एंटीना समीक्षा: फ्रैक्टल मेटासर्फेस और एंटीना डिजाइन की समीक्षा

फ्रैक्टल की अवधारणा को गणितज्ञ बेनोइट बी. मैंडेलब्रॉट ने 1970 के दशक में प्रस्तुत किया था, हालांकि फ्रैक्टल ज्यामिति की उत्पत्ति का पता कई गणितज्ञों के प्रारंभिक कार्यों से लगाया जा सकता है, जैसे कि कैंटर (1870), वॉन कोच (1904), सिएरपिंस्की (1915), जूलिया (1918), फातौ (1926) और रिचर्डसन (1953)।
बेनोइट बी. मैंडेलब्रॉट ने पेड़ों, पहाड़ों और समुद्र तटों जैसी अधिक जटिल संरचनाओं का अनुकरण करने के लिए नए प्रकार के फ्रैक्टल पेश करके फ्रैक्टल और प्रकृति के बीच संबंधों का अध्ययन किया। उन्होंने लैटिन विशेषण "फ्रैक्टस" से "फ्रैक्टल" शब्द गढ़ा, जिसका अर्थ है "टूटा हुआ" या "फ्रैक्चर्ड", यानी टूटे हुए या अनियमित टुकड़ों से बना, अनियमित और खंडित ज्यामितीय आकृतियों का वर्णन करने के लिए जिन्हें पारंपरिक यूक्लिडियन ज्यामिति द्वारा वर्गीकृत नहीं किया जा सकता है। इसके अलावा, उन्होंने फ्रैक्टल बनाने और उनका अध्ययन करने के लिए गणितीय मॉडल और एल्गोरिदम विकसित किए, जिसके कारण प्रसिद्ध मैंडेलब्रॉट सेट का निर्माण हुआ, जो संभवतः जटिल और अनंत रूप से दोहराए जाने वाले पैटर्न के साथ सबसे प्रसिद्ध और नेत्रहीन आकर्षक फ्रैक्टल आकार है (चित्र 1डी देखें)।
मैंडेलब्रॉट के काम का न केवल गणित पर प्रभाव पड़ा है, बल्कि भौतिकी, कंप्यूटर ग्राफिक्स, जीव विज्ञान, अर्थशास्त्र और कला जैसे विभिन्न क्षेत्रों में भी इसके अनुप्रयोग हैं। वास्तव में, जटिल और स्व-समान संरचनाओं को मॉडल करने और उनका प्रतिनिधित्व करने की उनकी क्षमता के कारण, फ्रैक्टल के पास विभिन्न क्षेत्रों में कई नवीन अनुप्रयोग हैं। उदाहरण के लिए, उनका व्यापक रूप से निम्नलिखित अनुप्रयोग क्षेत्रों में उपयोग किया गया है, जो उनके व्यापक अनुप्रयोग के कुछ उदाहरण हैं:
1. कंप्यूटर ग्राफिक्स और एनीमेशन, यथार्थवादी और दृष्टिगत रूप से आकर्षक प्राकृतिक परिदृश्य, पेड़, बादल और बनावट उत्पन्न करना;
2. डिजिटल फ़ाइलों के आकार को कम करने के लिए डेटा संपीड़न प्रौद्योगिकी;
3. छवि और संकेत प्रसंस्करण, छवियों से विशेषताएं निकालना, पैटर्न का पता लगाना, और प्रभावी छवि संपीड़न और पुनर्निर्माण विधियां प्रदान करना;
4. जीवविज्ञान, पौधों की वृद्धि और मस्तिष्क में न्यूरॉन्स के संगठन का वर्णन;
5. एंटीना सिद्धांत और मेटामटेरियल्स, कॉम्पैक्ट/मल्टी-बैंड एंटीना और नवीन मेटासर्फेस डिजाइन करना।
वर्तमान में, फ्रैक्टल ज्यामिति विभिन्न वैज्ञानिक, कलात्मक और तकनीकी विषयों में नए और अभिनव उपयोग ढूंढ रही है।
