Фрактальная антенна - Википедия - Fractal antenna

Часть серия на
Антенны
Монтаж типичной сотовой антенны на вершине башни.
Общие типы

А фрактальная антенна является антенна который использует фрактал, самоподобный конструкция для максимального увеличения эффективной длины или увеличения периметра (на внутренних секциях или внешней структуре) материала, который может принимать или передавать электромагнитное излучение в пределах данной общей площади поверхности или объема.

Такие фрактальные антенны еще называют многоуровневыми и кривые заполнения пространства, но ключевой аспект заключается в том, что они повторяют мотив в двух или более масштабах,[1] или «итерации». По этой причине фрактальные антенны очень компактны, многополосны или широкополосны и имеют полезное применение в сотовых телефонах и СВЧ-связи. Отклик фрактальной антенны заметно отличается от традиционных антенн тем, что она способна работать с хорошими или отличными характеристиками. на множестве разных частот 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 индукторы или конденсаторы.

Пример фрактальной антенны: кривая заполнения пространства, называемая "Остров Минковского "[2] или "фрактал Минковского"[3]

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 представляют собой 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

А планарный массив фрактальная антенна (H дерево )

Антенные элементы (в отличие от антенных решеток, которые обычно не входят в состав фрактальных антенн), изготовленные из самоподобных форм, были впервые созданы Натаном Коэном.[4] затем профессор в Бостонский университет, начиная с 1988 года. Впервые работы Коэна по разработке различных фрактальных антенн были опубликованы в 1995 году.[2] Публикация Коэна ознаменовала собой первую научную публикацию о фрактальных антеннах.

Многие антенны с фрактальными элементами используют фрактальную структуру как виртуальную комбинацию конденсаторы и индукторы. 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 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 - плохой предиктор ее работы и применения. 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.[5] и сотовые телефоны.[6] Фракталы используются в антеннах с 1988 года.[7] и их преимущества[8] хорошие многополосные характеристики, широкая полоса пропускания и небольшая площадь[9] и эта ссылка показала, что усиление при небольшом размере является результатом конструктивной интерференции с множественными максимумами тока, обеспечиваемых электрически длинной структурой на небольшой площади.

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».[10] В 2011 году Роберт К. Хансен и Роберт Э. Коллин просмотрел многие статьи о фрактальных антеннах и пришел к выводу, что они не дают преимущества перед толстыми диполями, нагруженными диполями или простыми петлями, и что нефракталы всегда лучше.[11] Баланис сообщил о нескольких фрактальных антеннах и нашел их эквивалентными по характеристикам электрически маленьким антеннам, с которыми они сравнивались.[12] Логопериодики, форма фрактальной антенны, имеют свои электромагнитные характеристики, однозначно определяемые геометрией через угол раскрытия.[13][14]

Фрактальные антенны, частотная инвариантность и уравнения Максвелла

Другой полезный атрибут некоторых антенн с фрактальными элементами - их масштабируемость. В 1957 году В.Х. Рамси[14] представили 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 Ю. Мусиаке в Японии с 1948 г.[15] продемонстрировали аналогичные результаты частотно-независимых антенн, имеющих самодополняемость.

Считалось, что антенны должны определяться углами, чтобы это было правдой, но в 1999 году это было обнаружено.[16] который самоподобие было одним из основных требований к инвариантности частоты и полосы пропускания 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 Хельфельда-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 наземные плоскости.

Фрактальные индукторы и фрактальные настроенные схемы (фрактальные резонаторы) также были открыты и изобретены одновременно с антеннами фрактальных элементов.[1][17] Возникающий пример такого рода находится в метаматериалы. Недавнее изобретение демонстрирует использование плотноупакованных фрактальных резонаторов для создания первых широкополосных метаматериал плащ-невидимка на микроволновых частотах.[18][19]

Фрактальные фильтры (тип настроенной схемы) - еще один пример, в котором было доказано превосходство фрактального подхода для меньшего размера и лучшего подавления.[20][21][22]

