خبرون - اينٽينا جائزو: فريڪٽل ميٽاسرفيسز ۽ اينٽينا ڊيزائن جو جائزو

I. تعارف
فريڪٽل رياضياتي شيون آهن جيڪي مختلف پيمانن تي پاڻ ۾ ملندڙ خاصيتون ڏيکارين ٿيون. ان جو مطلب آهي ته جڏهن توهان فريڪٽل شڪل تي زوم ان/آئوٽ ڪندا آهيو، ته ان جو هر حصو پوري سان تمام گهڻو ملندڙ جلندڙ نظر ايندو آهي؛ يعني، ساڳيا جاميٽري نمونا يا بناوت مختلف ميگنيفڪيشن ليول تي ورجائيندا آهن (شڪل 1 ۾ فريڪٽل مثال ڏسو). گھڻا فريڪٽل پيچيده، تفصيلي، ۽ لامحدود پيچيده شڪلون رکن ٿا.

شڪل 1

فريڪٽلز جو تصور 1970 جي ڏهاڪي ۾ رياضي دان بينوئٽ بي. مينڊيلبرٽ پاران متعارف ڪرايو ويو، جيتوڻيڪ فريڪٽل جاميٽري جي شروعات ڪيترن ئي رياضي دانن جي اڳوڻي ڪم مان ڳولي سگهجي ٿي، جهڙوڪ ڪينٽر (1870)، وون ڪوچ (1904)، سيرپنسڪي (1915)، جوليا (1918)، فتو (1926)، ۽ رچرڊسن (1953).
بينوئٽ بي. منڊلبروٽ فريڪٽلز ۽ فطرت جي وچ ۾ تعلق جو مطالعو ڪيو، نئين قسم جي فريڪٽلز کي متعارف ڪرائي وڌيڪ پيچيده جوڙجڪن، جهڙوڪ وڻ، جبل، ۽ ساحلي پٽين کي نقل ڪرڻ لاءِ. هن لاطيني صفت "فريڪٽس" مان "فريڪٽل" لفظ ٺاهيو، جنهن جي معنيٰ آهي "ٽٽل" يا "ٽٽل"، يعني ٽٽل يا بي ترتيب ٽڪرن تي مشتمل، غير منظم ۽ ٽٽل جاميٽري شڪلن کي بيان ڪرڻ لاءِ جيڪي روايتي يوڪليڊين جاميٽري طرفان درجه بندي نه ٿي سگهن. ان کان علاوه، هن فريڪٽلز پيدا ڪرڻ ۽ مطالعي ڪرڻ لاءِ رياضياتي ماڊل ۽ الگورتھم تيار ڪيا، جنهن جي ڪري مشهور منڊلبروٽ سيٽ جي تخليق ٿي، جيڪا شايد پيچيده ۽ لامحدود طور تي ورجائيندڙ نمونن سان سڀ کان وڌيڪ مشهور ۽ بصري طور تي دلچسپ فريڪٽل شڪل آهي (شڪل 1d ڏسو).
مينڊيل بروٽ جي ڪم جو نه رڳو رياضي تي اثر پيو آهي، پر ان جا مختلف شعبن جهڙوڪ فزڪس، ڪمپيوٽر گرافڪس، حياتيات، معاشيات ۽ فن ۾ به استعمال ٿيا آهن. حقيقت ۾، پيچيده ۽ خود ملندڙ بناوتن کي ماڊل ڪرڻ ۽ نمائندگي ڪرڻ جي صلاحيت جي ڪري، فريڪٽلز جا مختلف شعبن ۾ ڪيترائي جديد استعمال آهن. مثال طور، انهن کي هيٺ ڏنل ايپليڪيشن علائقن ۾ وڏي پيماني تي استعمال ڪيو ويو آهي، جيڪي انهن جي وسيع ايپليڪيشن جا صرف چند مثال آهن:
1. ڪمپيوٽر گرافڪس ۽ اينيميشن، حقيقي ۽ بصري طور تي پرڪشش قدرتي نظارا، وڻ، ڪڪر، ۽ بناوت پيدا ڪندي؛
2. ڊجيٽل فائلن جي سائيز کي گهٽائڻ لاءِ ڊيٽا ڪمپريشن ٽيڪنالاجي؛
3. تصوير ۽ سگنل پروسيسنگ، تصويرن مان خاصيتون ڪڍڻ، نمونن کي ڳولڻ، ۽ اثرائتي تصوير ڪمپريشن ۽ تعمير نو جا طريقا مهيا ڪرڻ؛
4. حياتيات، ٻوٽن جي واڌ ۽ دماغ ۾ نيورون جي تنظيم کي بيان ڪندي؛
5. اينٽينا ٿيوري ۽ ميٽا ميٽريلز، ڪمپيڪٽ/ملٽي بينڊ اينٽينا ۽ جديد ميٽا سرفيسز جي ڊيزائننگ.
هن وقت، فريڪٽل جاميٽري مختلف سائنسي، فنڪارانه ۽ ٽيڪنالاجي شعبن ۾ نوان ۽ جديد استعمال ڳولي رهي آهي.
برقي مقناطيسي (EM) ٽيڪنالاجي ۾، فريڪٽل شڪلون انهن ايپليڪيشنن لاءِ تمام ڪارآمد آهن جن کي اينٽينا کان وٺي ميٽاميٽريلز ۽ فريڪوئنسي سليڪٽو سرفيسس (FSS) تائين ننڍي ڪرڻ جي ضرورت هوندي آهي. روايتي اينٽينا ۾ فريڪٽل جاميٽري استعمال ڪرڻ سان انهن جي برقي ڊيگهه وڌي سگهي ٿي، ان ڪري گونج واري جوڙجڪ جي مجموعي سائيز کي گهٽائي سگهجي ٿو. ان کان علاوه، فريڪٽل شڪلن جي خود ملندڙ نوعيت انهن کي ملٽي بينڊ يا براڊ بينڊ گونج واري جوڙجڪ کي محسوس ڪرڻ لاءِ مثالي بڻائي ٿي. فريڪٽلز جي موروثي ننڍي ڪرڻ جون صلاحيتون خاص طور تي مختلف ايپليڪيشنن لاءِ ريفليڪٽري، فيزڊ ايري اينٽينا، ميٽاميٽريل جاذب ۽ ميٽاسرفيس ڊيزائن ڪرڻ لاءِ پرڪشش آهن. حقيقت ۾، تمام ننڍڙن ايري عنصرن کي استعمال ڪرڻ سان ڪيترائي فائدا حاصل ٿي سگهن ٿا، جهڙوڪ باهمي ڪپلنگ کي گهٽائڻ يا تمام ننڍي عنصر جي فاصلي سان صفن سان ڪم ڪرڻ جي قابل ٿيڻ، اهڙي طرح سٺي اسڪيننگ ڪارڪردگي ۽ ڪوئلي استحڪام جي اعليٰ سطح کي يقيني بڻائڻ.
مٿي ذڪر ڪيل سببن جي ڪري، فريڪٽل اينٽينا ۽ ميٽاسرفيس برقي مقناطيسي جي ميدان ۾ ٻه دلچسپ تحقيقي شعبا پيش ڪن ٿا جن تازن سالن ۾ تمام گهڻو ڌيان ڇڪايو آهي. ٻئي تصور برقي مقناطيسي لهرن کي هٿي وٺرائڻ ۽ ڪنٽرول ڪرڻ جا منفرد طريقا پيش ڪن ٿا، وائرليس ڪميونيڪيشن، ريڊار سسٽم ۽ سينسنگ ۾ ايپليڪيشنن جي وسيع رينج سان. انهن جون خود ملندڙ خاصيتون انهن کي سائيز ۾ ننڍيون هجڻ جي اجازت ڏين ٿيون جڏهن ته بهترين برقي مقناطيسي ردعمل برقرار رکن ٿيون. هي ڪمپيڪٽنس خاص طور تي خلائي محدود ايپليڪيشنن ۾ فائديمند آهي، جهڙوڪ موبائل ڊوائيسز، آر ايف آءِ ڊي ٽيگ، ۽ ايرو اسپيس سسٽم.
فريڪٽل اينٽينا ۽ ميٽاسرفيسز جي استعمال ۾ وائرليس ڪميونيڪيشن، اميجنگ، ۽ ريڊار سسٽم کي خاص طور تي بهتر بڻائڻ جي صلاحيت آهي، ڇاڪاڻ ته اهي بهتر ڪارڪردگي سان ڪمپيڪٽ، اعليٰ ڪارڪردگي وارن ڊوائيسز کي فعال ڪن ٿا. ان کان علاوه، فريڪٽل جاميٽري کي مادي تشخيص لاءِ مائڪرو ويڪرو سينسرز جي ڊيزائن ۾ تيزي سان استعمال ڪيو پيو وڃي، ڇاڪاڻ ته ان جي ڪيترن ئي فريڪوئنسي بينڊز ۾ ڪم ڪرڻ جي صلاحيت ۽ ان جي ننڍي ڪرڻ جي صلاحيت آهي. انهن علائقن ۾ جاري تحقيق نئين ڊيزائن، مواد، ۽ ٺاھڻ جي طريقن کي ڳولڻ لاءِ جاري آهي ته جيئن انهن جي مڪمل صلاحيت کي محسوس ڪيو وڃي.
هن پيپر جو مقصد فريڪٽل اينٽينا ۽ ميٽاسرفيسز جي تحقيق ۽ ايپليڪيشن جي ترقي جو جائزو وٺڻ ۽ موجوده فريڪٽل تي ٻڌل اينٽينا ۽ ميٽاسرفيسز جو مقابلو ڪرڻ آهي، انهن جي فائدن ۽ حدن کي اجاگر ڪندي. آخرڪار، جديد ريفلڪٽري ۽ ميٽاميٽريل يونٽن جو هڪ جامع تجزيو پيش ڪيو ويو آهي، ۽ انهن برقي مقناطيسي جوڙجڪ جي چئلينجن ۽ مستقبل جي ترقي تي بحث ڪيو ويو آهي.

2. فريڪٽلاينٽيناعنصر
فريڪٽلز جو عام تصور غير ملڪي اينٽينا عنصرن کي ڊزائين ڪرڻ لاءِ استعمال ڪري سگهجي ٿو جيڪي روايتي اينٽينا کان بهتر ڪارڪردگي فراهم ڪن ٿا. فريڪٽل اينٽينا عنصر سائيز ۾ ڪمپيڪٽ ٿي سگهن ٿا ۽ انهن ۾ ملٽي بينڊ ۽/يا براڊ بينڊ صلاحيتون هونديون آهن.
فريڪٽل اينٽينا جي ڊيزائن ۾ اينٽينا جي جوڙجڪ اندر مختلف اسڪيلن تي مخصوص جاميٽري نمونن کي ورجائڻ شامل آهي. هي خود ملندڙ نمونو اسان کي محدود جسماني جڳهه اندر اينٽينا جي مجموعي ڊيگهه کي وڌائڻ جي اجازت ڏئي ٿو. ان کان علاوه، فريڪٽل ريڊيئيٽر ڪيترائي بينڊ حاصل ڪري سگهن ٿا ڇاڪاڻ ته اينٽينا جا مختلف حصا مختلف اسڪيلن تي هڪ ٻئي سان ملندڙ جلندڙ آهن. تنهن ڪري، فريڪٽل اينٽينا عنصر ڪمپيڪٽ ۽ ملٽي بينڊ ٿي سگهن ٿا، روايتي اينٽينا جي ڀيٽ ۾ وسيع فريڪوئنسي ڪوريج فراهم ڪن ٿا.
فريڪٽل اينٽينن جو تصور 1980 جي ڏهاڪي جي آخر ۾ ڳولي سگهجي ٿو. 1986 ۾، ڪِم ۽ جاگارڊ اينٽينا ايري سنٿيسس ۾ فريڪٽل خود مشابهت جي استعمال جو مظاهرو ڪيو.
1988 ۾، فزڪس دان ناٿن ڪوهن دنيا جو پهريون فريڪٽل عنصر اينٽينا ٺاهيو. هن تجويز پيش ڪئي ته اينٽينا جي جوڙجڪ ۾ خود ملندڙ جاميٽري کي شامل ڪرڻ سان، ان جي ڪارڪردگي ۽ ننڍي ڪرڻ جي صلاحيتن کي بهتر بڻائي سگهجي ٿو. 1995 ۾، ڪوهن فريڪٽل اينٽينا سسٽم انڪارپوريشن جو گڏيل بنياد رکيو، جنهن دنيا جو پهريون ڪمرشل فريڪٽل تي ٻڌل اينٽينا حل فراهم ڪرڻ شروع ڪيو.
1990 جي ڏهاڪي جي وچ ۾، پوئنٽي ۽ ٻين سيرپنسڪي جي مونوپول ۽ ڊائيپول استعمال ڪندي فريڪٽلز جي ملٽي بينڊ صلاحيتن جو مظاهرو ڪيو.
ڪوهين ۽ پوينٽي جي ڪم کان وٺي، فريڪٽل اينٽينن جي موروثي فائدن ٽيليڪميونيڪيشن جي شعبي ۾ محققن ۽ انجنيئرن کان وڏي دلچسپي ورتي آهي، جنهن جي ڪري فريڪٽل اينٽينا ٽيڪنالاجي جي وڌيڪ ڳولا ۽ ترقي ٿي آهي.
اڄ، فريڪٽل اينٽينا وائرليس ڪميونيڪيشن سسٽم ۾ وڏي پيماني تي استعمال ٿين ٿا، جن ۾ موبائل فون، وائي فائي روٽر، ۽ سيٽلائيٽ ڪميونيڪيشن شامل آهن. حقيقت ۾، فريڪٽل اينٽينا ننڍا، ملٽي بينڊ، ۽ انتهائي ڪارآمد آهن، جيڪي انهن کي مختلف وائرليس ڊوائيسز ۽ نيٽ ورڪن لاءِ موزون بڻائين ٿا.
هيٺ ڏنل انگ اکر ڪجهه فريڪٽل اينٽينا ڏيکارين ٿا جيڪي مشهور فريڪٽل شڪلن تي ٻڌل آهن، جيڪي ادب ۾ بحث ڪيل مختلف ترتيبن جا صرف چند مثال آهن.
خاص طور تي، شڪل 2a پوئنٽي ۾ تجويز ڪيل سيرپنسڪي مونوپول ڏيکاري ٿي، جيڪو ملٽي بينڊ آپريشن مهيا ڪرڻ جي قابل آهي. سيرپنسڪي ٽڪنڊو مرڪزي الٽي ٽڪنڊو کي مکيه ٽڪنڊو مان گھٽائڻ سان ٺھي ٿو، جيئن شڪل 1b ۽ شڪل 2a ۾ ڏيکاريل آھي. ھي عمل ساخت تي ٽي برابر ٽڪنڊو ڇڏي ٿو، ھر ھڪ جي پاسي جي ڊيگهه شروعاتي ٽڪنڊو جي اڌ جي برابر آھي (شڪل 1b ڏسو). باقي ٽڪنڊو لاءِ ساڳيو گھٽائڻ جو طريقو ورجائي سگھجي ٿو. تنهن ڪري، ان جي ٽن مکيه حصن مان هر هڪ پوري شئي جي بلڪل برابر آهي، پر ٻيڻو تناسب ۾، ۽ انهي ڪري. انهن خاص مماثلتن جي ڪري، سيرپنسڪي ڪيترائي فريڪوئنسي بينڊ مهيا ڪري سگھي ٿو ڇاڪاڻ ته اينٽينا جا مختلف حصا مختلف اسڪيلن تي هڪ ٻئي سان ملندڙ جلندڙ آهن. جيئن شڪل 2 ۾ ڏيکاريل آهي، تجويز ڪيل سيرپنسڪي مونوپول 5 بينڊن ۾ ڪم ڪري ٿو. اهو ڏسي سگهجي ٿو ته شڪل 2a ۾ پنجن ذيلي گيسڪٽس (دائري جوڙجڪ) مان هر هڪ پوري structure جو هڪ اسڪيل ٿيل نسخو آهي، اهڙي طرح پنج مختلف آپريٽنگ فريڪوئنسي بينڊ مهيا ڪري ٿو، جيئن شڪل 2b ۾ ان پٽ ريفلڪشن ڪوفيشينٽ ۾ ڏيکاريل آهي. شڪل هر فريڪوئنسي بينڊ سان لاڳاپيل پيرا ميٽرز کي پڻ ڏيکاري ٿي، جنهن ۾ ماپيل ان پٽ ريٽرن نقصان (Lr) جي گهٽ ۾ گهٽ قدر تي فريڪوئنسي ويليو fn (1 ≤ n ≤ 5)، لاڳاپيل بينڊوڊٿ (Bwidth)، ۽ ٻن ويجهن فريڪوئنسي بينڊز (δ = fn +1/fn) جي وچ ۾ فريڪوئنسي تناسب شامل آهي. شڪل 2b ڏيکاري ٿو ته سيرپنسڪي مونوپولس جا بينڊ لاگارٿمي طور تي وقتي طور تي 2 (δ ≅ 2) جي عنصر سان فاصلي تي آهن، جيڪو فريڪٽل شڪل ۾ ساڳين جوڙجڪ ۾ موجود ساڳئي اسڪيلنگ فيڪٽر سان ملندو آهي.

شڪل 2

شڪل 3a ڪوچ فريڪٽل وکر تي ٻڌل هڪ ننڍڙو ڊگهو تار اينٽينا ڏيکاري ٿو. هي اينٽينا اهو ڏيکارڻ لاءِ تجويز ڪيو ويو آهي ته ننڍڙن اينٽينا کي ڊزائين ڪرڻ لاءِ فريڪٽل شڪلن جي اسپيس فلنگ خاصيتن کي ڪيئن استعمال ڪجي. حقيقت ۾، اينٽينا جي سائيز کي گهٽائڻ وڏي تعداد ۾ ايپليڪيشنن جو آخري مقصد آهي، خاص طور تي جيڪي موبائل ٽرمينلز سان لاڳاپيل آهن. ڪوچ مونوپول شڪل 3a ۾ ڏيکاريل فريڪٽل تعميراتي طريقي سان ٺاهيو ويو آهي. شروعاتي ورجائي K0 هڪ سڌو مونوپول آهي. ايندڙ ورجائي K1 K0 ۾ هڪجهڙائي واري تبديلي کي لاڳو ڪندي حاصل ڪيو ويندو آهي، جنهن ۾ هڪ ٽيون اسڪيلنگ ۽ 0°، 60°، −60°، ۽ 0° ترتيب سان گھمڻ شامل آهي. هن عمل کي بعد ۾ ايندڙ عنصرن Ki (2 ≤ i ≤ 5) حاصل ڪرڻ لاءِ بار بار ورجايو ويندو آهي. شڪل 3a ڪوچ مونوپول (يعني، K5) جو پنج-ورجائي نسخو ڏيکاري ٿو جنهن جي اوچائي h 6 سينٽي ميٽر جي برابر آهي، پر ڪل ڊيگهه فارمولا l = h ·(4/3) 5 = 25.3 سينٽي ميٽر ذريعي ڏني وئي آهي. ڪوچ وکر جي پهرين پنجن ورهاڱي سان لاڳاپيل پنج اينٽينا حاصل ڪيا ويا آهن (شڪل 3a ڏسو). تجربا ۽ ڊيٽا ٻئي ڏيکارين ٿا ته ڪوچ فريڪٽل مونوپول روايتي مونوپول جي ڪارڪردگي کي بهتر بڻائي سگهي ٿو (شڪل 3b ڏسو). اهو مشورو ڏئي ٿو ته اهو ممڪن ٿي سگهي ٿو ته فريڪٽل اينٽينا کي "ننڍو" ڪرڻ، انهن کي موثر ڪارڪردگي برقرار رکندي ننڍن حجمن ۾ فٽ ڪرڻ جي اجازت ڏئي.

