Geniş bant durduran iki frekans seçici yüzeyin tasarımı
Wideband stopping two frequency selective surfaces design
Yazar: FATİH GÖKSEL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SENA ESEN BAYER KESKİN
Kırklareli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Dalga frekansı = Wave frequency ; Elektromanyetik rezonans = Electromagnetic resonance ; Genişletilmiş frekans bandı = Extended frequency band ; Milimetre dalga frekansı = Milimeter wave frequency ; Yüksek frekans = High frequency ; Çift rezonans tekniği = Double resonance technic

Özet:
1919 yılında G. Marconi ve C. S. Franklin tarafından patenti alınan "Kablosuz Telegraf ve Telefon için Reflektör" yapımı ile tarihte ilk kez frekans seçici yüzey (FSY) olarak adlandırılan icadın hayatımıza sayısızca katkı sağladığı bilinmektedir. 1960'lı yıllara gelindiğinde ise, frekans seçici yüzeylerin özellikle askeri istihbarat birimlerince kullanımı ile elde edilen başarılar, gözardı edilemeyecek boyutlara gelmiştir. Kara, hava ve deniz platformlarına periyodik olarak uygulanan bu yapılar, belirli frekanslar için alçak geçiren, yüksek geçiren, bant geçiren veya bant durduran özellikleri sergilemiş ve elektromanyetik filtreler görevini üstlenmişlerdir. Özellikle hedef tespit sistemlerince tespit edilemeyen platformlar sayesinde pek çok başarılar elde edilmiştir. Gelişen teknoloji sayesinde kablosuz haberleşme sistemleri, radarlar, mikrodalgalar gibi pek çok alanda etkin bir şekilde kullanılan bu yapılar; birim hücrenin geometrisi ve dizilişi sayesinde, gelen elektromanyetik dalganın yansıması veya iletilmesini sağlamaktadır.
Milimetre dalga, yüksek hızlı geniş bantlı erişim için kullanılabilen 30 GHz ve 300 GHz arasındaki radyo spektrumunun bandıdır. Milimetre dalgalarının kullanımı;kablosuz iletişim, radar, uzaktan algılama teknolojisi ve radyo astronomisi alanları da giderek önem kazanmaktadır. Bu çalışma iki bölümden oluşmaktadır; ilk kısımda önerilen yapı Bölüm 4.1 ile verilmiştir. Bu tasarım ile U (40-60 GHz) ve V (50-75 GHz) bandları milimetre dalga uygulamaları için, yeni bir tek katmanlı Ultra Geniş Band (UGB) Frekans Seçici Yüzey önerilmiştir. Önerilen FSY yapısı, kare döngünün her iki yanında geleneksel bir kare döngü ve dört ayrı satırdan oluşmaktadır. Tek katmanda F-şekli elde etmek için çizgiler tabaka yüzeyinde 90 derece döndürülmüş gibi görünmektedir. Düşük maliyetli, kayıpsız FR4 dielektrik alt tabaka üzerine uygulanarak tasarlanmıştır. Tasarlanan UGB FSY'nin iletim katsayıları CST Microwave Studio ticari yazılımı ile elde edilmiştir. İletim katsayıları elde edilmiş ve önerilen tasarımın -10 dB kazancında; 39.59 GHz'den 81.80 GHz'e kadar 42.21 GHz'lik geniş bir durdurma bandı sergilediği gözlenmiştir. Normal geliş açısında maksimum yansıtma performansı 60.90 GHz'de -61.10 dB olarak ölçülmüştür. Bununla birlikte FSY'nin simetrik yapısı, polarizasyon bağımsız doğasını sağlamaktadır. CST Mikrodalga Studio simülasyon sonuçları, önerilen FSY'nin yapısının 39.59 ila 81.80 GHz arası bant genişliğine (BG) sahip olduğunu göstermektedir. Kesavan A. ve arkadaşlarının tasarlamış oldukları yapı, -10 dB'de U ve V bantlarında 40-70 GHz frekansları aralığında 30 GHz'lik bant genişliği sağlarken; F Şeklinde tasarlamış olduğumuz UGB yapı -10 dB'de 39.59-81.80 GHz frekansları arasında 42.21 GHz'lik bant genişliği sağlayarak Kesavan A. ve arkadaşlarının tasarladıkları yapıya göre daha fazla frekans bant genişliğinde yansıma sağlamaktadır. Tasarlanan FSY'nin tek katmanlı minyatür geometriye ve geniş band durduran yapıya sahip olması gibi faydaları vardır. Önerilen FSY filtresi, sistem korumasının gerekli olduğu çeşitli mm dalga uygulamalarında kullanılabilir.
