13-11-2022  (380 lectures) Categoria: Articles

Antena fractal

Salta a la navegacióAnar a la cerca

Un exemple d'antena fractal: una corba d'ompliment de l'espai anomenada "illa de Minkowski"[1]o "fractal de Minkowski"[2]

Una antena fractal és una antena que utilitza un disseny fractal i auto-similar per maximitzar la longitud efectiva, o augmentar el perímetre (en seccions interiors o l'estructura exterior), de material que pot rebre o transmetre radiació electromagnètica dins d'una superfície total o volum determinada.

Aquestes antenes fractals tamb√© es coneixen com a¬†corbes d'ompliment multinivell i d'espai, per√≤ l'aspecte clau rau en la repetici√≥ d'un motiu en dues o m√©s mides d'escala,[3]o "iteracions". Per aquest motiu, les antenes fractals s√≥n molt compactes, multibanda o banda ampla, i tenen aplicacions √ļtils en les comunicacions de telefonia m√≤bil i microones. La resposta d'una antena fractal difereix notablement dels dissenys d'antenes tradicionals, ja que √©s capa√ß de funcionar amb un rendiment bo a excel¬∑lent a moltes freq√ľ√®ncies diferents simult√†niament. Normalment, les antenes est√†ndard s'han de "tallar" per a la freq√ľ√®ncia per a la qual s'han d'utilitzar i, per tant, les antenes est√†ndard nom√©s funcionen b√© a aquesta freq√ľ√®ncia.

A m√©s, la naturalesa fractal de l'antena redueix la seva mida, sense l'√ļs de cap component, com ara inductors o condensadors.

Contingut

Antenes log-periòdiques i fractals

Les antenes log-periòdiques són matrius inventades el 1952 i comunament vistes com a antenes de TV. Això va ser molt abans que Mandelbrot encunyés la paraula fractal el 1975. [4] Alguns autors (per exemple Cohen)[5]consideren que les antenes log-periòdiques són una forma primerenca d'antena fractal a causa de la seva infinita similitud a totes les escales. No obstant això, tenen una longitud finita fins i tot en el límit teòric amb un nombre infinit d'elements i, per tant, no tenen una dimensió fractal que superi la seva dimensió topològica, que és una manera de definir els fractals. Més típicament, (per exemple Pandey)[6]els autors els tracten com una classe d'antena separada, però relacionada.

Antenes d'elements fractals i rendiment

Una antena fractalde matriu planar(arbre H)

Els elements de les antenes (a diferència de les antenes, que normalment no s'inclouen com a antenes fractals) fets de formes auto-similars van ser creats per primera vegada per Nathan Cohen[7], llavors professor de laUniversitat de Boston, a partir del 1988. [8] Els esforços de Cohen amb diversos dissenys d'antenes fractals es van publicar per primera vegada el 1995. [1] La publicació de Cohen va marcar la publicació científica inaugural sobre antenes fractals.

Moltes antenes d'elements fractals utilitzen l'estructura fractal com a combinació virtual decondensadorsiinductors. Això fa que l'antena tingui moltes ressonàncies diferents que es poden triar i ajustar escollint el disseny fractal adequat. Aquesta complexitat sorgeix perquè el corrent sobre l'estructura té una disposició complexa causada per la inductància i l'autocapacitació. En general, tot i que la seva longitud elèctrica efectiva és més llarga, les antenes d'elements fractals són físicament més petites, de nou a causa d'aquesta càrrega reactiva.

Així, les antenes d'elements fractals es redueixen en comparació amb els dissenys convencionals i no necessiten components addicionals, suposant que l'estructura tingui la impedància d'entrada ressonant desitjada. En general, ladimensió fractald'una antena fractal és un mal predictor del seu rendiment i aplicació. No totes les antenes fractals funcionen bé per a una aplicació o conjunt d'aplicacions determinat. Els mètodes de cerca per ordinador i les simulacions d'antenes s'utilitzen habitualment per identificar quins dissenys d'antenes fractals satisfan millor les necessitats de l'aplicació.

