4.5G frekanslarında çok bantlı geniş geliş açısı aralığında etkili yeni bir frekans seçici yüzey tasarımı

Abstract

Dünyada artan nüfüs ve gelişen teknolojiyle birlikte hücresel kablosuz sistemlerinin kullanımı artmakta, kısıtlı miktardaki frekans bantlarının yoğun bir şekilde kullanımı dolayısıyla artan işaretler arası girişimler, birçok hassas elektronik aygıtın çalışmasını etkileyebilmektedir. Bunun yanında, bu frekansları önlemeye yönelik herhangi bir sistem olmaması nedeniyle insanlar, günlük hayatlarında, evde, ofiste, her an her yerde bu frekanslara maruz kalmakta, bunun neticesinde sağlıklarını kaybederek yaşam kaliteleri düşebilmektedir. Bu nedenlerle böylesi sorunlara bir çözüm olabilmesi açısından bu tezde yer verilen çalışmalarla imalatı kolay, maliyeti düşük ve geniş bir kullanım alanına sahip olabilecek frekans seçici yüzey (FSY) kaplama ürünlerinin geliştirilmesi, teknolojinin insan sağlığına verebileceği zararların önlenerek insan yaşam kalitesinin artırılması açısından önemlidir. Günümüzde dünyada mobil haberleşme alanında IMT Advanced, ülkemizde de kısaca 4.5G olarak bilinen ve 800, 900, 1800, 2100 ve 2600 MHz frekans bantları içeren mobil haberleşme sistemi kullanılmaktadır. Tezin ana amacı bu frekans bantlarını engellemektir. Bu frekansların engellenmesi ile radyo dalgalarının insan sağlığına olan etkileri azaltılacak, mobil haberleşmenin olmasının istenmediği yerlerde bir engelleyici olarak kullanılabilecek, bunun yanında farklı frekanslardan gelecek işaretler arası girişimler de engellenebilecektir. Diğer bir amacımız da bir yandan bu frekansları engellerken, bir yandan da belirttiğimiz frekanslar aralığında kalan, ancak günlük hayatta oldukça yoğun kullanım alanı olan, örneğin 2.4 GHz kablosuz ağlar gibi serbest frekans bantlarını da engellememektir. Yakın gelecekte nesnelerin interneti kullanımı ile birlikte kablosuz ağların çok daha yoğun olarak kullanılacağı düşünüldüğünde, sadece ilgili frekansları engelleyen ama kablosuz ağları engellemeyen bu çalışmanın önemi giderek artacaktır. Bu nedenle yürüttüğümüz tez kapsamında, 4.5G frekans bantlarında oluşan radyo dalgalarını engelleyen aynı zamanda diğer frekans bantlarında herhangi bir engelleme yapmayan, bant durduran filtre görevi görecek yapısal yüzey malzemesi tasarlamak, bunun yanında bu frekans bantlarında ortaya çıkan işaret girişim etkilerini en aza indirmek hedeflenmiştir. Bunlara ek olarak çalışmayı yaparken tasarlanan FSY'lerin mümkün olduğunca farklı geliş açılarında etkinliğini koruması amaçlanmıştır. Bu malzemenin, durdurma bandında iletim katsayısının (S_21) minimum -10dB, iletim bandında iletim katsayısının (S_11) 0dB'e yakın bir değerde olması ve ayrıca elektromagnetik dalganın farklı geliş açılarında, ve farklı polarizasyonlarında da amaçlanan frekans karakteristiklerini sağlaması hedeflenmiştir. FSY'lerin frekans karakteristiği yüzeyi oluşturan periyodik eleman geometrilerine bağlı olduğundan çok çeşitli eleman geometrileri literatürde incelenmiştir. Benzer biçimde periyodik eleman geometrilerinin üzerine baskısının gerçekleştirildiği dielektrik tabakaların da yüzeyin frekans karakteristiği üzerine etkileri bulunmaktadır ve bu etkiler