URSI-TÜRKĠYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Polarizasyon Bağımsız Çok-Bantlı Silindirik Dalga Kılavuzu Şekilli Sinyal
Emici Metamalzeme
Olcay Altıntaş, Furkan Dinçer, Emin Ünal, Muharrem Karaaslan, Oğuzhan Akgöl, Cumali Sabah*
Mustafa Kemal Üniversitesi
Elektrik - Elektronik Mühendisliği Bölümü
İskenderun, Hatay
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected]
*Orta Doğu Teknik Üniversitesi Kuzey Kıbrıs Kampüsü
Elektrik - Elektronik Mühendisliği Bölümü
Güzelyurt, KKTC
[email protected]
Özet: Bu çalışmada polarizasyondan bağımsız olarak çok bantlı geniş frekans aralığında mükemmel sinyal
emilimi yapan silindir dalga kılavuzu şekilli bir sinyal emici metamalzeme çalışması nümerik olarak
gerçekleştirilmiştir. Amaçlanan metamalzeme yapısı kolay konfigürasyon özelliğine de sahip olup ölçüleri
ayarlanarak istenilen frekans bölgesi için de çalıştırılabilir. 1.34 GHz, 2,15 GHz, 3.2GHz, 4.31GHz ve 5.41
GHz frekanslarında sırasıyla 99.9%, 97.5 %, 85.8%, 68.2% ve 40.2% oranlarında emilim sağlanmıştır. Ayrıca
metalmalzemenin rotasyonel simetrik özelliğinden dolayı, sinyal emicinin polarizasyondan bağımsız özellik
gösterdiği nümerik sonuçlarla doğrulanmıştır. Amaçlanan metamalzeme sinyal emici yapısı medikal, sensör,
savunma sanayi gibi alanlarda önemli potansiyel uygulamalar teşkil etmektedir.
Abstract: A multi-band perfect metamaterial absorber based on cylindrical waveguide shape with polarization
independency is numerically presented. The proposed absorber has a simple configuration property and also
operates at flexible frequency range by simply tuning the dimension of the structure. The maximum absorption
values are obtained as 99.9%, 97.5 %, 85.8%, 68.2% and 40.2% at the frequencies of 1.34 GHz, 2,15 GHz,
3.2GHz, 4.31GHz and 5.41 GHz, respectively. In addition, due to the rotational symmetry feature of
metamaterials, polarization independency of the absorber has been verified with the results. The suggested
metamaterial absorber enables myriad potential applications in medical technologies, sensors and defense
industry etc.
1. Giriş
Metamalzemeler [1-4] yapay ve küçük ölçeklerde tasarlanan, deneysel olarak kanıtlanmış alışılmadık ve
kullanışlı elektromanyetik özelliklere sahip, yakın zamanda çok ilgi görmüş bir çalışma alanıdır.
Metamalzemelerin elektromanyetik dalgalara karşı gösterdiği tepkiler ölçülerek; anten, sensör, sinyal emici vs.
gibi uygulama alanlarında kullanılmak üzere verimliliği yüksek yapılar analiz edilmiştir.
Bu çalışmada, silindirik dalga kılavuzu şeklindeki bir metamalzemenin sinyal emici özelliği üzerinde
durulmuştur. Son yıllardaki çalışmaların ışığında sinyal emici metamalzemelerin düşük maliyetli, kolay
üretilebilir ve yüksek verimliliği olan yapılar olduğu keşfedilmiştir [1-3]. Analiz edilen yapı iç içe iki ince
metalik silindirin birbirinden, kayıplı FR4 dielektrik malzemesi ile ayrılması ile elde edilmiştir. Nümerik
çalışmalar sayesinde, yapının 1−6 GHz arasında beş farklı frekans aralığında rezonasa girdiği ve bu aralıklarda
mükemmel sinyal emici özelliği gösterdiği sonucuna ulaşılmıştır. Ayrıca polarizasyondan bağımsızlığı durumu
da başarıyla gerçekleştirilmiş olup, elektrik alan ve yüzey akım dağılımlarıda incelenmiştir.
2. Tasarım ve Simülasyon
Amaçlanan çok bantlı sinyal emici yapısı, iç içe geçmiş iki silindirik metal tabaka arasına dielektrik malzeme
yerleştirilerek elde edilmiştir. Metal tabakalar bakır cins metalden oluşmaktadır. Metal cinsi 5.8001107 /
URSI-TÜRKĠYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
elektriksel iletkenliğe ve 0.6  kalınlığa sahiptir. Seçilen dielektrik FR4 cinsi malzeme olup 12.6  kalınlık,
4.2 dielektrik geçirgenlik, 1 manyetik geçirgenlik ve 0.02 kayıp tanjant değeri özelliklerindedir. Şekil 1 (a)’da
birim hücre gösterilmektedir. Bu değerler =60 ,=30 ,=43.2 ,=0.6  şeklindedir. Şekil 1
(b)’de ise yapının önden görünümü boyutlandırılarak sunulmuştur.
