ანტენის მიმოხილვა: ფრაქტალ მეტაზედაპირებისა და ანტენის დიზაინის მიმოხილვა

ფრაქტალების კონცეფცია მათემატიკოსმა ბენუა ბ. მანდელბროტმა 1970-იან წლებში შემოიღო, თუმცა ფრაქტალების გეომეტრიის სათავე შეიძლება მრავალი მათემატიკოსის, მაგალითად, კანტორის (1870), ფონ კოხის (1904), სიერპინსკის (1915), ჯულიას (1918), ფატუს (1926) და რიჩარდსონის (1953) ადრინდელ ნაშრომებში დავინახოთ.
ბენუა ბ. მანდელბროტმა შეისწავლა ფრაქტალებსა და ბუნებას შორის ურთიერთობა ფრაქტალების ახალი ტიპების შემოღებით, რათა მოეხდინა უფრო რთული სტრუქტურების, როგორიცაა ხეები, მთები და სანაპირო ზოლები, სიმულირება. მან შემოიღო სიტყვა „ფრაქტალი“ ლათინური ზედსართავი სახელიდან „fractus“, რაც ნიშნავს „გატეხილს“ ან „დატეხილს“, ანუ შედგება გატეხილი ან არარეგულარული ნაწილებისგან, რათა აღეწერა არარეგულარული და ფრაგმენტირებული გეომეტრიული ფორმები, რომელთა კლასიფიკაცია ტრადიციული ევკლიდური გეომეტრიით შეუძლებელია. გარდა ამისა, მან შეიმუშავა მათემატიკური მოდელები და ალგორითმები ფრაქტალების გენერირებისა და შესწავლისთვის, რამაც განაპირობა ცნობილი მანდელბროტის ნაკრების შექმნა, რომელიც, ალბათ, ყველაზე ცნობილი და ვიზუალურად მომხიბვლელი ფრაქტალური ფორმაა რთული და უსასრულოდ განმეორებადი ნიმუშებით (იხ. სურათი 1დ).
მანდელბროტის ნაშრომებმა გავლენა მოახდინა არა მხოლოდ მათემატიკაზე, არამედ მისი გამოყენება შესაძლებელია სხვადასხვა სფეროში, როგორიცაა ფიზიკა, კომპიუტერული გრაფიკა, ბიოლოგია, ეკონომიკა და ხელოვნება. სინამდვილეში, რთული და თვითმსგავსი სტრუქტურების მოდელირებისა და წარმოდგენის უნარის გამო, ფრაქტალებს მრავალი ინოვაციური გამოყენება აქვთ სხვადასხვა სფეროში. მაგალითად, ისინი ფართოდ გამოიყენება შემდეგ გამოყენების სფეროებში, რომლებიც მათი ფართო გამოყენების მხოლოდ რამდენიმე მაგალითია:
1. კომპიუტერული გრაფიკა და ანიმაცია, რომელიც ქმნის რეალისტურ და ვიზუალურად მიმზიდველ ბუნებრივ ლანდშაფტებს, ხეებს, ღრუბლებსა და ტექსტურებს;
2. მონაცემთა შეკუმშვის ტექნოლოგია ციფრული ფაილების ზომის შესამცირებლად;
3. გამოსახულებისა და სიგნალის დამუშავება, გამოსახულებებიდან მახასიათებლების ამოღება, ნიმუშების აღმოჩენა და გამოსახულების შეკუმშვისა და რეკონსტრუქციის ეფექტური მეთოდების უზრუნველყოფა;
4. ბიოლოგია, რომელიც აღწერს მცენარეების ზრდას და ნეირონების ორგანიზაციას ტვინში;
5. ანტენების თეორია და მეტამასალები, კომპაქტური/მრავალზოლიანი ანტენების და ინოვაციური მეტაზედაპირების დიზაინი.
ამჟამად, ფრაქტალური გეომეტრია აგრძელებს ახალი და ინოვაციური გამოყენების პოვნას სხვადასხვა სამეცნიერო, მხატვრულ და ტექნოლოგიურ დისციპლინებში.
