Fraktal antenn
| Del av en serie om |
| Antenner |
|---|
 |
En fraktalantenn är en antenn som använder en fraktal , självliknande design för att maximera den effektiva längden, eller öka omkretsen (på insidan eller den yttre strukturen), av material som kan ta emot eller sända elektromagnetisk strålning inom en given total yta. eller volym.
Sådana fraktala antenner kallas också flernivå- och rymdfyllningskurvor , men nyckelaspekten ligger i deras upprepning av ett motiv över två eller flera skalstorlekar, eller "iterationer". Av denna anledning är fraktala antenner mycket kompakta, multiband eller bredband, och har användbara tillämpningar i mobiltelefoner och mikrovågskommunikation. En fraktalantenns svar skiljer sig markant från traditionella antennkonstruktioner, genom att den kan fungera med bra till utmärkt prestanda vid många olika frekvenser samtidigt. Normalt måste standardantenner "klippas" för den frekvens som de ska användas för — och därför fungerar standardantennerna bara bra vid den frekvensen.
Dessutom krymper antennens fraktala karaktär dess storlek, utan användning av några komponenter, såsom induktorer eller kondensatorer.
Log-periodiska antenner och fraktaler
Log-periodiska antenner är arrayer som uppfanns 1952 och vanligtvis ses som TV-antenner. Detta var långt innan Mandelbrot myntade ordet fraktal 1975. Vissa författare (till exempel Cohen) anser att log-periodiska antenner är en tidig form av fraktalantenn på grund av deras oändliga självlikhet på alla skalor. De har dock en ändlig längd även i den teoretiska gränsen med ett oändligt antal element och har därför inte en fraktal dimension som överstiger deras topologiska dimension – vilket är ett sätt att definiera fraktaler. Mer typiskt behandlar (till exempel Pandey) författare dem som en separat, men relaterad, klass av antenn.
Fraktalelementantenner och prestanda
Antennelement (i motsats till antennuppsättningar, som vanligtvis inte ingår som fraktala antenner) gjorda av självliknande former skapades först av Nathan Cohen som sedan var professor vid Boston University, med början 1988. Cohens ansträngningar med en mängd olika fraktala antenndesigner publicerades första gången 1995. Cohens publikation markerade den första vetenskapliga publikationen om fraktala antenner.
Många fraktala elementantenner använder fraktalstrukturen som en virtuell kombination av kondensatorer och induktorer . Detta gör antennen så att den har många olika resonanser som kan väljas och justeras genom att välja rätt fraktal design. Denna komplexitet uppstår eftersom strömmen på strukturen har ett komplext arrangemang som orsakas av induktansen och självkapacitansen. I allmänhet, även om deras effektiva elektriska längd är längre, är fraktalelementantennerna i sig fysiskt mindre, återigen på grund av denna reaktiva belastning.
Således krymps fraktala elementantenner jämfört med konventionella konstruktioner och behöver inte ytterligare komponenter, förutsatt att strukturen råkar ha den önskade resonansingångsimpedansen. I allmänhet fraktaldimensionen hos en fraktalantenn en dålig prediktor för dess prestanda och tillämpning. Inte alla fraktala antenner fungerar bra för en given applikation eller uppsättning applikationer. Datorsökningsmetoder och antennsimuleringar används vanligtvis för att identifiera vilka fraktala antennkonstruktioner som bäst uppfyller applikationens behov.
Studier under 2000-talet visade fördelarna med fraktalelementteknologin i verkliga tillämpningar, såsom RFID och mobiltelefoner. Fraktaler har använts kommersiellt i antenner sedan 2010-talet. Deras fördelar är bra multibandsprestanda, bred bandbredd och liten yta. Förstärkningen med liten storlek är ett resultat av konstruktiv interferens med multipla strömmaxima, som tillhandahålls av den elektriskt långa strukturen i ett litet område.
Vissa forskare har ifrågasatt att fraktala antenner har överlägsen prestanda. Steven R. Best observerade 2003 "att antenngeometri ensam, fraktal eller på annat sätt, inte entydigt bestämmer de elektromagnetiska egenskaperna hos den lilla antennen". Under 2011 granskade Robert C. Hansen och Robert E. Collin många artiklar om fraktala antenner och drog slutsatsen att de inte erbjuder några fördelar jämfört med feta dipoler, laddade dipoler eller enkla slingor, och att icke-fraktaler alltid är bättre. Balanis rapporterade om flera fraktala antenner och fann dem likvärdiga i prestanda till de elektriskt små antenner de jämfördes med. Log periodics, en form av fraktal antenn, har sina elektromagnetiska egenskaper unikt bestämda av geometri, via en öppningsvinkel.
Fraktalantenner, frekvensinvarians och Maxwells ekvationer
En annan och användbar egenskap hos vissa fraktala elementantenner är deras självskalningsaspekt. År 1957 presenterade VH Rumsey resultat att vinkeldefinierad skalning var ett av de underliggande kraven för att göra antenner invarianta (har samma strålningsegenskaper) vid ett antal, eller intervall, av frekvenser. Arbete av Y. Mushiake i Japan med start 1948 visade liknande resultat av frekvensoberoende antenner som hade självkomplementaritet.
Man trodde att antenner måste definieras av vinklar för att detta skulle vara sant, men 1999 upptäcktes att självlikhet var ett av de underliggande kraven för att göra antennernas frekvens och bandbredd oföränderliga . Med andra ord, den självliknande aspekten var det underliggande kravet, tillsammans med ursprungssymmetri, för frekvensoberoende. Vinkeldefinierade antenner är självlika, men andra självliknande antenner är frekvensoberoende men inte vinkeldefinierade.
Denna analys, baserad på Maxwells ekvationer, visade att fraktala antenner erbjuder en sluten form och unik insikt i en nyckelaspekt av elektromagnetiska fenomen. För att veta: invariansegenskapen hos Maxwells ekvationer. Detta är nu känt som Hohlfeld-Cohen-Rumsey-principen (HCR). Mushiakes tidigare arbete med självkomplementaritet visade sig vara begränsat till impedansjämnhet, som förväntat av Babinets princip, men inte frekvensinvarians.
Andra användningsområden
Förutom deras användning som antenner, har fraktaler också funnit tillämpning i andra antennsystemkomponenter inklusive belastningar, motvikter och jordplan.
Fraktalinduktorer och fraktala avstämda kretsar (fraktalresonatorer) upptäcktes också och uppfanns samtidigt med fraktala elementantenner. Ett framväxande exempel på sådana finns i metamaterial . En nyligen genomförd uppfinning visar att man använder tätt packade fraktala resonatorer för att göra den första bredbandiga metamaterial -osynlighetsmanteln vid mikrovågsfrekvenser.
Fraktalfilter (en typ av avstämd krets) är ett annat exempel där fraktalmetodens överlägsenhet för mindre storlek och bättre avstötning har bevisats.
Eftersom fraktaler kan användas som motvikter, laster, jordplan och filter, alla delar som kan integreras med antenner, anses de vara delar av vissa antennsystem och diskuteras därför i samband med fraktala antenner.
Se även
externa länkar
- Hur man gör en fraktal antenn för HDTV eller DTV
- CPW-matad H-tree fraktalantenn för WLAN, WIMAX, RFID, C-band, HiperLAN och UWB applikationer
- Video av en fraktal antennmonopol som använder fraktala metamaterial