Mı̇krodalga frekanslarında karbon bazlı elektromanyetı̇k gı̇rı̇şı̇m kalkanlama malzemeleri tasarımı ve gerçekleştirilmesi

Abstract

The exchange of electromagnetic signals is fundamental to personal devices such as computers and telephones, as well as more complex systems such as antennas and radars used in applications such as weather forecasting, satellite communications, navigation and national security. It is essential that these devices operate within the limits of electromagnetic compatibility (EMC). This prevents them from interfering with or damaging each other. However, interference and interaction can sometimes occur when electromagnetic signals are exchanged at close frequencies. These disturbances can be the cause of equipment or system malfunction or data corruption or loss. This is why protecting equipment which uses electromagnetic signals is vital. This thesis investigates the development, optimisation and implementation of two novel electromagnetic shielding composites, both of which use expanded graphite as a conductive filler in polymer matrices to provide effective shielding against electromagnetic interference (EMI). The focus of the research is on the actual EMI shielding performance of the composites rather than ideal conditions. Scattering data were collected using a vector network analyser, microwave parameters calculated using the Nicolson-Ross-Weir algorithm and simulations performed in CST to reduce experimental material costs and improve accuracy and efficiency of the proposed composite. The first of these composites, composed of ionic liquid and expanded graphite co-doped PVDF (Poly(vinylidene difluoride)), demonstrated sufficient electromagnetic shielding success in the 8-18 GHz range. However, it was discarded due to its high cost. The second composite, a structure containing 11 wt.% expanded graphite embedded in screen printing ink, proved to be both cost-effective and successful in broadband applications, providing effective electromagnetic shielding as confirmed by both simulation and experimental methods. Electromagnetic analyses were carried out under both ideal conditions (waveguide) and realistic lossy conditions (free space). A total of seven different methods were used - three experimental and four simulation techniques. As a contribution to the literature, the electromagnetic homogeneity of the novel composite material was evaluated for the first time using two different methods. Homogeneity percentages were obtained over a broadband frequency range (2-30 GHz). For a real-world application, a cube made from the designed composite structure was tested in both experimental and simulation environments. Several antennas operating in different frequency regimes were placed inside the cube to assess its protection from electromagnetic signals. The extent to which these antennas were affected by external electromagnetic signals was investigated. This cube application is a contribution to the literature by demonstrating its use in both electromagnetic shielding and absorption test applications. The material characterisation of this composite structure, presented for the first time in the literature, has also been carried out, underlining its potential effectiveness and practical application.

Elektromanyetik sinyal alışverişi, bilgisayarlar ve telefonlar gibi kişisel cihazların yanı sıra hava tahmini, uydu iletişimi, navigasyon ve ulusal güvenlik gibi uygulamalarda kullanılan antenler ve radarlar gibi daha karmaşık sistemler için de temeldir. Bu cihazların elektromanyetik uyumluluk (EMC) sınırları dahilinde çalışması esastır. EMC, birbirleriyle etkileşime girmelerini veya birbirlerine zarar vermelerini önler. Bununla birlikte, yakın frekans aralığında çalışan cihazların elektromanyetik sinyalleri arasında bazen girişim ve etkileşim meydana gelebilir. Bu girişim ekipman veya sistem arızasına ya da veri bozulmasına veya kaybına neden olabilir. Bu nedenle elektromanyetik sinyalleri kullanan ekipmanların korunması hayati önem taşımaktadır. Bu tez, elektromanyetik girişime (EMI) karşı etkili bir koruma sağlamak için polimer matrislerde iletken bir dolgu maddesi olarak genişletilmiş grafit kullanan iki yeni elektromanyetik koruyucu kompozitin geliştirilmesi, optimizasyonu ve uygulanmasını araştırmaktadır. Araştırmanın odak noktası, ideal koşullardan ziyade kompozitlerin gerçek hayat (serbest-uzay) EMI kalkanlama performansıdır. Saçılım parametreleri bir vektör ağ analizörü kullanılarak toplanmış, mikrodalga parametreleri Nicolson-Ross-Weir algoritması kullanılarak hesaplanmış ve deneysel malzeme maliyetlerini azaltmak ve önerilen kompozitin doğruluğunu ve verimliliğini artırmak için CST'de simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. İyonik sıvı ve genişletilmiş grafit katkılı PVDF'den oluşan bu kompozitlerin ilki 8-18 GHz aralığında yeterli elektromanyetik kalkanlama başarısı göstermiştir. Ancak, yüksek maliyeti nedeniyle genişbant uygulamaları için uygun görülmemiştir. İkinci kompozit, serigrafi mürekkebine gömülü ağırlıkça %11 genişletilmiş grafit içeren bir yapı olup, hem simülasyon hem de deneysel yöntemlerle doğrulandığı üzere etkin elektromanyetik kalkanlama sağlayarak geniş bant uygulamalarında hem uygun maliyetli hem de başarılı olduğunu kanıtlamıştır. Elektromanyetik analizler hem ideal koşullar altında (dalga kılavuzu) hem de gerçekçi kayıplı koşullar (serbest uzay) altında gerçekleştirilmiştir. Üç deneysel ve dört simülasyon tekniği olmak üzere toplam yedi farklı yöntem kullanılmıştır. Literatüre bir katkı olarak, yeni kompozit malzemenin elektromanyetik homojenliği ilk kez iki farklı yöntem kullanılarak değerlendirilmiştir. Homojenlik yüzdeleri geniş bant frekans aralığında (2-30 GHz) elde edilmiştir. Gerçek dünyadaki bir uygulama için, tasarlanan kompozit yapıdan oluşturulan bir küp hem deneysel hem de simülasyon ortamlarında test edilmiştir. Elektromanyetik sinyallerden korunmasını değerlendirmek için küpün içine farklı frekans rejimlerinde çalışan çeşitli antenler yerleştirildi. Bu antenlerin harici elektromanyetik sinyallerden ne ölçüde etkilendiği araştırıldı. Bu küp uygulaması, hem elektromanyetik kalkanlama hem de soğurma testi uygulamalarında kullanılabilecek olup, literatüre bir katkı sağlamaktadır. Literatürde ilk kez sunulan bu kompozit yapının malzeme karakterizasyonu da gerçekleştirilerek potansiyel etkinliği ve pratik uygulaması vurgulanmıştır.