इलेक्ट्रोमैग्नेटिक (EM) तकनीक में, फ्रैक्टल आकार ऐसे अनुप्रयोगों के लिए बहुत उपयोगी होते हैं, जिनमें लघुकरण की आवश्यकता होती है, एंटेना से लेकर मेटामटेरियल और फ़्रीक्वेंसी सेलेक्टिव सरफ़ेस (FSS) तक। पारंपरिक एंटेना में फ्रैक्टल ज्यामिति का उपयोग करके उनकी विद्युत लंबाई बढ़ाई जा सकती है, जिससे अनुनाद संरचना का समग्र आकार कम हो सकता है। इसके अलावा, फ्रैक्टल आकृतियों की स्व-समान प्रकृति उन्हें मल्टी-बैंड या ब्रॉडबैंड अनुनाद संरचनाओं को साकार करने के लिए आदर्श बनाती है। फ्रैक्टल की अंतर्निहित लघुकरण क्षमताएँ विशेष रूप से विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए रिफ्लेक्टरेज, चरणबद्ध सरणी एंटेना, मेटामटेरियल अवशोषक और मेटासर्फेस डिज़ाइन करने के लिए आकर्षक हैं। वास्तव में, बहुत छोटे सरणी तत्वों का उपयोग करने से कई लाभ मिल सकते हैं, जैसे कि आपसी युग्मन को कम करना या बहुत छोटे तत्व अंतराल वाले सरणियों के साथ काम करने में सक्षम होना, इस प्रकार अच्छा स्कैनिंग प्रदर्शन और कोणीय स्थिरता के उच्च स्तर को सुनिश्चित करना।
ऊपर बताए गए कारणों से, फ्रैक्टल एंटेना और मेटासर्फेस इलेक्ट्रोमैग्नेटिक्स के क्षेत्र में दो आकर्षक शोध क्षेत्रों का प्रतिनिधित्व करते हैं, जिन्होंने हाल के वर्षों में बहुत ध्यान आकर्षित किया है। दोनों अवधारणाएँ वायरलेस संचार, रडार सिस्टम और सेंसिंग में अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के साथ विद्युत चुम्बकीय तरंगों में हेरफेर और नियंत्रण करने के अनूठे तरीके प्रदान करती हैं। उनके स्व-समान गुण उन्हें उत्कृष्ट विद्युत चुम्बकीय प्रतिक्रिया बनाए रखते हुए आकार में छोटा होने की अनुमति देते हैं। यह कॉम्पैक्टनेस विशेष रूप से मोबाइल डिवाइस, RFID टैग और एयरोस्पेस सिस्टम जैसे स्थान-बाधित अनुप्रयोगों में फायदेमंद है।
फ्रैक्टल एंटेना और मेटासर्फेस के उपयोग से वायरलेस संचार, इमेजिंग और रडार सिस्टम में उल्लेखनीय सुधार की संभावना है, क्योंकि वे बेहतर कार्यक्षमता वाले कॉम्पैक्ट, उच्च-प्रदर्शन डिवाइस को सक्षम करते हैं। इसके अलावा, फ्रैक्टल ज्यामिति का उपयोग सामग्री निदान के लिए माइक्रोवेव सेंसर के डिजाइन में तेजी से किया जा रहा है, क्योंकि यह कई आवृत्ति बैंड में काम करने की क्षमता और इसे छोटा करने की क्षमता रखता है। इन क्षेत्रों में चल रहे शोध में उनकी पूरी क्षमता का एहसास करने के लिए नए डिजाइन, सामग्री और निर्माण तकनीकों का पता लगाना जारी है।
इस पेपर का उद्देश्य फ्रैक्टल एंटेना और मेटासर्फेस के अनुसंधान और अनुप्रयोग प्रगति की समीक्षा करना और मौजूदा फ्रैक्टल-आधारित एंटेना और मेटासर्फेस की तुलना करना है, उनके फायदे और सीमाओं पर प्रकाश डालना है। अंत में, अभिनव परावर्तक और मेटामटेरियल इकाइयों का एक व्यापक विश्लेषण प्रस्तुत किया गया है, और इन विद्युत चुम्बकीय संरचनाओं की चुनौतियों और भविष्य के विकास पर चर्चा की गई है।