literatürde ayrıntılı olarak incelenmiştir. Tez çalışmasında FSY'lerin analiz yöntemleri de incelenmiştir. Dalga denkleminin analitik çözümü sadece bazı basit FSY geometrileri için görülmüştür. Dalga denkleminin diğer bütün FSY geometrileri için çözümü sadece sayısal çözüm yöntemleri ile elde edilebildiği görülmüştür. Bilgisayar teknolojisindeki hızlı gelişmeyle beraber sayısal analiz yöntemleri bu konuda uygulama alanı bulmaya başlamıştır. FSY geometrilerinin analizlerinde Sonlu Farklar Metodu (Finite Difference Time Method), Sonlu Eleman Metodu (Finite Element Method), Momentler Metodu (Method of Moments) gibi sayısal çözüm yöntemlerinin kullanıldığı, bunun yanında Eşdeğer Devre Modeli'nin de FSY yüzey analizlerinde kullanıldıkları literatürde görülmüştür. Yukarıda belirtilen sayısal analiz yöntemleri içinde tasarım aşamasında belirlenen FSY'lerin analizleri "Sonlu Elemanlar Metodu" ile gerçekleştirilmiş ve ilgilenilen frekans aralığında iletim ve yansıma katsayıları hesaplanmıştır. Ansoft HFSS programı "Sonlu Eleman Metodu" ile bu tür yapıların analizlerini yapabilmektedir. FSY'lerin eniyilemesi HFSS programında eşdeğer devre yönteminin yansıması ile, programın parametrik analiz özelliği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tez aşamasında bu programdan aktif olarak faydalanılmıştır. Tasarımlarda mümkün olan en az sayıda rezonans ile frekans bantları arasındaki girişimler azaltılmaya çalışılarak, birden fazla frekans karakteristiğine sahip olan üç farklı tasarım geliştirilmiştir. Bunun yanında da durdurmak istenilen frekansların haricinde kalan çalışma frekanslarını engellememek amacıyla mümkün olan en dar durdurma bantlarını sağlayan, oldukça keskin kenarlı bant durduran filtreler oluşturulması için çaba harcanmıştır. Tüm bunları yaparken tasarlanan FSY'lerin mümkün olduğunca farklı geliş açılarında ve farklı polarizasyonlarda etkinliğini koruması hedeflenmiş, bu amaçla simetrik ve dalga boyuna göre çok küçük boyutlardaki geometriler kullanılmıştır. Birden fazla bandı durduran FSY tasarımlarında karşılaşılan en büyük problemlerden biri herbir frekans bandı için tasarlanan farklı geometrilerin birbirlerine olan girişim etkileri olmuştur. O nedenle birçok geometri üzerinde araştırmalar yapılmış ve problemin çözümü için farklı yaklaşımlar getirilmiştir. Tasarımlarda düşük maliyetli ürün geliştirmek amacıyla, 1mm kalınlığında, dielektrik sabiti 4.54 ve kayıp tanjant değeri 0.02 olan tek katlı FR4 tabaka üzerinde gerçeklenmiş, radyo frekanslarına FR4 tabakanın tepkisi kötü olmasına rağmen istenilen hedefler gerçekleştirilebilmiştir. Tasarımların analizleri ve eniyileştirme çalışmaları Ansoft HFSS programında yapılmış, yüzey akım yoğunluk grafikleri çıkarılarak herbir frekans bandı için geometrilerin etkinlikleri gösterilmiştir. FR4 tabakalar üzerine gerçeklenen tasarımların ölçümleri alınmış ve benzetim sonuçlarıyla karşılaştırılarak tasarımlar doğrulanmıştır. Geniş bir literatür taraması yapılmış ve 4.5G frekansları üzerinde etkin olan, çoklu rezonans gösteren böyle bir çalışmaya literatürde rastlanmamıştır. Bu çalışma bu alanda yapılmış ilk ve tek başarılı çalışma olması nedeniyle litaratüre katkı sağlamıştır.