Soğurucu frekans seçici yüzey tasarımı
Absorptive frequency selective surface design
Yazar: AKIN ÖZKAN
Danışman: PROF. DR. BİRSEN SAKA TANATAR
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Tez çalışması kapsamında 11 GHz merkezli geniş iletim bantlı, düşük frekans bölgesinde geniş soğurma bandına sahip soğurucu frekans seçici yüzey tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan soğurucu frekans seçici yüzey çift polarizasyonda çalışma özelliğine sahiptir. Soğurucu frekans seçici yüzeyin birim eleman rezonatörleri, geniş iletim bandı ve çift polarizasyonda çalışma özellikleri düşünülerek, alternatif yapıların analizleri sonucunda kararlaştırılmıştır. Soğurucu yüzey rezonatörü için özgün sekizgen mikroşerit rezonatör yapısı önerilmiştir; bant geçiren yüzey için üç katlı sekizgen yama-yarık-yama rezonatör yapısı önerilmiştir. 
Literatürdeki soğurucu frekans seçici yüzey tasarım çalışmalarında birim eleman rezonatörlerin sentezi ardışık tahmin, analiz ve güncelleme işlemleri sonucunda gerçekleştirilmektedir. Bu çalışmada, literatürdeki sentez sürecine alternatif olarak, soğurucu yüzey rezonatörü sentezi genetik algoritma ile gerçekleştirilmektedir. Tasarlanan genetik algoritma, sentezlenen rezonatörün hedeflenen frekans tepkisi performansını sağladığını ve üretimi gerçeklenebilir geometri oluşturulduğunu kontrol etmektedir. Alternatif genetik algoritma metotları ve farklı frekans tepkisi performans hedefleri denenerek algoritmanın sentez performansı ve önerilen rezonatörün farklı frekans tepkisi hedeflerini sağlama kabiliyeti test edilmiştir.
Genetik algoritma sentezi ile tasarlanan soğurucu frekans seçici yüzeyin frekans tepkisi elektromanyetik analizi, dikey ve yatay polarizasyonda çalışma durumları ile yüzeye dik ve açılı geliş durumları için gerçekleştirilmiştir. Dik geliş açısı için soğurucu yüzey ve bant geçiren yüzeylerde oluşan yüzey akımı ve elektrik alan dağılımı elektromanyetik analiz ile incelenmiştir. 
Tasarlanan soğurucu frekans seçici yüzeyin elektromanyetik analiz frekans tepkisinin 1-dB iletim bandı 9.63 GHz ve 13.10 GHz aralığındadır; 1-dB bant genişliği 3.47 GHz'dir, bant genişliğinin merkez frekansa oranı %32'dir. 3-dB iletim bandı 9.02 GHz ve 13.45 GHz aralığındadır; 3-dB bant genişliği 4.43 GHz'dir, bant genişliğinin merkez frekansa oranı %40'tır. Analiz sonucu bant içindeki en düşük iletim kaybı değeri 0.66 dB'dir.
Tasarlanan soğurucu frekans seçici yüzeyin üretimi 1x2 birimlik yüzeyler ile gerçekleştirilmiştir. Üretilen soğurucu frekans seçici yüzeyin frekans tepkisi ölçümü WR-90 dalga kılavuzu içerisinde, X-bant spektrumunda gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen ölçüm sonucunda 1-dB iletim bandı 9.38 GHz ve 12.55 GHz aralığındadır; 1-dB bant genişliği 3.17 GHz'dir, bant genişliğinin merkez frekansa oranı %29'dur. 3-dB iletim bandı 9.14 GHz ve 12.88 GHz aralığındadır; 3-dB bant genişliği 3.74 GHz'dir, bant genişliğinin merkez frekansa oranı %34'tür. Ölçüm sonucu bant içindeki en düşük iletim kaybı değeri 0.65 dB'dir.

Abstract:
In this study, 11 GHz centered absorptive frequency selective surface is designed with wide transmission band, and wide absorption band at lower frequency spectrum. Designed absorptive frequency selective surface has dual polarization operation capability. Unit element resonators of absorptive frequency selective surface are proposed in order to provide wideband and dual polarization operation, after analyzing possible alternative forms. Novel octagon shaped structure is proposed for resistive layer resonator; and three layered octagon shaped patch-slot-patch structure is proposed for bandpass layer resonator.
In literature, unit element resonators of absorptive frequency selective surfaces are synthesized after successive iterations of guess, analysis and update processes. In this study an alternative method is proposed, and unit element resonator of resistive layer is synthesized by genetic algorithm code. During synthesis process, genetic algorithm code controls that synthesized resonator provides targeted frequency response performance and geometry of synthesis is realizable. Synthesis performance of genetic algorithm code is tested for alternative algorithm methods, and capability of proposed resonator is tested for different frequency response performance targets.
Designed absorptive frequency selective surface response is analyzed by electromagnetic analysis for horizontal and vertical polarization cases, and for normal and oblique incidence. For normal incidence, surface current and electric field distribution of resistive layer and bandpass layers are investigated.
Electromagnetic analysis response of designed absorptive frequency selective surface has 3.47 GHz 1-dB bandwidth which is 32% compared to center frequency. 1-dB cutoff frequencies are 9.63 GHz and 13.10 GHz. It has 4.43 GHz 3-dB bandwidth which is 40% compared to center frequency. 3-dB cutoff frequencies are 9.02 GHz and 13.45 GHz. Lowest insertion loss in transmission band is 0.66 dB.
Absorptive frequency selective surface is manufactured as 1x2 unit layers; and measured using WR-90 waveguide test setup for X-band spectrum. Measured frequency response has 3.17 GHz 1-dB bandwidth which is 29% compared to center frequency. 1-dB cutoff frequencies are 9.38 GHz and 12.55 GHz. 3-dB bandwidth is 3.74 GHz which is 34% compared to center frequency. 3-dB cutoff frequencies are 9.14 GHz and 12.88 GHz. Lowest insertion loss measured in transmission band is 0.65 dB.