Farklı yapı ve özelliklerdeki dokuma ve örgü kumaşların elektromanyetik ekranlama etkinliğinin araştırılması
Investigating the shielding effectiveness of the woven and knitted fabrics with different structure and characteristics
Yazar: RUSLAN ABDULLA
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA MERDAN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Bilgisayar destekli yazılım = Computer aided software ; Dielektrik dalga kılavuzu = Dielectric waveguide ; Elektromanyetik alanlar = Electromagnetic fields ; Elektromanyetik ekranlama = Electromagnetic shielding ; Mikrodalga frekans = microwave frequence

Özet:
Bu tez çalışmasında 1.7 – 2.6GHz frekans bandında yayılan elektromanyetik dalgaların şiddetini zayıflatmak amacı ile iletken fiber tel içeren kumaşlar üretilmiş ve ekranlama etkinlikleri simulasyon ve deneylerle ölçülmüş, arayüz uygulaması yazılmış, tanımlayıcı istatistikleri çıkarılmış, istatistiki değerlendirme ve kümeleme işlemleri yapılmıştır. Deneylerde kullanılan kumaşlar örme ve dokuma kumaşlar adı altında iki grupta toplanmış, içerdikleri iletken teller ise bakır, gümüş ve paslanmaz çelik olarak tercih edilmiştir. Örme kumaşlar ribana, süprem, milano, selanik ve pike iken dokuma kumaşlar ise bezayağı, dimi ve panama türleri olarak üretilmiştir. 
İletken kumaşları oluşturan iplikler iletken fiber tel ile pamuk ipliğinin iplik katlama büküm makinesi ile birbirine burulması ile elde edilmiştir. Ardından, ipliklerin örme ve dokuma makinelerinde uygun ilmek sıklığı ayarlamaları yapılarak, örme ve dokuma kumaş üretimi sağlanmıştır. 
Kumaşların EE simulasyonu için CST Studio 2012 yazılımı kullanılmıştır. CST'de kumaş geometrisinin çizimi zor olması sebebi ile çizimler 3 boyutlu olarak AutoCAD Mechanical 2014 yazılımında çizilmiştir. Elde edilen çizim dosyası ACIS Sat dosya formatına export yöntemi ile dönüştürülmüştür. CST Studio ile Sat formatlı dosya açılarak uzayda bağımsız bulunan kumaş geometrisinin parçaları boolean add yöntemi ile tek katı cisim haline getirilmiştir. Son olarak malzemenin özelliğine ilgili iletken özelliği verilerek dalga kılavuzu yöntemi ile S parametreleri incelenmiştir. Elde edilen S parametreleri Matlab yazılımı yardımı ile uygun dönüşüm eşitlikleri kullanılarak EE değerleri elde edilmiştir.
Deneyler etkin çalışma frekansı 10MHz – 9GHz olan Anritsu MS4624B network analizörü yardımı ile yapılmıştır. Kumaşlar WR430 standartlarına uygun, 1.7-2.6GHz frekans bandında, bir dalga kılavuzu arasına konulup, giriş ve çıkış sinyallerinin network analizör tarafından alınıp verildiği bir sistemde test edilmiştir. WR430 standardındaki dalga kılavuzu için test edilecek numunenin boyutları 54.61 x 109.22mm'dir. Bilgisayarda kurulu olan yazılım ile her numune için okunan S11 ve S21 değerleri birbirinden farklı *.dat formatında tanımlayıcı bilgileri ile beraber kaydedilmiştir. Matlab 2010a yazılımında yazılan kod sayesinde dosyalar otomatik olarak açılmış S parametreleri EE değerlerine dönüştürülmüştür. Her numune için elde edilen EE değerleri tanımlayıcı bilgileri ile beraber kullanılarakgrafikleri çizdirilmiştir. Grafikler sayesinde kumaşların EE değerleri daha kolay bir şekilde karşılaştırma ve analizleri yapılmıştır. 

Numunelerin ekranlama etkinlikleri değerlerinin karşılaştırma işlemleri için her defasında Matlab kodlarında düzenleme yapılması gerekir. Visual Studio 2010 .NET4.0 platformunda C# kodları ile yazılan bir uygulama geliştirildi. Bu uygulama kullanıcı dostu özelliğine sahip olup, kullanıcının yazılımın arayüz bölümünden istediği kumaşları seçmesine olanak sağlamaktadır. Yazılım Matlab kodlarına entegre edildiğinden, çıktısı matlab grafiği gibi verilmektedir. Böylece istenilen kumaşlar arasındaki farklar kolaylıkla okunabilmektedir.
Son olarak her numune için EE değerleri toplu olarak SPSS 18 istatistik yazılımına atılmış ve tanımlayıcı istatistikleri çıkarılmış, kümeleme testleri yapılmıştır. Bunun için öncelikle varyansların normal dağılıp dağılmadığı test edilmiştir. Anlamlılık seviyesi değerlerine bakarak Welch testi yapılmıştır. Test sonucunda değer gruplarının ortalamaları arasında %95 güven düzeyinde fark olduğuna karar verilmiştir. Gruplar arasındaki farkın tespit edilmesi için Anova testi uygulanmıştır. Test sonucu her bir numunenin başka bir numune ile karşılatırması yapılmış ve ortalamaları arasında fark olup olmadığı gözlemlenmiştir. EE değerlerini kümelere ayırmak için Hiyerarşik ve Two Step kümeleme algoritmaları kullanılmıştır. Her iki algoritma girdi olarak gelen 29örme kumaşı 2 kümeye ayırmıştır. Ardından veriyi daha spesifik bölümlere ayırmak için 4 kümeye ayrılacak şekilde algoritma tekrardan çalıştırılmıştır. 3 örme kumaşın bir gruba toplandığı ve diğer numunelerden koptuğu görülmüştür. 
Çalışma için 5 farklı türde 29 örme ve 3 farklı türde 3 dokuma kumaş üretilmiştir. Örme kumaş türleri ribana, süprem, pike, milano ve selanik iken dokuma kumaş türleri ise bezayağı, dimi2x2 ve panama olmuştur. Kumaşlar bakır, gümüş ve paslanmaz çelik olmak üzere 3 farklı iletken fiber içermektedirler. Tüm numunelerin ekranlama etkinliği deneylerle test edilmiştir. Deney sonucu ilmek sıklığının az olması EE değerlerini artırdığı görülmüştür. Farklı örme kumaşlarda bir-birlerine üstünlüğü olması sebebiyle bakır, gümüş ve çelik olmak üzere bu 3 malzemeden hangisinin en iyisi olduğuna dair somut bir netice çıkarılamamıştır. Dokuma kumaşların üçünün de ekranlama etkinliği değerleri örme kumaşlarınkinden daha iyi olup 30 – 54.95dB bölgesine yerleştiği gözlemlenmiştir. Dimi2x2 kumaşı 46.41 – 54.95dB'lik ekranlama etkinliği aralığı ile en iyi ekran malzemesi olmuştur. Örme kumaşlar içerisinde en iyi sonucu milano 4mm bakır, pike 2mm bakır ve milano 6mm çelik vermiştir. Pike 2mm bakır 23.15dB'lik ekranlama etkinliği değeri ile onun en iyi örme kumaş ekran malzemesi olduğunu kanıtlamıştır.  Sonuçların doğruluğu istatistiki verilerle de desteklenmiştir.

