Rezonatör tabanlı çoklu-bant soğurucu tasarımı ve sensör uygulamaları
Design of resonator based multi-band absorber and sensor applications
Yazar: ALPARSLAN ÇINAR
Danışman: PROF. DR. SIDDIK CUMHUR BAŞARAN
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tezde, rezonatör tabanlı çoklu bant soğurucu tasarımı ve sensor uygulamaları üzerine çalışmalar yapılmıştır. Önerilen tasarımlar, ortada dielektrik taban malzemesi olmak üzere, üstte rezonatör ve altta toprak düzlemden oluşan bir yapıya sahiptir. Tasarımlarda, yarık halka rezonatör (YHR), elektrik LC rezonatör (ELC) gibi metamalzeme yapı taşları ve asimetrik X-şekilli rezonatörler frekans belirleyici eleman olarak kullanılmıştır.
Dairesel şekilli ve eş merkezli üç adet YHR yapısı kullanılarak, görece minyatür boyutlu, WiMAX ve WLAN bantlarını kapsayan üç bantlı soğurucu benzetim ortamında tasarlanmıştır. Bir başka metamalzeme yapısı olan ELC rezonatör, üç boyutlu yazıcıda imal edilmiş taban malzemesinin üzerine yerleştirilerek soğurucu sensor tasarlanmış, üretilmiş, ölçülmüş ve analitik modeli çıkartılmıştır. Üç boyutlu yazıcıyla imal edilen taban malzemesine açılan oyuk sayesinde, hem katı hem de sıvı analizleri yapılabilmektedir. Yekpare ve basit bir yapı olması sebebiyle üretim ve uygulanabilirliği oldukça kolaydır.
Kol uzunluklarının simetrik veya asimetrik olmasına bağlı olarak tek veya çift bantlı davranış sergileyen X-şekilli rezonatör kullanılarak, kompakt bir soğurucu tasarlanmış. Tek bir rezonatör ve tek bir dielektrik taban malzemesinden meydana gelen bu basit yapının sensor performansı, benzetim ve ölçüm ortamında incelenmiştir. Bu doğrultuda, çalışma frekansları farklı iki tane YHR tabanlı soğurucu sensörler ile kıyaslanan asimetrik X-şekilli soğurucunun daha hassas olduğu görülmüştür. Daha sonra, kol uzunlukları birbirinden farklı iki tane asimetrik X-şekilli rezonatör, taban malzemesi olarak kullanılan kot kumaş üzerine yerleştirilerek dört bantlı tekstil soğurucu elde edilmiştir. Nümerik ve deneysel sonuçları mükemmel bir uyum içinde olan bu dört bantlı tasarım, giyilebilir uygulamalar için iyi bir adaydır. Son olarak, benzetim ortamında, X-şekilli rezonatöre PIN ve Varaktor diyotlar entegre edilerek frekansı kontrol edilebilir soğurucu tasarımları önerilmiştir. Önerilen tasarımlar sayesinde soğurma frekansları geleneksel soğurucular gibi üretim sonrası sabit kalmamakta ve soğurucuların uygulama alanları genişlemektedir.

Abstract:
In this thesis, resonator-based multi-band absorber design and sensor applications have been investigated. The proposed designs consist of a resonator at the top, a dielectric substrate in the middle and a ground plane at the bottom. In the designs, asymmetric X-shaped resonator and metamaterial elements such as split ring resonator (SRR), electric LC resonator (ELC) are used as frequency determining elements.
A relatively miniaturized tri-band absorber covering WiMAX and WLAN bands has been designed in the simulation environment using three circular and concentric SRR. The ELC resonator, which is a metamaterial element, is placed on a 3D printed dielectric substrate to design absorber sensor. There is a cavity in the 3D-printed substrate to integrate the samples into the sensor. Thanks to the cavity, both solid and liquid analyses can be performed. It is a monolithic and simple structure, so it is effortless to manufacture and implement. To validate this design, the absorber sensor is fabricated, measured, and analytically modeled.
A compact absorber has been designed using an X-shaped resonator that exhibits single or dual-band behavior depending on whether the arm lengths are symmetric or asymmetric. The sensor performance of this structure consisting of a resonator and a substrate has been investigated in simulation and measurement. In this context, the asymmetric X-shaped absorber is found to be more sensitive when compared with two SRR-based absorber sensors with different absorption frequencies. Then, two asymmetric X-shaped resonators with varying lengths of arm are placed on denim fabric used as a substrate to obtain a four-band absorber. This quad-band design, whose numerical and experimental results are in perfect agreement, is a good candidate for wearable applications. Lastly, in a simulation environment, frequency tunable absorbers are designed by integrating PIN and varactor diodes into the asymmetric X-shaped resonator. Thanks to the proposed designs, the absorption frequencies do not remain fixed after fabrication like conventional absorbers, and the applications of the absorber are expanded.