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.