5G frekans bandında enerji harmanlama için yüksek verimli mikrodalga soğurucu yüzey tasarımı
Highly efficient microwave absorber surface design for energy harvesting in 5G frequency band
Yazar: UFUK TÜRKTAM
Danışman: DOÇ. DR. BİLAL TÜTÜNCÜ
Van Yüzüncü Yıl Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
5G iletişim sistemleri, özellikle hızlı veri trafiği ve düşük gecikme süresi gibi gereksinimleri karşılamak adına önemli bir gelişme sağlamaktadır ve dünya genelinde bu teknolojiye geçiş süreci hızla ilerlemektedir. 5G iletişim sistemlerinin yüksek frekanslı mikrodalga enerji yaymaları artan enerji ihtiyacını kısmen de olsa karşılamak için bu frekans bantlarında enerji harmanlama çalışmalarına olan ilgiyi artırmıştır. 
Bu çalışma, 5G frekanslarında enerji harmanlaması için yüksek verimli mikrodalga soğurucu yapı tasarımının kullanılabilirlik ve maliyet açısından en optimum seviyeye yaklaştırılmasını hedeflemektedir. Hedeflenen frekans bölgesinde yüksek verimlilikte soğurma yapacak birim hücre tasarımı dört farklı aşamada gerçekleştirilmiştir. Tasarım ve simülasyonlar CST STUDIO programı yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Tasarımın her aşaması için elde edilen sonuçlar analiz edilmiş ve birim hücre yapının soğurma performansı açısından en optimum hali baz alınarak alttaş malzeme ve kalınlık analizi de ayrıca yapılmıştır. 1.5 mm kalınlığında FR4 malzemesi üzerine tasarlanan birim hücre soğurucu yapı ile 3.8 GHz' de %98.04 oranında bir soğurma elde edilmiştir. Daha sonra tasarlanan bu birim hücre, soğurucu yüzey bir yapıya dönüştürülmek üzere farklı periyodik dizilimleri ile ayrı ayrı tasarlanıp simüle edilmiştir. Sonuç olarak, tasarlanan mikrodalga soğurucu yüzey yapısının 2x2 diziliminde 3.8 GHz ve 4.2 GHz çalışma frekanslarında sırasıyla % 98.94 ve %98.35'lük yüksek soğurma oranları elde edilmiştir. Yapının 3.5 GHz ile 4.5 GHz arasında 1 GHz' lik bir bant genişliği ile %85'in üzerinde soğurma yaptığı gözlemlenmiştir. 
Simülasyon sonuçlarının doğrulanması amacıyla, soğurucu yüzeyin prototip üretimi gerçekleştirilmiş ve laboratuvar ortamında ölçümler yapılmıştır. Bu ölçümler sonucunda elde edilen veriler ile simülasyon sonuçları arasında önemli bir uyum tespit edilmiştir. Tüm bu veriler önerilen bu soğurucu yüzeyin 5G'nin n77 ve n78 bantlarında enerji harmanlaması için uygun bir aday olduğunu göstermektedir.

Abstract:
5G communication systems represent a significant advancement, particularly in meeting the requirements of fast data traffic and low latency, and the global transition to this technology is progressing rapidly. The high-frequency microwave energy emissions of 5G communication systems have increased interest in energy harvesting efforts in these frequency bands to partially meet the growing energy demand.

This study aims to approach the usability and cost of high-efficiency microwave absorber structure design for energy harvesting in 5G frequencies to the optimum level. A unit cell design capable of high-efficiency absorption in the targeted frequency range was performed in four different stages. The design and simulations were conducted using the CST STUDIO program. The results obtained for each stage of the design were analyzed, and additional analyses were carried out for substructure material and thickness based on the optimal performance of the unit cell structure in terms of absorption. An absorption of 98.04% at 3.8 GHz was achieved with a unit cell absorber structure designed on an FR4 material with a thickness of 1.5 mm. Subsequently, this designed unit cell was separately designed and simulated with different periodic arrays to transform into an absorber surface structure. As a result, high absorption rates of 98.94% and 98.35% were obtained at operating frequencies of 3.8 GHz and 4.2 GHz, respectively, with a 2x2 array of the designed microwave absorber surface structure. It was observed that the structure provided absorption of over 85% within a 1 GHz bandwidth between 3.5 GHz and 4.5 GHz.

To verify the simulation results, a prototype of the absorber surface was produced, and measurements were performed in a laboratory environment. Significant consistency was observed between the data obtained from these measurements and the simulation results. All these data indicate that the proposed absorber surface is a suitable candidate for energy harvesting in the n77 and n78 bands of 5G.