अँटेना पुनरावलोकन: फ्रॅक्टल मेटासरफेसेस आणि अँटेना डिझाइनचा आढावा

फ्रॅक्टल्सची संकल्पना गणितज्ञ बेनोइट बी. मँडेलब्रॉट यांनी १९७० च्या दशकात मांडली होती, जरी फ्रॅक्टल भूमितीची उत्पत्ती कॅन्टोर (१८७०), वॉन कोच (१९०४), सिएरपिन्स्की (१९१५), ज्युलिया (१९१८), फतौ (१९२६) आणि रिचर्डसन (१९५३) यांसारख्या अनेक गणितज्ञांच्या पूर्वीच्या कामातून शोधता येते.
बेनोइट बी. मँडेलब्रॉट यांनी फ्रॅक्टल्स आणि निसर्गातील संबंधांचा अभ्यास केला आणि झाडे, पर्वत आणि किनारपट्टी यासारख्या अधिक जटिल संरचनांचे अनुकरण करण्यासाठी नवीन प्रकारचे फ्रॅक्टल्स सादर केले. त्यांनी "फ्रॅक्टल" हा शब्द लॅटिन विशेषण "फ्रॅक्टस" पासून तयार केला, ज्याचा अर्थ "तुटलेला" किंवा "फ्रॅक्टर्ड" आहे, म्हणजेच तुटलेल्या किंवा अनियमित तुकड्यांनी बनलेला, पारंपारिक युक्लिडियन भूमितीद्वारे वर्गीकृत करता येत नसलेल्या अनियमित आणि खंडित भौमितिक आकारांचे वर्णन करण्यासाठी. याव्यतिरिक्त, त्यांनी फ्रॅक्टल्स तयार करण्यासाठी आणि अभ्यासण्यासाठी गणितीय मॉडेल्स आणि अल्गोरिदम विकसित केले, ज्यामुळे प्रसिद्ध मँडेलब्रॉट संच तयार झाला, जो कदाचित सर्वात प्रसिद्ध आणि दृश्यमानपणे आकर्षक फ्रॅक्टल आकार आहे ज्यामध्ये जटिल आणि अमर्याद पुनरावृत्ती नमुने आहेत (आकृती 1d पहा).
मँडेलब्रॉटच्या कार्याचा केवळ गणितावरच परिणाम झाला नाही तर भौतिकशास्त्र, संगणक ग्राफिक्स, जीवशास्त्र, अर्थशास्त्र आणि कला यासारख्या विविध क्षेत्रांमध्येही त्याचा उपयोग झाला आहे. खरं तर, जटिल आणि स्वतःसारख्या रचनांचे मॉडेलिंग आणि प्रतिनिधित्व करण्याच्या त्यांच्या क्षमतेमुळे, फ्रॅक्टल्सचे विविध क्षेत्रात असंख्य नाविन्यपूर्ण उपयोग आहेत. उदाहरणार्थ, त्यांचा वापर खालील अनुप्रयोग क्षेत्रांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर केला गेला आहे, जे त्यांच्या विस्तृत अनुप्रयोगाची काही उदाहरणे आहेत:
१. वास्तववादी आणि दृश्यमान आकर्षक नैसर्गिक लँडस्केप्स, झाडे, ढग आणि पोत निर्माण करणारे संगणक ग्राफिक्स आणि अ‍ॅनिमेशन;
२. डिजिटल फाइल्सचा आकार कमी करण्यासाठी डेटा कॉम्प्रेशन तंत्रज्ञान;
३. प्रतिमा आणि सिग्नल प्रक्रिया, प्रतिमांमधून वैशिष्ट्ये काढणे, नमुने शोधणे आणि प्रभावी प्रतिमा कॉम्प्रेशन आणि पुनर्बांधणी पद्धती प्रदान करणे;
४. जीवशास्त्र, वनस्पतींच्या वाढीचे आणि मेंदूतील न्यूरॉन्सच्या संघटनेचे वर्णन करते;
५. अँटेना सिद्धांत आणि मेटामटेरियल्स, कॉम्पॅक्ट/मल्टी-बँड अँटेना आणि नाविन्यपूर्ण मेटासरफेस डिझाइन करणे.
सध्या, विविध वैज्ञानिक, कलात्मक आणि तांत्रिक विषयांमध्ये फ्रॅक्टल भूमितीचे नवीन आणि नाविन्यपूर्ण उपयोग होत आहेत.
इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक (EM) तंत्रज्ञानामध्ये, अँटेनापासून ते मेटामटेरियल्स आणि फ्रिक्वेन्सी सिलेक्टिव्ह पृष्ठभाग (FSS) पर्यंत लघुकरण आवश्यक असलेल्या अनुप्रयोगांसाठी फ्रॅक्टल आकार खूप उपयुक्त आहेत. पारंपारिक अँटेनामध्ये फ्रॅक्टल भूमिती वापरल्याने त्यांची विद्युत लांबी वाढू शकते, ज्यामुळे रेझोनंट रचनेचा एकूण आकार कमी होतो. याव्यतिरिक्त, फ्रॅक्टल आकारांचे स्वतःसारखे स्वरूप त्यांना मल्टी-बँड किंवा ब्रॉडबँड रेझोनंट स्ट्रक्चर्स साकार करण्यासाठी आदर्श बनवते. फ्रॅक्टल्सच्या अंतर्निहित लघुकरण क्षमता विविध अनुप्रयोगांसाठी परावर्तक अॅरे, फेज्ड अॅरे अँटेना, मेटामटेरियल शोषक आणि मेटासर्फेस डिझाइन करण्यासाठी विशेषतः आकर्षक आहेत. खरं तर, खूप लहान अॅरे घटकांचा वापर केल्याने अनेक फायदे मिळू शकतात, जसे की परस्पर जोडणी कमी करणे किंवा खूप लहान घटक अंतर असलेल्या अॅरेसह कार्य करण्यास सक्षम असणे, अशा प्रकारे चांगले स्कॅनिंग कार्यप्रदर्शन आणि कोनीय स्थिरतेचे उच्च स्तर सुनिश्चित करणे.
वर नमूद केलेल्या कारणांमुळे, फ्रॅक्टल अँटेना आणि मेटासरफेस हे इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक्सच्या क्षेत्रातील दोन आकर्षक संशोधन क्षेत्रांचे प्रतिनिधित्व करतात ज्यांनी अलिकडच्या वर्षांत बरेच लक्ष वेधले आहे. दोन्ही संकल्पना वायरलेस कम्युनिकेशन्स, रडार सिस्टीम आणि सेन्सिंगमध्ये विस्तृत अनुप्रयोगांसह, इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लहरी हाताळण्याचे आणि नियंत्रित करण्याचे अद्वितीय मार्ग देतात. त्यांचे स्वतःसारखे गुणधर्म उत्कृष्ट इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक प्रतिसाद राखताना त्यांना आकाराने लहान ठेवण्याची परवानगी देतात. ही कॉम्पॅक्टनेस विशेषतः मोबाईल डिव्हाइसेस, RFID टॅग आणि एरोस्पेस सिस्टीम सारख्या जागेच्या मर्यादा असलेल्या अनुप्रयोगांमध्ये फायदेशीर आहे.
फ्रॅक्टल अँटेना आणि मेटासर्फेसच्या वापरामुळे वायरलेस कम्युनिकेशन्स, इमेजिंग आणि रडार सिस्टीममध्ये लक्षणीय सुधारणा होण्याची क्षमता आहे, कारण ते कॉम्पॅक्ट, उच्च-कार्यक्षमता असलेल्या उपकरणांना वर्धित कार्यक्षमतेसह सक्षम करतात. याव्यतिरिक्त, मटेरियल डायग्नोस्टिक्ससाठी मायक्रोवेव्ह सेन्सर्सच्या डिझाइनमध्ये फ्रॅक्टल भूमितीचा वापर वाढत्या प्रमाणात होत आहे, कारण त्याची अनेक फ्रिक्वेन्सी बँडमध्ये काम करण्याची क्षमता आणि त्याची सूक्ष्मीकरण करण्याची क्षमता आहे. या क्षेत्रांमध्ये सुरू असलेल्या संशोधनात त्यांची पूर्ण क्षमता साकार करण्यासाठी नवीन डिझाइन, साहित्य आणि फॅब्रिकेशन तंत्रांचा शोध सुरू आहे.
या पेपरचा उद्देश फ्रॅक्टल अँटेना आणि मेटासरफेसच्या संशोधन आणि अनुप्रयोग प्रगतीचा आढावा घेणे आणि विद्यमान फ्रॅक्टल-आधारित अँटेना आणि मेटासरफेसची तुलना करणे, त्यांचे फायदे आणि मर्यादा अधोरेखित करणे आहे. शेवटी, नाविन्यपूर्ण परावर्तक आणि मेटामटेरियल युनिट्सचे व्यापक विश्लेषण सादर केले आहे आणि या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक संरचनांच्या आव्हाने आणि भविष्यातील विकासांवर चर्चा केली आहे.