Кіріспе
Фракталды антенна – берілген жалпы бет ауданы немесе көлем ішінде электромагниттік сәулеленуді қабылдайтын немесе жеткізе алатын материалдың тиімді ұзындығын немесе периметрін (ішкі бөліктерде немесе сыртқы құрылымда) арттыру үшін фракталды, өзіне ұқсас дизайнды қолданатын антенна. Мұндай фракталды антенналар көп деңгейлі және кеңістікті толтыру қисықтары деп те аталады, бірақ маңызды жайт – олардың екі немесе одан да көп масштабтағы немесе "итерациялар" өлшемінде бір мотивті қайталауында. Осы себепті фракталды антенналар өте ықшам, көпжолақты немесе кеңжолақты болып табылады және ұялы телефондар мен микротолқынды байланыста пайдалы қолданысқа ие. Фракталды антеннаның реакциясы дәстүрлі антенналық конструкциялардан айқын түрде ерекшеленеді, себебі ол бір уақытта көптеген әртүрлі жиіліктерде жақсы немесе өте жақсы өнімділікпен жұмыс істей алады. Әдетте, стандартты антенналар қолданылатын жиілікке сәйкес "қырқылады", сондықтан стандартты антенналар тек сол жиілікте жақсы жұмыс істейді. Сонымен қатар, антеннаның фракталды сипаты оның өлшемдерін индукторлар немесе конденсаторлар сияқты қосымша компоненттерді қолданбай кішірейтеді.
A fractal antenna is an antenna that uses a fractal, self similar design to maximize the effective length, or increase the perimeter (on inside sections or the outer structure), of material that can receive or transmit electromagnetic radiation within a given total surface area or volume. Such fractal antennas are also referred to as multilevel and space filling curves, but the key aspect lies in their repetition of a motif over two or more scale sizes, or "iterations". For this reason, fractal antennas are very compact, multiband or wideband, and have useful applications in cellular telephone and microwave communications. A fractal antenna's response differs markedly from traditional antenna designs, in that it is capable of operating with good to excellent performance at many different frequencies simultaneously. Normally, standard antennas have to be "cut" for the frequency for which they are to be used—and thus the standard antennas only work well at that frequency. In addition, the fractal nature of the antenna shrinks its size, without the use of any components, such as inductors or capacitors.
Лог-периодикалық антенналар және фракталдар
Логикалық периодты антенналар – 1952 жылы ойлап табылған және көбінесе теледидар антенналары ретінде кездесетін антенналар жиынтығы. Бұл Мандельброт 1975 жылы «фрактал» терминін енгізер алдында болған. Кейбір авторлар (мысалы, Коэн) лог-периодты антенналарды фракталды антеннаның алғашқы түрі деп есептейді, себебі олардың барлық масштабтарда шексіз өздігінен ұқсастығы бар. Дегенмен, олар тіпті теориялық жағдайда, шексіз элементтері болғанның өзінде, шекті ұзындыққа ие, сондықтан олардың фракталдық өлшемі топологиялық өлшемінен аспайды – бұл фракталдарды анықтаудың бір тәсілі. Көбінесе (мысалы, Пандей) авторлар оларды жеке, бірақ байланысты антенналар класы ретінде қарастырады.
Фракталды элементтер антенналары және олардың жұмыс істеу ерекшеліктері
Антенна элементтері (фракталды антенналар ретінде көбінесе қарастырылмайтын антенна массивтерінен өзгеше) өз-өзіне ұқсас пішіндерден жасалған, алғаш рет 1988 жылдан бастап Бостон университетінің профессоры Натан Коэн жасады. Коэннің фракталды антенналардың түрлі дизайндарымен жұмысы 1995 жылы жарияланды. Фракталдар 2010 жылдан бері антенналарда коммерциялық түрде қолданылуда. Олардың артықшылықтары – жақсы көп диапазонды жұмыс, кең жолақтылық және кішкентай ауданды қамту. Кішкентай өлшемде жоғары пайда шағын аумақтағы бірнеше токтың максималды мәндерімен конструктивті кедерлесу нәтижесінде пайда болады. Кейбір зерттеушілер фракталды антенналардың артық өнімділігі бар екеніне күмәнді. S. R. Best (2003) «антенна геометриясы, фракталды болсын немесе басқаша, кішкентай антеннаның электромагниттік қасиеттерін бірегей түрде анықтай алмайды» деп атап өтті. Хансен мен Коллин (2011) фракталды антенналар туралы көптеген мақалаларды қарастырып, олардың майлы дипольдерге, жүктемелі дипольдерге немесе қарапайым контурларға қарағанда ешқандай артықшылығы жоқ екенін, ал фрактал емес антенналар әрқашан жақсырақ екенін тұжырымдады. Balanis (2011) бірнеше фракталды антенналар туралы хабарлап, олардың өнімділігімен салыстырылған электрлік түрде кішкентай антенналармен тең екенін анықтады. Лог-периодтық антенналар, фракталды антеннаның бір түрі, олардың электромагниттік сипаттамалары геометрия арқылы, ашылу бұрышы арқылы бірегей түрде анықталады.
