Jak funguje vícelo-bandová fraktální anténa?

V oblasti návrhu vícelo-bandových antén je kladeno velké důraz na dosažení schopnosti nezávislého nastavení frekvenčních pásem, což je však velmi náročný úkol. Při úpravě některých parametrů pro nastavení pásma na konkrétní frekvenci může dojít k ovlivnění frekvencí všech ostatních pásem, což často vede k nutnosti znovu navrhovat celou anténu. Fraktál je geometrický útvar, který je podobný sám sobě na všech měřítkách. To znamená, že když přiblížíme fraktální objekt, bude vypadat podobně nebo dokonce stejně jako původní tvar. Tento jev je označován jako sebereplikace.

Prvním krokem je návrh hlavního radiátoru, který je optimalizován tak, aby generoval jedno pásmo a minimalizoval koeficient odrazu v rámci tohoto pásma. Tento radiátor vykazuje rezonanci při 9,55 GHz, i když maximální rezonance by měla být teoreticky na 10 GHz, což může být způsobeno určitým rezonančním efektem. Výsledky simulace ukazují na hodnotu S11 = -11,45 dB při frekvenci 9,55 GHz.

Ve třetím kroku začíná návrh fraktální geometrie pomocí iterativního procesu. Čtyři sub-patche, které mají stejný tvar, ale menší rozměry, jsou přidány k hlavnímu radiátoru. Tento krok posune rezonanci na frekvenci 19,05 GHz na 17,91 GHz a vygeneruje nové pásmo při frekvenci 7,84 GHz. Výsledkem jsou tři rezonance na frekvencích 7,84 GHz, 15,25 GHz a 17,91 GHz, s hodnotami S11 = -28,03 dB, -12,52 dB a -21,61 dB.

Pátý krok pokračuje v iterativním procesu přidáním třiceti šesti sub-patchí s menšími rozměry. Tento krok posune rezonance z předchozího kroku a generuje nové rezonance, což vede k vytvoření pěti pásem na frekvencích 6,89 GHz, 8,13 GHz, 10,03 GHz, 16,11 GHz a 17,82 GHz. Hodnoty S11 pro tyto rezonance jsou -19,69 dB, -24,95 dB, -25,11 dB, -17,29 dB a -19,35 dB.

V tomto procesu návrhu se ukazuje, že každé přidání nových sub-patchí nebo změna rozměrů antény vede k posunu rezonancí, což umožňuje dosažení optimálního multibandového výkonu. Tento přístup ukazuje, jak fraktální geometrie může být efektivně využita k vytvoření antén s širokým spektrem rezonančních frekvencí, což je klíčové pro moderní komunikační technologie.

Pokud chcete dosáhnout maximálního efektu s fraktálními anténami, měli byste brát v úvahu nejen samotné parametry jako jsou návrh sub-patchí a jejich velikosti, ale i důležitost ovládání šířky paprsku, distribuce povrchového proudu a dalších elektromagnetických vlastností, které hrají roli ve výkonu antény. Proces ladění antény a její přizpůsobení konkrétním požadavkům je stejně důležitý, jakým způsobem jsou navrženy její geometrické struktury.

Jaký je význam elektromagnetických metamateriálů a jejich aplikace?

Elektromagnetické metamateriály představují fascinující novou oblast fyziky a elektrotechniky, která se stále více prosazuje v aplikacích souvisejících s optikou a fotonikou. Tyto materiály se vyznačují unikátními vlastnostmi, které jsou výsledkem jejich strukturálního uspořádání, jež je menší než vlnová délka elektromagnetických vln, s nimiž interagují. To znamená, že metamateriály mohou ovlivňovat chování elektromagnetických vln způsobem, který není možný s běžnými materiály.

V jednom z nejzajímavějších aspektů metamateriálů je schopnost vytvořit struktury s negativním indexem lomu. Tento jev není běžně pozorován v přírodních materiálech, kde je index lomu pozitivní. Teoretická schopnost "překroutit" světlo nebo jiné elektromagnetické vlny v opačném směru je fascinující a byla poprvé teoreticky ověřena fyzikem Viktorem Veselagom. Tato schopnost byla postupně experimentálně ověřena a dnes je součástí mnoha aplikací.

Jedním z hlavních typů elektromagnetických metamateriálů jsou metamateriály s negativním indexem, známé také jako "levostranné" materiály (LHM). Tyto materiály vykazují zvláštní vlastnosti, které se liší od běžných materiálů, včetně inverzního chování, které může být využito v technologických aplikacích, jako jsou optické modulační systémy nebo nové typy filtrů. Metamateriály s negativním indexem jsou známé také jako dvojně negativní metamateriály (DNG), protože mají negativní hodnoty jak permittivity (ε), tak permeability (µ).

Vedle těchto "dvojně negativních" metamateriálů existují i jiné třídy, jako jsou metamateriály s jediným negativním parametrem (SNG). Tyto materiály nejsou vždy schopny vykazovat negativní hodnoty jak pro permittivitu, tak pro permeabilitu, ale jejich kombinace může vést k podobným jevům, jako jsou zrcadlové odrazy nebo jiné zajímavé optické efekty. V posledních letech byly provedeny experimenty, které ukázaly, že spojení dvou vrstev SNG materiálů může vést k vytvoření nových forem metamateriálů, které vykazují dvojnásobné negativní vlastnosti.

Další zajímavou kategorií jsou metamateriály s elektromagnetickými pásmovými mezerami (EMBG), které regulují šíření světelných vln. Tento efekt je možný díky takzvaným fotonickým krystalům (PC) nebo levostranným materiálům (LHM). Tyto struktury mají schopnost řídit přenos elektromagnetických vln na základě jejich periodického uspořádání, což umožňuje vývoj nových optických filtrů, modulátorů a dalších zařízení.

Pro konkrétní aplikace v oblasti akustických metamateriálů nebo v oblasti terahertzových technologií se často používají struktury známé jako rozdělené rezonátory (SRR), které mohou ovlivnit šíření elektromagnetických vln v požadovaném pásmu. Tyto rezonátory jsou zkonstruovány z kovových kruhů, které mají malé mezery mezi sebou a vykazují specifické rezonanční vlastnosti.

Závěrem je nutné si uvědomit, že elektromagnetické metamateriály představují nejenom fascinující teoretický výzkum, ale především velmi praktické aplikace, které mohou zásadním způsobem ovlivnit budoucí technologické inovace.