| Часть серии по |
| Антенны |
|---|
 |
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 [1] 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 тем, что она способна работать с хорошими или отличными характеристиками на многих разных частотах одновременно. Обычно стандартные антенны должны быть "обрезаны" 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.
Логопериодические антенны и фракталы [ править ]
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 и характеристики фрактальных элементов [ править ]
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 профессором Бостонского университета , начиная с 1988 года. конструкции фрактальных антенн были впервые опубликованы в 1995 году. [2] Публикация Коэна ознаменовала 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 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 [5] и сотовые телефоны. [6] Фракталы использовались в антеннах с 1988 года [7], и их преимущества [8] заключаются в хороших многополосных характеристиках, широкой полосе пропускания и небольшой площади [9], и эта ссылка показала, что усиление при небольшом размере является результатом конструктивных помех с множеством максимумы тока, обеспечиваемые 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 рассмотрели множество работ 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. [11] Баланис сообщил о нескольких фрактальных антеннах и обнаружил, что они эквивалентны 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 [ править ]
Другой и полезный атрибут некоторых антенн фрактальных элементов - их масштабируемость. В 1957 г. В. Х. Рамси [14] 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 г. [15], продемонстрировала аналогичные результаты для частотно-независимых антенн, обладающих самодополнением.
Считалось, что антенны должны быть определены по углам, чтобы это было правдой, но в 1999 году было обнаружено [16], что самоподобие было 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. Сейчас 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 [ править ]
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. [1] [17] Возникающий пример такого рода - метаматериалы . Недавнее изобретение демонстрирует использование плотноупакованных фрактальных резонаторов для создания первой широкополосной метаматериальной маскировки невидимости 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 антенных систем и поэтому обсуждаются в контексте фрактальных антенн.
См. Также [ править ]
- Волновод (электромагнетизм)
Ссылки [ править ]
- ^ a b Натан Коэн (2002) «Фрактальные антенны и фрактальные резонаторы» Патент США 6,452,553
- ^ a b Коэн, Натан (лето 1995 г.). «Фрактальные антенны. Часть 1» . Коммуникации ежеквартально . 5 : 7–22. ISSN 1053-9433 .
- ^ 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 серии Springer по оптическим наукам . ISBN 9783319065359 .
- ^ "Fractal Antenna Systems, Inc" . www.fractenna.com . Проверено 22 апреля 2018 года .
- ^ Ukkonen L, L Sydanheimo, Kivikoski M (26-28 марта 2007). «Сравнение характеристик диапазона считывания антенн компактного считывающего устройства для портативного считывающего устройства UHF RFID». Международная конференция IEEE по RFID, 2007 . С. 63–70. DOI : 10,1109 / RFID.2007.346151 . ISBN 978-1-4244-1013-2. Выложите резюме .
- ^ NA Saidatul; AAH Azremi; РБ Ахмад; PJ Soh; Ф. Малек (2009). «Многополосная фрактальная планарная перевернутая F-антенна (F-Pifa) для мобильного телефона» . Прогресс в Электромагнетизме Research B . 14 : 127–148. DOI : 10,2528 / pierb09030802 . Архивировано из оригинала 19 июля 2010 года.
- ^ Коэн, Н. (лето 1995 г.). «Фрактальные антенны. Часть 1». Communications Quarterly : 12 врезка, «Первая фрактальная антенна». ISSN 1053-9433 .
- ^ Джон Volakis, Ch-Чи Чен и Kyohei Фудзимото, "Малые антенны", гл. 3.2.5, McGraw Hill, 2010 ISBN 9780071625531
- ^ Майкл Фрейм и Натан Коэн, «Бенуа Мандельброт: жизнь во многих измерениях», глава 8: «Фрактальная антенна и фрактальный резонатор для начинающих», глава 8.4, World Scientific Press, 2015 ISBN 9789814366069
- ↑ Best, SR (2003). «Сравнение резонансных свойств малых фрактальных антенн, заполняющих пространство». Антенны IEEE и письма о беспроводном распространении . 2 (1): 197–200. Bibcode : 2003IAWPL ... 2..197B . DOI : 10.1109 / 1-awp.2003.819680 .
- ↑ Роберт К. Хансен, Роберт Э. Коллин, Справочник по малым антеннам , гл. 5.13, John Wiley & Sons, 2011 ISBN 1118106857
- ^ Константин A Баланис, «Современные антенны Handbook», гл. 10.9, John Wiley & Sons, 2011 ISBN 978-1-118-20975-2
- ^ Алоис Кришке, "Антенна Книга Ротхаммеля", 27.5, DARC Verlag, 2019 ISBN 9783000624278
- ^ a b Рамси, В. Х. "Частотно-независимые антенны", IRE International Convention Record, Vol. 5, часть 1, с.114-118, 1957 г.
- ^ Mushiake, Y. (март 1949). «Возникновение самодополнительной структуры и открытие ее свойства постоянного импеданса» . Журнал Института инженеров-электриков Японии (на японском языке). 69 (3): 88.
- ^ Hohlfeld R, Cohen N (1999). «Самоподобие и геометрические требования для частотной независимости в антеннах». Фракталы . 7 (1): 79–84. DOI : 10.1142 / S0218348X99000098 .
- ^ США 7256751 , Коэн, Натан, «Фрактальные антенны и фрактальные резонаторы»
- ^ Патент США 8,253,639
- ^ Коэн, Н. (2012). «Плащ-невидимка с широкими полосками на все тело». Фракталы . 20 (3n04): 227–232. Bibcode : 2012Fract..20..227C . DOI : 10,1142 / s0218348x1250020x .
- ^ Ланкастер, М .; Хун, Цзя-Шэн (2001). Микрополосковые фильтры для ВЧ / СВЧ-приложений . Нью-Йорк: Вили. С. 410–411. ISBN 978-0-471-38877-7.
- ^ 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 . DOI : 10,1109 / LAWP.2010.2071372 .
- ^ Pourahmadazar, J .; Ghobadi, C .; Нуриния, Дж. (2011). «Новые модифицированные фрактальные монопольные антенны на основе дерева Пифагора для СШП приложений». Антенны IEEE и письма о беспроводном распространении . 10 : 484–487. Bibcode : 2011IAWPL..10..484P . DOI : 10,1109 / LAWP.2011.2154354 .
Внешние ссылки [ править ]
- Как сделать фрактальную антенну для HDTV или DTV
- Фрактальная антенна H-tree с питанием от CPW для приложений WLAN, WIMAX, RFID, C-диапазона, HiperLAN и UWB
- Видео фрактального антенного монополя с использованием фрактальных метаматериалов
