Mikrodalga frekanslarında malzemelerin elektromanyetik karakterizasyonu üzerine yeni yöntemlerin geliştirilmesi
Development of new methods on electromagnetic characterization of materials at microwave frequencies
Yazar: YUNUS KAYA
Danışman: PROF. DR. MEHMET ERTUĞRUL ; PROF. DR. UĞUR CEM HASAR
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Amaç: Bu çalışmada, yansıma-simetrik veya yansıma-asimetrik özelliğine sahip iletim-asimetrik (nonreciprocal) ağların veya hatların yayılma sabitlerinin ölçülmesi ve ayrıca yüksek hassasiyetle tasarlanacak olan sensör ile malzemelerin elektromanyetik özelliklerinin belirlenmesi amaçlanmıştır.
Yöntem: Bu çalışmada, yeni bir kalibrasyon gerektirmeyen line-line yöntemi kullanarak yansıma-simetrik veya yansıma-asimetrik özelliğine sahip iletim-asimetrik ağların veya hatların yayılma sabitlerini ölçmek için metodolojiler önerilmiştir. Ayrıca malzemelerin elektromanyetik özelliklerinin belirlenmesi için ise çift taraflı dikdörtgen dalga kılavuzu yapılarına gömülü metamalzeme sensörü modellenerek tasarlanmıştır.
Bulgular: İletim-asimetrik ağların veya hatların yayılma özelliklerinin belirlenmesi amacıyla önerdiğimiz formülasyonları doğrulamak için belirli ölçülerde hem X-bandı hem de Ku-bandı dalga kılavuzu düzlükleri ve ayrıca ferrit yüklü bir X-bandı dalga kılavuzu mikrodalga faz kaydırıcı kullanılmıştır. Benzeşim ve ölçüm sonuçları diğer referans yöntemler ile elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Elde edilen verilerin birbirleriyle uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca önerilen çift taraflı dikdörtgen dalga kılavuzu yapılarına gömülü metamalzeme sensörün benzeşim ve ölçüm sonuçları gerçekleştirilmiş ve sonuçların yine birbiri ile uyumlu olduğu gözlemlenmiştir.
Sonuç: Diğer kalibrasyon gerektirmeyen ve kalibrasyon bağımlı yöntemlerle karşılaştırıldığında önerilen yöntemlerimiz, herhangi bir kalibrasyona başvurmaksızın iletim-simetrik (reciprocal) ve iletim-asimetrik ağların veya hatların ileri ve geri yönlerdeki yayılma sabitini belirlemek için özgün avantajlara sahiptir. Ayrıca önerilen çift taraflı dikdörtgen dalga kılavuzu yapılarına gömülü metamalzeme sensörü, sıcaklık, nem, yoğunluk veya konsantrasyondaki değişiklikleri algılamak için kullanılabileceği gibi malzemelerin dielektrik sabitinin belirlenmesi içinde kullanılabilir.

Abstract:
Purpose: In this study, it is aimed to measure the propagation constants of transmission-asymmetric (nonreciprocal) networks or lines with reflection-symmetric or reflection-asymmetric property and also to determine electromagnetic properties of materials with the sensor to be designed with high sensitivity.
Method: In this study, methodologies are proposed to measure the propagation constants of transmission-asymmetric networks or lines with reflection-symmetric or reflection-asymmetric property using a new calibration-free line-line method. In addition, in order to determine electromagnetic properties of materials, a metamaterial sensor embedded in the double-sided rectangular waveguide structures was modeled and designed.
Findings: Both X-band and Ku-band waveguide straights of certain sizes, as well as a ferrite-loaded X-band waveguide microwave phase shifter were used to validate our proposed formulations in order to determine the propagation properties of transmission-asymmetric networks or lines. The simulation and measurement results were compared with the results obtained with other reference methods. It has been observed that the data are compatible with each other. In addition, the simulation and measurement results of the metamaterial sensor embedded in the proposed double-sided rectangular waveguide structures were realized and it was observed that the results were again compatible with each other.
Results: Compared to other calibration-free and calibration-dependent methods, our proposed methods have unique advantages for determining the forward and backward directions propagation constant of transmission-symmetric (reciprocal) and transmission-asymmetric networks or lines without resorting to any calibration. In addition, the metamaterial sensor embedded in the proposed double-sided rectangular waveguide structures can be used to detect changes in temperature, humidity, density or concentration, as well as determine the dielectric constant of materials.