Çok fonksiyonlu metayüzeyler: Polarizasyon dönüşümü ve yönlü iletim
Multifunctional metasurfaces: Polarization transformation and directional transmission
Yazar: NURİYE ÇİĞDEM ÇEKİÇ ÖTENEL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ İ.EVRİM ÇOLAK
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Metamalzemeler = Metamaterials

Özet:
Metamalzemeler, doğada kendiliğinden bulunmayan elektromanyetik dalgaların davranışını özelleştirmek için tasarlanmış özel malzemelerdir. Metamalzemelerin; anten teknolojisi, savunma sanayi teknolojileri, uzay teknolojileri, görünmezlik teknolojisi, radyo frekansı ve mikrodalga cihazları, tıbbi görüntüleme, lensler ve optik cihazlar gibi geniş kullanım alanları bulunmaktadır. Metamalzemelerin kullanımı; yüksek kayıplar, rezonans tepkileriyle bağlantılı güçlü saçılım ve nano ölçekli üç boyutlu yapıların üretimindeki güçlükler nedeni ile zorlu hale gelmiştir. Meta yüzeyler, geçmişten bu yana alışılagelmiş metamalzemelerin kısıtlamalarına karşı çözüm sunan ve aynı zamanda bu malzemelerin bütün özelliklerini içeren iki boyutlu metamalzemeler olarak tanımlanmaktadırlar.  Son birkaç yıl içerisinde meta yüzeyler; alışılagelmiş kırınımlı optik ögelerin icraatını aşan özelliklere sahip optik sistemlerin tasarımı ve üretilmesinde kullanılmaktadır.
Bir elektromanyetik dalganın elektrik alan bileşen yönü yayının polarizasyon yönünü belirler. Antenler kendi tasarımlarından farklı polarizasyona sahip elektromanyetik dalgaları aldıkları zaman alınan sinyalin gücünde kayıplar yaşanır. Antenlere entegre metamalzeme yapıları tasarlanıp antenlerin daha verimli çalışmaları sağlanabilmektedir.
Elektronik harp alanında kullanılan Elektronik Destek (ED) sistemlerinin, tehdit radarlardan yayılan sinyalleri en doğru biçimde algılaması ve kimliklendirmesi beklenmektedir. Polarizasyondan kaynaklı sinyal gücü kayıpları yaşandığı zaman; tehdit radarlardan yayılan sinyaller ED sistemleri tarafından hiç algılanamayabilir ya da tehdit radarlardan yayılan sinyal darbeleri kayıplı olarak algılanabilir ve sonrasında tehdit radarlar ED sistemleri tarafından doğru olarak kimliklendirilemeyebilir. Bu önemli bir problemdir ve elektronik harp üzerindeki etkisi dramatik olabilir.
Bu tez çalışmasındaki amaç; polarizasyon kaybını azaltarak tek yönlü polarizasyon geçişi sağlayan ve antenlerle beraber çalışabilen, dolayısıyla ED sistemlerinde kullanılabilecek örnek bir tasarım yapmaktır. Çalışmada; CST Studio Suite programı kullanılarak, lineer elektromanyetik dalga polarizasyonunu 90 derece değiştirebilen kiral yapı ve sonrasında lineer yatay polarizasyonu geçiren fakat lineer dikey polarizasyonu durduran Jerusalem meta yüzey filtre yapısı tasarlanıp ayrı ayrı benzetimleri yapılmıştır. Daha sonra bu iki yapının birlikte kullanıldığı ve diyot özelliği gösteren tek yönlü elektromanyetik dalga iletiminin sağlandığı bütünleşik yapının benzetimi yapılmıştır. İlk yapılan benzetim sonuçlarını daha verimli hale getiren başarım iyileştirme çalışmaları gerçekleştirilmiş olup yapının daha verimli çalışması sağlanmıştır. Benzetim sonuçları tezin içerisinde yer almaktadır.

Abstract:
Metamaterials are special materials designed to customize the behavior of electromagnetic waves that do not occur spontaneously in nature. Metamaterials are widely used in antenna technology, defense industry technologies, space technologies, stealth technology, radio frequency and microwave devices, medical imaging, lenses and optical devices. The use of metamaterials has become challenging due to high losses, strong scattering associated with resonant responses and difficulties in fabricating nanoscale three-dimensional structures. Metasurfaces have historically been defined as two-dimensional metamaterials that offer a solution to the limitations of conventional metamaterials while at the same time incorporating all the properties of these materials.  In the last few years, metasurfaces have been used to design and fabricate optical systems with properties that exceed the performance of conventional diffractive optical elements.
The polarization direction of an electromagnetic wave is dictated by the orientation of its electric field component. When antennas receive electromagnetic waves with polarization different from their design, there is a loss of received signal power. Metamaterial structures integrated into antennas can be designed to make antennas work more efficiently.
Electronic Support (ES) systems used in the field of electronic warfare are expected to accurately detect and identify signals emitted from threat radars. When there are signal power losses due to polarization, the signals emitted by threat radars may not be detected at all by ES systems, or the signal pulses emitted by threat radars may be detected lossy and then the threat radars may not be correctly identified by ES systems. This is a significant problem and its impact on electronic warfare can be dramatic.
The aim of this thesis is to make a sample design that provides unidirectional polarization transition by reducing polarization loss and can work with antennas, and therefore can be used in ED systems. In the study; Using the CST Studio Suite program, a chiral structure that can change linear electromagnetic wave polarization by 90 degrees and then a Jerusalem metasurface filter structure that passes linear horizontal polarization but stops linear vertical polarization were designed and their simulations were made separately. Then, the integrated structure where these two structures are used together and unidirectional electromagnetic wave transmission is provided, showing diode properties, was simulated. Performance improvement works that made the first simulation results more efficient were carried out and the structure was made to work more efficiently. The simulation results are included in the thesis.