Доступно о технике

Фрактальная антенна — Fractal antenna

Содержание

Фрактальной антенны является антенна , которая использует фрактал , самоподобную конструкцию , чтобы максимизировать эффективную длину, или увеличить периметр (внутри секций или внешней структуры), из материала , который может принимать или передавать электромагнитное излучение в пределах данной общей площади поверхности или объем.

Такие фрактальные антенны также называются многоуровневыми кривыми и кривыми заполнения пространства , но ключевой аспект заключается в том, что они повторяют мотив в двух или более масштабах или «итерациях». По этой причине фрактальные антенны очень компактны, многополосны или широкополосны и имеют полезные применения в сотовой телефонной и микроволновой связи. Реакция фрактальной антенны заметно отличается от традиционных конструкций антенн, поскольку она способна работать с хорошими или отличными характеристиками на многих разных частотах одновременно. Обычно стандартные антенны необходимо «обрезать» для той частоты, на которой они должны использоваться, и поэтому стандартные антенны хорошо работают только на этой частоте.

Вдобавок фрактальная природа антенны уменьшает ее размер без использования каких-либо компонентов, таких как катушки индуктивности или конденсаторы.

СОДЕРЖАНИЕ

Логопериодические антенны и фракталы

Первые фрактальные «антенны» были, по сути, фрактальными «решетками» с фрактальным расположением антенных элементов, которые изначально не признавались как имеющие самоподобие как свой атрибут. Логопериодические антенны — это массивы, появившиеся примерно с 1950-х годов (изобретенные Исбеллом и Дюгамелем), которые представляют собой такие фрактальные массивы. Они представляют собой обычную форму, используемую в телевизионных антеннах, и имеют форму наконечника стрелы.

Антенны с фрактальным элементом и характеристики

Антенные элементы (в отличие от антенных решеток, которые обычно не входят в состав фрактальных антенн), сделанные из самоподобных форм, были впервые созданы Натаном Коэном, затем профессором Бостонского университета , начиная с 1988 года. Усилия Коэна с множеством фрактальных конструкций антенн были впервые опубликованы в 1995 году. Публикация Коэна ознаменовала собой первую научную публикацию о фрактальных антеннах.

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

Таким образом, антенны с фрактальными элементами уменьшаются по сравнению с обычными конструкциями и не нуждаются в дополнительных компонентах, если предположить, что структура имеет желаемый резонансный входной импеданс. В целом фрактальная размерность фрактальной антенны плохо предсказывает ее характеристики и применение. Не все фрактальные антенны хорошо подходят для данного приложения или набора приложений. Методы компьютерного поиска и моделирование антенн обычно используются для определения того, какие фрактальные конструкции антенн лучше всего соответствуют потребностям приложения.

Исследования 2000-х годов показали преимущества технологии фрактальных элементов в реальных приложениях, таких как RFID и сотовые телефоны. Фракталы используются в антеннах с 1988 года, и их преимуществами являются хорошие многополосные характеристики, широкая полоса пропускания и малая площадь, и эта ссылка показала, что усиление при небольшом размере является результатом конструктивной интерференции с несколькими максимумами тока, обеспечиваемыми электрически длинной структурой в небольшой область.

Некоторые исследователи оспаривают превосходные характеристики фрактальных антенн. Стивен Р. Бест в 2003 году заметил, что «сама по себе геометрия антенны, фрактальная или нет, не определяет однозначно электромагнитные свойства маленькой антенны». В 2011 году Роберт К. Хансен и Роберт Э. Коллин рассмотрели множество статей о фрактальных антеннах и пришли к выводу, что они не дают преимущества перед толстыми диполями, нагруженными диполями или простыми петлями и что нефракталы всегда лучше. Баланис сообщил о нескольких фрактальных антеннах и нашел их эквивалентными по характеристикам электрически маленьким антеннам, с которыми они сравнивались. Логопериодики, форма фрактальной антенны, обладают своими электромагнитными характеристиками, однозначно определяемыми геометрией через угол раскрытия.

Фрактальные антенны, частотная инвариантность и уравнения Максвелла

Другой и полезный атрибут некоторых антенн фрактальных элементов — их масштабируемость. В 1957 г. В. Х. Рамси представил результаты, согласно которым масштабирование с определенным углом было одним из основных требований, позволяющих сделать антенны «инвариантными» (иметь одинаковые свойства излучения) на определенном количестве или в диапазоне частот. Работа Y. Mushiake в Японии, начатая в 1948 году, продемонстрировала аналогичные результаты для частотно-независимых антенн, обладающих самодополняемостью.

Считалось, что антенны должны быть определены по углам, чтобы это было правдой, но в 1999 году было обнаружено, что самоподобие является одним из основных требований для обеспечения инвариантности частоты и ширины полосы частот антенн . Другими словами, самоподобный аспект был основным требованием, наряду с симметрией происхождения, для частотной «независимости». Антенны с определенным углом самоподобны, 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 уникальную закрытую форму для понимания ключевого аспекта электромагнитных явлений. А именно: свойство инвариантности уравнений Максвелла. Теперь это известно как принцип Хольфельда-Коэна-Рамси (HCR). Было показано, что более ранняя работа Мусиаке по самодополнимости ограничивается гладкостью 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 антенной системы, включая нагрузки, противовесы и плоскости заземления.

Фрактальные индукторы и фрактальные настроенные схемы (фрактальные резонаторы) также были открыты и изобретены одновременно с антеннами фрактальных элементов. Возникающий пример такого рода — метаматериалы . Недавнее изобретение демонстрирует использование плотноупакованных фрактальных резонаторов для создания первой широкополосной метаматериальной маскировки невидимости на микроволновых частотах.

Фрактальные фильтры (тип настроенной схемы) — еще один пример, в котором было доказано превосходство фрактального подхода для меньшего размера и лучшего подавления.

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


Источник: ru.abcdef.wiki