Amaca uygun olarak yansıma ve iletim karakteristikleri değiştirilebilen yapısal yüzey malzemesi
Design for the structural surface material at which reflection and transmission characteristics can be controlled
Yazar: BORA DÖKEN
Danışman: PROF. DR. MESUT KARTAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Bilişim Enstitüsü / İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı / Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Kablosuz iletişim sistemleri günümüzde yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Sınırlı sayıdaki frekans bantlarının yoğun kullanımı sebepleriyle kapalı ortamlardaki birçok haberleşme sistemi aynı frekans bandını kullanmak zorunda kalmış ve sistemler arası girişim önemli bir problem haline gelmiştir. Kablosuz sinyallerin istenmeyen mesafelere iletimi de bilgi güvenliğinin sağlanması açısından önemli bir problem olmaktadır. Gelişmiş işaret işleme teknikleri ve anten tasarımları ile bu problemler çözülmeye çalışılmaktadır. Bütün bu sorunların çözümü ile ilgili önemli bir yaklaşım tarzı kablosuz ağların birbirlerinden izole edilmeleridir. Kablosuz ağların birbirlerinden izolasyonları ise binaların iç ve dış yüzeylerinin istenmeyen işaretleri engelleyen, istenilen işaretleri geçiren frekans seçici filtreye dönüştürülmeleri ile gerçekleşebilmektedir.
Dielektrik ortam üzerine yerleştirilmiş periyodik iletken yama veya açıklık dizileri frekansa göre değişen yansıma ve iletim özellikleri göstermekte ve frekans seçici yüzeyler (FSY) olarak adlandırılmaktadırlar. Anten ve mikrodalga alanlarında birçok uygulamaları bulunmaktadır. Çok bantlı mikrodalga antenler, radomlar, dalga kılavuzu uygulamaları, yansıtıcı antenler, yapay manyetik iletkenler, demet bölücüler, emici yüzey tasarımları vs. bu uygulamalara örnek olarak verilebilir. Son yıllarda kablosuz haberleşme sistemlerinde görülen girişim, güvenlik, işaret güç seviyesi problemlerine sunduğu çözümler dolayısıyla incelenmektedirler.
2.4 GHz (2.4–2.4835 GHz) ve 5.8 GHz ISM (5.725–5.850 GHz) serbest frekans bantları bina içi kablosuz iletişimlerde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Gelecekte bina içlerindeki bütün elektrikli ev aletlerinin, haberleşme ve kontrol sistemlerinin bu frekans bantlarını kullanmaları öngörülmektedir. Haberleşme teknolojilerindeki hızlı gelişmeler, iletim ortamlarının yapısının ve kullanıcı taleplerinin zamanla değişebilmesi FSY'lerin davranışlarının da amaca uygun olarak değiştirilebilmesi ihtiyacını doğurmaktadır. Bu sebeple, tez çalışmasında 2.4 GHz ve 5.8 GHz ISM kablosuz haberleşme frekansları bantları iletiminin amaca uygun kontrol edilebilmesi hedeflenmiştir. Tasarlanan yüzey malzemesinin amaca uygun olarak değiştirilebilen dört farklı frekans karakteristiğine sahip olması öngörülmüştür: 2.45 GHz ve 5.8 GHz ISM bantlarının her ikisinin de durdurulması veya iletilmesi, 2.45 GHz ISM bandının durdurarak 5.8 GHz ISM bandının iletilmesi ve 2.45 GHz ISM bandı iletilirken 5.8 GHz ISM bandının durdurulması. Hedeflenen frekans bantları durdurulduğunda yüzey malzemesinin iletim katsayısının minimum -10 dB olması hedeflenmiştir.
Tez çalışmalarında FSY geometrileri araştırılarak FSY geometrilerin frekans cevaplarını etkileyen etmenler belirlenmiştir. Eşdeğer devre yönteminin kullanılması ile FSY parametrelerinin yüzeyin frekans cevabı üzerindeki etkileri belirlenmiş ve tasarımlar bu bilgilerin ışığında şekillendirilmişlerdir. Yüzeylerin benzetimleri Ansoft HFSS programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. FSY'lerin eniyilemesi eşdeğer devre yönteminden elde edilen bilgiler doğrultusunda HFSS programının parametrik analiz özelliği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. 
