EBG Devreleri · RF Filtre Tasarımı
Proje 21
Yeni Nesil Mikroşerit Bant Durduran Filtre Simülasyonu

Mikrodalga Sistemlerinin Bilgisayar Destekli Analizi ve Modellenmesi

Hatice Öztürk — 210208082 Zeynep Saytaş — 190207086 Çağrı Emre Yiğiter — 190208033
Temel Kavram

Bant Durduran Filtre Nedir?

Bant durduran filtreler (diğer adlarıyla bant söndüren, bant reddeden veya İngilizce tabiriyle Band-Reject / Notch Filter), belirli bir frekans aralığındaki sinyalleri geçirmeyip engelleyen, bu aralığın altındaki ve üstündeki frekansları ise aynen geçiren devrelerdir.

Kazanç-Frekans Grafiği
Ses Sistemi

Ses Sistemleri: Ses amfilerinden bazen sinir bozucu bir "bızzz" sesi (50/60 Hz uğultusu) gelir. Dar bantlı filtre sadece bu frekansı yok eder, müziğin tüm seslerini aynen bırakır.

EKG Cihazı

Tıbbi Cihazlar — EEG / EKG: İnsan vücudundan sinyaller okunurken prizlerden sızan 50 Hz'lik şebeke gürültüsü cihazı yanıltabilir. EKG cihazlarında çok hassas bant söndüren filtreler kullanılır.

Günlük Hayattan Örnekler

  • Ses Sistemleri: Ses sisteminin içine yerleştirilen dar bantlı filtre, sadece 50/60 Hz frekansını yok eder ama dinlediğiniz müziğin diğer tüm seslerini aynen bırakır.

  • EEG / EKG: EKG cihazlarında bu gürültüyü temizlemek için çok hassas bant söndüren filtreler kullanılır.

  • Radyo Alıcıları (FM/AM Girişim Önleme): Güçlü bir yerel radyo istasyonunun sinyali yakındaki başka bir alıcı sistemini bastırabilir. İstenmeyen o tek istasyonun frekansını engellemek için bu filtrelerden yararlanılır.

Kaynak Makale

Yeni Bir Mikroşerit EBG Yapısının Tasarımı

Bu makalede, mikrodalga ve elektromanyetik uygulamalarda kullanılmak üzere yeni ve kompakt bir mikroşerit tabanlı Elektromanyetik Bant Aralığı (EBG) / Elektromanyetik Bant Durduran (EBS) yapısı önerilmiş ve incelenmiştir. Çalışmanın temel amacı, belirli frekans bantlarında istenmeyen elektromanyetik girişimleri, yüzey dalgalarını ve parazitleri bastırabilecek küçük boyutlu ve yüksek performanslı bir bant durduran yapı geliştirmektir.

⚡
EBG Nedir?

Elektromanyetik Bant Aralığı (EBG) yapıları, belirli frekanslarda dalga yayılımını engelleyen periyodik nesnelerdir.

🔬
PBG'den EBG'ye

Optik sistemlerdeki Fotonik Bant Aralığı (PBG) kavramının mikrodalga ve milimetre dalga boylarına ölçeklenmiş halidir.

📡
Kullanım Alanları

Filtre tasarımı, gürültü azaltma ve anten hüzme yönlendirme özelliklerini iyileştirme.

EBG Yapısı
Filtre Sentezi

Chebyshev Tipi Durdurma Bandı Filtresi

Geçirme bandının ötesinde daha dik bir düşüş (zayıflama) elde etmek için Chebyshev filtreleri tercih edilmiştir. Filtre Derecesi: 3. Derece tasarım yeterli bulunmuştur.

1.5 GHz
Merkez Frekansı
1 GHz
3-dB Bant Genişliği
500 MHz
40-dB Bant Genişliği
Chebyshev Filtre
Tasarım

Önerilen Özgün Bant Durduran Filtre

Makalede çizilmiş olan filtreyi aynı verileri kullanarak CST uygulaması ile yeniden çizdik ve 1.5 GHz civarındaki frekansları durduran bir yapı elde ettik.
Yapı, mikro şerit dikdörtgen yama üzerinde kazınmış L-şekilli iki naldan (stub) oluşur.

