнее изобретение демонстрирует использование плотноупакованных фрактальных резонаторов для создания первого широкополосного плаща-невидимки из метаматериала на микроволновых частотах. [22] [23]

Фрактальные фильтры (тип настроенной схемы) являются еще одним примером, где было доказано превосходство фрактального подхода в плане меньшего размера и лучшего подавления. [24] [25] [26]

Поскольку фракталы могут использоваться в качестве противовесов, нагрузок, заземляющих плоскостей и фильтров, всех частей, которые могут быть интегрированы с антеннами, они считаются частями некоторых антенных систем и поэтому обсуждаются в контексте фрактальных антенн.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Аб Коэн, Натан (лето 1995 г.). «Фрактальные антенны. Часть 1». Ежеквартальный вестник коммуникаций . 5 :7–22. ISSN  1053-9433.
  2. ^ Гош, Басудеб; Синха, Сачендра Н.; и Картикеян М.В. (2014). Фрактальные апертуры в волноводах, проводящие экраны и полости: анализ и проектирование , стр.88. Том 187 серии Springer по оптическим наукам . ISBN 9783319065359 . 
  3. ^ ab Натан Коэн (2002) «Фрактальные антенны и фрактальные резонаторы» патент США 6 452 553
  4. ^ Альберс, Дональд Дж.; Александерсон, Джеральд Л. (2008). «Бенуа Мандельброт: Своими словами». Математические люди: профили и интервью . Уэлсли, Массачусетс: АК Питерс. п. 214. ИСБН 978-1-56881-340-0.
  5. ^ Натан Коэн, «Фрактальная антенна и учебник по фрактальному резонатору», стр. 218, глава 8, Майкл Фрейм, Натан Коэн (редакторы), Бенуа Мандельброт: жизнь во многих измерениях , World Scientific, 2015 ISBN 9814635537 . 
  6. ^ Анил Панди, Практическая конструкция микрополосковых и печатных антенн , стр. 5, Дом Артех, 2019 ISBN 1630816701 . 
  7. ^ "Фрактальные антенные системы, Inc". www.fractenna.com . Проверено 22 апреля 2018 г.
  8. ^ Коэн, Н. (лето 1995 г.). «Фрактальные антенны. Часть 1». Communications Quarterly : 12 боковых панелей, Первая фрактальная антенна . ISSN  1053-9433.
  9. ^ Укконен, Л.; Сиданхеймо Л. и Кивикоски М. (26–28 марта 2007 г.). «Сравнение характеристик дальности считывания компактных антенн считывателя для портативного считывателя UHF RFID». Международная конференция IEEE по RFID, 2007 г. стр. 63–70. doi : 10.1109/RFID.2007.346151. ISBN 978-1-4244-1013-2.
    Салливан, Лори (23 мая 2007 г.). «В академических исследованиях побеждает фрактальная RFID-антенна». RFID-журнал . Архивировано из оригинала 2 ноября 2007 года. Исследователи из Финского технологического университета Тампере обнаружили, что фрактальная антенна портативного считывателя UHF RFID работает лучше, чем четыре антенны традиционной конструкции.
  10. ^ Сайдатул, Н.А.; Азреми, ААХ; Ахмад, РБ; Сох, П.Дж. и Малек, Ф. (2009). «Многодиапазонная фрактальная плоская перевернутая F-антенна (F-Pifa) для приложений мобильных телефонов». Прогресс в исследованиях в области электромагнетизма Б . 14 : 127–148. дои : 10.2528/pierb09030802 .
  11. ^ Лау, Генри (2019). Практическая конструкция антенны для беспроводных устройств . Артех Хаус. п. 208. ИСБН 978-1630813260.
  12. ^ Волакис, Джон; Чен, Ч-Чи и Фудзимото, Кёхей (2010). Маленькие антенны . МакГроу Хилл. § 3.2.5. ISBN 9780071625531.
  13. ^ Фрейм, Майкл; Коэн, Натан (2015). «Глава 8: Фрактальная антенна и учебник по фрактальному резонатору». Бенуа Мандельброт: Жизнь во многих измерениях . Мировая научная пресса. § 8.4. ISBN 9789814366069.
  14. ^ Бест, Стивен Р. (2003). «Сравнение резонансных свойств небольших фрактальных антенн, заполняющих пространство». Антенны IEEE и письма о распространении беспроводной связи . 2 (1): 197–200. Бибкод : 2003IAWPL...2..197B. дои : 10.1109/1-awp.2003.819680. S2CID  15119380.
  15. ^ Хансен, Роберт К. и Коллин, RE (2011). Малый справочник по антеннам . Джон Уайли и сыновья. гл. 5.13. ISBN 978-1118106853.
  16. ^ Баланис, Калифорния (2011). Справочник по современным антеннам . Джон Уайли и сыновья. гл. 10.9. ISBN 978-1-118-20975-2.
  17. ^ Кришке, Алоис (2019). Книга об антеннах Ротаммеля . DARC Верлаг. 27.5. ISBN 9783000624278.
  18. ^ аб Рамси, VH (1957). «Частотно-независимые антенны». Рекорд Международной конференции IRE . Том. 5. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Институт радиоинженеров . п. 114-118.
  19. ^ Мушиаке, Ю. (март 1949 г.). «Происхождение самодополняющей структуры и открытие ее свойства постоянного импеданса». Журнал Института инженеров-электриков Японии (на японском языке). 69 (3): 88.
  20. ^ Холфельд Р., Коэн Н. (1999). «Самоподобие и геометрические требования частотной независимости антенн». Фракталы . 7 (1): 79–84. дои : 10.1142/S0218348X99000098.
  21. ^ US 7256751, Коэн, Натан, «Фрактальные антенны и фрактальные резонаторы», опубликовано 14 августа 2007 г. 
  22. ^ Патент США 8 253 639.
  23. ^ Коэн, Н. (2012). «Плащ-невидимка высокого качества с широкой полосой по размеру тела». Фракталы . 20 (3n04): 227–232. Бибкод : 2012Fract..20..227C. дои : 10.1142/s0218348x1250020x.
  24. ^ Ланкастер, М.; Хун, Цзя-Шэн (2001). Микрополосковые фильтры для ВЧ/СВЧ-приложений. Нью-Йорк: Уайли. стр. 410–411. ISBN 978-0-471-38877-7.
  25. ^ Пурахмадазар, Дж.; Гобади, К.; Нуриния, Дж.; Ширзад, Х. (2010). «Многодиапазонные кольцевые фрактальные монопольные антенны для мобильных устройств». Антенны IEEE и письма о распространении беспроводной связи . 9 : 863–866. Бибкод : 2010IAWPL...9..863P. дои : 10.1109/LAWP.2010.2071372. S2CID  19689050.
  26. ^ Пурахмадазар, Дж.; Гобади, К.; Нуриния, Дж. (2011). «Новые модифицированные фрактальные монопольные антенны из дерева Пифагора для приложений СШП». Антенны IEEE и письма о распространении беспроводной связи . 10 : 484–487. Бибкод : 2011IAWPL..10..484P. дои : 10.1109/LAWP.2011.2154354. S2CID  31823278.

Внешние ссылки