Tez süresince gerçekleştirilen tasarımlar ile on dört farklı tasarım gerçekleştirilmiştir. Bu tasarımlardan beş tanesi dergilere yayınlanmak üzere gönderilmiş, dört tanesi kabul almış diğer bir tanesinin hakem süreçleri devam etmektedir. İki yeni çalışma gönderilmek üzere dergilere hazırlanmaktadır. Ayrıca, konu ile ilgili konferanslara da katılım sağlanarak dört farklı çalışma buralarda anlatılmıştır. FSY'lerin tasarım aşamalarında karşılaşılan problemler ve çözüm önerileri aşağıda özetlenmiştir:
Birden fazla durdurma bandına sahip FSY tasarımlarında, birim hücrede bulunan ve durdurma bantlarını belirleyen geometriler arasındaki girişim eniyileme aşamasını zorlaştırmakta, hatta başarısız olmasına bile yol açabilmektedir. Sorunun çözümü için tez çalışmalarında üç farklı öneri getirilmiştir.
Birinci öneride girişim etkisini kontrol edebilmek için aynı parametre değerlerine sahip benzer geometriler farklı katmanlara yerleştirilmiştir. Her bir katman ayrı bir frekans bandını durdurmaktadır. Geometrilerin benzer olması özellikle farklı geliş açılarında ortaya çıkabilecek beklenmeyen sonuçların ihtimali azaltmaktadır.
Girişim etkisi uzaklığın karesi ile orantılı olarak azaldığından girişim etkisini kontrol edebilmek için ikinci öneride iç içe geçmiş geometrilerden yararlanılmıştır. Kare döngü, dairesel döngü veya dört bacaklı yüklü geometriler gibi özel geometriler seçilerek iç içe geçen geometriler arasındaki mesafe sabit yapılmıştır. İç içe geçmiş geometriler arasındaki mesafe büyük tutularak girişim etkisi minimize edilmiştir. 
Çok bantlı FSY tasarımlarında ortaya konan üçüncü öneri geometriler üzerinde girintiler oluşturma tekniğidir. Böylece geometrilerin eşdeğer kapasite değerleri değişmeden, eşdeğer endüktans değerleri değiştirerek FSY'in rezonansı değiştirilebilmektedir. Girintiler geometriler üzerinde uygun yerlerde oluşturularak girişimin rezonans frekansı üzerine olan etkisi minimize edilmiştir.
Günümüzde haberleşme teknolojilerindeki hızlı gelişmeler FSY'lerin birden fazla frekans karakteristiğine sahip olması ve amaca uygun frekans karakteristiğinin seçilebilmesi ihtiyacını doğurmaktadır. Tasarlanan yüzeylere gelen 2.45 GHz ve 5.8 GHz frekans ISM bant frekanslarındaki elektromagnetik dalgaların isteğe bağlı olarak durdurulabilmesi veya geçirilebilmesi için FSY geometrilerinin içine varaktör veya PIN diyotlar yerleştirilmiştir. Yüzeylerin anahtarlama ve kaydırma performanslarının arttırılabilmesi için de tez çalışmalarında yeni bir öneri getirilmiştir. Öneriye göre diyotlar periyodik iletken geometriler üzerinde yük yoğunluğunun maksimum olduğu konumlara yerleştirilmelidirler.
Aktif FSY tasarımlarında her bir bandın iletim veya durdurma modları arasında değiştirilmesi diğer bandın frekans davranışını olumsuz olarak etkilemektedir. Karşılaşılan bu problemin çözümünde, çift bantlı pasif FSY geometrileri tasarımlarında geliştirilen ve durdurma bantlarının birbirlerine olan etkisini minimuma indirgeyen yöntemler aktif FSY tasarımlarında kullanılmıştır.