Estudis realitzats durant la d√®cada de 2000 van mostrar avantatges de la tecnologia d'elements fractals en aplicacions de la vida real, com la RFID[9]i els tel√®fons m√≤bils.¬†[10] Els fractals s'han utilitzat comercialment en antenes des de la d√®cada de 2010.[11]Els seus avantatges s√≥n un bon rendiment multibanda, ample de banda i √†rea petita.¬†[12] El guany amb petites dimensions resulta d'interfer√®ncies constructives amb m√ļltiples m√†xims de corrent, que ofereix l'estructura el√®ctricament llarga en una √†rea petita.¬†[13]

Alguns investigadors han discutit que les antenes fractals tenen un rendiment superior. Steven R. Best el 2003 va observar "que la geometria de l'antena sola, fractal o d'una altra manera, no determina de manera √ļnica les propietats electromagn√®tiques de la petita antena".¬†[14] El 2011, Robert C. Hansen iRobert E. Collinvan revisar molts articles sobre antenes fractals i van concloure que no ofereixen cap avantatge sobre dipols de greix, dipols carregats o bucles simples, i que els nofractals sempre s√≥n millors.¬†[15] Balanis va informar en diverses antenes fractals i les va trobar equivalents en rendiment a les antenes el√®ctricament petites amb qu√® es comparaven.¬†[16] Els peri√≤dics de registre, una forma d'antena fractal, tenen les seves caracter√≠stiques electromagn√®tiques determinades √ļnicament per la geometria, a trav√©s d'un angle d'obertura.¬†[17][18]

Antenes fractals, invari√†ncia de freq√ľ√®ncia i equacions de Maxwell

Un atribut diferent i √ļtil d'algunes antenes d'elements fractals √©s el seu aspecte d'autoescalat. El 1957, V.H. Rumsey[18]va presentar resultats que l'escalat definit per angle era un dels requisits subjacents per fer que les antenes fossin invariants (tenen les mateixes propietats de radiaci√≥) en un nombre o rang de freq√ľ√®ncies. El treball de Y. Mushiake al Jap√≥ a partir de 1948[19]va demostrar resultats similars d'antenes independents de freq√ľ√®ncia ambauto-complementarietat.

Es creia que les antenes s'havien de definir per angles perqu√® aix√≤ fos cert, per√≤ el 1999 es va descobrir[20]quel'autosemblan√ßaera un dels requisits subjacents per fer que la freq√ľ√®ncia de les antenes i l'amplada de banda fossin invariants. En altres paraules, l'aspecte auto-similar era el requisit subjacent, juntament amb la simetria d'origen, per a la independ√®ncia de freq√ľ√®ncia. Les antenes definides per angle s√≥n auto-similars, per√≤ altres antenes auto-similars s√≥n independents de la freq√ľ√®ncia encara que no definides per angle.

Aquesta an√†lisi, basada en les equacions de Maxwell, va mostrar que les antenes fractals ofereixen una visi√≥ tancada i √ļnica d'un aspecte clau dels fen√≤mens electromagn√®tics. Per enginyar: la propietat d'invari√†ncia de les equacions de Maxwell. Aix√≤ ara es coneix com el Principi de Hohlfeld-Cohen-Rumsey (HCR). Es va demostrar que el treball anterior de Mushiake sobre la complementarietat d'un mateix es limitava a la suavitat de la imped√†ncia, com s'esperava del Principi de Babinet, per√≤ no a la invari√†ncia de freq√ľ√®ncia.

Altres usos

A m√©s del seu √ļs com a antenes, els fractals tamb√© han trobat aplicaci√≥ en altres components del sistema d'antenes, incloses c√†rregues,¬†contrapesos i avions terrestres.

