Gömülü dalga kılavuzu yapısında çoklu bant geçiren filtre tasarımı
Substrate integrated waveguide multiband bandpass filter design
Yazar: GÖKHAN ÜNLÜ
Danışman: PROF. BİRSEN SAKA TANATAR
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Mikrodalga Filtreler, RF/Mikrodalga sistemlerde sıklıkla kullanılan ve sadece istenilen frekanslardaki elektromanyetik sinyallerin iletilmesini sağlayan elemanlardır. Frekans tepkisine göre (alçak geçiren, yüksek geçiren, bant geçiren, bant durduran) ve farklı yapısal özellikleriyle (mikroşerit, toplu elemanlı, kavite, seramik ve dalga kılavuzu yapıdaki filtreler vb.) çeşitli filtre tasarımları mevcuttur. Gömülü dalga kılavuzu yapısındaki filtreler de RF/Mikrodalga sistemlerde sıklıkla kullanılan, iki yüzeyi iletken metal ile kaplanmış taban malzemeye yerleştirilmiş iletken delikler kullanmak suretiyle gerçeklenen filtre yapısıdır. Gömülü dalga kılavuzu yapısındaki filtreler, içerisi dielektrik malzeme ile doldurulmuş metalik dalga kılavuzu yapısındaki filtrelere benzetilebilir. Bununla birlikte gömülü dalga kılavuzu yapısındaki filtreler; üretim kolaylığı, boyut ve ağırlık açısından, metalik dalga kılavuzu yapısındaki filtrelere göre avantajlıdır. Ayrıca frekans tepkisi bakımından metalik dalga kılavuzu filtrelere benziyor olması tercih sebebidir.

Gelişen teknoloji sebebiyle gün geçtikçe daha hızlı haberleşme sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. 5G/6G sistemleri ve "nesnelerin interneti" gibi uygulamaların ihtiyaçlarını karşılayabilmek için daha hızlı iletişim yöntemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu kapsamda, çoklu bant yapılarının kullanıldığı kablosuz iletişim sistemlerine olan gereksinim de artmaktadır. Çoklu bant geçiren filtreler ise bu doğrultuda tasarlanan ve geliştirilen filtrelerdir.
Bu tezde gömülü dalga kılavuzu yapısında K frekans bandında çalışan çoklu bant geçiren filtre tasarımları amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda tek bant geçiren kanal filtrelerinin tasarımı gerçeklenmiştir. Kanal filtrelerinin üç boyutlu elektromanyetik benzetim programlarında simülasyonları yapılarak frekans tepkileri incelenmiş ve gerekli iyileştirmeler/optimizasyonlar yapılmıştır.
Sonraki aşamalarda, kanal filtrelerinin birbirleriyle olan entegrasyonu sağlanarak çoklu bant geçiren filtre tasarımı gerçeklenmiştir. Bu doğrultuda, öncelikle iki çıkışlı çoklayıcı (çiftleyici) tasarımı gerçeklenmiş ve frekans tepkisi incelenmiştir. İlaveten, gömülü dalga kılavuzu yapısındaki güç bölücü topolojileri kullanılarak, üç çıkışlı çoklayıcı yapısı tasarlanmıştır. Elektromanyetik simülasyonlar ve optimizasyonlardan sonra gömülü dalga kılavuzu yapısında çoklu bant geçiren filtrelerin üretimi yapılmış ve ölçüm sonuçları değerlendirilmiştir.

Abstract:
Microwave filters are frequently used components in RF/Microwave systems and ensure that only desired frequencies of electromagnetic signals are transmitted. There are various kind of filters according to their frequency responses (lowpass, highpass, bandpass and band stop filters) and different structural features (microstrip, cavity, lumped element, ceramic and waveguide filters). Substrate Integrated Waveguide (SIW) filters which are designed using successive vias on a substrate whose both surfaces are plated with conductive metals are also frequently used filter type in microwave systems. Substrate Integrated Waveguide filters could be compared with dielectric filled waveguide filters. However, Substrate Integrated Waveguide filters have advantages over waveguide filters in terms of production, size and weight. In addition, Substrate Integrated Waveguide filters could be also preferred because frequency responses of this kind of filters are converges to frequency responses waveguide filters.

With the developing technology like 5G/6G and Internet of Things, faster communication systems are needed nowadays. Therefore, multiband wireless systems and apparatus are need to be developed. Multiband bandpass filters are raised because of that reason.
In this thesis, Substrate Integrated Waveguide filter designs in K frequency band are aimed. For that purpose, single channel SIW bandpass filters are designed in the light of theoretical information. The designed channel filters are simulated on a three-dimensional electromagnetic solver, and the frequency responses of the channel filters are optimized.
After that, channel filters are implemented to each other to design multiband bandpass filters. In this direction, a diplexer design is carried out, and its frequency response is examined. In addition to that, a triplexer is designed. After electromagnetic simulations and optimizations, SIW multiband bandpass filters are produced, and the measurement results are evaluated.