Metayüzey polarizasyon dönüştürücü ve radar soğurucu tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu
Design, fabrication and characterization of metasurfaces polarization converter and radar absorber
Yazar: AYKUT COŞKUN
Danışman: PROF. DR. MEHMET ERTUĞRUL ; PROF. DR. UĞUR CEM HASAR
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Dönüştürücüler = Transformers ; Metamalzemeler = Metamaterials ; Metayüzeyler = Metasurfaces ; Radar sistemleri = Radar systems ; Repolarizasyon = Repolarization

Özet:
Amaç: Bu tezin iki ana amacı vardır: birincisi geliş açısına ve polarizasyon açısına hassas olmayan ultra-ince, geniş bant, tek katmanlı ve çok fonksiyonlu metayüzey tabanlı 3 farklı polarizasyon dönüştürücü tasarlamak ve 8-18 GHz aralığında LTC ve CPC özelliğine sahip metayüzey üretmek ve karakterizasyonunu yapmak; ikincisi, geliş ve polarizasyon açısına hassas olmayan ultra-ince, ultra-geniş bant, üç katmanlı ve çok fonksiyonlu metayüzey radar soğurucu tasarlamaktır.
Yöntem: Bu çalışmada, geniş bant genişliğine sahip, geliş açısına karşı hassas olmayan, ultra-ince ve küçük boyuta sahip üç ayrı polarizasyon dönüştürücü ve bir adet radar soğurucu metayüzey CST Microwave Studio programı kullanılarak tasarlandı. Ayrıca TE ve TM modunda geliş açısı artırılarak performanstaki değişim incelendi. Rezonans frekanslarında akım yoğunluğu ayrıntılı incelenerek sonuçları yorumlandı. Önerilen polarizasyon dönüştürücülerde yansıma katsayıları, polarizasyon dönüştürme oranları, eliptiklik değerleri, ortogonal bileşenler ve faz farkları Matlab kodları ile hesaplandı. Radar soğurucuda ise Empedansın reel ve imajiner kısımlarının frekansa göre değişimi ve soğurmanın frekansa göre değişimi incelendi. Litografi yöntemi ile X- ve Ku-bandına çalışan metayüzey üretildi.
Bulgular: Alttaş malzemesi FR-4 olan metayüzeyin, tüm X-bandında CPC band için PCR değeri en az %97 iken, yine alttaş malzemesi FR4 olan diğer bir metayüzeyin tüm X- ve Ku-bandına CPC PCR değeri en az %90'dır. Buna karşın alttaş malzemesi F4B olan başka bir metayüzeyin ise tüm K- ve Ka-bandında CPC PCR değeri en az %90 olarak bulunmuştur. X- ve Ku-bandında çalışan metayüzey litografi yöntemi ile üretilerek simülasyon ile uyumludur. Metayüzey tabanlı radar soğurucuda ise 2-110 GHz aralığında tüm bantlarda (S-, C-, X-, Ku-, K-, Ka-, V-, ve W-) normal geliş açısında en az %90 üzerinde soğuran üç katmanlı, ultra-ince, özelliklerine sahiptir. Ayrıca bu metayüzeyin soğurma verimliliği 450 geliş açısına kadar bağımsızdır. Bunun yanında, bu metayüzeyin soğurma verimliliği 900 polarizasyon açısına kadar bağımsızdır. Literatürde bu kadar geniş bantta %90 üzerinde soğuran ve 0.02𝜆0 alttaş kalınlığında benzer bir çalışma yoktur.
Sonuç: Eliptik şekilli metayüzey tabanlı polarizasyon dönüştürücünün %97 PCR değerine sahip olması ve 450 geliş açısına kadar %82 ve üstü PCR değerinde olması literatürde X-bandı uygulamaları için önemli bir aday olmasını sağlamaktadır. Ayrıca X- ve Ku-bandında çalışan polarizasyon dönüştürücünün çalışma bandının çoğunluğunda 450 geliş açısına kadar %74 üstü PCR değerine sahip olması literatürdeki birçok çalışmaya üstünlük sağlamaktadır. Altıgen şekilli polarizasyon dönüştürücünün geniş banda sahip olması ve çalışma bandının çoğunluğunda 400 geliş açısına kadar %77 üstü PCR değerine sahip olması literatürdeki K- ve Ka-bantları uygulamaları için önemli bir aday olmasını sağlamaktadır. Ayrıca, teorik olarak göreceli bant genişliği en fazla %200 iken, literatüre kazandırılan üç katmanlı metayüzey tabanlı radar soğurucuda %193 gibi henüz benzeri bulunmayan yüksek bir değere ulaşılmıştır.

Abstract:
Purpose: In this study, the thesis has two main goals: the first is to design 3 different polarization converters based on ultra-thin, broadband, single layer and multifunctional metasurfaces that are not sensitive to incidence angle and polarization angle, and to produce metasurfaces with LTC and CPC properties in the 8-18 GHz range, and characterize it; the second is to design an ultra-thin, ultra-wideband, three-layer and multifunctional metasurface radar absorber that is not sensitive to incidence angle and polarization angle.
Method: In this study, three different polarization converters and one radar absorber metasurface with wide bandwidth, insensitive to incidence angle, ultra-thin and small size were designed using CST Microwave Studio program. In addition, the change in performance was examined by increasing the incidence angle in the transverse electric field and transverse magnetic field modes. Reflection coefficients, polarization conversion ratios, ellipticity values, orthogonal components and phase differences were calculated in proposed polarization converters with Matlab codes. In the radar absorber, the variation of the real and imaginary parts of the impedance with respect to frequency and the variation of the absorption with respect to frequency were investigated. metasurface working to X- and Ku-band was produced by lithography method.
Findings: The metasurface with substrate material FR-4 has a CPC polarization conversion rate of at least 97% in the entire X-band, while another metasurface with substrate material FR4 has a CPC polarization conversion rate of at least 90% to the entire X- and Ku-band. On the other hand, for another metasurface with substrate material F4B, the CPC polarization conversion ratio was found to be at least 90% in the whole K- and Ka-band. It is compatible with simulation by being produced by metasurface lithography method operating in X- and Ku-band. On the other hand, the metasurface-based radar absorber has three-layer, ultra-thin, features that absorb at least over 90% at the normal incidence angle in all bands (S-, C-, X-, Ku-, K-, Ka-, V-, and W-) in the 2-110 GHz range. Also, the absorption efficiency of this metasurface is independent up to 450 incidence angles. Besides, the absorption efficiency of this metasurface is independent up to 900 polarization angles. There is no similar study in the literature that absorbs more than 90% in such a wide band and has a substrate thickness of 0.02𝜆0.
Results: The elliptical metasurface-based polarization converter has a PCR of 97% between 7.89-13.9 GHz and has a PCR of 82% and above up to 450 incidence angles. In addition, the polarization converter operating in X- and Ku-band has a PCR value of over 74% up to 450 incidence angles in most of the working band provides superiority to many studies in the literature. The hexagonal polarization converter has a wide band and a PCR value of over 77% up to 400 incidence angles in most of the working band, making it an important candidate for K- and Ka-bands applications in the literature. In addition, while the theoretical relative bandwidth is at most 200%, an unprecedentedly high value of 193% has been reached in the three-layer metasurface-based radar absorber, which has been introduced to the literature.