14 - ursi.org.tr

URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
U-ŞEKİLLİ FREKANS SEÇİCİ YÜZEYLERLE BAND DURDURAN
FİLTRE TASARIMI
Kemal Delihacıoğlu1, Muharrem Karaaslan2, Emin Ünal2, Cumali Sabah3, Mehmet Bakır2, Furkan Dinçer2
Kilis 7 Aralık Üniversitesi
Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü
Merkez, Kilis
[email protected]
2
Mustafa Kemal Üniversitesi
Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü
İskenderun, Hatay
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
3
Ortadoğu Teknik Üniversitesi, Kuzey Kıbrıs Kampüsü
Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü
Kalkanli, Güzelyurt, KKTC
[email protected]
Özet: Bu çalışmada dielektrik levha üzerine periyodik dizilen U-şekilli iletken elemanların Frekans Seçici Yüzey
(FSY) özellikleri incelenmiştir. U-şekilli iletken elamanlar birim hücre içerisinde farklı (tekli, ikili ve dörtlü)
yapılarda dizilmiştir. U-şekilli FSY lerin öncelikli olarak simülasyon çalışması yapılmıştır. Simülasyon
çalışmasının desteklenmesi için FR4 dielektrik alttaş kullanılarak baskı devre imalatı gerçekleştirilmiştir.
Simulasyon ve deneysel sonuçların birleriyle uyumlu olduğu görülmüştür. Farklı yapılardaki U-şekilli FSY’lerin
çok bandlı band durduran filtre özelliği gösterdiği görülmüştür. İkili ve üçlü band durdurma özelliğinden dolayı
U-şekilli FSY’ler çok bandlı filtre ve anten uygulamalarında kullanılabilir.
Abstract: Frequency selective surface (FSS) properties of U-shaped metal elements which are placed on
dielectric substrate is studied in this study. U shaped metal elements are placed in different configuration(single,
double, quattruplet) on the substrate. Simulation studies has been completed at first. In order to support
simulation study, pcb construciton by using FR4 substrate is realized. It is realized that the simulation studies
are compatible with the experimental studies. It is also seen that different U shapes has property of band stop
filter in different bands. U shaped FSSs can be used in filter and antenna applications due to its double and
triple band stop property.
1. Giriş
Periyodik yapılar temel anlamda iki şekilde uyarılır. Pasif dizide gelen düzlemsel bir dalga ile, aktif dizide ise
her elemana bağlanmış birer üreteç ile uyarılma gerçekleştirilir. Kullanım amacına göre belirli bir frekans
bandını soğuran veya yansıtan pasif dizilere Frekans Seçici Yüzey (FSY) denir. FSY birim hücre içerisindeki
tekli metal ve oyukların şekil ve diziliş yapılarına bağlı olarak, elektromanyetik, mikrodalga ve anten
uygulamalarında, band durduran filtre, band geçiren filtre ve yansıtıcı anten vb olarak kullanılmaktadır [1-2].
Birim hücre içerisindeki geometriler daha önceki çalışmalarda tekli bir iletkenden, oluşabileceği gibi çoklu
iletkenlerden [3] de oluşabilir. U-şekilli elemanların literatürde bakışımsız(chiral) metamateryal dairesel
polarizör [4], çok bantlı metamateryal polarizasyon dönüştürücü [5] ve terahertz bakışımsız metamateryal [6]
gibi farklı uygulamaları mevcuttur. FSY özellikle haberleşmede, mikrodalga entegre devrelerde ve antenlerde
kullanılmaktadır. FSY’nin yansıma ve iletim karakteristiği; kullanılan malzemelerin cinsine, katman kalınlığına,
düzlemsel dalganın geliş açısına ve polarizasyonuna, katmanlar üzerine yerleştirilen metalik yamaların boyutları,
geometrisi ile periyodik yerleşimi ve simetri ekseninin konumuna göre değişmektedir. Katman yapısında,
örneğin; ferromagnetik malzemeler kullanılarak yapının iletim ve yansıma karakteristiği, kullanım sırasında da
değiştirilebilmektedir. FSY’de yansıma ve iletim katsayıları frekansa göre değişmekte ve bir mikrodalga
frekansında tamamen yansıtıcı özellik gösterirken, başka bir frekansta tamamen geçirgen özellik
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
gösterebilmektedir. Periyodik metal iletkenlerden oluşan FSY’ler, Elektromagnetik filtre yada polarizasyon
dönüştürücü gibi davranmaktadır. Önerilen çalışmada daha önce çalışılmamış U-şekilli metal elemanlar
kullanılarak bir frekans seçici yüzey uygulaması gerçekleştirilmiştir. U-şekilli metal elemanların büyüklükleri ve
konumları değiştirilerek frekans seçici yüzey karakteristiği ayarlanabilmektedir. Önerilen çalışmanın diğer bir
özelliği ise özgün ve kolay fabrikasyon özelliklerine sahip olmasıdır.
2. U-Şekilli FSY Tasarımı
Gerçekleştirilen çalışmada tasarlanan U-şekilli FSY’ ler Şekil 1’ de yer almaktadır. Bu tasarımların şekil
uzunlukları Tablo 1 de verilmiştir. Bütün tasarımlarda alttaş olarak 0.76mm kalınlığında Roger RT5870
malzemesi kullanılmış olup bu malzeme üzerinde bulunan bakır kalınlığı 0.035mm dir.
