İhale ile ilgili dosyayı indirmek için tıklayınız

URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Frekans Seçici Yüzey;Kelebek Şekilli Birim Hücre Yapı Önerisi
Selma Çiğdem, Cihan Tunca,Sultan Can*,A.Egemen Yılmaz
Ankara Üniversitesi
Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü
Gölbaşı,Ankara
[email protected]*, [email protected],
Özet: Bu çalışmada 15-20GHz frekans aralığı için önerilen bir frekans seçici yüzey tasarlanmıştır.Yapının birim
hücre sınır koşullarına sahip olduğu ve dalga yayılımın FSY yüzeyine dik olduğu varsayılmıştır. Söz konusu
yapı HFSS ve CST benzetim ortamlarında tasarlanmış ve birbiri ile tutarlı sonuçlar elde edilmiştir.FSY yüzeyin
rezonans frekansının malzeme, polarizasyon ve boyut gibi parametrelere bağlı bir fonksiyon olduğu kabulune
dayanarak yapılan çalışmada bu parametrelerin etkileri incelenip sunulmuştur.
Abstract: In this study a frequency selective surface is proposed in order to use in 15-20GHz frequency range.
The structure assumed to have a unit cell boundary condition and have the direction of propagation
perpendicular to the FSS surface. The corresponding structure is simulated via HFSS, CST design environments
and the satisfactory agreement is obtained. The resonant frequency of the FSS is assumed to be the function of
the material, polarization and dimension and those parameters and their effects are evaluated in the proposed
structure.
1. Giriş
Kablosuz haberleşme ve uygulama alanları uzun yıllar araştırmacıların dikkatini çeken bir konu olmuş ve bu
uygulamaları kısıtlayan bir unsur olarak limitli frekans tayfı, araştırmacıların etkin kullanım açısından iyileştirme
çalışmaları yapılan bir alan olarak bilinmiştir[1]-[3]. Gelişim sürecinde giderek artan uygulama alanları frekans
tayfını işgal etmekte ve elektromanyetik dalgaların girişimi, cihazların birbirini etkileyerek istenilen ölçüde
verimle çalışmasını engelleyen, çözümü şart bir durum olarak karşımıza çıkmaktadır.Nasıl devre teorisi bakış
açısı ile bazı frekansların geçirilip bazılarının durdurulabileceği filtreler var ise elektromanyetik teori bakış açısı
ile de frekans seçici yüzeyler(frequency selective surfaces,FSS) yardımı ile bazı frekanslarda iletim, yansıma ve
soğurma sağlamak mümkündür. Bu yapılar geleneksel anlamda bir dielektrik katman üzerine iletken yamalar
kazınmak sureti ile elde edilir[3]. Sıklıkla polarizasyon bağımlı olan, yani iletim,yansıma ve soğutma özellikleri
elektromanyetik galganın geliş açısına bağlı olan bu yapılar belirli frekanslarda rezonansa girerler ve bu
frekansta FSS özelliği gösterir denir ve çok çeşitli uygulamalarda tercih edilir [3]-[7]. Söz konusu frekanslar
dielektrik katmanın elektrik geçirgenlik özelliklerinin yanı sıra en, boy ve yüksekliğine bağlı olabildiği gibi,
iletken kısım sınır koşullarının da bir fonksiyonudur. Genellikle frekans seçici yüzeyler bir yüzeyi kaplayacağı
varsayımı ile tasarlandığından bu yapılar için en uygun sınır koşulları birim hücre sınır koşullarıdır. Frekans
seçici yüzeylerin bant genişliği ve frekans kararlılığı gibi özellikleri literatürde sunulmuş, öne çıkan
avantajlarıdır. Şekil ve boyut açısından sahip olduğu esneklik ise bir diğer pozitif özellik olarak
nitelendirilebilir.Bu çalışmada farklı numerik çözüm yöntemlerini temel alan benzetim programları aracılığı ile
kelebek şekilli FSS tasarımı yapılmış ve elde edilen frekansı etkileyen parametreler incelenmiştir.
2. Önerilen Model ve Sınır Koşulları
Bu çalışmada önerilen birim hücre yapısında taban malzemesi olarak dielectric bir malzeme seçilirken, üst
kısımda kelebek şeklinde bir iletken malzeme üzerine kazınarak şekil verilmiştir. Söz konusu şekil iletken birk
are yamadan dairesel yamalar çıkarılmak sureti ile elde edilmiştir. Modele ait görsel Şekil 1’de sunulmuştur.
Önerilen frekans seçici yüzeyin benzetiminde dalganın yayılım yönü iletken yüzeye dik geldiği varsayımına
dayanmaktadır. Benzetim esnasında elektrik alan ve manyetik alan uyarım yönleri ise yine Şekil 1’de
gösterilmiştir. Şekil ws ve ls ile belirtilen alt katman malzeme boyutları her ikisi için de 6mm yüksekliği belirten
hs değeri ise 1mm olarak tanımlanmıştır. Malzeme Arlon AR 450 olarak seçilmiş ve bu malzemenin edielektrik
katsayısı ɛr=4.5 olarak tanımlanmıştır.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
ls
×
ɛr
ws
hs
Şekil 1. Frekans seçici yüzey tasarımına ait geometri ve birim hücre sınır koşulları ile gösterimi
3. Modelin Benzetim Sonuçları ve Çıkarımlar
Benzetim çalışmaları söz konusu geometri ve sınır koşulları için HFSS ve CST yazılımları ile gerçeklenmiş ve
elde edilen veriler birbiri ile kıyaslanmıştır. Sonuçlar Şekil 2a’da sunulmuştur. Frekans ve dielektik ilişkisini
veren grafik ise Şekil2b’de verilmiştir.