Varaktör diyotların eşdeğer kapasite değerlerinin yüksek olması aktif FSY tasarımlarının durdurma bant genişlikleri oldukça arttırmaktadır. Eşdeğer kapasite değeri düşük olan varaktör diyotların fiyatları oldukça yüksek olmaktadır. Bu durum, aktif FSY maliyetlerini oldukça yüksek değerlere çekebilmektedir. Tez çalışmalarında yeni bir öneri getirilmiş ve uygun değerli endüktanslar varaktör diyotlara seri bağlanarak aktif FSY'lerin durdurma bantları oldukça daraltılmıştır.

Abstract:
The rapid development of communication systems has leaded mobile applications to become widespread. Nevertheless, the radio spectrum is limited. The mutual interference among the adjacent wireless networks reduces communication speeds due to the extensive usage of unlicensed ISM bands in indoor environment. Secure personal communication within such wireless networks is also another important problem. Therefore, there is a growing need to control the propagation of electromagnetic waves within buildings.
These issues are becoming more and more important on each day and is being tried to solve by advanced signal processing techniques and antenna designs. Isolating the coverage areas of the wireless networks can be a useful solution for interference and security problems. Isolation can be achieved by converting indoor surfaces into band-stop frequency selective surfaces (FSSs). A small reduction in signal interference can increase the system performances significantly in mobile and wireless systems. An achievement of signal attenuation by 10 dB can reduce the separation required for frequency reuse by a factor of three. In addition, today's communications technologies demand FSSs of which their frequency selective characters can be changed to suit the purpose. Therefore, researches have been done on reconfigurable FSS that frequency response can be controlled actively. Therefore, the aim of this thesis is defined in order to control the transmission of extensively used 2.4 GHz and 5.8 GHz ISM bands.
Band-stop FSS characteristic is achieved by using periodic conducting arrays, which behaves as a filter for electromagnetic waves depending on its structure. The inclusion of lumped elements, such as varicaps, PIN diodes and etc. in specific locations within each unit cell of FSS allows control on the frequency response of FSS by changing the applied voltage bias. These surfaces are called as active or reconfigurable FSSs. Switching and tuning are two special features of these active surfaces.
In this thesis work, Ansoft HFSS v.15 software is used for analyzing the electromagnetic behavior of FSS. Equivalent circuit model is also used to determine the effects of the geometrical parameters of the FSS on the frequency characteristic of FSS.
In the first stage, multiple resonator structures are investigated for multiband passive FSS design. Multiple resonators are placed in a FSS unit cell either nested, hybrid or in a layered structure. An important issue is the mutual effect between each resonator in one unit cell. Mutual effect is highly dependent to wave incidence angle and may lead the optimization stage to be inadequate or time consuming. Therefore,   novel design techniques are proposed in order to control mutual effect and whereat able to optimize each resonant frequency efficiently.
In the second stage, PIN and varactor diodes are integrated in specific locations within each unit cell of FSS to control the frequency response by changing the applied voltage bias. These surfaces are called as active FSSs. Electrical properties of PIN and varactor diodes can be controlled by applying bias voltages. Tuning and switching features are achieved by using varactor and PIN diodes respectively. In order to achieve desired tuning and switching performances, simple FSS geometries are modified using the information obtained from equivalent circuit model. Mutual effects between each resonator is also an important problem for active FSS designs. Same techniques, which have been proposed for passive FSS designs have been implemented in active FSS designs. 
As a result of thesis works: Fourteen FSS designs are proposed. Four different conferences were attended. Five works have been sent to different journals. Four of them has been accepted and the other one is in review process. Two new works are also being prepared for the journals.
FSS designs:
1st design: The aim of this study is to proposeca FSS absorber design at the unlicensed 2.45 GHz ISM band. Absorber characteristic is achieved by placing a second FSS layer comprising lossy periodic FSS elements or placing lumped resistors on the conducting paths of periodic element geometries. HFSS software is used for simulation and design purposes. The minimum attenuation was obtained as 20dB on the transmission (S21) coefficient, while it was obtained as 10dB on the reflection (S11) coefficient, respectively.