Abstract:
In this study, fabrics consisting conducting fibers were manufactured in order to reduce the power of electromagnetic waves propogating in frequency band of 1.7 – 2.6GHz, shielding effectiveness were tested both with simulation and real-time experiments, interface application codes were written, descriptive statistics were derived, statistical reviweing and grouping operations were done. Fabrics used in experiments were derived into two groups under the name of knitted and woven. Conducting fibers were preferred as copper, silver and stainless steel. Knitted fabrics were manufactured as rib, weft knitted, milano, cardigan and lacoste whereas woven fabrics are plain, twill and basket.
Yarns forming conductive fabrics were formed by twisting the conductive fiber and cotton yarn by core spun yarn spinning machine. Afterwards, denseness of stitchs were properly arranged on knitting and weaving machines so that the knitted and woven fabrics were manufactured.
CST Studio 2012 was used for the SE simulations of fabrics. Since drawing the fabric patterns are not easy in CST, the drawings were done in 3D by using AutoCad Mechanical 2014. Obtained drawing file was tranformed into ACIS Sat file format by exporting method. The Sat file in CST and parts of the geometry of the fabric, available in free space, converted into single solid state by boolean adding. Lastly, S parameters were examined by waveguide method. By using the obtained S parameters with proper transformation equations on Matlab application, shielding effectiveness values were obtained.
Expepiments carried out with Anritsu MS4624B network analyzer having effective operating frequency 10MHz – 9GHz. Fabrics were placed between a waveguide in accordance with WR430, operating in 1.7 – 2.6GHz frequency band and was tested in a system which input and output signals were provided by network analyzer. Sample size to be tested for waveguide in WR430 standard is 54.61 x 109.22mm. The gathered S11 ve S21 values for all samples were saved into the files with the format *.dat with the help of the software installed on computer. With the code written in Matlab 2010a, the files were opened automatically and S parameters were transformed to SE values. SE values obtained for every sample were used with descriptive data to sketch graphics.
For the comparison of SE of samples, Matlab codes must be editted for each time. An application written in C# codes in Visual Studio 2010 .Net4.0 platform was developed. This application was user friendly and lets the user choose the desired fabric from interface section. As the software in integrated in Matlab codes, output was given as a matlab graph. So the distinctions between the choosen fabrics were seen easily.
Lastly, SE values for each sample was used in SPSS18 statistical software and descriptive statistics of SE values and grouping tests were performed. For this, firstly it was tested if variants were distributed normal or not. Welch test was performed in accordance with significance values. Based on %95 confidence level test results confirmed that there was difference between group values. In order to determine the difference between the graphs Anova test was performed. Comparison of a sample with another was done and results were observed if there are any distinctions between the means of them. For grouping SE values, Hierarchical and Two Step grouping algorithms were used. Both two algorithms divided the input (29 knitted fabrics) into two groups. In order to divide data into more specific sections, algorithms's settings altered so that the next output would be four groups. After the next run, it was seen that three knitted fabrics were in same group being distinct from the other samples.
For the study, 29 knitted fabrics in five types and 3 woven fabrics in 3 types were manufactured. Knitted fabric types were named as rib, weft knitted, lacoste, milano and cardigan whereas woven fabric types were plain, twill and basket. Fabrics contain three different conductive fibers named copper, silver and stainless steel. Shielding effectiveness of all samples were tested by experiments. The result of experiments showed that fabric with high stitch denseness has bigger SE values. As copper, silver and steel has advantages over one another in different types of knitted fabrics, there was no concrete results on which of these three materials were better in shielding at given frequencies. For both three of woven fabrics, SE, ranged in 30 – 54.95dB, was better than the SE of knitted ones. Twill2x2 fabric having 46.41 – 54.95dB shielding effectiveness range, was the best shielding material of all. In knitted fabrics, milano 4mm copper, lacoste 2mm copper and milano 6mm steel performed the best results. Lacoste 2mm copper having 23.15dB shielding effectiveness was the best shielding material in group of knitted fabrics. The reliability of results were supported by statistical results.