Фрактальная антенна
| Часть серии о |
| Антенны |
|---|
 |
Фрактальная антенна — это антенна используется фрактальная , в которой 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 «итерации». 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
[ редактировать ]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 фрактальной антенны 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 (например, Панди) [6] авторы рассматривают их как отдельный, но родственный класс антенн.
Антенны фрактальных элементов и производительность
[ редактировать ]
Антенные элементы (в отличие от антенных решеток, которые обычно не относятся к фрактальным антеннам), состоящие из самоподобных форм, были впервые созданы Натаном Коэном. [7] затем профессор Бостонского университета , начиная с 1988 года. [8] Усилия Коэна по созданию различных конструкций фрактальных антенн были впервые опубликованы в 1995 году. [1] что ознаменовало первую научную публикацию 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) рассмотрели множество статей о фрактальных антеннах и пришли к выводу, что они не дают преимуществ перед толстыми диполями, нагруженными диполями или простыми петлями и что нефрактальные антенны 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
[ редактировать ]Еще одним полезным свойством некоторых фрактальных антенн является их самомасштабируемость. В 1957 году В. Х. Рамси [18] представили результаты, согласно которым масштабирование по углу было одним из основных требований для того, чтобы сделать антенны инвариантными (иметь одинаковые свойства излучения) на определенном количестве или диапазоне частот. Работа Ю. Мушиаке в Японии с 1948 г. [19] продемонстрировали аналогичные результаты для частотно-независимых антенн, обладающих самодополняемостью.
Считалось, что для этого антенны должны определяться углами, но в 1999 году было обнаружено, что [20] что самоподобие было одним из основных требований для инвариантности частоты и полосы пропускания антенн . 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
[ редактировать ]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 из метаматериала на микроволновых частотах. плаща-невидимки [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.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Коэн, Натан (лето 1995 г.). «Фрактальные антенны. Часть 1» . Ежеквартальный вестник коммуникаций . 5 :7–22. ISSN 1053-9433 .
- ^ 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 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Натан Коэн (2002) «Фрактальные антенны и фрактальные резонаторы», патент США № 6 452 553.
- ^ 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 .
- ^ 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 г. ISBN 9814635537 .
- ^ Анил Панди, Практическая конструкция микрополосковых и печатных антенн , стр. 5, Дом Артех, 2019 ISBN 1630816701 .
- ^ «Фрактальные Антенные Системы, Инк» . www.fractenna.com . Проверено 22 апреля 2018 г.
- ^ Коэн, Н. (лето 1995 г.). «Фрактальные антенны. Часть 1» . Communications Quarterly : 12 боковых панелей, Первая фрактальная антенна . ISSN 1053-9433 .
- ^ Укконен, Л.; Сиданхеймо Л. и Кивикоски М. (26–28 марта 2007 г.). «Сравнение характеристик дальности считывания компактных считывающих антенн для портативного UHF RFID-считывателя». Международная конференция IEEE по RFID, 2007 г. стр. 63–70. дои : 10.1109/RFID.2007.346151 . ISBN 978-1-4244-1013-2 .
Исследователи из Финского технологического университета Тампере обнаружили, что фрактальная антенна портативного считывателя UHF RFID работает лучше, чем четыре антенны традиционной конструкции.
- ^ 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 .
- ^ Лау, Генри (2019). Практическая конструкция антенны для беспроводных устройств . Артех Хаус. п. 208. ИСБН 978-1630813260 .
- ^ Волакис, Джон; Чен, Ч-Чи и Фудзимото, Кёхей (2010). Маленькие антенны . МакГроу Хилл. § 3.2.5. ISBN 9780071625531 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Хансен, Роберт К. и Коллин, Р.Э. (2011). Малый справочник по антеннам . Джон Уайли и сыновья. гл. 5.13. ISBN 978-1118106853 .
- ^ Баланис, Калифорния (2011). Справочник по современным антеннам . Джон Уайли и сыновья. гл. 10.9. ISBN 978-1-118-20975-2 .
- ^ Кришке, Алоис (2019). Книга об антеннах Ротаммеля . Издательство ДАРК. 27.5. ISBN 9783000624278 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Рамси, В.Х. (1957). «Частотно-независимые антенны». Рекорд Международной конференции IRE . Том. 5. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Институт радиоинженеров . п. 114-118.
- ^ 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.
- ^ Холфельд Р., Коэн Н. (1999). «Самоподобие и геометрические требования частотной независимости антенн». Фракталы . 7 (1): 79–84. дои : 10.1142/S0218348X99000098 .
- ^ США 7256751 , Коэн, Натан, «Фрактальные антенны и фрактальные резонаторы», опубликовано 14 августа 2007 г.
- ^ Патент США 8 253 639.
- ^ Коэн, Н. (2012). «Плащ-невидимка высокого качества с широкими полосами по размеру тела». Фракталы . 20 (3n04): 227–232. Бибкод : 2012Fract..20..227C . дои : 10.1142/s0218348x1250020x .
- ^ Ланкастер, М.; Хун, Цзя-Шэн (2001). Микрополосковые фильтры для ВЧ/СВЧ-приложений . Нью-Йорк: Уайли. стр. 410–411. ISBN 978-0-471-38877-7 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .