Una antena fractal es una antena que utiliza un fractal , auto-similar diseño para maximizar la longitud efectiva, o aumentar el perímetro (en las secciones interiores o la estructura exterior), de material que puede recibir o transmitir la radiación electromagnética dentro de un área de la superficie total dada o volumen.
Estas antenas fractales también se conocen como curvas de relleno de espacio y multinivel , pero el aspecto clave radica en la repetición de un motivo en dos o más tamaños de escala, [1] o "iteraciones". Por esta razón, las antenas fractales son muy compactas, multibanda o de banda ancha, y tienen aplicaciones útiles en comunicaciones de telefonía celular y microondas. La respuesta de una antena fractal difiere notablemente de los diseños de antenas tradicionales, en que es capaz de operar con un rendimiento de bueno a excelente en muchas frecuencias diferentes simultáneamente. Normalmente, las antenas estándar tienen que "cortarse" para la frecuencia para la que se van a utilizar y, por lo tanto, las antenas estándar solo funcionan bien en esa frecuencia.
Además, la naturaleza fractal de la antena reduce su tamaño, sin el uso de ningún componente, como inductores o condensadores.
Registro periódico de antenas y fractales
Las primeras "antenas" fractales eran, de hecho, "arreglos" fractales, con arreglos fractales de elementos de antena, y no reconocidos inicialmente por tener auto-semejanza como atributo. Las antenas logarítmicas periódicas son matrices, desde la década de 1950 (inventadas por Isbell y DuHamel), que son tales matrices fractales. Son una forma común que se utiliza en las antenas de televisión y tienen forma de punta de flecha.
Rendimiento y antenas de elementos fractales
Los elementos de antena (a diferencia de los arreglos de antenas, que generalmente no se incluyen como antenas fractales) hechos de formas auto-similares fueron creados por primera vez por Nathan Cohen [4], entonces profesor en la Universidad de Boston , a partir de 1988. Los esfuerzos de Cohen con una variedad de Los diseños de antenas fractales se publicaron por primera vez en 1995. [2] La publicación de Cohen marcó la publicación científica inaugural sobre antenas fractales.
Muchas antenas de elementos fractales utilizan la estructura fractal como una combinación virtual de condensadores e inductores . Esto hace que la antena tenga muchas resonancias diferentes que se pueden elegir y ajustar eligiendo el diseño fractal adecuado. Esta complejidad surge porque la corriente en la estructura tiene una disposición compleja causada por la inductancia y la autocapacidad. En general, aunque su longitud eléctrica efectiva es mayor, las antenas de los elementos fractales son físicamente más pequeñas, nuevamente debido a esta carga reactiva.
Por lo tanto, las antenas de elementos fractales se encogen en comparación con los diseños convencionales y no necesitan componentes adicionales, asumiendo que la estructura tiene la impedancia de entrada resonante deseada. En general, la dimensión fractal de una antena fractal es un mal predictor de su rendimiento y aplicación. No todas las antenas fractales funcionan bien para una determinada aplicación o conjunto de aplicaciones. Los métodos de búsqueda por computadora y las simulaciones de antenas se utilizan comúnmente para identificar qué diseños de antenas fractales satisfacen mejor las necesidades de la aplicación.
Los estudios realizados durante la década de 2000 mostraron las ventajas de la tecnología de elementos fractales en aplicaciones de la vida real, como RFID [5] y teléfonos móviles. [6] Los fractales se han utilizado en antenas desde 1988 [7] y sus ventajas [8] son un buen rendimiento multibanda, ancho de banda amplio y área pequeña [9] y esa referencia mostró que la ganancia con un tamaño pequeño resulta de la interferencia constructiva con múltiples máximos de corriente, proporcionados por la estructura eléctricamente larga en un área pequeña.
Algunos investigadores han cuestionado que las antenas fractales tengan un rendimiento superior. Steven R. Best en 2003 observó "que la geometría de la antena por sí sola, fractal o no, no determina de forma única las propiedades electromagnéticas de la antena pequeña". [10] En 2011, Robert C. Hansen y Robert E. Collin revisaron muchos artículos sobre antenas fractales y concluyeron que no ofrecen ninguna ventaja sobre dipolos gordos, dipolos cargados o bucles simples, y que los no fractales siempre son mejores. [11] Balanis informó sobre varias antenas fractales y las encontró equivalentes en rendimiento a las antenas eléctricamente pequeñas con las que se compararon. [12] Los registros periódicos, una forma de antena fractal, tienen sus características electromagnéticas determinadas únicamente por la geometría, a través de un ángulo de apertura. [13] [14]
Antenas fractales, invariancia de frecuencia y ecuaciones de Maxwell
Un atributo diferente y también útil de algunas antenas de elementos fractales es su aspecto de autoescala. En 1957, VH Rumsey [14] presentó los resultados de que la escala definida por ángulos era uno de los requisitos subyacentes para hacer que las antenas fueran "invariantes" (que tuvieran las mismas propiedades de radiación) en un número o rango de frecuencias. El trabajo de Y. Mushiake en Japón a partir de 1948 [15] demostró resultados similares de antenas independientes de frecuencia que tienen autocomplementariedad.
Se creía que las antenas tenían que estar definidas por ángulos para que esto fuera cierto, pero en 1999 se descubrió [16] que la auto-similitud era uno de los requisitos subyacentes para hacer que la frecuencia y el ancho de banda de las antenas fueran invariables . En otras palabras, el aspecto auto-similar era el requisito subyacente, junto con la simetría de origen, para la "independencia" de frecuencia. Las antenas de ángulo definido son auto-similares, pero otras antenas auto-similares son independientes de la frecuencia aunque no tienen un ángulo definido.
Este análisis, basado en las ecuaciones de Maxwell, mostró que las antenas fractales ofrecen una forma cerrada y una visión única de un aspecto clave de los fenómenos electromagnéticos. A saber: la propiedad de invariancia de las ecuaciones de Maxwell. Esto ahora se conoce como el principio de Hohlfeld-Cohen-Rumsey (HCR). Se demostró que el trabajo anterior de Mushiake sobre la autocomplementariedad se limitaba a la suavidad de impedancia, como se esperaba del Principio de Babinet, pero no a la invariancia de frecuencia.
Otros usos
Además de su uso como antenas, los fractales también han encontrado aplicación en otros componentes del sistema de antenas, incluidas cargas, contrapesos y planos de tierra.
Los inductores fractales y los circuitos sintonizados fractales (resonadores fractales) también fueron descubiertos e inventados simultáneamente con antenas de elementos fractales. [1] [17] Un ejemplo emergente de esto está en los metamateriales . Una invención reciente demuestra el uso de resonadores fractales compactos para hacer la primera capa de invisibilidad de metamaterial de banda ancha en frecuencias de microondas. [18] [19]
Los filtros fractales (un tipo de circuito sintonizado) son otro ejemplo donde se ha demostrado la superioridad del enfoque fractal para un tamaño más pequeño y un mejor rechazo. [20] [21] [22]
Como los fractales pueden usarse como contrapesos, cargas, planos de tierra y filtros, todas partes que pueden integrarse con antenas, se consideran partes de algunos sistemas de antenas y, por lo tanto, se discuten en el contexto de las antenas fractales.
Ver también
Referencias
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enlaces externos
- Cómo hacer una antena fractal para HDTV o DTV
- Antena fractal de árbol H alimentada por CPW para aplicaciones WLAN, WIMAX, RFID, banda C, HiperLAN y UWB
- Video de una antena monopolo fractal usando metamateriales fractales