4.5G frekanslarında çok bantlı geniş geliş açısı aralığında etkili yeni bir frekans seçici yüzey tasarımı
A novel low-profile multiband frequency selective surface (FSS) for imt-advanced (4.5G) mobile communication system
Yazar: ŞAKİR BALTA
Danışman: PROF. DR. MESUT KARTAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektronik haberleşme = Electronic communication ; Evrensel mobil telekomünikasyon sistemi = Universal mobile telecommunication system ; Fraktal modelleme = Fractal modelling ; Frekans cevabı = Frequency response ; Frekans seçen yüzeyler = Frequency selective surfaces

Özet:
Dünyada artan nüfüs ve gelişen teknolojiyle birlikte hücresel kablosuz sistemlerinin kullanımı artmakta, kısıtlı miktardaki frekans bantlarının yoğun bir şekilde kullanımı dolayısıyla artan işaretler arası girişimler, birçok hassas elektronik aygıtın çalışmasını etkileyebilmektedir. Bunun yanında, bu frekansları önlemeye yönelik herhangi bir sistem olmaması nedeniyle insanlar, günlük  hayatlarında, evde, ofiste, her an her yerde bu frekanslara maruz kalmakta, bunun neticesinde sağlıklarını kaybederek yaşam kaliteleri düşebilmektedir. 
Bu nedenlerle böylesi sorunlara bir çözüm olabilmesi açısından bu tezde yer verilen çalışmalarla imalatı kolay, maliyeti düşük ve geniş bir kullanım alanına sahip olabilecek frekans seçici yüzey (FSY) kaplama ürünlerinin geliştirilmesi, teknolojinin insan sağlığına verebileceği zararların önlenerek insan yaşam kalitesinin artırılması açısından önemlidir. 
Günümüzde  dünyada mobil haberleşme alanında IMT Advanced, ülkemizde de kısaca 4.5G olarak bilinen ve 800, 900, 1800, 2100 ve 2600 MHz frekans bantları içeren mobil haberleşme sistemi kullanılmaktadır. Tezin ana amacı bu frekans bantlarını engellemektir. Bu frekansların engellenmesi ile radyo dalgalarının insan sağlığına olan etkileri azaltılacak, mobil haberleşmenin olmasının istenmediği yerlerde bir engelleyici olarak kullanılabilecek, bunun yanında farklı frekanslardan gelecek işaretler arası girişimler de engellenebilecektir. Diğer bir amacımız da bir yandan bu frekansları engellerken, bir yandan da belirttiğimiz frekanslar aralığında kalan, ancak günlük hayatta oldukça yoğun kullanım alanı olan, örneğin 2.4 GHz kablosuz ağlar gibi serbest frekans bantlarını da engellememektir. Yakın gelecekte nesnelerin interneti kullanımı ile birlikte kablosuz ağların çok daha yoğun olarak kullanılacağı düşünüldüğünde, sadece ilgili frekansları engelleyen ama kablosuz ağları engellemeyen bu çalışmanın önemi giderek artacaktır. Bu nedenle yürüttüğümüz tez kapsamında, 4.5G frekans bantlarında oluşan radyo dalgalarını engelleyen aynı zamanda diğer frekans bantlarında herhangi bir engelleme yapmayan, bant durduran filtre görevi görecek yapısal yüzey malzemesi tasarlamak, bunun yanında bu frekans bantlarında ortaya çıkan işaret girişim etkilerini en aza indirmek hedeflenmiştir. Bunlara ek olarak çalışmayı yaparken tasarlanan FSY'lerin mümkün olduğunca farklı geliş açılarında etkinliğini koruması amaçlanmıştır. Bu malzemenin, durdurma bandında iletim katsayısının (S_21) minimum -10dB,  iletim bandında iletim katsayısının (S_11) 0dB'e yakın bir değerde olması ve ayrıca elektromagnetik dalganın farklı geliş açılarında, ve farklı polarizasyonlarında da amaçlanan frekans karakteristiklerini sağlaması hedeflenmiştir.
FSY'lerin frekans karakteristiği yüzeyi oluşturan periyodik eleman geometrilerine bağlı olduğundan çok çeşitli eleman geometrileri literatürde incelenmiştir. Benzer biçimde periyodik eleman geometrilerinin üzerine baskısının gerçekleştirildiği dielektrik tabakaların da yüzeyin frekans karakteristiği üzerine etkileri bulunmaktadır ve bu etkiler literatürde ayrıntılı olarak incelenmiştir.