(a)
(b)
Şekil 1. a) Tekli U şekli b) İkili U şekli
Şekil 1.a
9mm
9mm
8mm
0.8mm
0.5mm
c)Dörtlü U şekli
Şekil 1.b
dx
9mm
dy
9mm
dp1
8mm
dp2
5mm
g1
0.5mm
g2
0.7mm
w1
0.8mm
w2
0.5mm
Tablo 1. U-şekilli FSY’lere ait tasarım parametreleri.
.
dx
dy
dp
w
g
(c)
dx
dy
dp1
dp2
w
Şekil 1.c
10mm
10mm
2.4mm
4.8mm
0.4mm
3. Simülasyon ve Ölçümler
Simülasyon çalışması CST MWS programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Simülasyon da sınır koşulları olarak
unit cell tercih edilmiş olup tetrahedral düğüm yapısında 1-22 GHz aralığında simülasyonlar yapılmıştır. Şekil 2’
de yapılan simülasyon çalışması yer almaktadır. Şekil 2’ ye bakıldığında TE dalga uygulanması tekli U şeklinde
13 GHz seviyelerinde rezonans oluşurken, TM uygulanması durumunda 6 GHz ve 15 GHZ seviyelerinde
rezonans oluşmaktadır. İkili U Şekline TE uygulanması durumunda 12 GHz ve 21 GHz seviyelerinde rezonans
oluşurken, TM uygulanması durumunda 5 GHz, 10 GHz ve 15 GHz seviyelerinde 3 farklı noktada rezonans
oluşmaktadır. Farklı kol uzunluklarına sahip dörtlü U şekline TE ve TM uygulanması durumunda 9 GHz ve 21
GHz seviyelerinde rezonans oluşmaktadır, Şekil 2 de görüldüğü gibi bunun nedeni grup FSY’ nin birim hücre
içerisinde 90’ar derece döndürülerek yerleştirilmiş olmasıdır. Şekil 2’deki grafiklere bakıldığında birim hücre
içerisinde yer alan U şekli sayısı arttıkça rezonans sayısında da artış görülmektedir. U-şekilli FSY lerin
çalışmasını fiziksel olarak daha iyi anlayabilmek için Şekil 1. c de yer alan yapının elektrik alan dağılımları ve
yüzey akım dağılım grafiği Şekil 3’ de yer almaktadır. Şekil 3’ e bakıldığında S21 değerinin minimum olduğu
noktalarda elektrik alan dağılımları kolların uç noktalarında maksimumdur. Ayrıca yüzey akım dağılım yönleri
S21 değerinin maksimum ve minimum olduğu noktalarda birbirine zıt yönlüdür. Bunun nedeni manyetik alanın
yön değiştirmesinden kaynaklanmaktadır. Yapılan bu çalışmayı deneysel olarak da desteklemek için deneysel
çalışma yapılmıştır. Deneysel çalışma olarak Şekil 1. a da yer alan tek U şekli seçilmiştir. Ancak elimizde 6 GHz
lik network analizörü olmasından dolayı mevcut FSY üzerinde bazı değişiklikler yapılmıştır. İlk değişiklik
olarak U şeklinin boyutu Tablo 1 de yer alan elemanın tam iki katı olacak şekilde seçilmiştir. Diğer değişiklik ise
1.6mm kalınlığında FR4 malzeme kullanılarak üretim yapılmasıdır. Şekil 4 de deneysel ve simülasyon
çalışmasının karşılaştırılması görülmektedir.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Şekil 2. U-şekilli FSY lere ait Simülasyon çalışması a. TE dalga gönderilmesi durumunda S11 parametresi,
b. TM dalga gönderilmesi durumunda S11 parametresi
Şekil 3.a Elektrik alan dağılımı ve yüzey akım dağılımı, b. U-şekilli FSY deneysel ve simülasyon olarak
karşılaştırılması
4. Sonuçlar
Sunulan bu çalışmada üç farklı U-şekilli FSY kullanılarak U şekilli FSY lerin band durdurma karakteristiği
incelendi. İletimin maksimum ve minimum olduğu noktalarda elektrik alan dağılımları ve yüzey akım
dağılımları karşılaştırıldı. U-şekilli FSY şekillerinin gelen elektromanyetik dalgaya karşılık bant durduran ve
bant geçiren filtre gibi davrandığı görülmektedir. Ayrıca simülasyon çalışmasının deneysel olarak desteklenmesi
için deneysel çalışma gerçekleştirilerek, deneysel çalışmada simülasyon sonuçları ile uyum gözlendi. Belirtilen
özelliklerinden dolayı U-şekilli FSY’ ler çok bantlı (X, Ku, K) bant durduran filtre uygulamalarında
kullanılabilir.
Kaynaklar
[1]. Wu T.K., “Frequency selective surface and grid array,” Wiley, New York 1995.
[2]. Munk B.A., “Frequency-selective surface and grid array,” Wiley, New York, 2000.
[3]. Delihacioglu K., “Frequency Selective Surfaces With Multiple-Strip Group Elements,” IEEE Antenn. Wire.
Pr., vol. 11, s 1370-1373, 2012.
[4]. Mutlu M., Akosman A.E., Serebryannikov A. E., Ozbay E. “Asymmetric chiral metamaterial circular
polarizer based on four U-shaped split ring resonators” Optics Letters Vol. 36, No. 9. 2011.
[5]. Huang X., Yang D.,Yang H., “Multiple-band reflective polarization converter using U-shaped metamaterial”
J. Appl. Phys. 115, s103505, 2014
[6]. Cheng Y., Huang Q., Nie Y., Gong R., “ Terahertz chiral metamaterial based on complementary U-shaped
structure assembly” 10th International Symposium on Antennas, Propagation & EM Theory (ISAPE), 2012.