  • LC Rezonansta: İki nal, farklı rezonans frekanslarına sahip iki paralel LC devresi gibi davranır.

  • Kapasitif Kuplaj: Nalların birbirine yakınlığı, temiz ve geniş bir durdurma bandı karakteristiği sağlar.

  • Boyutlar: W=25 mm, L1=30 mm, L2=27 mm olarak optimize edilmiştir.

Filtre Tasarımı
Mikroşerit Yapı 1
Mikroşerit Yapı 2
1
Katman 1

Toprak Düzlemi
Ground

Mikroşerit yapıların temelini oluşturur. Elektromanyetik dalgaların mikrodalga devresinde düzgün ilerleyebilmesi ve referans potansiyelinin sağlanması için kullanılan iletken tabandır. Tasarımda giriş ve çıkış yükleri 50 Ohm'luk besleme hatlarıyla bu yapıya referanslanır.

2
Katman 2

Dielektrik Substrat

Makaledeki tasarım kriterlerine tam uyum sağlamak için bağıl dielektrik sabiti (εr) 2.4 ve kalınlığı (h) 1 mm olan bir malzeme seçilmiştir. Bu spesifik kalınlık ve yalıtkanlık sabiti, hedeflenen 1.5 GHz durdurma bandı performansını optimize etmek için gereklidir.

3
Katman 3

Bakır Filtre
EBG / EBS Yapısı

Dikdörtgen yama üzerine kazınmış iki L-şekilli naldan (stub) oluşur. Bu nallar farklı rezonans frekanslarına sahip iki paralel LC devresi gibi davranır ve birbirlerine kapasitif olarak bağlanarak geniş ve temiz bir durdurma bandı sağlar. Boyutlar (W=25mm, L1=30mm, s=5mm) bu performans için optimize edilmiştir.

Parametrik Analiz

Simülasyon Kontrol Edilebilirliği

Kontrol Edilebilirlik Grafiği
  • Kontrol Edilebilirlik: Nal uzunluğu (L1) ile merkez frekansı Insertion loss(dB) ters orantılıdır.
  • Slot Genişliği: Yarık genişliği (s) arttıkça durdurma bandı genişliği azalmaktadır.
Tamamlanmış Yapı — 3B Görünüm
Ground Layer Substrat Layer Bakir Layer
S-Parameters

S₁,₁ — Geri Dönüş Kaybı

Sinyalin giriş portundan içeri girerken ne kadarının geri yansıdığını gösterir. Filtrenin empedans uyumunu ve durdurma bandındaki yansıtma karakteristiğini anlamak için kullanılır.

  • Grafiksel Gösterimi: Hem düz çizgilerle (FDTD simülasyonu) hem kesikli çizgilerle (ölçüm) gösterilen S₁,₁ yanıtı "Return / Insertion Loss (dB)" ekseninde yer almaktadır.

  • Geçiş Bandında: 0.5 GHz civarında S₁,₁ değeri −10 dB ila −20 dB arasındadır; gücün sisteme başarıyla aktarıldığını doğrular.

  • Durdurma Bandında (1.5 GHz): S₁,₁ değeri 0 dB'e çok yaklaşır — durdurmak istenen frekans neredeyse tamamıyla geri yansıtılarak engellenir.

S1,1 Simülasyon
S1,1 Ölçüm
S-Parameters

S₂,₂ — Çıkış Portu Yansıma Katsayısı

  • Tanımı: Sinyal 2. porta (çıkışa) uygulandığında, o porttan ne kadar sinyalin geri yansıdığını gösterir; çıkış portunun empedans uyumunu ölçer.

  • Simetri: Devre simetrik tasarlandığı için S₁,₁ = S₂,₂ eşitliği geçerlidir.

  • Geçiş Bandında: Düşük frekanslarda S₂,₂ değeri −10 dB ila −20 dB arasıdır; çıkışa bağlanacak yük sistemle uyumlu çalışır.

