Kompozit malzemelerin ekranlama etkinliği ölçümü için yeni bir test cihazı geliştirilmesi ve optimizasyonu
Development and optimization of a new testing device for electromagnetic shielding effectiveness of composite materials
Yazar: EBRU SEZA TÜRKSOY
Danışman: DOÇ. DR. ÖMER GALİP SARAÇOĞLU
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Medeniyetin ilerlemesi ile elektrikli ve elektronik cihazlar günlük hayatımızda çok daha önemli bir konuma gelmiştir. Yaşamımızın her safhasına girmiş olan bu cihazların kullanımı, hayatımızı kolaylaştırmakla birlikte elektromanyetik çevre kirliliği sorununu da beraberinde getirmiştir. Elektromanyetik radyasyondan korunmada kullanılan başlıca yöntemlerinden birisi ekranlamadır. Günümüzde klasik ekranlama malzemelerinin sınırlı esneklik, ağırlık, korozyon ve ekranlama verimliliğini ayarlama zorluğu gibi dezavantajlarından dolayı ekranlamada daha hafif, esnek ve daha düşük maliyetli tekstil esaslı malzemeler tercih edilmektedir. Ayrıca artan sağlık ve çevre bilinci ile elektromanyetik ışımanın zararlı etkilerinden korunmak amaçlı tekstil esaslı yapıların geliştirilmesi ile ilgili bilimsel çalışmaların sayısı da sürekli artmaktadır. Malzemelerin ekranlama etkinliği (SE-Shielding Effectiveness) uygulama alanını belirleyen bir parametredir. Klasik metal malzemeler için ekranlama etkinliği, sadece materyalin elektrik ve manyetik parametrelerine bağlı olarak kolayca hesaplanabilirken; kompozit materyaller ve/veya tekstil esaslı yapıların SE değeri sadece fiili olarak ölçülerek belirlenebilir. Ekranlama amacıyla geliştirilen tekstil esaslı malzemelerin ekranlama etkinliği ölçümünde kullanılan en yaygın iki metot; yankısız oda ve koaksiyel tutucu metodudur. 
Tez çalışması üç aşamadan oluşmaktadır: Birinci aşama, ASTM D 4935 standardına dayalı koaksiyel tutucunun ölçme hatalarını giderecek modelleme çalışmasıdır. Bu çalışma, Farksal Gelişim Algoritması kullanarak, geliştirilen model parametrelerinin optimizasyonuna dayanmaktadır. 
Tez çalışmasının ikinci aşamasında, yine ASTM D 4935 standardını esas alan, ancak malzemesi ve boyutları değiştirilerek, ölçüm yapılabilen frekans üst sınırının yükseltildiği yeni bir test aparatı geliştirilmiştir. Tasarlanan yeni test aparatı ile 10 MHz-5.25 GHz frekans aralığında sağlıklı SE ölçümleri yapılabilmektedir. Ayrıca bu cihazın diğer bir avantajı da SE ölçümlerinde diğerlerine göre nispeten daha küçük boyutlu numunelerin kullanılmasına imkân vermesidir. 
Tez çalışmasının üçüncü aşamasında, yeni geliştirilen test aparatının ölçüm hatalarının giderilmesi için yeni bir model önerilmiş, yine Farksal Gelişim Algoritması kullanarak bu modelin parametrelerinin de optimizasyonu yapılmıştır. Tezin birinci ve üçüncü aşamasında önerilen ve optimize edilen her iki model de, yankısız oda ölçüm sonuçları ile mükemmel uyum sağlamıştır.
Tez çalışması sırasında geliştirilen test aparatının, hafif, geniş frekans aralıklı, pratik kullanımlı ve hızlı ölçümlere imkan vermesi en çarpıcı yönleridir. Ancak, en önemli sorunu, söz konusu geniş frekans aralığı boyunca bazı frekans bölgelerinde beklenen davranıştan sapmasıdır. Dolayısıyla bu tez çalışmasında, bu sorunu da ortadan kaldırmak için, ekranlama etkinliği sonuçlarını doğrusal olmayan bir modelle düzelterek, standart ölçümlerle uyumlu hale getirilmesi sağlanmıştır. Model geliştirme ve optimizasyon için rasgele seçilmiş bir hibrit kumaşa ait standart ölçüm sonuçları kullanılmış ve diğer kumaşların standart ölçümleri, optimize edilmiş modelle test edilmiştir. Test sonuçlarının, standart ölçüm sonuçları ile mükemmel uyum sergilediği gözlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Elektromanyetik radyasyon, metal içerikli kompozit iplikler, iletken kumaşlar, ekranlama etkinliği(SE)

Abstract:
With the advancement of civilization, electrical and electronic equipments have become much more important position in our daily lives. The use of these equipments which entered into every stage of our lives, not only makes our lives easier but also has brought the electromagnetic pollution problem. One of the main methods used to protect from electromagnetic radiation is shielding. Nowadays lighter, flexible and more cost-effective textile-based materials are preferred for shielding, instead of conventional shielding materials which have some disadvantages such as limited flexibility, weight, corrosion and the difficulty of adjusting the shielding efficiency. Also the number of scientific researches related to the development of the textile-based structure aiming function of protection from the harmful effects of electromagnetic radiation are steadily increasing. Shielding effectiveness (SE) of material is a parameter that determines the application area of materials. While the SE value of conventional metal materials can be easily calculated depending on the electric and magnetic parameters of the material, the SE of composite and/or textile-based materials can be determined only by measuring. The two most common methods used for SE measurement of textile-based materials developed for the purpose of shielding are anechonic chamber and coaxial holder methods.
Thesis consists of three stages: first stage is modeling study to eliminate measurement errors of coaxial holder method based on the ASTM D 4935 standard. This study is based on the optimization of the model parameters developed by using Differantial Evoluation Algorithm.
In the second stage of thesis, a new test apparatus based on the ASTM D 4935 standard is designed and implemented by changing the material and dimensions. Thus capable of measuring frequency upper limit is also raised. Accurate measurements can be made in 10 MHz-5.25 GHz frequency range with this new test apparatus. Also a further advantage of this test apparatus is that allowing the use of relatively smaller sample size.
In the third stage of the thesis, a new model for the elimination of measurement error of newly developed test apparatus has been proposed, though the optimization of the parameters of this model are made using Differential Evolution Algorithm. Both models proposed and optimized in the fist and third stages of the thesis are perfect fit with the test results of anechonic chamber method.
The test apparatus developed during the thesis, have some striking aspects, such as,  lightweight, broad frequency range and opportunities for practical use and fast measurements. However, the test apparatus show the deviation from the expected behavior of the certain frequency over a wide frequency range. Therefore, in this study, to eliminate this problem, correcting the results of shielding effectiveness of a non-linear model, to be aligned with the standard measurement is provided. The standard measurement results of the hybrid fabric sample selected randomly were used for model development and optimization and the standard measurements of other hybrid fabric samples were tested with optimized model. It was observed that, the test results exhibit excellent compatibility with standard measurement results.

Keywords: Electromagnetic radiation, composite yarns containing metal, conductive fabrics, shielding effectiveness (SE)