شڪل 3

شڪل 4a هڪ ڪينٽر سيٽ تي ٻڌل هڪ فريڪٽل اينٽينا ڏيکاري ٿي، جيڪو توانائي حاصل ڪرڻ واري ايپليڪيشنن لاءِ هڪ وائڊ بينڊ اينٽينا ڊزائين ڪرڻ لاءِ استعمال ڪيو ويندو آهي. فريڪٽل اينٽينا جي منفرد ملڪيت جيڪا ڪيترن ئي ويجهن گونج متعارف ڪرائيندي آهي، روايتي اينٽينا جي ڀيٽ ۾ وسيع بينڊوڊٿ مهيا ڪرڻ لاءِ استعمال ڪئي ويندي آهي. جيئن شڪل 1a ۾ ڏيکاريل آهي، ڪينٽر فريڪٽل سيٽ جي ڊيزائن تمام سادي آهي: شروعاتي سڌي لڪير کي نقل ڪيو ويندو آهي ۽ ٽن برابر حصن ۾ ورهايو ويندو آهي، جنهن مان مرڪزي حصو هٽايو ويندو آهي؛ ساڳئي عمل کي پوءِ نئين پيدا ٿيل حصن تي بار بار لاڳو ڪيو ويندو آهي. فريڪٽل ٻيهر ورجائڻ جا مرحلا بار بار ورجايا ويندا آهن جيستائين 0.8-2.2 GHz جي اينٽينا بينڊوڊٿ (BW) حاصل نه ٿئي (يعني، 98٪ BW). شڪل 4 حقيقي اينٽينا پروٽوٽائپ (شڪل 4a) ۽ ان جي ان پٽ ريفلڪشن ڪوفيشيٽ (شڪل 4b) جي تصوير ڏيکاري ٿي.

شڪل 4

شڪل 5 ۾ فريڪٽل اينٽينن جا وڌيڪ مثال ڏنل آهن، جن ۾ هيلبرٽ ڪرو تي ٻڌل مونوپول اينٽينا، مينڊلبرٽ تي ٻڌل مائڪرو اسٽرپ پيچ اينٽينا، ۽ ڪوچ ٻيٽ (يا "سنو فليڪ") فريڪٽل پيچ شامل آهن.

شڪل 5

آخر ۾، شڪل 6 صف جي عنصرن جي مختلف فريڪٽل ترتيبن کي ڏيکاري ٿي، جنهن ۾ سيرپنسڪي قالين پلانر صفون، ڪينٽر رنگ صفون، ڪينٽر لڪير صفون، ۽ فريڪٽل وڻ شامل آهن. اهي ترتيبون اسپارس صفون پيدا ڪرڻ ۽/يا ملٽي بينڊ ڪارڪردگي حاصل ڪرڻ لاءِ ڪارآمد آهن.