  • Durdurma Bandında (1.5 GHz): EBG yapısı bu frekansta tam bir yansıtıcı duvar görevi görür; çıkıştan gönderilen sinyal 0 dB'e yakın bir değerle tamamen geri yansır.

  • Özet: S₁,₂ = S₂,₁ ve S₂,₂ = S₁,₁ ilişkileri bu pasif, doğrusal ve simetrik filtre için geçerlidir.

S2,2 Grafiği
S-Parameters

S₂,₁ — Ekleme Kaybı

1. porttan (girişten) uygulanan sinyalin ne kadarının 2. porta (çıkışa) aktarıldığını gösterir; makalenin temel parametresidir.

  • Grafiksel Gösterim: İdeal Chebyshev yanıtları (n=3, 5, 7) ile simülasyon (FDTD) ve ölçüm (Meas) sonuçları karşılaştırılmıştır.

  • Geçiş Bandı: 0–0.8 GHz ve ~2.2 GHz üzerinde S₂,₁ ≈ 0 dB; sinyal neredeyse kayıpsız geçer.

  • Durdurma Bandı (1.5 GHz): S₂,₁ değeri −30 dB ila −40 dB'e geriler; elektromanyetik dalgalar tam olarak bastırılır.

Chebyshev Yanıtları
Chebyshev n=3,5,7
FDTD Simülasyon
Ölçüm Sonuçları
S-Parameters

S₁,₂ — Ters İletim Katsayısı

Sinyalin 2. porttan uygulanması durumunda ne kadarının 1. porta ulaştığını gösteren parametre — ekleme kaybının ters yönlü ölçümüdür.

  • Makaledeki Karşılığı: Pasif ve simetrik devrelerde S₁,₂ = S₂,₁ eşitliği geçerlidir; makalede doğrudan "Insertion Loss" adıyla ifade edilmiştir.

  • Geçiş Bandında (0–0.8 GHz ve >2.2 GHz): S₁,₂ değeri 0 dB'e çok yakındır; sinyal ters yönde de kayıpsız geçer.

  • Durdurma Bandında (1.5 GHz): Ters yönden gelen dalgalar da bloke edilir; S₁,₂ = −30 dB ila −40 dB seviyelerine düşer.

S1,2 Grafiği
S-Parameters

S-Parametrelerini Etkileyen
Geometrik Faktörler

  • Slot Genişliği (s): L-şekilli kollar arasındaki boşluk (s) artırıldığında stopband genişliği daralır — s parametresi, S₂,₁ grafiğindeki "çukurun" genişliğini kontrol eder.

  • Yama Uzunluğu (L₁): Dikdörtgen yamanın uzunluğu (L₁) artırıldığında durdurma bandının merkez frekansı aşağı kayar (ters orantılı). L₁, grafiğin minimum/maksimum noktalarının hangi frekansa (örn. 1.5 GHz) denk geleceğini belirler.

Önerilen yapı, literatürdeki benzer mikroşerit EBG yapılarına göre yaklaşık %30 daha küçük boyutlarda olmasına rağmen daha başarılı bant durdurma performansı sağlamaktadır. Kompakt, ayarlanabilir ve yüksek performanslı bu yeni yapı, mikrodalga devrelerinde ve elektromanyetik girişim bastırma uygulamalarında etkili biçimde kullanılabilir.

Geometrik Faktörler
Özet

Yüksek Performans & Kompaktlık

Literatürdeki benzer yapılara göre %30 daha küçük boyutlarda, daha başarılı bant durdurma performansı elde edildi.

📐
Kompakt Tasarım

Benzer yapılara göre yaklaşık %30 daha küçük boyutlara sahiptir.

🎛️
Esnek Kontrol

Geometrik boyutlar değiştirilerek durdurma bandı kolayca ayarlanabilir.

⚙️
Düşük Maliyet

MIMIC teknolojisiyle kolayca entegre edilebilir ve üretim maliyeti düşüktür.

Kocaeli Üniversitesi — Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği · Mikrodalga / RF Filtre Tasarımı