Yüksek frekans 5G bantlarında çalışan metamalzeme soğurucu ve X-, Ku-,  K-bantlarında çalışan polarizasyon dönüştürücü tasarımlarının gerçekleştirilmesi
Development of desings of metamaterial absorber operating in high-frequency 5G bands and polarization converter operating in X-, Ku, and K-bands
Yazar: SEHER ŞEYMA ARSLAN MADAK
Danışman: DOÇ. DR. RAMAZAN TOPKAYA ; DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET TEBER
Iğdır Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasının amaçları hem yüksek frekans 5G bantlarında çalışan, toplu öğe dirençler (lumped resistors) içeren metayüzeylere dayalı geniş bantlı metamalzeme soğurucu hem de X-, Ku- ve K-bantlarında çalışan polarizasyon dönüştürücü modellemek ve sayısal analizlerini gerçekleştirmek şeklinde verilir. Bu anlamda öncelikle, Federal İletişim Komisyonu (FCC), Avrupa Parlamenter Araştırma Servisi (EPRS)'nin kabul ettiği ve ülkemizin de kısa süre içinde kullanıma geçeceği 5G yüksek frekans bölgelerinde olan 24GHz-28GHz çalışma alanı olarak belirlenmiştir. Soğurma performansını araştırmak için CST Microwave Studio programı tarafından kullanılan sonlu integrasyon tekniği (FIT) kullanılarak kapsamlı simülasyonlar gerçekleştirildi. Simülasyonlardan alınan veriler yazılan MATLAB programına entegre edilerek ilgili soğurma parametreleri hesaplandı. Soğurma tepkileri, TE & TM modları için eğik geliş açısı, polarizasyon açısına göre de araştırılmıştır. Önerilen metamalzeme soğurucu, normal geliş açısı altında 24.20-27.30 GHz frekans aralığında %87,6'nın üzerinde geniş bant soğurma yanıtı sağlamıştır. Soğurmanın fiziksel mekanizmasını anlamak için elektrik alan ve yüzey akım dağılımları incelenmiştir. Soğurmanın hem elektrik hem de manyetik rezonanstan kaynaklandığı doğrulanmıştır. Bu aşamanın sonucunda, yüksek frekans 5G bantlarında çalışan, polarizasyondan bağımsız, geliş açısına duyarlı, ultra-ince, ve geniş banda sahip bir soğurucu elde edilmiş oldu. İkinci olarak, ultra ince (λ0/14.9), tek katmanlı, yansıtıcı tipte lineerden dairesele (LP'den CP'ye) ve lineerden lineere (LP'den LP'ye) polarizasyon dönüştüren bir polarizasyon dönüştürücü rapor edilmiştir. 11.52-11.84 GHz ve 19.83-20.01 GHz olmak üzere iki ayrı frekans bandında LP'den CP'ye dönüşüm sağladığı kanıtlanmıştır. Dairesel polarizasyon tipi, birinci bant ve ikinci bant için sırasıyla sağ-el dairesel polarizasyon (RHCP) ve sol-el dairesel polarizasyon (LHCP) olarak tespit edilmiştir. Her iki frekans bandında da, metayüzey yapısı oldukça verimli özellikler ortaya koymaktadır. Bunun yanı sıra metayüzey yapısı 3-dB altında 10.29-12.58GHz ve 19.32-20.50GHz olmak üzere geniş bir frekans bandı sergilemektedir. Polarizasyon dönüştürücü bant genişliği ve performansının belirlenmesinde kritik parametreler olan eliptiklik indeksi (e), eksenel oran (AR) ve |Eco|/|Ecross| arasında çok iyi bir uyum elde edilerek tasarlanan polarizasyon dönüştürücünün X-, Ku- ve K-bantlarında çalışabildiği doğrulanmıştır. Metamalzeme soğurucu tasarımına ek olarak sunulan bu ikinci çalışma, X-, Ku- ve K-bantlarında lineerden, lineere ve dairesel polarizasyon dönüşümüne izin veren, düşük maliyetli ve nispeten yüksek performanslı, geniş bantlı, ultra ince polarizasyon dönüştürücü sunmaktadır.

Abstract:
The objectives of this MS thesis are given as modeling and numerical analysis of both broadband metamaterial absorbers based on metasurfaces containing lumped resistors operating in high frequency 5G bands and polarization converter operating in X-, Ku- and K-bands. In this sense, first of all, it has been determined as the working frequency field in the 5G high-frequency region (24GHz-28GHz), where it is declared by the Federal Communications Commission (FCC), the European Parliamentary Research Service (EPRS) and our country (will also serve in the short term). Extensive simulations were performed using the finite integration technique (FIT), the CST Microwave Studio program used to investigate the absorption performance. The data obtained from the simulations were integrated into the written MATLAB program, and the relevant absorption parameters were calculated. Absorption responses were also investigated for TE & TM modes concerning the oblique incidence and polarization angles. The proposed metamaterial absorber provided a broadband absorption response of over 87.6% in the 24.20-27.30 GHz frequency range under a normal incidence angle. To understand the physical mechanism of absorption, electric field, and surface current distributions are studied. It has been confirmed that the absorption is due to electric and magnetic resonance. The results revealed that an ultra-thin, broadband absorber operating in the high frequency 5G bands, independent of polarization, is sensitive to the incoming. Second, ultra-thin (λ0/14.9), single-layer, reflective type linear to circular (LP to CP), and linear to linear (LP to LP) polarization conversion are reported. It has been proven to provide LP to CP conversion in two separate frequency bands, such as 11.52-11.84 GHz and 19.83-20.01 GHz. The circular polarization type was determined as right-hand circular polarization (RHCP) and left-hand circular polarization (LHCP) for the first and second bands, respectively. In both frequency bands, the metasurface structure reveals highly productivity properties. In addition, the metasurface structure exhibits a wide frequency band under 3-dB, 10.29-12.58GHz, and 19.32-20.50GHz. The ellipticity index (e), axial ratio (AR), and |Eco|/|Ecross| have been verified that the designed polarization converter can operate in X-, Ku-, and K-bands by obtaining a perfect fit between them. In addition to the metamaterial absorber design, this second work presents a low-cost, relatively high-performance, broadband, ultra-thin polarization converter that allows linear to linear and circular polarization conversion in the X-, Ku- and K-bands.