and cell phones. Fractals have been used commercially in antennas since the 2010s. Their advantages are good multiband performance, wide bandwidth, and small area. The gain with small size results from constructive interference with multiple current maxima, afforded by the electrically long structure in a small area. Some researchers have disputed that fractal antennas have superior performance. S. R. Best (2003) observed "that antenna geometry alone, fractal or otherwise, does not uniquely determine the electromagnetic properties of the small antenna". Hansen & Collin (2011) reviewed many papers on fractal antennas and concluded that they offer no advantage over fat dipoles, loaded dipoles, or simple loops, and that non fractals are always better. Balanis (2011) reported on several fractal antennas and found them equivalent in performance to the electrically small antennas they were compared to. Log periodics, a form of fractal antenna, have their electromagnetic characteristics uniquely determined by geometry, via an opening angle.
Фракталды антенналар, жиілік инварианттылығы және Максвелл теңдеулері
Кейбір фракталды элементтер антенналарының бір ерекшелігі және пайдалы қасиеттері – олардың өзін-өзі масштабтау мүмкіндігі болып табылады. 1957 жылы В. Х. Рамси жиілікке тәуелсіз антенналардың өзін-өзі толықтыру қасиетіне ұқсас нәтижелер көрсетті. Бұл үшін антенналардың бұрыштармен анықталуы керек деп есептелген, бірақ 1999 жылы антенналардың жиілік және жолақ бойынша өзгермейтін болуы үшін өзіне ұқсастық – негізгі талаптардың бірі екендігі анықталды. Яғни, жиілікке тәуелсіздіктің негізгі шарты – өзіне ұқсас болу қасиеті, сонымен қатар бастапқы симметрия да қажет. Бұрыштармен анықталатын антенналар өзіне ұқсас, бірақ басқа өзіне ұқсас антенналар бұрыштармен анықталмаса да жиілікке тәуелсіз болады. Максвелл теңдеулеріне негізделген бұл талдау фракталды антенналардың электромагниттік құбылыстардың маңызды аспектісіне жабық түрде және бірегей көзқарас ұсынатынын көрсетті. Атап айтқанда: Максвелл теңдеулерінің инварианттылық қасиеті. Бұл қазір Хольфельд-Коэн-Рамси (HCR) принципі деп белгілі. Мушиаке жасаған өзін-өзі толықтыру туралы бұрынғы жұмыстар Бабинет принципінен күтілгендей, импеданстың тегістігімен ғана шектелетінін көрсетті, бірақ жиілік инварианттығымен емес.
Басқа қолданыстар
Антенна ретінде қолданылудан басқа, фракталдар басқа антенна жүйелерінің компоненттерінде де қолданыс тапты, оның ішінде жүктемелерде, қарсы салмақтарда және жер жазықтықтарында. Фракталды индукторлар мен фракталды резонаторлық тізбектер (фракталды резонаторлар) фракталды элементтік антенналармен бірдей уақытта ашылып, ойлап табылды. Мұның жаңадан пайда болып келе жатқан мысалы – метаматериалдар. Соңғы жаңалықтар микротолқынды жиіліктерде алғашқы кең жолақты метаматериалдық жасыру плащын жасау үшін тығыз орналасқан фракталды резонаторларды қолдануды көрсетті. Фракталды сүзгілер (резонаторлық тізбектің бір түрі) – фракталды тәсілдің кішірек өлшем мен жақсырақ сүзгілеу мүмкіндігінің артықшылығы дәлелденген тағы бір мысал. Фракталдар қарсы салмақтар, жүктемелер, жер жазықтықтары және сүзгілер ретінде қолданыла алады, бұл антенналармен біріктірілетін барлық бөліктер, сондықтан олар кейбір антенна жүйелерінің құрамына кіреді және фракталды антенналар контекстінде талқыланады.