Đánh giá ăng-ten: Đánh giá về siêu bề mặt Fractal và thiết kế ăng-ten

Khái niệm fractal được nhà toán học Benoit B. Mandelbrot giới thiệu vào những năm 1970, mặc dù nguồn gốc của hình học fractal có thể bắt nguồn từ công trình trước đó của nhiều nhà toán học, chẳng hạn như Cantor (1870), von Koch (1904), Sierpinski (1915), Julia (1918), Fatou (1926) và Richardson (1953).
Benoit B. Mandelbrot đã nghiên cứu mối quan hệ giữa fractal và thiên nhiên bằng cách giới thiệu các loại fractal mới để mô phỏng các cấu trúc phức tạp hơn, chẳng hạn như cây cối, núi non và bờ biển. Ông đặt ra từ "fractal" (phân dạng) từ tính từ tiếng Latin "fractus", có nghĩa là "gãy vỡ" hoặc "bị nứt", tức là được tạo thành từ những mảnh vỡ hoặc không đều đặn, để mô tả các hình dạng hình học không đều đặn và phân mảnh mà hình học Euclid truyền thống không thể phân loại. Ngoài ra, ông còn phát triển các mô hình toán học và thuật toán để tạo ra và nghiên cứu fractal, dẫn đến việc tạo ra tập hợp Mandelbrot nổi tiếng, có lẽ là hình dạng fractal nổi tiếng và hấp dẫn nhất về mặt thị giác với các mẫu phức tạp và lặp lại vô hạn (xem Hình 1d).
Công trình của Mandelbrot không chỉ có tác động đến toán học mà còn có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như vật lý, đồ họa máy tính, sinh học, kinh tế và nghệ thuật. Trên thực tế, nhờ khả năng mô hình hóa và biểu diễn các cấu trúc phức tạp và tự đồng dạng, fractal có vô số ứng dụng sáng tạo trong nhiều lĩnh vực. Ví dụ, chúng đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực ứng dụng sau đây, đây chỉ là một vài ví dụ về ứng dụng rộng rãi của chúng:
1. Đồ họa máy tính và hoạt hình, tạo ra cảnh quan thiên nhiên, cây cối, mây và kết cấu chân thực và hấp dẫn về mặt thị giác;
2. Công nghệ nén dữ liệu để giảm kích thước tệp tin số;
3. Xử lý hình ảnh và tín hiệu, trích xuất các đặc điểm từ hình ảnh, phát hiện các mẫu và cung cấp các phương pháp nén và tái tạo hình ảnh hiệu quả;
4. Sinh học, mô tả sự phát triển của thực vật và tổ chức tế bào thần kinh trong não;
5. Lý thuyết ăng-ten và siêu vật liệu, thiết kế ăng-ten nhỏ gọn/đa băng tần và siêu bề mặt cải tiến.
Hiện nay, hình học fractal tiếp tục tìm thấy những ứng dụng mới và sáng tạo trong nhiều lĩnh vực khoa học, nghệ thuật và công nghệ.
Trong công nghệ điện từ (EM), các hình dạng fractal rất hữu ích cho các ứng dụng yêu cầu thu nhỏ, từ ăng-ten đến siêu vật liệu và bề mặt chọn lọc tần số (FSS). Sử dụng hình học fractal trong ăng-ten thông thường có thể làm tăng chiều dài điện của chúng, do đó làm giảm kích thước tổng thể của cấu trúc cộng hưởng. Ngoài ra, bản chất tự đồng dạng của các hình dạng fractal khiến chúng trở nên lý tưởng để hiện thực hóa các cấu trúc cộng hưởng đa băng tần hoặc băng thông rộng. Khả năng thu nhỏ vốn có của fractal đặc biệt hấp dẫn để thiết kế các mảng phản xạ, ăng-ten mảng pha, bộ hấp thụ siêu vật liệu và bề mặt meta cho nhiều ứng dụng khác nhau. Trên thực tế, việc sử dụng các phần tử mảng rất nhỏ có thể mang lại một số lợi thế, chẳng hạn như giảm liên kết lẫn nhau hoặc có thể làm việc với các mảng có khoảng cách phần tử rất nhỏ, do đó đảm bảo hiệu suất quét tốt và mức độ ổn định góc cao hơn.
Vì những lý do nêu trên, ăng-ten fractal và siêu bề mặt đại diện cho hai lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn trong lĩnh vực điện từ học, thu hút rất nhiều sự chú ý trong những năm gần đây. Cả hai khái niệm này đều cung cấp những phương pháp độc đáo để điều khiển và kiểm soát sóng điện từ, với phạm vi ứng dụng rộng rãi trong truyền thông không dây, hệ thống radar và cảm biến. Các đặc tính tự đồng dạng của chúng cho phép chúng có kích thước nhỏ gọn mà vẫn duy trì phản ứng điện từ tuyệt vời. Tính nhỏ gọn này đặc biệt có lợi trong các ứng dụng bị giới hạn về không gian, chẳng hạn như thiết bị di động, thẻ RFID và hệ thống hàng không vũ trụ.
Việc sử dụng ăng-ten fractal và siêu bề mặt có tiềm năng cải thiện đáng kể hệ thống truyền thông không dây, hình ảnh và radar, vì chúng cho phép tạo ra các thiết bị nhỏ gọn, hiệu suất cao với chức năng nâng cao. Ngoài ra, hình học fractal ngày càng được sử dụng rộng rãi trong thiết kế cảm biến vi sóng để chẩn đoán vật liệu, nhờ khả năng hoạt động trên nhiều dải tần số và khả năng thu nhỏ. Các nghiên cứu đang được tiến hành trong lĩnh vực này tiếp tục khám phá các thiết kế, vật liệu và kỹ thuật chế tạo mới để khai thác tối đa tiềm năng của chúng.
Bài báo này nhằm mục đích tổng quan tiến trình nghiên cứu và ứng dụng ăng-ten fractal và siêu bề mặt, đồng thời so sánh các ăng-ten và siêu bề mặt dựa trên fractal hiện có, đồng thời nêu bật những ưu điểm và hạn chế của chúng. Cuối cùng, bài báo trình bày một phân tích toàn diện về các mảng phản xạ và đơn vị siêu vật liệu tiên tiến, đồng thời thảo luận về những thách thức và sự phát triển trong tương lai của các cấu trúc điện từ này.