Tamb√© es van descobrir i inventar inductors fractals i circuits sintonitzats fractals (ressonadors fractals) simult√†niament amb antenes d'elements fractals.¬†[3][21]Un exemple emergent d'aix√≤ √©s enels metamaterials. Un invent recent demostra l'√ļs de ressonadors fractals estretament empaquetats per fer el primer mantell d'invisibilitatmetamaterialde banda ampla a freq√ľ√®ncies de microones.¬†[22][23]

Els filtres fractals (un tipus de circuit sintonitzat) són un altre exemple on s'ha demostrat la superioritat de l'enfocament fractal per a una mida més petita i un millor rebuig. [24][25][26]

Com que els fractals es poden utilitzar com a contrapesos, càrregues, plans de terra i filtres, totes les parts que es poden integrar amb antenes, es consideren parts d'algunssistemesd'antenes i, per tant, es discuteixen en el context de les antenes fractals.

Vegeu també

Referències

  1. ^ Puja a:un b Cohen, Nathan (Estiu 1995). "Antenes fractals Part 1". Comunicacions trimestrals. 5: 7-22. ISSN1053-9433.
  2. ^ Ghosh, Basudeb; Sinha, Sachendra N.; i Kartikeyan, M. V. (2014). Obertures fractals en guies d'ona, pantalles conductores i cavitats: anàlisi i disseny, p.88. Volum 187 dela sèrie Springer en ciències òptiques. ISBN9783319065359.
  3. ^ Puja a:un b Nathan Cohen (2002) "Antenes fractals i ressonadors fractals"Patent dels EUA 6.452.553
  4. ^ Albers, Donald J.;¬†Alexanderson, Gerald L. (2008). "Beno√ģt Mandelbrot: En les seves pr√≤pies paraules".¬†Persones matem√†tiques: perfils i entrevistes. Wellesley, MA: AK Peters. P√†g 214.¬†ISBN978-1-56881-340-0.
  5. ^ Nathan Cohen, "Antena fractal i primer ressonador fractal", p. 218, ch.8 in, Michael Frame, Nathan Cohen (eds),Benoit Mandelbrot: A Life In Many Dimensions, World Scientific, 2015ISBN9814635537.
  6. ^ Anil Pandey,Disseny pràctic de microstrip i antenes impreses, p. 5, Casa Artech, 2019ISBN1630816701.
  7. ^ "Sistemes d'antenes fractals, Inc". www.fractenna.com. [Consulta:22 abril2018].
  8. ^ Cohen, N. (Estiu 1995). "Antenes fractals Part 1". Comunicacions Trimestrals: 12 barra lateral, 'La primera antena fractal'. ISSN1053-9433.
  9. ^ Ukkonen L, Sydanheimo L, Kivikoski M (26-28 de març de 2007). "Comparació de rendiment de rang de lectura d'antenes de lector compactes per a un lector RFID UHF de mà". IEEE International Conference on RFID, 2007. pàgines 63-70. DOI:10.1109/RFID.2007.346151. ISBN978-1-4244-1013-2.
  10. ^ N. A. Saidatul; A. A. H. Azremi; R. B. Ahmad; P. J. Soh; F. Malek (2009). "Antena F invertida fractal planar multibanda (F-Pifa) per a l'aplicació de telèfons mòbils". Avenços en la recerca electromagnètica B. 14: 127-148. DOI:10.2528/pierb09030802.
  11. ^ Henry Lau, Disseny pràctic d'antenes per a productes sense fils, p. 208, Artech House, 2019ISBN1630813265.
  12. ^ John Volakis, Ch-Chi Chen i Kyohei Fujimoto, "Antenes petites", ch. 3.2.5, McGraw Hill, 2010ISBN9780071625531
  13. ^ Michael Frame, i Nathan Cohen, "Benoit Mandelbrot: una vida en moltes dimensions", ch 8: "Fractal Antenna and Fractal Resonator Primer", ch 8.4, World Scientific Press, 2015ISBN9789814366069