2nd design: As a result of the enormous increase in mobile phone usage throughout the world, mobile phone base stations are located in almost everywhere nowadays. The globally recognized organizations have started to release maximum RF exposure levels that are regarded as safe. An efficient approach to decrease the RF exposure levels inside the buildings is to transform building walls to a frequency selective surface which filters out GSM signals but allows the others, such as radio and television signals. This work proposes a new multiband Frequency Selective Surface element geometry, which leads to a minimum 20 dB attenuation in 900 MHz, 1800 MHz and 2100 MHz mobile communication bands according to Swiss electromagnetic radiation prevention limit values (NISV, DEC 23 1990). Achieved results show that the proposed FSS element geometry has a stable frequency response with minimum 20dB of attenuation levels for TE and TM polarizations when the angle of incident wave is varied from 00 to 600.
3th design: A novel triple band frequency selective surface (FSS) as a band stop filter in GSM frequency bands is presented. Unit cell of the FSS consists of two isolated components, one square loop resonating at 942 MHz and another synthetic resonator in the same layer having resonant frequencies of 1842 MHz and 2142 MHz. A novel technique is introduced in the design of the synthetic resonator, which consists of two similar geometries, which are coupled to each other by slim capacitive gaps between the geometries. As a result, two resonances are arisen from joint lengths of two coupled geometries. It means that two coupled geometries operate as a unique synthetic resonator at two very closely spaced frequencies of 1842 MHz and 2142 MHz. Furthermore, very low frequency response sensitivity to the oblique incidence angles is achieved by using a miniaturized single synthetic resonator for the two frequencies in a single layer.  Dimensions of the unit cell are achieved as 0.14λ (λ is the wavelength of first frequency resonance). A desirable -20dB attenuation in the transmission characteristics is achieved at all downlink frequencies of GSM system with stability for oblique incidence for both TE and TM polarizations
4th design: A new dual layer band stop FSS structure is designed for mitigating interference and WLAN security within the buildings in the unlicensed 2.4GHz and 5.4GHz ISM bands. The new element geometry is capable of achieving a stable frequency response for a wide range of oblique incidence angles. This is due to a periodic cell size which is almost one tenth of corresponding wavelength of 2.4GHz. Achieved attenuation levels are around 20dB for TE and TM polarizations at all incidence angles. Besides, the proposed technique of using identical geometries on each layer enables the structure to be optimized at 2.4GHz and 5.8GHz resonance frequencies independently.
5th design: A nested circular ring FSS structure is designed to stop both 2.4GHz and 5.8GHz ISM bands in this work. To reduce the incidence angle dependency for 5.8GHz band, an etched inner circular geometry is used in the structure. To improve the attenuation performance, another etched circular loop is added to the lower side of the dielectric substrate. Added circular loop geometry is rotated 600 counter-clockwise direction in order to have stable frequency response for all polarizations. The new element geometry is capable of achieving a stable frequency response for wider oblique incidence of angles. Besides, a periodic cell size (p=26,5mmm) which is almost one fifth of the first resonance wavelength is obtained.
6th design: A novel nested FSS geometry is proposed for mitigating interference and WLAN security in the 2.4 GHz and 5.8 GHz ISM bands. Proposed band-stop geometry has a stable frequency response up to 45 degrees of incidence angles while achieved attenuation levels are 20 dB and 15 dB in 2.4 GHz and 5.8 GHz ISM bands respectively. A new simple design technique, which is based on etching on the conducting paths, is proposed to optimize each resonance frequency independent from the other. Besides, as an important feature, this technique also allows adjusting the frequency interval between the stopbands. Simulation results prove that proposed geometry and the new design technique allows us to optimize FSS to the desired new frequency bands with a great ease. Number of the stop bands can easily be increased by using more nested geometries in the structure.
