Üç bantlı milimetre dalga frekans seçici yüzeylerin yapay zeka algoritmaları ile analizi ve sentezi
Analysis and synthesis of triple band mm-wave frequency selective surface with artificial intelligence algorithms
Yazar: UFUK ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. NURHAN TÜRKER TOKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; İletişim Bilimleri = Communication Sciences
Dizin: Algoritmalar = Algorithms ; Bant geçiren filtre = Bandpass filter ; Frekans seçen yüzeyler = Frequency selective surfaces ; Milimetre dalga frekansı = Milimeter wave frequency ; Polarizasyon = Polarization ; Yapay zeka = Artificial intelligence

Özet:
Akıllı haberleşme uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamak için geliştirilen 5G yeni nesil haberleşme sistemi kapsamında günümüze kadar birçok çalışma yapılmış olmasına karşın inovatif vaatler sunan araştırma ve geliştirme çalışmaları halen devam etmektedir. 5G uygulamaları için altyapı faaliyetlerinin yanı sıra yeni nesil teknoloji için en uygun malzeme ve tasarımlar üzerine çalışmalar yoğun olarak yürütülmektedir.
Bu tezin amacı, 5G milimetre dalga frekanslarında çalışan özgün frekans seçici yüzey (FSY) yapıları tasarlamaktır. Çift bantlı ve üç bantlı özgün FSY tasarımı yapılmıştır. Her iki FSY, 5G mm-dalga uygulama bantları olarak kullanılması planlanan frekans aralıklarında çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Çift bantlı birim hücre analizinde 5G uygulamaları için tahsis edilen, 24,75 – 25,25 GHz bandında 500MHz ve 37,60 – 40,00 GHz bandında 2,4GHz bant aralıkları hedeflenmiş, üç bantlı birim hücre analizinde 5G uygulamaları için tahsis edilen, 24,75 – 25,25 GHz bandında 500MHz, 27,50 – 28,35 GHz bandında 850MHz ve 37,60 – 40,00 GHz bandında 2,4GHz bant aralıkları hedeflenmiştir. Hedeflenen frekans bant
aralıklarında tasarlanan birim hücrelerin bant geçiren özellikle çalışmakta olduğu görülmüştür. Önerilen FSY yapıları için polarizasyon ve açısal kararlılık irdelenmiştir. Tasarlanan yapıların polarizasyon kararlılığına sahip olduğu saptanmıştır. Çift bantlı frekans seçici yüzeyin, birinci bantta 40° geliş açısına kadar kararlı olduğu, ikinci bantta ise 30°'ye kadar açısal kararlılık sağladığı gözlenmiştir. Üç bantlı yapınınsa birinci bandında hedeflenen bant genişliği 𝜃=40° geliş açısına kadar korunmuş, ikinci bandında 𝜃=20°'ye kadar rezonans frekansında düşük kayma gözlenirken üçüncü bant aralığı için ise 𝜃=30°'ye kadar kararlı olduğu görülmüştür.
Tasarımı yapılan özgün üç bantlı birim hücrenin yapay zekâ algoritmaları kullanılarak analiz ve sentezi yapılmıştır. Üç bantlı birim hücrenin çalışması hedeflenen 5G frekans bantlarının sentezine yönelik yapay sinir ağına girdi olarak verilmiş ve bunun neticesinde üç bantlı FSY'nin fiziksel boyutları elde edilmiştir. Bu incelemeler neticesinde elde edilen fiziksel boyutlar ile oluşturulan FSY üretilmiş ve fiziksel ölçümü yapılmıştır. Üç bantlı FSY'nin ölçüm sonuçlarının, CST Microwave Studio programıyla elde edilen benzetim sonuçlarıyla benzerlik gösterdiği görülmüştür.

Abstract:
Although many studies have been carried out to date within the scope of the 5G new generation communication system developed to meet the needs of smart communication applications, research and development studies that offer innovative promises are still continuing. In addition to infrastructure activities for 5G applications, studies on the most suitable materials and designs for new generation technology are carried out intensively.
The aim of this thesis is to design unique frequency selective surface (FSS) structures operating at 5G millimeter wave frequencies. Dual-band and tri-band original FSS design has been made. Both FSSs are designed to operate in the frequency ranges intended to be used as 5G mm-wave application bands. In the dual-band unit cell analysis, 500MHz in the 24,75 – 25,25 GHz band and 2,4GHz band ranges in the 37,60 – 40,00 GHz band are targeted, which are allocated for 5G applications, in addition in the tri-band unit cell analysis, 500MHz in the 24,75 – 25,25 GHz band, 850MHz in the 27,50 – 28,35 GHz band and 2,4GHz in the 37,60 – 40,00 GHz band, which are allocated for 5G applications, are targeted. It
has been seen that the designed unit cells work with bandpass feature in the targeted frequency band ranges. Polarization and angular stability are discussed for the proposed FSS structures. It has been determined that the designed structures have polarization stability. It has been observed that the dual band FSS is stable up to 40° incidence angle in the first band, and provides angular stability up to 30° in the second band. In the first band of the three-band structure, the targeted bandwidth was preserved up to the angle of incidence of θ=40°, while a low shift in the resonance frequency was observed up to θ=20° in the second band, it was found to be stable up to θ=30° for the third band.
Analysis and synthesis of the original three-band unit cell designed using artificial intelligence algorithms were made. The 5G frequency bands, which are aimed to work with the tri-band unit cell, were given as input to the synthesis artificial neural network, and as a result, the physical dimensions of the tri-band FSS were obtained. The FSS created with the physical dimensions obtained as a result of these investigations was produced and its physical measurement was taken. It has been observed that the measurement results and the simulation results of the three-band FSS obtained with the CST Microwave Studio program are similar.