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

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Натан Коэн (2002) «Фрактальные антенны и фрактальные резонаторы» Патент США 6,452,553
  2. ^ а б Коэн, Натан (лето 1995 г.). «Фрактальные антенны. Часть 1». Связь ежеквартально. 5: 7–22. ISSN  1053-9433.
  3. ^ Гош, Басудеб; Sinha, Sachendra N .; и Картикеян, М. В. (2014). Фрактальные отверстия в волноводах, проводящих экранах и полостях: анализ и проектирование, стр.88. Том 187 из Серия Springer в оптических науках. ISBN  9783319065359.
  4. ^ "Fractal Antenna Systems, Inc". www.fractenna.com. Получено 22 апреля 2018.
  5. ^ Укконен Л., Сиданхеймо Л., Кивикоски М. (26–28 марта 2007 г.). «Сравнение характеристик диапазона считывания антенн компактного считывающего устройства для портативного считывающего устройства UHF RFID». Международная конференция IEEE по RFID, 2007 г.. С. 63–70. Дои:10.1109 / RFID.2007.346151. ISBN  978-1-4244-1013-2. Сложить резюме.
  6. ^ Н. А. Саидатул; А. А. Х. Азреми; Р. Б. Ахмад; П. Дж. Со; Ф. Малек (2009). "Многополосная фрактальная планарная перевернутая F-антенна (F-Pifa) для мобильного телефона". Прогресс в исследованиях в области электромагнетизма B. 14: 127–148. Дои:10.2528 / pierb09030802. Архивировано из оригинал 19 июля 2010 г.
  7. ^ Коэн, Н. (лето 1995 г.). «Фрактальные антенны. Часть 1». Связь ежеквартально: 12 врезка, «Первая фрактальная антенна». ISSN  1053-9433.
  8. ^ Джон Волакис, Чи Чен и Кёхей Фудзимото, «Маленькие антенны», гл. 3.2.5, Макгроу Хилл, 2010 г. ISBN  9780071625531
  9. ^ Майкл Фрейм и Натан Коэн, «Бенуа Мандельброт: жизнь во многих измерениях», глава 8: «Учебник по фрактальной антенне и фрактальному резонатору», глава 8.4, World Scientific Press, 2015 ISBN  9789814366069
  10. ^ Бест, С. (2003). «Сравнение резонансных свойств малых фрактальных антенн, заполняющих пространство». Антенны IEEE и письма о беспроводном распространении. 2 (1): 197–200. Bibcode:2003IAWPL ... 2..197B. Дои:10.1109 / 1-awp.2003.819680.
  11. ^ Роберт К. Хансен, Роберт Э. Коллин, Справочник по малым антеннам, гл. 5.13, John Wiley & Sons, 2011 г. ISBN  1118106857
  12. ^ Константин А. Баланис, «Современное руководство по антеннам», гл. 10.9, John Wiley & Sons, 2011 г. ISBN  978-1-118-20975-2
  13. ^ Алоис Кришке, "Антенная книга Ротхаммеля", 27.5, DARC Verlag, 2019 ISBN  9783000624278
  14. ^ а б Рамси В.Х. "Частотно-независимые антенны", IRE International Convention Record, Vol. 5, часть 1, стр.114-118, 1957 г.
  15. ^ Мусиаке Ю. (март 1949 г.). «Возникновение самодополняющей структуры и открытие ее свойства постоянного импеданса». Журнал Института инженеров-электриков Японии (на японском языке). 69 (3): 88.
  16. ^ Хольфельд Р., Коэн Н. (1999). «Самоподобие и геометрические требования для частотной независимости в антеннах». Фракталы. 7 (1): 79–84. Дои:10.1142 / S0218348X99000098.
  17. ^ 7,256,751 США, Коэн, Натан, "Фрактальные антенны и фрактальные резонаторы" 
  18. ^ Патент США 8,253,639
  19. ^ Коэн, Н. (2012). «Плащ-невидимка с широкими полосками на все тело». Фракталы. 20 (3n04): 227–232. Bibcode:2012 Фракт..20..227С. Дои:10.1142 / s0218348x1250020x.
  20. ^ Ланкастер, М .; Хун, Цзя-Шэн (2001). Микрополосковые фильтры для ВЧ / СВЧ-приложений. Нью-Йорк: Вили. С. 410–411. ISBN  978-0-471-38877-7.
  21. ^ Pourahmadazar, J .; Ghobadi, C .; Nourinia, J .; Ширзад, Х. (2010). «Многополосные кольцевые фрактальные монопольные антенны для мобильных устройств». Антенны IEEE и письма о беспроводном распространении. 9: 863–866. Bibcode:2010IAWPL ... 9..863P. Дои:10.1109 / LAWP.2010.2071372.
  22. ^ Pourahmadazar, J .; Ghobadi, C .; Нуриния, Дж. (2011). «Новые модифицированные фрактальные монопольные антенны на основе дерева Пифагора для приложений СШП». Антенны IEEE и письма о беспроводном распространении. 10: 484–487. Bibcode:2011IAWPL..10..484P. Дои:10.1109 / LAWP.2011.2154354.

внешняя ссылка