88 - ursi.org.tr
Transkript
88 - ursi.org.tr
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ KU ve K Bant Uygulamaları için Birleşik Altıgen Frekans Seçici Yüzey Tasarımı Cihan Tunca, Selma Çiğdem, Sultan Can*, A. Egemen Yılmaz Ankara Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Gölbaşı, Ankara Üniversitesi [email protected], [email protected], [email protected]*, [email protected] Özet: Bu çalışmada KU ve K bant uygulamalarında kullanılabilecek, birim hücre sınır koşulları ile birleşik yapıda altıgen frekans seçici yüzey (FSY) tasarlanmış ve tasarımda önem arz eden parametreler üzerinden analizler yapılmıştır. Analizler yapılırken Sonlu Entegral Yöntemini temel alarak analiz gerçekleştiren Computer Simulation Technology Studio Suite (CST Studio Suite) programı kullanılmıştır. Parametrik analiz verilerine göre özellikle yüksek bant genişliği ile dikkat çeken bir frekans seçici yüzey yapısı önerilmiştir. Abstract: In this study, hexagon shaped FSS Unit Cell (connected through unit cells) for KU-band and K-band operations is designed. Throughout the design process, parametrical analyses are performedvia Computer Simulator Technology Studio Suite (CST Studio Suite), which is based on the Finite Integration Method (FIM). As a result, a structure having remarkable bandwith is achieved. 1. Giriş Frekans Seçici Yüzeyler (FSY’ler), genel anlamda iletken desenlerden oluşan birim hücrelerin, dielektrik taban üzerine kazınması sureti ile oluşturulmuş düzlemsel periyodik yapılardır. FSY’ler elektromanyetik filtre veya polarizasyon dönüştürücü görevi gören düzlemsel periyodik yapılar olarak da tanımlanabilir [1]-[5]. Tasarlanan FSY'e ait iletim, soğurma ve yansıtma özellikleri önerilen birim hücre yapısında kullanılan malzemenin cinsi, dielektrik tabanın kalınlığı, elektromanyetik dalganın geliş açısı, iletken desenlerin boyutları, geometrik yapıları ve simetri eksenlerinin konumu gibi çeşitli parametrelere bağlıdır. [2] Özellikle uydu haberleşme sistemleri gibi çeşitli uygulamalarda kullanılmak üzere bir bantta elektromanyetik dalganın, frekans bazında yüksek saflıkta olması gerekmektedir [3]. Bu durum ve sistemlerin birbiri ile etkileşimini azaltacak ve enterferansı engellemeye yönelik önerilen Frekans Seçici Yüzeylerin önemli bir araştırma konusu olmuş ve araştırmacıların dikkatini çekmiştir. Bu çalışmada alışıldık tek halka FSY yapılarından farklı bir FSY yapısı tasarlanmış ve analizleri gerçekleştirilmiştir. İlerleyen bölümlerde tasarlanan yapının karakteristik özellikleri açıklanmış, analiz sonuçları değerlendirilmiş ve son olarak da incelenen parametreler doğrultusunda önerilen yapı tanıtılmıştır. 2. Birim Hücre Yapısı Tasarlanan ve analizleri gerçekleştirilen yapı ve yapının analizleri esnasında uygulanan sınır koşulları Şekil 1’ de verilmiştir. Tasarlanan birim hücre yapısı geometrik olarak üç parametre üzerinden tanımlanmaktadır; a, düzgün altıgen yapının iç kenar uzunluğu, c, iletken şeritlerin genişliği ve iki iletken şerit arasındaki mesafe ve z, dielektrik katmanın kalınlığıdır. a, c ve z parametrelerinin değerleri; a=1.5 mm, c=0.6 mm ve z=1 mm şeklinde belirlenmiştir. Şekil 1-a’ da görülen siyah üçgen, yapının geometrisinin daha rahat anlaşılabilmesi için verilmiş olup bir kenarı c parametresi ile tanımlanan eşkenar üçgendir. Şekil 1-a’ da görülen W1 ve W2 ifadeleri ise a ve c parametreleri ile matematiksel olarak ilişkilendirildiğinden farklı bir parametre olarak verilmemiştir ve W1=4.3981 mm ve W2=6.2321 mm'dir. URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ (a) (b) Şekil 1: Tasarlanan birim hücre yapısı (a) ve analiz esnasında uygulanan sınır koşulları (b) 3. Analiz Sonuçları Parametrik analizler yapının geometrik parametrelerinden ziyade dielektrik katmanın dielektrik katsayı değeri, elektromanyetik dalganın geliş açısı () ve dielektrik katman kalınlığı üzerinden yapılmıştır. Burada , elektromanyetik dalganın geliş doğrultusu ile z ekseni arasındaki açıyı belirtmektedir. Dielektrik tabanın kalınlığı ve dielektrik katsayı değeri yapının aktif kullanımı esnasında sabit değerler olarak kalacaktır ancak sürekli değişiyor olabilir. Bu nedenle bu