7th design: A novel miniaturized one layer FSS geometry is designed for mitigating interference and WLAN security in the 2.4GHz and 5.8GHz ISM bands. Proposed band-stop geometry is capable of attenuating incoming signals minimum 20dB for wide oblique incidence of angles. Stable frequency response is achieved despite the high ratio (5.8GHz / 2.45GHz = 2.36) between the desired frequency stop-bands. A novel FSS design technique, which based on nested geometries and miniaturizing is used in order to optimize the 2.4GHz and 5.8GHz resonance frequencies individually.
8th design: A tunable band stop FSS geometry is proposed in this work. Wide tuning range with minimum 30 dB attenuation is achieved between 2.4 GHz and 5.8 GHz frequencies. However, minimum transmission loss level outside the stop band is 10 dB as a result of wide tuning range of the resonance frequency. Dual layer structure allows independent tuning for vertical and horizontal polarizations. This feature improves the filtering characteristics of the FSS where signal levels differ in the vertical and horizontal polarizations.
9th design: Band stop FSS geometry with having wide tuning feature is proposed in this work. Minimum 30dB attenuation is achieved in the desired frequency band between 2.42GHz and 5.96GHz frequencies. By adding capacitive edges to the end of legs of "Four Legged Loaded" FSS geometry frequency tuning range is almost increased %11 by comparing with the "Four Legged Loaded" element geometry. Obtained thickness of the structure is only 0.8mm, which also gives the possibility of using this design as a structural surface material for blocking the ISM signals.
10th design: A novel switchable band-stop FSS geometry is designed in the 2.4GHz ISM band for mitigating interference and to increase WLAN security. PIN diodes are used on the conducting geometries in order to achieve switching feature. When the PIN diodes are forward biased, proposed FSS geometry attenuates incoming electromagnetic wave minimum 20dB. If PIN diodes are not biased, resonance frequency is shifted minimum 800MHz to higher frequencies. Achieved attenuation level is almost less than 5dB in the 2.45GHz ISM band at this stage. Besides, according to the applied reverse bias voltage, proposed FSS can be tuned to the desired frequency between 4GHz and 4.6GHz frequencies. 
11th design: A novel switchable band-stop FSS geometry is designed for 2.4GHz ISM band within cooperation of Javad Jangi Colezani. In order to bias PIN diodes, unit cell geometries itself are used as biasing circuit. A separate biasing circuit is not used to prevent interfering of the circuit with the incoming wave. Towards this purpose, unit cells are connected to each other by using capacitors in parallel with resistors. Achieved results show that 25 dB transmission attenuation is obtained in frequency bands where FSS is supposed to stop the incoming wave depending on the applied bias status. Besides, 3 dB transmission attenuation is obtained where FSS is supposed to pass the incoming wave depending on the applied bias status.
12th design: A novel switchable band-stop FSS geometry is designed in the 2.4GHz and 5.8 GHz ISM bands. Proposed switching FSS have four different frequency characteristics depending on the applied bias voltage only at TE polarization. At TM polarization, FSS passes incoming waves. Achieved results show that 18 dB transmission attenuation is obtained in frequency bands where FSS is supposed to stop the incoming wave depending on the applied bias status. Besides, 3 dB transmission attenuation is obtained where FSS is supposed to pass the incoming wave depending on the applied bias status. 
13th design: A novel switchable band stop FSS geometry is designed for the 2.4 GHz and 5.8 GHz ISM bands. Proposed switching FSS have four different frequency characteristics depending on the applied bias voltage. Achieved results show that 20 dB transmission attenuation is obtained in frequency bands where FSS is supposed to stop the incoming wave depending on the applied bias status. Achieved switching performance is further increased by widening the conducting paths at the connection points of PIN diodes.
14th design: A novel band-stop FSS geometry is designed in order to control 2.4 GHz and 5.8 GHz ISM bands. Proposed structure consist of two layers with the same geometry. MACOM MAVR-011020-14110P (0.19 pF- 0.025 pF) varactors are connected in series with 2nH (top layer) and 18nH (bottom layer) inductors.  Inductors are both used in order to shift the stop-band to the desired frequencies and to narrow the stop-bands. Minimum 30dB attenuation is achieved in the desired frequency stop-bands.