Tez çalışmasında FSY'lerin analiz yöntemleri de incelenmiştir. Dalga denkleminin analitik çözümü sadece bazı basit FSY geometrileri için görülmüştür. Dalga denkleminin diğer bütün FSY geometrileri için çözümü sadece sayısal çözüm yöntemleri ile elde edilebildiği görülmüştür. Bilgisayar teknolojisindeki hızlı gelişmeyle beraber sayısal analiz yöntemleri bu konuda uygulama alanı bulmaya başlamıştır. FSY geometrilerinin analizlerinde Sonlu Farklar Metodu (Finite Difference Time Method), Sonlu Eleman Metodu (Finite Element Method), Momentler Metodu (Method of Moments) gibi sayısal çözüm yöntemlerinin kullanıldığı, bunun yanında Eşdeğer Devre Modeli'nin de FSY yüzey analizlerinde kullanıldıkları literatürde görülmüştür. 
Yukarıda belirtilen sayısal analiz yöntemleri içinde tasarım aşamasında belirlenen FSY'lerin analizleri "Sonlu Elemanlar Metodu" ile gerçekleştirilmiş ve ilgilenilen frekans aralığında iletim ve yansıma katsayıları hesaplanmıştır. Ansoft HFSS programı "Sonlu Eleman Metodu" ile bu tür yapıların analizlerini yapabilmektedir. FSY'lerin eniyilemesi HFSS programında eşdeğer devre yönteminin yansıması ile, programın parametrik analiz özelliği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tez aşamasında bu programdan aktif olarak faydalanılmıştır.
Tasarımlarda mümkün olan en az sayıda rezonans ile frekans bantları arasındaki girişimler azaltılmaya çalışılarak, birden fazla frekans karakteristiğine sahip olan üç farklı tasarım geliştirilmiştir. Bunun yanında da durdurmak istenilen frekansların haricinde kalan çalışma frekanslarını engellememek amacıyla mümkün olan en dar durdurma bantlarını sağlayan, oldukça keskin kenarlı bant durduran filtreler oluşturulması için çaba harcanmıştır. Tüm bunları yaparken tasarlanan FSY'lerin mümkün olduğunca farklı geliş açılarında ve farklı polarizasyonlarda etkinliğini koruması hedeflenmiş, bu amaçla simetrik ve dalga boyuna göre çok küçük boyutlardaki geometriler kullanılmıştır.
Birden fazla bandı durduran FSY tasarımlarında karşılaşılan en büyük problemlerden biri herbir frekans bandı için tasarlanan farklı geometrilerin birbirlerine olan girişim etkileri olmuştur. O nedenle birçok geometri üzerinde araştırmalar yapılmış ve problemin çözümü için farklı yaklaşımlar getirilmiştir.
Tasarımlarda düşük maliyetli ürün geliştirmek amacıyla, 1mm kalınlığında, dielektrik sabiti 4.54 ve kayıp tanjant değeri 0.02 olan tek katlı FR4 tabaka üzerinde gerçeklenmiş, radyo frekanslarına FR4 tabakanın tepkisi kötü olmasına rağmen istenilen hedefler gerçekleştirilebilmiştir. 
Tasarımların analizleri ve eniyileştirme çalışmaları Ansoft HFSS programında yapılmış, yüzey akım yoğunluk grafikleri çıkarılarak herbir frekans bandı için geometrilerin etkinlikleri gösterilmiştir. FR4 tabakalar üzerine  gerçeklenen tasarımların ölçümleri alınmış ve benzetim sonuçlarıyla karşılaştırılarak tasarımlar doğrulanmıştır. 
Geniş bir literatür taraması yapılmış ve 4.5G frekansları üzerinde etkin olan, çoklu rezonans gösteren böyle bir çalışmaya literatürde rastlanmamıştır. Bu çalışma bu alanda yapılmış ilk ve tek başarılı çalışma olması nedeniyle litaratüre katkı sağlamıştır.

