프랙탈 안테나

Fractal antenna
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안테나
Maszt radiowy w Konstantynowie.jpg
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특성.
기술

프랙탈 안테나는 주어진 총 표면적이나 부피 내에서 전자기 방사선을 수신하거나 전송할 수 있는 물질의 유효 길이를 최대화하기 위해 프랙탈, 자체 유사 설계를 사용하는 안테나를 말한다.

이러한 프랙탈 안테나를 다층 및 공간 충만 곡선이라고도 부르지만, 중요한 측면은 두 개 이상의 크기, 즉 [1]"반복"에 걸쳐 모티브를 반복하는 데 있다. 이러한 이유로 프랙탈 안테나는 매우 컴팩트하고 멀티밴드 또는 광대역이며 휴대 전화와 마이크로파 통신에 유용한 응용 프로그램을 가지고 있다. 프랙탈 안테나의 반응은 여러 가지 다른 주파수에서 동시에 우수한 성능으로 작동할 수 있다는 점에서 전통적인 안테나 설계와 현저하게 다르다. 일반적으로 표준 안테나는 사용할 주파수에 대해 "절단"되어야 하므로 표준 안테나는 해당 주파수에서만 잘 작동한다.

또한 안테나의 프랙탈 특성은 인덕터나 캐패시터와 같은 어떤 구성품도 사용하지 않고 그 크기를 축소한다.

프랙탈 안테나의 예: "Minkowski Island"[2] 또는 "Minkowski 프랙탈"[3]이라고 불리는 공간 채우기 곡선

로그 주기 안테나 및 프랙탈

로그 주기 안테나는 1952년에 발명되어 TV 안테나로 흔히 볼 수 있는 배열이다. 이것은 만델브로트가 프랙탈이라는 단어를 1975년에 만들기 훨씬 전의 일이었다.[4] 일부 저자들(예: 코헨)[5]은 로그 주기 안테나가 모든 스케일의 무한한 자기 유사성으로 인해 프랙탈 안테나의 초기 형태라고 생각한다. 그러나 이들은 이론적 한계에서도 무한한 수의 원소를 가진 유한한 길이를 가지기 때문에 위상학적 차원을 초과하는 프랙탈 치수가 없다. 이는 프랙탈을 정의하는 한 방법이다. 더 전형적으로 (예: Pandey)[6] 저자들은 그것들을 별개의, 그러나 관련된 종류의 안테나로 취급한다.

프랙탈 요소 안테나 및 성능

평면 배열 프랙탈 안테나(H 트리)

자기 유사형상으로 만들어진 안테나 요소(보통 프랙탈 안테나로 포함되지 않는 안테나 어레이와는 대조적으로)는 1988년부터 당시 보스턴대 교수였던 네이선 코헨에[7] 의해 처음 만들어졌다. 다양한 프랙탈 안테나 디자인을 가진 코헨의 노력은 1995년에 처음 출판되었다.[2] 코헨의 출판물은 프랙탈 안테나에 관한 최초의 과학적 출판물이었다.

많은 프랙탈 요소 안테나는 프랙탈 구조를 캐패시터와 인덕터의 가상 조합으로 사용한다. 이는 안테나가 적절한 프랙탈 디자인을 선택하여 선택하고 조정할 수 있는 다양한 공진을 갖도록 한다. 이러한 복잡성은 구조물의 전류가 인덕턴스와 자체 캐패시턴스에 의해 야기되는 복잡한 배열을 가지기 때문에 발생한다. 일반적으로, 효과적인 전기적 길이가 길지만 프랙탈 요소 안테나는 물리적으로 더 작다. 다시 말해 이러한 반응 부하 때문에.

따라서 프랙탈 요소 안테나는 기존 설계에 비해 축소되며, 구조가 원하는 공명 입력 임피던스를 갖는다고 가정할 때 추가 구성요소가 필요하지 않다. 일반적으로 프랙탈 안테나의 프랙탈 치수는 성능과 용도에 대한 좋지 않은 예측 변수다. 모든 프랙탈 안테나가 특정 응용 프로그램 또는 응용 프로그램 집합에 대해 잘 작동하는 것은 아니다. 컴퓨터 검색 방법과 안테나 시뮬레이션은 일반적으로 어떤 프랙탈 안테나 설계가 응용 프로그램의 필요성을 가장 잘 충족하는지 식별하기 위해 사용된다.

2000년대 연구는 RFID와[8] 휴대폰과 같은 실제 응용 프로그램에서 프랙탈 요소 기술의 장점을 보여주었다.[9] 프랙탈은 1988년부터[10] 안테나에 사용되어 왔으며, 그 장점은[11] 우수한 멀티밴드 성능, 넓은 대역폭 및 작은 면적이며[12], 작은 크기의 이득은 작은 영역의 전기적으로 긴 구조에 의해 제공되는 다중 전류 최대치에 대한 건설적인 간섭에서 비롯된다는 것을 보여주었다.