parametrenin analizi önemlidir ve Şekil 2-b’ de görüldüğü üzere sonuçlar dikkat çekici derecede sabittir. Yani yapı gelen elektromanyetik dalganın geliş açısından kısmen bağımsız olarak kalkanlama işlevini yerine getirebilmektedir. (a) (b) Şekil 2: ve z parametrelerinin değişimine karşılık S21 parametresinin değişimi Şekil 2a’da görüldüğü gibi dielektrik katman kalınlığının değişmesi yapının S21 parametresini önemli ölçüde değiştirmemiştir. Şekil 3’den görüldüğü gibi dielektrik katmanın dielektrik katsayı değerinin arttırılması S21 parametresinin bant genişliğinin bir miktar azalmasına sebep olsa da, yapının rezonans frekansını dikkate değer ölçüde azaltmıştır. Bu verilere göre dielektrik katman kısmında Rogers 3003 (ɛ=3) kullanıldığı durum için bant genişliği 13.15 GHz, rezonans frekansı 18.2 GHz, FR4 (ɛ=4.3) için bant genişliği 12.15 GHz, rezonans frekansı URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ 15.95 GHz ve Arlon AR 600 (ɛ=6) için bant genişliği 11.3 GHz, rezonans frekansı 14 GHz olarak gözlenmiştir. Bu da yapının sadece taban bloğunda farklı bir materyal kullanılarak tasarlanması durumunda yüksek bant genişliği avantajının farklı frekans bantlarına taşınabileceğini göstermektedir. Şekil 3: Alt katmanın dielektrik katsayısı değerinin değişmesine karşılık S21 parametresinin değişimi 4. Sonuç Bu çalışma da üç ayrı parametrenin tasarlanan FSY birim hücrenin karakteristiği üzerine etkileri incelenmiştir. İlk parametre olan dielektrik katman kalınlığının arttırılması, yapının rezonans frekansında ve bant genişliğinde önemsenmeyecek derecede azalmaya sebep olmuştur. Diğer bir parametre olan dielektrik katmanın dielektrik sabitinin arttırılması ise yapının rezonans frekansında ve bant genişliğinde z parametresine kıyasla daha dikkate değer azalmaların gözlenmesine sebep olmuştur. Burada bant genişliğinin azalmış olması elbette ki istenen bir sonuç değildir ancak bu durum bant genişliğinden %10’ un altında bir miktar taviz verilerek rezonans frekansını önemli ölçüde değiştirebilmemize olanak sağlamaktadır. Son parametre olarak incelediğimiz gelen elektromanyetik dalganın geliş açısı ise bu tarz yapılar için hayati öneme sahip bir parametredir ve FSY’lerin özellikle elektromanyetik dalganın geliş açısından bağımsız olarak işlevini yerine getirebiliyor olması kalkan ve soğurucu gibi uygulamalarda aranan bir özelliktir. Elektromanyetik dalganın geliş doğrultusu ile yüzeyin normali arasındaki açının 30o artması, bu çalışmada tasarlanan yapının bant genişliğinin bir miktar azalmasına sebep olsa da asıl önemlisi, yapının rezonans frekansındaki kaymanın %5’ in altında kalıyor olmasıdır. Sonuç olarak tasarlanan yapı, öncelikle gelen elektromanyetik dalganın geliş açısından olmak üzere incelenen parametrelere göre büyük ölçüde sabit ve etkin bant genişliği ile dikkat çekmektedir. 5. Teşekkür Bu çalışma 11B4343004 proje numarası ile Ankara Üniversitesi BAP tarafından desteklenmektedir. Yazarlar, söz konusu destekten ötürü Ankara Üniversitesine teşekkürü bir borç bilir. 6. Kaynaklar [1] Singh D., Kumar A., Meena S., Agarwala V., “Analysis of FSS for Radar Absorbing Materials”, Progress in Electromagnetic Research B, Vol. 38, 2012. [2] Ekici S., Yazgan E., “Frekans Seçici Yüzeylerin Yansıma ve İletim Karakteristiklerinin İncelenmesi”, 13. Ulusal Elektrik-Elektronik-Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisleri Kongresi, Ankara, 2009. [3] Jha K. R., Singh G., Jyoti R., “ A Simple Synthesis Technique of Single-Square-Loop FSS”, Progress in Electromagnetics Research B, 2012, vol. 45, p. 165-185. [4] Delihacıoğlu K., Uçkun S., Ege T., “Bakışımsız Levhada Bir- ve İki-Döngülü Kare Helezon Frekans Seçici Yüzeylerin Yansıma ve İletim Katsayıları”, Elektrik-Elektronik-Bilgisayar Mühendisliği 12. Ulusal Kongresi, Eskişehir, 2007 [5] Munk B. A., Frequency Selective Surfaces: Theory and Design, John Wiley & Sons, Inc., 2000, ISBN 0-47137047-9.
Benzer belgeler
14 - ursi.org.tr
göre özellikle yüksek bant genişliği ile dikkat çeken bir frekans seçici yüzey yapısı önerilmiştir. Abstract: In this study, hexagon shaped FSS Unit Cell (connected through unit cells) for KU-band ...
Detaylı