Abstract:
With the increasing population and developing technology in the world, the use of cellular wireless systems is increasing, and increased inter-signal interference due to the intense use of limited frequency bands can affect the operation of many sensitive electronic devices. In addition, since there is no system to prevent these frequencies, people are exposed to these frequencies in their daily lives, at home, in the office, everywhere at any time, as a result of which they lose their health and their quality of life may decrease.
For these reasons, it is important to develop frequency selective surface (FSS) coating products that are easy to manufacture, low in cost and have a wide range of use, with the studies included in this thesis, in terms of being a solution to such problems, in terms of increasing the quality of human life by preventing the harm that technology may cause to human health.
Today, the mobile communication system known as IMT Advanced in the field of mobile communication in the world and 4.5G for short in our country and which includes 800, 900, 1800, 2100 and 2600 MHz frequency bands is used. The main purpose of the thesis is to block these frequency bands. By blocking these frequencies, the effects of radio waves on human health will be reduced. Another goal of ours is to block these frequencies, while not blocking free frequency bands, such as 2.4 GHz wireless networks, which are within the range of frequencies we have specified, but are used extensively in daily life. Considering that wireless networks will be used much more intensively with the use of the internet of things in the near future, the importance of this study, which only blocks the relevant frequencies but does not prevent wireless networks, will increase gradually. For this reason, within the scope of our thesis, it is aimed to design a structural surface material that will act as a band-stopping filter that prevents radio waves generated in 4.5G frequency bands and does not interfere in other frequency bands, as well as minimizing the signal interference effects that occur in these frequency bands. In addition to these, it is aimed to preserve the effectiveness of the FSYs designed during the study at different angles of incidence as much as possible. It is aimed that the transmission coefficient of this material (S_21) in the stop band is minimum -10dB, in the transmission band the transmission coefficient (S_11) is close to 0dB, and it is also aimed to provide the intended frequency characteristics at different incidence angles and different polarizations of the electromagnetic wave. 
Since the frequency characteristics of FSSs depend on the periodic element geometries forming the surface, a wide variety of element geometries have been studied in the literature. Similarly, dielectric layers on which periodic element geometries are printed have effects on the frequency characteristic of the surface, and these effects have been studied in detail in the literature. 
In the thesis study, the analysis methods of FSSs were also examined. The analytical solution of the wave equation has been seen only for some simple FSS geometries. It has been seen that the solution of the wave equation for all other FSS geometries can only be obtained by numerical solution methods. With the rapid development in computer technology, numerical analysis methods have started to find an application area in this regard. It has been seen in the literature that numerical solution methods such as Finite Difference Time Method, Finite Element Method, Method of Moments are used in the analysis of FSS geometries, and that the Equivalent Circuit Model is also used in FSS surface analysis.
Among the numerical analysis methods mentioned above, the analyzes of the FSSs determined during the design phase were carried out with the "Finite Element Method" and the transmission and reflection coefficients were calculated in the frequency range of interest. Ansoft HFSS program can analyze such structures with the "Finite Element Method". Optimization of FSSs was carried out by using the parametric analysis feature of the program, with the reflection of the equivalent circuit method in the HFSS program. This program was actively used in the thesis phase.
Three different designs with more than one frequency characteristic have been developed by trying to reduce the interference between frequency bands with the least possible number of resonances in the designs. In addition, efforts have been made to create band-stopping filters with very sharp edges, which provide the narrowest stop bands possible, in order not to block the operating frequencies other than the frequencies that are desired to be stopped. Another goal for this design is to be very compact, and low sensitivity to incoming wave angle is also a key characteristic. While doing all this, it is aimed that the designed FSSs will maintain their effectiveness in different incidence angles and different polarizations as much as possible, and for this purpose, symmetrical geometries with very small dimensions according to the wavelength have been used.
One of the biggest problems encountered in FSS designs that stop more than one band is the interference effects of different geometries designed for each frequency band. For this reason, researches on many geometries have been made and different approaches have been introduced to solve the problem. In this study, new design techniques have been introduced for the solution of the issue. Suggested from the knowledge that in the first technique, the interference effect decreases proportionally with the square of the distance. To control the distance between resonant geometries nested geometries were used in the design. The interference effect can be avoided by keeping the interior geometry distance between interlocking geometries with a high degree of miniaturization as large as possible. Patch-type FSS is selected because it provides a stop band response, which is in line with the design's goal.
