Elektronik soğutucuların uzak alan elektromanyetik ışıma davranışlarının incelenmesi
Investigation of far field electromagnetic emission behavior of  electronic heatsinks
Yazar: ALPARSLAN BOZKURT KARAMAN
Danışman: PROF. DR. SELÇUK HELHEL ; DR. ABDULLAH GENÇ
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Teknolojik gelişmeler yüksek güç ihtiyacı ile birlikte tümleşik devre yapısına sahip yarı iletken anahtarlama eleman (FET, JFET, MOSFET, BJT vb.) kullanımını artırmıştır. Bu gelişim elektronik cihazların devre yapısını daha karmaşık bir hale getirmiş ve ortaya çıkan yüksek frekans ihtiyaçları doğrultusunda elektronik anahtarlama elemanların hızları da artmıştır. Bu elemanlar yüksek anahtarlama hızları nedeni ile istenmeyen harmonik bileşenler üretirken, doğası gereği çalışmaları esnasında daha fazla ısı açığa çıkarırlar. Düzgün bir çalışma performansı elde edebilmek için açığa çıkan bu yüksek ısının ortamdan uzaklaştırılması gerekir. Bu işlem için kullanılan en temel eleman metalik soğutuculardır ve soğutma performansı ile soğutucu yüzey alanı arasında doğrusal bir ilişki vardır. Ancak farklılaşan yüzey alanının farklı ışıma karakteristiğine sahip antenler gibi davranacağı bilinen bir gerçektir. Bunun anlamı anahtarlama elemanları tarafından üretilen asıl işaretler ile bunların harmoniklerinin istenmeyen bir şekilde bu soğutucular üzerinden ışıma yolu ile dış ortama yayılmasıdır. Dolayısı ile soğutucular bir anten davranışı sergilediklerinden problem bir elektromanyetik uyumluluk sorunu olarak ele alınmalıdır. Soğutucunun fiziksel boyutlarının, geometrisinin ve işaret kaynağının soğutucuya göre konumunun ışıma performansına olan etkisinin gözlemlenmesi bu tez çalışmasının temel konusudur. Soğutucular bir anten olarak ele alınıp değerlendirildiğinde benzetim ve ölçüm sonuçlarının birbirini yakından takip ettiği ve ayrıca soğutucunun anahtarlama elemanına olan bağlantı noktasının (kenarlarına ve köşelerine göre) konumuna ve üretilen işaretin frekansına bağlı olarak ışıma örüntüsünün farklılaştığı gözlemlenmiştir. En küçük huzme genişliği merkez açısı ϕ=285o olmak üzere 30o ( 4 GHZ) ve en büyük huzme genişliği merkez açısı 120o  olmak üzere ϕ=90o (4 GHZ) olarak ölçülmüştür. Soğutucular bir anten olarak değerlendirildiğinde taban alanına (yama anten davranışı) ve kanatçık yüksekliklerine (monopol anten davranışı) bağlı olarak 2 ayrı rezonans frekansı değeri (S parametreleri ölçümü aracılığıyla) elde edilmiş ve bu değerlerin besleme noktasına göre değiştiği gözlemlenmiştir. Bazı besleme noktalarında (elektromanyetik uyumluluk bakımından olumlu karşılanmak üzere) hiç ışıma görülmemiştir. Soğutucu geometrisine ait parametrik analizler yapılmıştır. Bu parametrelerden biri olan kanatçık sayısı (yüzey alanını artırmak için oluşturulan yapı) değiştirildiğinde termal yönden artış sağlanırken elektromanyetik ışımaya olan etkisinin çok az olduğu görülmüş ve değer olarak 2.5dB'nin altında kalmıştır. Yama anten davranışından yola çıkarak incelenen taban boyu ve genişliği parametrelerinin artmasıyla birlikte belirli frekanslarda oluşan rezonansların orantılı olarak düşük frekans bölgesine doğru kaydığı saptanmıştır.

Abstract:
Technological developments have increased the use of semiconductor switching elements (FET, JFET, MOSFET, BJT, etc.) have integrated circuit structure with respect to high power requirement. This development has made the circuit structure of electronic devices more complex, and the speed of electronic switching elements has increased in line with the resulting high frequency requirements. These elements produce unwanted harmonic components due to their high switching speeds, and by their nature, they generate more heat during operation. In order to achieve proper working performance, this high heat must be removed from the environment. The main element used for this process is metallic heat sinks, and there is a linear relationship between cooling performance and surface area of coolant. However, it is a known fact that the varying surface area will behave as an antenna which has different radiation pattern. The meaning of this is that the actual signals produced by the switching elements and their unintentional harmonics are going to be emitted through these heat sinks to the external environment. The problem should therefore be considered as an electromagnetic compatibility problem, since the heat sinks exhibit an antenna behavior. The main subject of this thesis is to observe the effect of the physical dimension and geometry of heat sink and location of induction of signals on the metal. When the heat sinks are considered as antennas, it has been observed that the simulation and measurement results closely follow each other, and that the radiation pattern differs depending on the position of the connection/injection point (relative to the edges and corners) of the heat sink to the switching element and the frequency of the signal produced. Minimum beam width has been measured as 30o (4 GHz) whose center angle is ϕ=285o  and maximum beam width has been measured  as 120o (4 GHz) whose center angle is ϕ=90o. When the heat sinks were evaluated as an antenna, two different resonance frequency values (via S parameters measurement) were obtained depending on the base area (patch antenna behavior) and fin heights (monopoly antenna behavior),  and it was observed that these values change according to the feed point. At some feeding points (to be favorable in terms of electromagnetic compatibility) no radiation was observed. Parametric analyzes of geometry of heat sink have been performed. When the number of fins (the structure formed to increase the surface area), which is one of these parameters, was changed, the effect on electromagnetic radiation was found to be very low and the value remained below 2.5 dB. Based on the patch antenna behavior, resonances occurring at certain frequencies were shifted proportionally towards to the low frequency region. This is because of increasing base length and width.