ელექტრომაგნიტურ (EM) ტექნოლოგიაში, ფრაქტალური ფორმები ძალიან სასარგებლოა იმ აპლიკაციებისთვის, რომლებიც საჭიროებენ მინიატურიზაციას, ანტენებიდან დაწყებული მეტამასალებითა და სიხშირის შერჩევითი ზედაპირებით (FSS) დამთავრებული. ფრაქტალური გეომეტრიის გამოყენება ჩვეულებრივ ანტენებში შეიძლება გაზარდოს მათი ელექტრული სიგრძე, რითაც შემცირდება რეზონანსული სტრუქტურის საერთო ზომა. გარდა ამისა, ფრაქტალური ფორმების თვითმსგავსი ბუნება მათ იდეალურს ხდის მრავალზოლიანი ან ფართოზოლოვანი რეზონანსული სტრუქტურების რეალიზაციისთვის. ფრაქტალების თანდაყოლილი მინიატურიზაციის შესაძლებლობები განსაკუთრებით მიმზიდველია ამრეკლავი მასივების, ფაზირებული მასივის ანტენების, მეტამასალის შთამნთქმელებისა და მეტაზედაპირების დიზაინისთვის სხვადასხვა აპლიკაციებისთვის. სინამდვილეში, ძალიან მცირე მასივის ელემენტების გამოყენებას შეუძლია რამდენიმე უპირატესობა მოიტანოს, როგორიცაა ურთიერთდაკავშირების შემცირება ან ძალიან მცირე ელემენტების დაშორებით მასივებთან მუშაობის შესაძლებლობა, რითაც უზრუნველყოფილია სკანირების კარგი შესრულება და კუთხური სტაბილურობის უფრო მაღალი დონე.
ზემოთ ხსენებული მიზეზების გამო, ფრაქტალური ანტენები და მეტაზედაპირები ელექტრომაგნიტიკის სფეროში ორ მომხიბვლელ კვლევით სფეროს წარმოადგენს, რომლებმაც ბოლო წლებში დიდი ყურადღება მიიპყრო. ორივე კონცეფცია ელექტრომაგნიტური ტალღების მანიპულირებისა და კონტროლის უნიკალურ გზებს გვთავაზობს, რაც ფართო გამოყენების შესაძლებლობებს იძლევა უკაბელო კომუნიკაციებში, რადარის სისტემებსა და სენსორებში. მათი თვითმსგავსი თვისებები მათ საშუალებას აძლევს, იყვნენ პატარა ზომის და ამავდროულად შეინარჩუნონ შესანიშნავი ელექტრომაგნიტური რეაქცია. ეს კომპაქტურობა განსაკუთრებით ხელსაყრელია სივრცეში შეზღუდულ აპლიკაციებში, როგორიცაა მობილური მოწყობილობები, RFID ტეგები და აერონავტიკის სისტემები.
ფრაქტალური ანტენებისა და მეტაზედაპირების გამოყენებას აქვს პოტენციალი, მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს უკაბელო კომუნიკაციები, ვიზუალიზაცია და რადარის სისტემები, რადგან ისინი საშუალებას იძლევა შეიქმნას კომპაქტური, მაღალი ხარისხის მოწყობილობები გაუმჯობესებული ფუნქციონალურობით. გარდა ამისა, ფრაქტალური გეომეტრია სულ უფრო ხშირად გამოიყენება მასალების დიაგნოსტიკისთვის მიკროტალღური სენსორების დიზაინში, მისი მრავალ სიხშირულ დიაპაზონში მუშაობისა და მინიატურიზაციის უნარის გამო. ამ სფეროებში მიმდინარე კვლევები აგრძელებს ახალი დიზაინის, მასალებისა და დამზადების ტექნიკის შესწავლას მათი სრული პოტენციალის რეალიზებისთვის.
ნაშრომის მიზანია ფრაქტალური ანტენებისა და მეტაზედაპირების კვლევისა და გამოყენების პროგრესის მიმოხილვა და არსებული ფრაქტალურ-ზედაპირების შედარება, მათი უპირატესობებისა და შეზღუდვების ხაზგასმით. და ბოლოს, წარმოდგენილია ინოვაციური ამრეკლავი მასივებისა და მეტამასალის ერთეულების ყოვლისმომცველი ანალიზი და განხილულია ამ ელექტრომაგნიტური სტრუქტურების გამოწვევები და სამომავლო განვითარება.