  14. ^ Best, S.R. (2003). "Una comparació de les propietats ressonants de petites antenes fractals que omplen l'espai". Antenes IEEE i cartes de propagació sense fils. 2(1): 197-200. Bibcode:2003IAWPL... 2..197B. DOI:10.1109/1-awp.2003.819680. 15119380 S2CID.
  15. ^ Robert C. Hansen, Robert E. Collin,Manual d'antenes petites, cap. 5.13, John Wiley & Sons, 2011ISBN1118106857
  16. ^ Constantine A. Balanis, "Modern Antenna Handbook", cap. 10.9, John Wiley & Sons, 2011ISBN978-1-118-20975-2
  17. ^ Alois Krischke, "Llibre d'antenes de Rothammel", 27.5, DARC Verlag, 2019ISBN9783000624278
  18. ^¬†Puja a:un b Rumsey, V.H. "Antenes independents de freq√ľ√®ncia", IRE International Convention Record, Vol. 5, Part 1, pp.114-118, 1957
  19. ^ Mushiake, Y. (març de 1949). "Origen de l'estructura autocomplaent i descobriment de la seva propietat d'impedància constant". El Diari de l'Institut d'Enginyers Elèctrics del Japó (en japonès). 69(3): 88.
  20. ^ Hohlfeld R, Cohen N (1999). "L'autosemblan√ßa i els requisits geom√®trics per a la independ√®ncia de freq√ľ√®ncies en antenes".¬†Fractals.¬†7(1): 79-84.¬†DOI:10.1142/S0218348X99000098.
  21. ^ US 7256751, Cohen, Nathan, "Antenes fractals i ressonadors fractals", publicat el 14-08-2007
  22. ^ Patent dels EUA 8.253.639
  23. ^ Cohen, N. (2012). "Mantell d'invisibilitat d'alta fidelitat de banda ampla de mida corporal". Fractals. 20(3n04): 227-232. Bibcode:2012Fract.. 20..227C. DOI:10.1142/s0218348x1250020x.
  24. ^ Lancaster, M.; Hong, Jia-Sheng (2001). Filtres Microstrip per a aplicacions de RF / microones. Nova York: Wiley. 410-411. ISBN978-0-471-38877-7.
  25. ^ Pourahmadazar, J.; Ghobadi, C.; Nourinia, J.; Shirzad, H. (2010). "Antenes de monopoli fractal d'anell mutiband per a dispositius mòbils". Antenes IEEE i cartes de propagació sense fils. 9: 863-866. Bibcode:2010IAWPL... 9..863P. DOI:10.1109/LAWP.2010.2071372. 19689050 S2CID.
  26. ^ Pourahmadazar, J.; Ghobadi, C.; Nourinia, J. (2011). "Noves antenes de monopoli fractal de pitàgores modificades per a aplicacions UWB". Antenes IEEE i cartes de propagació sense fils. 10: 484-487. Bibcode:2011IAWPL.. 10..484P. DOI:10.1109/LAWP.2011.2154354. 31823278 S2CID.

Enllaços externs




versió per imprimir

Comentaris publicats

    Afegeix-hi un comentari:

    Nom a mostrar:
    E-mail:
    Genera una nova imatge
    Introdu√Įu el codi de seguretat
    Accepto les condicions d'ús següents:

    Per a participar en els comentaris l'usuari es compromet a complir i acceptar les següents normes bàsiques de conducta:

    • Respectar les opinions de la resta dels participants al fòrum, tot i no compartir-les necessàriament.
    • Abstenir-se d'insultar o utilitzar un llenguatge ofensiu, racista, violent o xenòfob, i no tenir cap conducta contrària a la legislació vigent i a l'ordre públic.
    • No enviar cap contingut amb copyright sense el permís del propietari. Si es considera oportú facilitar continguts d'internet amb copyright, cal escriure la URL completa perquè els altres usuaris puguin enllaçar-hi i descarregar-se els continguts des de la pàgina propietària.
    • Publicitat: No es permet enviar continguts promocionals i/o publicitaris.