Adolygiad Antena: Adolygiad o Feta-arwynebau Ffractal a Dyluniad Antena

Cyflwynwyd y cysyniad o ffractalau gan y mathemategydd Benoit B. Mandelbrot yn y 1970au, er y gellir olrhain tarddiad geometreg ffractal yn ôl i waith cynharach llawer o fathemategwyr, fel Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915), Julia (1918), Fatou (1926), a Richardson (1953).
Astudiodd Benoit B. Mandelbrot y berthynas rhwng ffractalau a natur drwy gyflwyno mathau newydd o ffractalau i efelychu strwythurau mwy cymhleth, fel coed, mynyddoedd ac arfordiroedd. Bathodd y gair "ffractal" o'r ansoddair Lladin "fractus", sy'n golygu "wedi torri" neu "wedi'i dorri", h.y. wedi'i gyfansoddi o ddarnau toredig neu afreolaidd, i ddisgrifio siapiau geometrig afreolaidd a darniog na ellir eu dosbarthu gan geometreg Ewclidaidd draddodiadol. Yn ogystal, datblygodd fodelau mathemategol ac algorithmau ar gyfer cynhyrchu ac astudio ffractalau, a arweiniodd at greu'r set enwog Mandelbrot, sydd yn ôl pob tebyg y siâp ffractal mwyaf enwog a diddorol yn weledol gyda phatrymau cymhleth ac ailadroddus yn ddiddiwedd (gweler Ffigur 1d).
Nid yn unig y mae gwaith Mandelbrot wedi cael effaith ar fathemateg, ond mae ganddo gymwysiadau mewn amrywiol feysydd fel ffiseg, graffeg gyfrifiadurol, bioleg, economeg a chelf hefyd. Mewn gwirionedd, oherwydd eu gallu i fodelu a chynrychioli strwythurau cymhleth a hunan-debyg, mae gan ffractalau nifer o gymwysiadau arloesol mewn amrywiol feysydd. Er enghraifft, maent wedi cael eu defnyddio'n helaeth yn y meysydd cymhwysiad canlynol, sef dim ond ychydig o enghreifftiau o'u cymhwysiad eang:
1. Graffeg gyfrifiadurol ac animeiddio, gan gynhyrchu tirweddau, coed, cymylau a gweadau naturiol realistig a deniadol yn weledol;
2. Technoleg cywasgu data i leihau maint ffeiliau digidol;
3. Prosesu delweddau a signalau, echdynnu nodweddion o ddelweddau, canfod patrymau, a darparu dulliau cywasgu ac ail-greu delweddau effeithiol;
4. Bioleg, yn disgrifio twf planhigion a threfniadaeth niwronau yn yr ymennydd;
5. Damcaniaeth antena a metadeunyddiau, dylunio antenâu cryno/aml-fand a meta-arwynebau arloesol.
Ar hyn o bryd, mae geometreg ffractal yn parhau i ddod o hyd i ddefnyddiau newydd ac arloesol mewn amrywiol ddisgyblaethau gwyddonol, artistig a thechnolegol.
Mewn technoleg electromagnetig (EM), mae siapiau ffractal yn ddefnyddiol iawn ar gyfer cymwysiadau sydd angen miniatureiddio, o antenâu i fetaddeunyddiau ac arwynebau dethol amledd (FSS). Gall defnyddio geometreg ffractal mewn antenâu confensiynol gynyddu eu hyd trydanol, a thrwy hynny leihau maint cyffredinol y strwythur atseiniol. Yn ogystal, mae natur hunan-debyg siapiau ffractal yn eu gwneud yn ddelfrydol ar gyfer gwireddu strwythurau atseiniol aml-fand neu fand eang. Mae galluoedd miniatureiddio cynhenid ​​​​ffractalau yn arbennig o ddeniadol ar gyfer dylunio araeau adlewyrchol, antenâu arae cyfnodol, amsugnwyr metadeunyddiau ac arwynebau meta ar gyfer amrywiol gymwysiadau. Mewn gwirionedd, gall defnyddio elfennau arae bach iawn ddod â sawl mantais, megis lleihau cyplu cydfuddiannol neu allu gweithio gydag araeau â bylchau elfennau bach iawn, gan sicrhau perfformiad sganio da a lefelau uwch o sefydlogrwydd onglog.
Am y rhesymau a grybwyllir uchod, mae antenâu ffractal a meta-arwynebau yn cynrychioli dau faes ymchwil diddorol iawn ym maes electromagnetig sydd wedi denu llawer o sylw yn ystod y blynyddoedd diwethaf. Mae'r ddau gysyniad yn cynnig ffyrdd unigryw o drin a rheoli tonnau electromagnetig, gydag ystod eang o gymwysiadau mewn cyfathrebu diwifr, systemau radar a synhwyro. Mae eu priodweddau hunan-debyg yn caniatáu iddynt fod yn fach o ran maint wrth gynnal ymateb electromagnetig rhagorol. Mae'r crynoder hwn yn arbennig o fanteisiol mewn cymwysiadau cyfyngedig o ran gofod, megis dyfeisiau symudol, tagiau RFID, a systemau awyrofod.
Mae gan ddefnyddio antenâu ffractal a meta-arwynebau'r potensial i wella systemau cyfathrebu diwifr, delweddu a radar yn sylweddol, gan eu bod yn galluogi dyfeisiau cryno, perfformiad uchel gyda swyddogaeth well. Yn ogystal, mae geometreg ffractal yn cael ei defnyddio fwyfwy wrth ddylunio synwyryddion microdon ar gyfer diagnosteg deunyddiau, oherwydd ei gallu i weithredu mewn bandiau amledd lluosog a'i allu i gael ei fachu. Mae ymchwil barhaus yn y meysydd hyn yn parhau i archwilio dyluniadau, deunyddiau a thechnegau gweithgynhyrchu newydd i wireddu eu potensial llawn.
Nod y papur hwn yw adolygu cynnydd ymchwil a chymwysiadau antenâu a meta-arwynebau ffractal a chymharu antenâu a meta-arwynebau sy'n bodoli eisoes sy'n seiliedig ar ffractal, gan amlygu eu manteision a'u cyfyngiadau. Yn olaf, cyflwynir dadansoddiad cynhwysfawr o araeau adlewyrchol arloesol ac unedau metadeunydd, a thrafodir yr heriau a'r datblygiadau yn y dyfodol ar gyfer y strwythurau electromagnetig hyn.