0
0
-5
-10
-10
-15
-20
S21 (dB)
S21 (dB)
-20
HFSS
CST
-25
-30
-30
-40
-35
-40
Arlon AD 250
FR4
Roger Ro 3006
-50
-45
-50
5
10
15
20
25
-60
30
5
10
15
20
Frekans (GHz)
Frekans (GHz)
a)
25
30
b)
Şekil 2. Frekans seçici yüzeyin CST ve HFSS benzetim programları ile elde edilen S21 sonuçları, b) Frekansın
elektrik geçirgenlik katsayısına göre değişimi
10
0
0
-10
-10
S21 (dB)
S21 (dB)
-20
w=6mm
-30
w=7mm
-40
w=8mm
-30
hs=1.6mm
hs=1.4mm
hs=1.2mm
hs=1mm
-40
-50
-60
-20
-50
5
10
15
20
Frekans (GHz)
a)
25
30
-60
5
10
15
20
25
30
Frekans (GHz)
b)
Şekil 3:Frekans değişiminin boyuta göre değişimi ( ws=ls alınarak benzetimler gerçekleştirilmiştir) a)FSY yüzey
alanı değişimine göre frekansın verdiği tepki b) ws=ls=6mm olduğu durumda hs malzeme kalınlığına frekansın
verdiği tepki
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
0
-10
S21 (dB)
-20
-30
-40
-50
-60
5
10
15
20
25
30
Frekans (GHz)
Şekil 4:Elektromanyetik dalganın geliş açısına göre frekans seçici yüzey resonans frekansının verdiği tepki
Elde edilen sonuçlar gerçektende yapılan varsayımın doğrular nitelikte olup parametre değişiminin frekans
üzerine etkisini kanıtlamıştır. Sunulan yapıda frekans, malzeme yüzey alanının artması ile artış göstermiştir.
Kalınlığın artması ise frekansta azalmaya neden olmuştur fakat bu artışın çok büyük olmadığı görülmektedir.
Farklı malzemelerin kullanımı ile incelenen dielektrik geçirgenlik etkisi ise frekans ile doğru orantılı oldurak
gözlenmiş, elektrik geçirkenliğin artması frekansta artmaya sebep olmuştur. Söz konusu analiz için sırasıyla 2,5
4,3 ve 6,15 dielektrik geçirgenliğe sahip olan Arlon AD 250, FR4 ve Rogers RO 3006 malzemeleri ile
gerçeklenmiştir. Her ne kadar frekans seçici yüzey tasarımında istenen gelen açıdan bağımsız olacak şekilde bir
tasarım sunabilmek olsa da bu çalışmada sunulan yapının polarizasyon bağımlı olduğu sonucuna
varılmıştır.Elektrik veya manyetik uyarım söz konusu olmadığı için dipol rezonanslar görülmüş ve elde edilen
bu frekanslarda iletim parametresi olan S21 değerlerinin -60dB değerlerine kadar düştüğü ve bu frekanslarda
iletim yapılmadığı sonucuna varılmıştır.
4. Teşekkür
Bu çalışma 11B4343004 proje numarası ile Ankara Üniversitesi BAP tarafından desteklenmektedir. Yazarlar,
söz konusu destekten ötürü Ankara Üniversitesine teşekkürü bir borç bilir.
Kaynaklar
[1] Can S., Yılmaz A.E., " Parametric performance analysis of the square loop frequency selective surface"
Elektrotehniški Vestnik, 80(3), s.110-115, 2013.
[2] Can S., Yilmaz A. E., Bandwidth Enhancement of a Triangle with Gridded-Square Loop-Loaded FSS for
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
X and Ku Bands, 8th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2014), Lahey,
Hollanda, 6-11 Nisan 2014.
Munk B. A., Frequency Selective Surfaces: Theory and Design, John Wiley & Sons, Inc., 2000, ISBN 0471-37047-9
Yılmaz A. E., Kuzuoglu M., “Design of the Square Loop Frequency Selective Surfaces with Particle
Swarm Optimization via the Equivalent Circuit Model”, Radioengineering, 18(2), s. 95-101, 2009.
Jha K. R., Singh G., Jyoti R., “A Simple Synthesis Technique of Single-Square-Loop Frequency Selective
Surface”, Progress In Electromagnetics Research B, 45, s. 165-185, 2012.
Nair R. D., Neelam A., Jha R. M., “EM Performance Analysis of Double Square Loop FSS Embedded CSandwich Radome”,Applied Electromagnetics Conference (AEMC), s.1-3,2009.
Khosravi M., M. Abrishamian S., “Reduction of Monostatic RCS by Switchable FSS Elements”, PIERS
Online, 3(6), s. 770-773, 2007.

Download Report