Metamalzemelerden esinlenilmiş rezonatör tabanlı mikrodalga dielektrik sensörü tasarımı ve uygulamaları
Metamaterial-inspired resonator-based microwave dielectric sensor design and application
Yazar: KURTAY ALP
Danışman: DOÇ. DR. FULYA BAĞCI
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Dalga kılavuzları = Waveguides ; Dielektrikler = Dielectrics ; Metamalzemeler = Metamaterials ; Mikrodalgalar = Microwaves ; Rezonans = Resonance

Özet:
Malzemelerin dielektrik sabitlerinin deneysel yöntemlerle tespitinin havacılık, ziraat, savunma sanayi, biyomedikal gibi pek çok alanda uygulaması bulunmaktadır. Bu tez çalıĢmasında sıvı ve katı numunelerin dielektrik sabitlerini mikrodalga frekanslarda rezonans özelliklerin değiĢiminden algılamaya yönelik iki farklı dielektrik sensör geliĢtirilmiĢtir. Etanol/1-pentanol homojen karıĢımlarının konsantrasyonlarının ve dielektrik sabitlerinin belirlenmesine yönelik geliĢtirilen sensör öncelikle ticari bir tam-dalga elektromanyetik simülasyon programı kullanılarak tasarlanmıĢ ve baskı devre yöntemi ile ürettirilmiĢtir. Farklı konsantrasyonlar için WR-229 mikrodalga dalga kılavuzu ortamında ağ analizörü aracılığı ile iletim ve yansıma spektrumları ölçülmüĢtür. Ġki farklı rezonans için, rezonans frekansının ve yansıma
katsayısının büyüklüğünün değiĢimleri ile dielektrik sabitindeki değiĢimler arasında birinci dereceden matematiksel bir model kurulmuĢtur. Bu modele göre farklı konsantrasyonlardaki etanol/1-pentanol karıĢımlarının dielektrik sabitlerinin gerçel ve sanal kısımları belirlenmiĢtir. Belirlenen değerlerin literatürde sunulan deneysel veriler ile uyumlu olduğu görülmüĢtür. Birinci ve ikinci bantlar için duyarlılık 10,4 MHz and 25,5 MHz olarak elde edilmiĢtir. Ġkinci olarak, ön yüzünde mikroĢerit hat, arka yüzünde diĢli kapasitör tabanlı kusurlu toprak düzlemi içeren, 0-5,0 GHz frekans aralığında iki bantlı bir dielektrik sensör tasarlanmıĢtır. Tasarlanan sensör baskı devre yöntemi ile ürettilmiĢtir. Numunesiz sensörün ve dielektrik sabiti bilinen teflon ve FR4 alttaĢın rezonans tepkisi kullanılarak, iki iletim bandı için ayrı ayrı olarak dielektrik sabitleri ile rezonans frekanslar arasında ikinci dereceden polinomiyel eĢitlikler oluĢturulmuĢtur. Kusurlu toprak düzlemi üzerine 1,0 mm kalınlıkta teflon, tahta, polikarbonat, pleksicam ve kauçuk test numuneleri yerleĢtirilerek iletim spektrumları ölçülmüĢtür. Ölçülen iletim rezonansları, oluĢturulan polinomiyel eĢitliklerde
kullanılarak katı numunelerin dielektrik sabiti değerleri elde edilmiĢtir. Bu değerler literatürde sunulan değerler ile karĢılaĢtırılmıĢ, sensör duyarlılığı belirlenmiĢtir.

Abstract:
Determination of the dielectric constants of materials have applications in many areas, such as aerospace, agriculture, defense industry, biomedical, in practice. In this thesis, two different dielectric sensors have been developed to detect the dielectric constants of liquid and solid samples from the change of resonance properties at microwave frequencies. The sensor developed for the determination of concentrations and dielectric constants of homogeneous mixtures of ethanol/1-pentanol was first designed using a commercial full-wave electromagnetic simulation program and fabricated by the printed circuit method. Transmission and reflection spectra of different concentrations are measured in the WR-229 microwave waveguide environment by means of a network analyzer. For two different resonances, a first-order mathematical model is established between the changes in the resonance frequency and the magnitude of the reflection coefficient and the variation in the dielectric constant. According to this model, the real and imaginary parts of the dielectric constants of ethanol/1-pentanol mixtures at different concentrations are determined. It is seen that the determined values are compatible with the experimental data presented in the literature. The sensitivity for the first and second bands was obtained as 10.4 MHz and 25.5 MHz. Secondly, a dual-band dielectric sensor in the 0-5 GHz frequency range is designed, which has a microstrip line on the front and an interdigital capacitor-based defected ground plane on the back side. The designed sensor is fabricated with the printed circuit method. Using the resonance response of the empty sensor and sensor with teflon and FR-4 test samples with known dielectric constant, second-order
polynomial equations between the dielectric constants and the resonance frequencies for the two transmission bands have been separately established. Transmission spectra are measured by placing teflon, wood, polycarbonate, plexiglass and rubber test samples with1 mm thickness on the defected ground plane. The dielectric constant values of the solid samples are obtained by using the measured transmission resonances in the generated polynomial equations. These values are compared with the values presented in the literature and the sensor sensitivity is determined.