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 đưa ra 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, 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" từ tính từ Latin "fractus", có nghĩa là "bị gãy" hoặc "bị gãy", tức là bao gồm các mảnh bị vỡ hoặc không đều, để mô tả các hình dạng hình học không đều và rời rạc mà hình học Euclide truyền thống không thể phân loại được. Ngoài ra, ông còn phát triển các mô hình và thuật toán toán học để tạo và nghiên cứu fractal, dẫn đến việc tạo ra bộ Mandelbrot nổi tiếng, có lẽ là hình fractal nổi tiếng và hấp dẫn nhất về mặt hình ảnh với các mẫu lặp lại phức tạp và vô tận (xem Hình 1d).
Công trình của Mandelbrot không chỉ có tác động đến toán học mà còn có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như vật lý, đồ họa máy tính, sinh học, kinh tế và nghệ thuật. Trên thực tế, do khả năng mô hình hóa và biểu diễn các cấu trúc phức tạp và giống nhau, fractal có nhiều ứng dụng sáng tạo trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ví dụ: chúng đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực ứng dụng sau, đây chỉ là một vài ví dụ về ứng dụng rộng rãi của chúng:
1. Đồ họa và hoạt hình máy tính, tạo ra cảnh quan thiên nhiên, cây cối, đám mây và kết cấu chân thực và hấp dẫn về mặt thị giác;
2. Công nghệ nén dữ liệu để giảm kích thước tệp kỹ thuật 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 các 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), 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 tương tự 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, chất hấp thụ siêu vật liệu và siêu bề mặt cho các 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 sự ghép nối 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 đã thu hút rất nhiều sự chú ý trong những năm gần đây. Cả hai khái niệm đều đưa ra những cách độc đáo để điều khiển và kiểm soát sóng điện từ, với nhiều ứng dụng trong truyền thông không dây, hệ thống radar và cảm biến. Đặc tính tự tương tự của chúng cho phép chúng có kích thước nhỏ trong khi vẫn duy trì phản ứng điện từ tuyệt vời. Sự nhỏ gọn này đặc biệt có lợi trong các ứng dụng có không gian hạn chế, 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 khả năng cải thiện đáng kể hệ thống liên lạc, hình ảnh và radar không dây vì chúng cho phép các thiết bị nhỏ gọn, hiệu suất cao với chức năng nâng cao. Ngoài ra, hình học fractal ngày càng được sử dụng nhiều trong thiết kế cảm biến vi sóng để chẩn đoán vật liệu, do khả năng hoạt động ở nhiều dải tần và khả năng thu nhỏ của nó. Nghiên cứu đang diễn ra trong các lĩnh vực này tiếp tục khám phá các thiết kế, vật liệu và kỹ thuật chế tạo mới để phát huy hết tiềm năng của chúng.
Bài viết này nhằm mục đích xem xét tiến trình nghiên cứu và ứng dụng của ăng-ten và siêu bề mặt fractal, đồng thời so sánh các ăng-ten và siêu bề mặt dựa trên fractal hiện có, nêu bật những ưu điểm và hạn chế của chúng. Cuối cùng, một phân tích toàn diện về các mảng phản xạ cải tiến và các đơn vị siêu vật liệu được trình bày, đồng thời thảo luận về những thách thức và sự phát triển trong tương lai của các cấu trúc điện từ này.