Geniş bant durduran iki frekans seçici yüzeyin tasarımı

1919 yılında G. Marconi ve C. S. Franklin tarafından patenti alınan "Kablosuz Telegraf ve Telefon için Reflektör" yapımı ile tarihte ilk kez frekans seçici yüzey (FSY) olarak adlandırılan icadın hayatımıza sayısızca katkı sağladığı bilinmektedir. 1960'lı yıllara gelindiğinde ise, frekans seçici yüzeylerin özellikle askeri istihbarat birimlerince kullanımı ile elde edilen başarılar, gözardı edilemeyecek boyutlara gelmiştir. Kara, hava ve deniz platformlarına periyodik olarak uygulanan bu yapılar, belirli frekanslar için alçak geçiren, yüksek geçiren, bant geçiren veya bant durduran özellikleri sergilemiş ve elektromanyetik filtreler görevini üstlenmişlerdir. Özellikle hedef tespit sistemlerince tespit edilemeyen platformlar sayesinde pek çok başarılar elde edilmiştir. Gelişen teknoloji sayesinde kablosuz haberleşme sistemleri, radarlar, mikrodalgalar gibi pek çok alanda etkin bir şekilde kullanılan bu yapılar; birim hücrenin geometrisi ve dizilişi sayesinde, gelen elektromanyetik dalganın yansıması veya iletilmesini sağlamaktadır. Milimetre dalga, yüksek hızlı geniş bantlı erişim için kullanılabilen 30 GHz ve 300 GHz arasındaki radyo spektrumunun bandıdır. Milimetre dalgalarının kullanımı;kablosuz iletişim, radar, uzaktan algılama teknolojisi ve radyo astronomisi alanları da giderek önem kazanmaktadır. Bu çalışma iki bölümden oluşmaktadır; ilk kısımda önerilen yapı Bölüm 4.1 ile verilmiştir. Bu tasarım ile U (40-60 GHz) ve V (50-75 GHz) bandları milimetre dalga uygulamaları için, yeni bir tek katmanlı Ultra Geniş Band (UGB) Frekans Seçici Yüzey önerilmiştir. Önerilen FSY yapısı, kare döngünün her iki yanında geleneksel bir kare döngü ve dört ayrı satırdan oluşmaktadır. Tek katmanda F-şekli elde etmek için çizgiler tabaka yüzeyinde 90 derece döndürülmüş gibi görünmektedir. Düşük maliyetli, kayıpsız FR4 dielektrik alt tabaka üzerine uygulanarak tasarlanmıştır. Tasarlanan UGB FSY'nin iletim katsayıları CST Microwave Studio ticari yazılımı ile elde edilmiştir. İletim katsayıları elde edilmiş ve önerilen tasarımın -10 dB kazancında; 39.59 GHz'den 81.80 GHz'e kadar 42.21 GHz'lik geniş bir durdurma bandı sergilediği gözlenmiştir. Normal geliş açısında maksimum yansıtma performansı 60.90 GHz'de -61.10 dB olarak ölçülmüştür. Bununla birlikte FSY'nin simetrik yapısı, polarizasyon bağımsız doğasını sağlamaktadır. CST Mikrodalga Studio simülasyon sonuçları, önerilen FSY'nin yapısının 39.59 ila 81.80 GHz arası bant genişliğine (BG) sahip olduğunu göstermektedir. Kesavan A. ve arkadaşlarının tasarlamış oldukları yapı, -10 dB'de U ve V bantlarında 40-70 GHz frekansları aralığında 30 GHz'lik bant genişliği sağlarken; F Şeklinde tasarlamış olduğumuz UGB yapı -10 dB'de 39.59-81.80 GHz frekansları arasında 42.21 GHz'lik bant genişliği sağlayarak Kesavan A. ve arkadaşlarının tasarladıkları yapıya göre daha fazla frekans bant genişliğinde yansıma sağlamaktadır. Tasarlanan FSY'nin tek katmanlı minyatür geometriye ve geniş band durduran yapıya sahip olması gibi faydaları vardır. Önerilen FSY filtresi, sistem korumasının gerekli olduğu çeşitli mm dalga uygulamalarında kullanılabilir. İkinci kısımda ise C, X ve Ku bantlarını kapsayan yeni bir ultra geniş bant FSY tasarımı yapılmıştır. Dielektrik tabakanın bir tarafına F şekli ve diğer tarafına üç kare halkanın içindeki II kare şeklindeki frekans seçici yüzeyin etkinliğini analiz etmek için elektromanyetik sinyal uygulanmıştır. Bu FSY yapısının C-bandı (4-8 GHz), X-bandı (8-12 GHz) ve Ku-bandı (12-18 GHz) için yeni bir çift katmanlı ultra geniş-band frekans seçici yüzeyi tasarlanması hedeflenerek önerilmiştir. Önerilen FSY yapısının ön tarafı II şeklinin dışında üç tane iç içe geçmiş bir kare halkadan oluşmakta ve diğer katman yüzeyinde ise F şeklini elde etmek için çizgiler eklenerek 90 derece döndürülerek birleşik F şekli elde edilmiştir. Tasarlanan UGB FSY'nin iletim özelliklerinin sayısal analizi, CST Microwave Studio ticari yazılımı kullanılarak yapılan simülasyonlarla gerçekleştirilmiştir. İletim katsayıları elde edilmiş ve önerilen tasarımın 3.05 ila 19.80 arasında 16.92 GHz'lik geniş bir bant durdurma sergilediği gözlenmiştir. Normal geliş açısında maksimum yansıtma performansı 16.35 GHz'de -71.33 dB olarak ölçülmüştür. Literatürde benzer çalışmalar yer almaktadır, örneğin Sarika ve arkadaşları üç bandı kapsayan -10 dB'lik yansıtma performansında, 10,4 GHz bant genişliği ile 5,2-15,6 GHz arasında yapı tasarlamayı hedeflemişlerdir. Yeni F ve II şekli UGB yapısı ise -10 dB yansıtma performansında, 3.05-19.97 GHz frekansları arasında 16.92 GHz'lik bir bant genişliği sağlamaktadır. Böylece, F ve II olarak tasarlanan yeni şekil, Sarika ve arkadaşları tarafından tasarlanan yapıdan daha fazla bant genişliğinde yansıma sağlamaktadır. İki taraflı katman, minyatürize edilmiş geometri ve geniş bantlı yapı özellikleri sunan bu FSY tasarımı yapısı ile avantaj sağlamaktadır. II ve F Şeklinde tasarlanan yapı 30x30 cm boyutlarında üretilmiş ve 1-18 GHz frekans bant genişliğinde, laboratuvar ortamında ölçüm sonuçları alınmıştır. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde; benzetim ile ölçüm sonuçlarından meydana gelen yansıma frekans bantlarının birbiriyle çok uyumlu olduğu gözlenmiştir. Sistem üç bantta korumaya veya yansıtmaya ihtiyaç duyduğunda; FSY filtresi, sistemin bulunduğu çeşitli mm dalga uygulamalarında kullanılabilir.