Bu çalışmadaki nümerik bulgular sonlu toplamlar metodu (FIT) tabanlı CST Microwave Studio programı ile elde
edilmiştir. Analizde, floquet port ile birlikte periyodik sınır koşulları kullanılmış olup S-parametreleri bulunmuş
ve Şekil 2 yer alan yansıma-emilim karakteristiği grafiği elde edilmiştir.
(a)
(b)
Şekil 1. Silindirik dalga kılavuzu şekilli sinyal emici. (a) Yapının genel görünümü. (b) Yapının önden
görünümü.
3. Nümerik Sonuçlar
Gelen EM dalganın emilimi ()=1−()−() formülü ile hesaplanır. Burada, (),() ve () sırasıyla
emilim, yansıma ve iletim katsayılarını ifade etmektedir. Rezonans frekansında empedans eşleşmesi durumunda
genellikle ()’nın maksimum, () = |11 |2 ve () = |12 |2 değerlerinin ise minimum olması beklenir. Bu
malzemenin empedansı ( = µ()/() ) ile serbest boşluğun (0 ()) eşit olduğu yerde gerçekleşir.
Bundan dolayı önerilen yapıda içteki metalik silindir tabaka ve serbest boşluğun empedanslarının birbiriyle
eşleştiği yerde yani rezonans frekansında yansımanın çok düşük değerlerde olduğu görülmüştür. Dıştaki sürekli
metalik silindirik yapı ise iletimi T () engellemektedir. Fakat buradan geri yansıyan sinyalin emilimi için ise iki
metalik tabakanın arasında bulunan dielektrik malzemenin kalınlığı önem arz etmektedir [4].
Şekil 2. Amaçlanan yapının emilim, yansıma ve iletim değerleri
Yansıma ve iletim,  = |11 |2 ve  = |12 |2 şeklinde hesaplandığında, emilimin  = 1 −  −  = 1 − |11 |2 −
|12 |2 olduğu görülür. Fakat önceden de bahsedildiği gibi yapının dışını kaplayan metalik tabaka iletimi
minimum seviyeye indirir. Böylece emilim  = 1 −  olarak hesaplanır ve yalnızca yansımanın azaltılmasına
bağlı olarak değişir.
URSI-TÜRKĠYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Emilimin simulasyon sonuçları 1−6 GHz frekans aralığında 0 (0%) ile 1 (100%) değerleri arasında çizilmiştir.
1.34 , 2.15 , 3.2, 4.31  ve 5,41  frekanslarında sırasıyla 99.9%, 97.5 %, 85.8%, 68.2% ve
40.2% emilim tepe değerleri elde edilmiştir. Ayrıca farklı polarizasyon açı değerleri (0,30,60,90) içinde
amaçlanan yapının emilim karakteristiği incelenmiştir. Şekil 3’ten de anlaşılacağı üzere analizi yapılan
polarizasyon açılarında, emilim karakteristiğindeki değişimin çok küçük ölçekte olduğu gözlemlenmiştir. Böyle
bir yapı polarizasyon açısından bağımsız olarak mükemmel sinyal emilimi yapabilmektedir.
Şekil 3. Amaçlanan yapının farklı polarizasyon açı değerler için emilim karakteristiği
4. Sonuç
Silindirik dalga kılavuzu şekilli bir sinyal emici metamalzeme için detaylı bir nümerik çalışma
gerçekleştirilmiştir. 1−6 GHz mikrodalga frekanslarında beş ayrı nokta emilim tepe değerleri elde edilmiş ve
bunlardan 1.34 GHz ve 2.15 GHz frekanslarında mükemmele yakın sinyal emiliminin (99.9% ve 97.5%) olduğu
doğrulanmıştır. Ayrıca yapının polarizasyon açısından bağımsız olarak mükemmel sinyal emilimi
gerçekleştirdiği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak bu çalışma, yapısal olarak farklılığından dolayı ve kolay
konfigüre edilebilir olması sebebiyle sinyal emici metamalzeme alanına yeni bir bakış açısı sağlamaktadır.
Amaçlanan metamalzeme yapısı medikal sektöründen savuma sanayisine kadar birçok alandaki potansiyel
uygulamalarda kullanılmaya elverişlidir.
Kaynaklar
[1]. F. Dincer, M. Karaaslan, E. Unal, K. Delihacioglu, ve C. Sabah, "Design of polarization and incident angle
insensitive dual-band metamaterial absorber based on isotropic resonators," Progress In Electromagnetics
Research, sayı 144, 123-132, 2014.
[2]. L. Lu, S. Qu, H. Ma, F. Yu, S. Xia, Z. Xu, and P. Bai, "A polarization-independent wide-angle dual
directional absorption metamaterial absorber," Progress In Electromagnetics Research M, sayı 27, 91-201,
2012.
[3]. Lee, J.; Lim, S., "Bandwidth-enhanced and polarisation-insensitive metamaterial absorber using double
resonance," Electronics Letters , sayı.47, no.1, s.8,9, January 6 2011.
[4]. Hu, C.G.,Li, X., Feng, Q., Chen, X.N., and Luo, X.G.: ‘Investigation on the role of the dielectricloss in
metamaterial absorber’, Opt. Express, 2010, 18, s. 659.
Download