İkinci kısımda ise C, X ve Ku bantlarını kapsayan yeni bir ultra geniş bant FSY tasarımı yapılmıştır. Dielektrik tabakanın bir tarafına F şekli ve diğer tarafına üç kare halkanın içindeki II kare şeklindeki frekans seçici yüzeyin etkinliğini analiz etmek için elektromanyetik sinyal uygulanmıştır. Bu FSY yapısının C-bandı (4-8 GHz), X-bandı (8-12 GHz) ve Ku-bandı (12-18 GHz) için yeni bir çift katmanlı ultra geniş-band frekans seçici yüzeyi tasarlanması hedeflenerek önerilmiştir. Önerilen FSY yapısının ön tarafı II şeklinin dışında üç tane iç içe geçmiş bir kare halkadan oluşmakta ve diğer katman yüzeyinde ise F şeklini elde etmek için çizgiler eklenerek 90 derece döndürülerek birleşik F şekli elde edilmiştir. Tasarlanan UGB FSY'nin iletim özelliklerinin sayısal analizi, CST Microwave Studio ticari yazılımı kullanılarak yapılan simülasyonlarla gerçekleştirilmiştir. İletim katsayıları elde edilmiş ve önerilen tasarımın 3.05 ila 19.80 arasında 16.92 GHz'lik geniş bir bant durdurma sergilediği gözlenmiştir. Normal geliş açısında maksimum yansıtma performansı 16.35 GHz'de   -71.33 dB olarak ölçülmüştür. Literatürde benzer çalışmalar yer almaktadır, örneğin Sarika ve arkadaşları üç bandı kapsayan -10 dB'lik yansıtma performansında, 10,4 GHz bant genişliği ile 5,2-15,6 GHz arasında yapı tasarlamayı hedeflemişlerdir. Yeni F ve II şekli UGB yapısı ise -10 dB yansıtma performansında, 3.05-19.97 GHz frekansları arasında 16.92 GHz'lik bir bant genişliği sağlamaktadır. Böylece, F ve II olarak tasarlanan yeni şekil, Sarika ve arkadaşları tarafından tasarlanan yapıdan daha fazla bant genişliğinde yansıma sağlamaktadır. İki taraflı katman, minyatürize edilmiş geometri ve geniş bantlı yapı özellikleri sunan bu FSY tasarımı yapısı ile avantaj sağlamaktadır. 
II ve F Şeklinde tasarlanan yapı 30x30 cm boyutlarında üretilmiş ve 1-18 GHz frekans bant genişliğinde, laboratuvar ortamında ölçüm sonuçları alınmıştır. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde; benzetim ile ölçüm sonuçlarından meydana gelen yansıma frekans bantlarının birbiriyle çok uyumlu olduğu gözlenmiştir. Sistem üç bantta korumaya veya yansıtmaya ihtiyaç duyduğunda; FSY filtresi, sistemin bulunduğu çeşitli mm dalga uygulamalarında kullanılabilir.