일부 연구자들은 프랙탈 안테나의 성능이 우수하다고 주장해왔다. 스티븐 R. 2003년에 가장 잘 관찰된 것은 "그 안테나 기하학만, 프랙탈 또는 그 밖의 것이 소형 안테나의 전자기 특성을 고유하게 결정하지는 않는다."[13] 2011년 로버트 C. 한센과 로버트 E. 콜린은 프랙탈 안테나에 관한 많은 논문들을 검토했고 그것들이 지방 쌍극점, 장전된 쌍극점, 또는 단순한 루프에 비해 어떠한 이점도 제공하지 않으며, 언제나 비프랙탈이 더 낫다고 결론지었다.[14] 발라니스는 여러 프랙탈 안테나를 통해 보고한 결과, 그것들이 비교되는 전기적으로 작은 안테나와 성능이 동등하다는 것을 발견했다.[15] 프랙탈 안테나의 한 형태인 로그 주기학은 개방 각도를 통해 기하학에 의해 고유하게 결정되는 전자파 특성을 갖는다.[16][17]

프랙탈 안테나, 주파수 불변도 및 맥스웰 방정식

일부 프랙탈 요소 안테나의 서로 다르고 유용한 속성 중 하나는 자기 스케일링 측면이다. 1957년 V.H. 럼지는[17] 안테나를 주파수 수 또는 범위에서 불변(동일한 방사선 특성을 가지도록) 만들기 위한 기본 요건 중 하나라는 결과를 제시했다. Y로 일한다. 1948년부터[18] 시작된 일본의 무사이케는 주파수 독립 안테나의 자체 완성도에서도 비슷한 결과를 보였다.

안테나를 각도로 정의해야 이것이 사실이라고 믿었지만, 1999년에는 안테나의 주파수와 대역폭을 불변으로 만들기 위해 자체 유사성이 기본 요건 중 하나라는 것이 밝혀졌다[19]. 즉, 주파수 독립성을 위해 원점 대칭과 함께 자기 유사성이 기본 요건이었다. 앵글 정의 안테나는 자체 유사하지만 다른 자체 유사 안테나는 앵글 정의는 아니지만 주파수 독립형이다.

맥스웰의 방정식에 근거한 이 분석은 프랙탈 안테나가 전자기 현상의 주요 측면에 대한 폐쇄 형태와 독특한 통찰력을 제공한다는 것을 보여주었다. To witt: 맥스웰 방정식의 불변성 특성. 이것은 현재 Hhlfeld-Cohen-Rumsey (HCR) 원리로 알려져 있다. 뮤시아케의 자기보완성에 관한 초기 연구는 바비넷의 원리에서 예상한 바와 같이 임피던스 매끄러움에만 한정되어 있는 것으로 나타났지만 주파수 침입은 아니었다.

기타 용도

프랙탈은 안테나로서 사용하는 것 외에도 부하, 대위, 지면 등을 포함한 다른 안테나 시스템 구성 요소에서도 응용이 발견되었다.

프랙탈 인덕터와 프랙탈 튜닝 회로(프랙탈 공명기)도 프랙탈 요소 안테나와 동시에 발견되어 발명되었다.[1][20] 그러한 것의 새로운 예는 메타물질에 있다. 최근 한 발명품은 마이크로파 주파수에서 최초의 광대역 메타물질 투명 망토를 만들기 위해 촘촘하게 포장된 프랙탈 공명기를 사용하는 것을 보여준다.[21][22]

프랙탈 필터( 튜닝된 회로의 일종)는 더 작은 크기와 더 나은 거절에 대한 프랙탈 접근방식의 우수성이 입증된 또 다른 예다.[23][24][25]

프랙탈은 안테나와 통합할 수 있는 모든 부품인 카운터피스, 부하, 지면, 필터 등으로 사용할 수 있어 일부 안테나 시스템의 일부로 간주돼 프랙탈 안테나의 맥락에서 논의된다.

참고 항목

참조

  1. ^ a b 네이선 코언(2002) "파쇄 안테나 및 프랙탈 공명기" 미국 특허 6,452,553
  2. ^ a b Cohen, Nathan (Summer 1995). "Fractal antennas Part 1". Communications Quarterly. 5: 7–22. ISSN 1053-9433.
  3. ^ Ghosh, Basudeb; Sachendra N.; Kartikeyan, M. V. (2014) 도파관, 전도 스크린 및 캐비티의 프랙탈 구멍: 분석 및 설계, 페이지 88. 광학계 스프링거 시리즈 제187권 ISBN 9783319065359.
  4. ^ Albers, Donald J.; Alexanderson, Gerald L. (2008). "Benoît Mandelbrot: In his own words". Mathematical people : profiles and interviews. Wellesley, MA: AK Peters. p. 214. ISBN 978-1-56881-340-0.
  5. ^ Nathan Cohen, "프랙탈 안테나 및 프랙탈 공명기 프라이머", 페이지 218, ch.8인치, Michael Frame, Nathan Cohen (eds), Benoit Mandelbrot: 2015 ISBN 9814635537, 세계 과학의 다차원적 삶
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