Two different types of surface waves occur in FSSs. The first type of surface wave, in the condition that the distance between periodic geometries is greater than half of the resonance wavelength, undesired emissions occur in the dielectric layer, called surface waves. The surface waves tend to propagate at frequencies where undesired radiation occurs when they come to the dielectric surface at an angle less than the critical angle and they cause radiation. The second type of surface waves occur at frequencies that contain a limited number of periodic elements and where the distance between periodic elements is less than half of the resonance wavelength, 20-30% lower than the resonance frequency. FSS geometries placed quite frequently and periodically in order to prevent scattering in the surface waves and to increase the performance at the targeted frequencies.
In order to develop low-cost products in designs, it was implemented on a single-layer FR4 layer with a thickness of 1 mm, a dielectric constant of 4.54 and a loss tangent value of 0.02, and the desired targets could be achieved despite the poor response of the FR4 layer to radio frequencies.
In the first design, a single-layer FSS unit cell is chosen. The FSY geometry on the front of the design controls the 800-900 MHz and 1800-2100 MHz frequency bands, while the lower layer controls the 2100 MHz and 2600 MHz frequency bands. Very simple geometries were used in the design and the dimensions were tried to be kept small. The FR4 material used is 65mm x 65mm in size and has been kept the same for each design. For TE and TM polarization at each target frequency band, simulations and experiments were carried out while the incoming wave angle varied from 0 to 60 degrees. The simulation results in this study were repeated in the ANSYS Electronic Desktop 2020 R2 program for 631 points between 0.5 GHz and 3 GHz. Here, it is aimed to make a one-to-one comparison with the measurement results. A single layer FSS was used to achieve the requisite minimum attenuation of 10 dB for large oblique incidence angles throughout all frequency bands.
In the second design, a single-layer FSS unit cell is chosen. Square patches are used on the top layer to prevent the 800 MHz frequency, "L" bars are integrated on the bottom layer to be effective at 900 and 1800 MHz frequencies, cross is integrated to stop the 2100 MHz frequency, and dodecagons are used to support the stopping characteristics at 2600 MHz and other frequencies in this FSS unit cell. By reducing the thickness of the FSS and using sub-wavelength periodic structures, the design became low-profile and reacted as a higher-order band-stop response with minimal sensitivity to incident wave angles. The simulation results in this study also were repeated in the ANSYS Electronic Desktop 2020 R2 program for 631 points between 0.5 GHz and 3 GHz. Here, it is aimed to make a one-to-one comparison with the measurement results.
In the last design, the proposed FSS has two layers and three different faces include front face, medium face and back face. Five different patch elements; a square at the front face of the first layer, "L" shaped bars, small squares and the cross at the back face of the first layer and dodecagons at the back face of the second layer are included in the design. The designed six band stop FSS is constructed of two FR-4 substrate having the thickness of 1mm, dielectric constant of 4.54 and loss tangent of 0.02 with the dimension of 65mm x 65 mm. The purpose of our orientation towards such a design is to achieve a design that can block 5G frequencies with a few different touches, this design, which is quite successful at 4.5G frequencies. For this reason, the double-layer FSS structure used is important in terms of covering the 3.3-3.8 GHz and 3.8-4.2 GHz frequency bands, and had a good performance by stopping the frequencies which are among the 5G frequencies. 
The analyzes and optimization studies of the designs were made in Ansoft HFSS program, surface current density graphs were drawn and the efficiency of the geometries for each frequency band was shown. HFSS simulates an infinitely periodic unit cell using the Floquet ports and periodic boundaries defined in the software, by making use of the real-life adaptation of Floquet's theorem. Once a Floquet port is defined, a set of modes known as Floquet modes represent areas on the port boundary. Floquet modes are plane waves with a propagation direction determined by the phase, frequency, and geometry of the periodic structure. The design presented a multi-band behavior. At each desired frequency band, simulations are run for both TE and TM polarizations, while the incident wave's angle ranges from 0 to 60 degrees. The measurements of the designs realized on FR4 layers were taken and the designs were verified by comparing them with the simulation results. It has been observed that the obtained FSS exhibits a stable frequency characteristic behavior to the electromagnetic wave which up to an angle of incidence of 60 degrees to surface normal.
An extensive literature review has been made and such a multi-resonant study that is effective on 4.5G frequencies has not been found in the literature. This study has contributed to the literature as it is the first and only successful study in this field.