Abstract:
In 1919 G. Marconi and C. S. Franklin made an invention that is known "Reflector for Wireless Telegraph and Telephone" which is called frequency selective surface (FSS) for the first time in history, contributed to our life with lots of help. When it comes to the 1960s, the success achieved with the use of frequency selective surfaces in military intelligence units has come to such an extent that it can not be ignored. Periodically applied to land, air and sea platforms, these structures exhibited low pass, high pass, band pass or band stop characteristics for certain frequencies and assumed the role of electromagnetic filters. Many successes have been achieved, especially through platforms that can not be detected by target detection systems. Thanks to the developing technology, these structures, which are used effectively in many areas such as wireless communication systems, radars, microwaves, by the geometry and arrangement of the unit cell, provides the reflection or transmission of the incoming electromagnetic wave.
Millimeter wave, which is between 30 GHz and 300 GHz frequency band, can be used for high-speed broadband access. It has been increasingly important in the field of wireless communications, radar, remote sensing technology and radio astronomy. This study aims to propose a new single layered ultrawide-band (UWB) frequency selective surface (FSS) for U (40-60 GHz) and V (50-75 GHz) band milimeter-wave applications. Proposed FSS structure consists of a conventional square loop and four separate lines added each side of the square loop. It seems like lines rotated 90 degrees on face to obtain F-shape on single layered.  Dielectric substrate is made by low-cost FR4 loss-free. For designing the FSS structure's transmission coefficient obtained by CST Microwave Studio commercial software. Transmission coefficients are obtained and it has been observed that the proposed design exhibits a broad stop-band of 42.21 GHz, from 39.59 to 81.80, The maximum rejection performance with normal incidence is measured as -61.10 dB at 60.90 GHz. Kesavan A. and colleagues designed a band of -10 dB rejection between 40-70 GHz frequency with a bandwidth of 30 GHz in the interval, but F-shaped UGB structure provides a bandwidth of 42.21 GHz between frequencies 39.59-81.80 GHz at -10 dB rejection performance, giving more frequency bandwidth reflection than the structure designed by Kesavan A. and colleagues. The single layered miniaturized geometry and wide stop band nature are the advantages of this FSS. The proposed FSS filter can be used in numerous mm-wave applications where system protection is required.
In the second part, a new ultra wideband FSS design presents including C, X and Ku bands. The F shape is applied on one side and on the other side II shape inside of three square loop is applied of dielectric layer for analysing the effectiveness of the frequency selective surface. This FSS structure is aimed to band-stop at three band. The aims of the study is proposed a new single layered ultrawide-band frequency selective surface for C-band (4-8 GHz), X-band (8-12 GHz) and Ku-band (12-18 GHz) wave applications. Front side of FSS structure proposed consists of a three nested square loop with outside of the II shape and seems like lines rotated 90 degrees on face to obtain F-shape on single layered. A numerical analysis of transmission properties of the designed UWB FSS is performed through simulations using CST Microwave Studio commercial software. Transmission coefficients are obtained and it has been observed that the proposed design exhibits a broad stop-band of 16.92 GHz, from 3.05 to 19.80. The maximum rejection performance with normal incidence is measured as -71.33 dB at 16.35 GHz. At the aimed three band of -10 dB rejection performance for the Sarika and friends designed structure between 5.2-15.6 GHz with 10.4 GHz bandwidth. New F and II shape UGB structure, at -10 dB rejection performance, provides a bandwidth of 16.92 GHz between frequencies 3.05-19.97 GHz. So that new shape of F and II provides more frequency bandwidth reflection than the structure designed by Sarika and colleagues. The two sided layer miniaturized geometry and provide wide stop band nature so that this structure has an advantages of in FSS structure. 
The prototype of the structure designed as II and F was produced and measurement results were obtained in laboratory environment with 1-18 GHz frequency bandwidth. When the results are examined; It was observed that the reflection frequency bands formed by the simulation and the measurement results were very compatible with each other. When system needs protection or rejection at the three band; FSS filter can be used in numerous mm-wave applications where system.