ANTEN SİSTEMLERİNDE METAMALZEMELER

ANTEN SİSTEMLERİNDE METAMALZEMELER

Antenlerin tarihi, elektrik ve manyetizma teorilerini birleştiren James Clerk Maxwell’e kadar uzanır. İlk anten ise Alman fizikçi Heinrich Hertz tarafından üretilmiştir. İkinci Dünya Savaşı antenlerde yeni bir dönem başlatırken, 1960’lardan 1990’lara kadar bilgisayar mimarisi ve teknolojisinde kaydedilen ilerlemeler, modern anten teknolojisinin ilerlemesinde büyük bir etkiye sahip olmuştur ve yirmi birinci yüzyılda anten mühendisliği üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olması beklenmektedir.

Geçmişte anten tasarımı, genel sistem tasarımında ikincil bir konu olarak görülse de günümüzde kritik bir rol oynamaktadır. Aslında, birçok sistem başarısı antenin tasarımına ve performansına bağlıdır. Ayrıca, bu yüzyılın ilk yarısında anten teknolojisi neredeyse denemeye dayalı işlem olarak kabul edilebilirken, bugün gerçekten bir mühendislik bilimidir.

Anten, radyo dalgalarını yayan ya da toplayan bir araçtır. Elektromanyetik radyasyonları alternatif akıma dönüştüren ve bunun tersini yapan bir dönüştürücüdür. Anten, yapısı gereği iki yönlüdür; hem gönderme hem de alma fonksiyonları için kullanılabilir. Verici anten, uzak mesafelerde yerel olarak düzlem dalgaya yaklaşan bir küresel dalga yayar. Alıcı anten, gelen düzlem dalganın bir kısmını keser ve alıcı yük empedansına alma gücünü aktarır. Gönderici uçta, iletilecek bilgi antene salınımlı voltaj olarak uygulanır. Uygulanan voltaj yüzey akımlarına yol açar, bu da salınımlı elektrik ve manyetik alanlara yol açar. Bu alanların ürettiği enerji elektromanyetik dalgalar olarak uzaya yayılır. Antenin alıcı ucunda, uzaydan gelen elektromanyetik dalgalar antende bir foton-elektron etkileşimine neden olarak yüzeyinde orijinal sinyali yeniden oluşturan bir akım akışına neden olur.

Anten alanı güçlü ve dinamik bir alandır ve iletişim sistemlerinin en önemli parçalarından biridir. Sistem performansında da hatırı sayılır bir yere sahiptir. Teknolojinin ilerlemesi ile sistem performansı daha fazla önem arz etmektedir ve bu da anten sistemleri üzerindeki çalışmaların sürekli olarak güncel olmasını sağlamakla beraber yeni gelişmelere de ihtiyaç olduğunu hiçbir zaman unutturmamaktadır.

Yunancada “ötesinde” anlamına gelen meta ön eki ile metamalzemeler doğada bulunan maddelerden/malzemelerden farklı özellikler sergileyen yapay malzemeler olarak adlandırılır. Metamalzeme davranışları doğal maddelerde gözlemlenemez. Yapay olarak tasarlanan metamalzemeler, özelliklerini bileşimindeki malzemelerden değil tasarımlarındaki yapılardan alırlar. Özetle metamalzemeler, geleneksel malzemelerin sunamadığı yetenekleri sağlayan yapılar olarak tanımlanabilir.

Elektromanyetik dalgaları yönlendirmede yapay malzemelerin keşifleri on dokuzuncu yüzyılın sonlarına doğru başlamıştır. 60’ların sonunda “The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of ε and μ” isimli makale ile Rus fizikçi Victor Veselago tarafından negatif indisli malzemeler teorik olarak tanımlanmıştır. Kısa bir aradan sonra, yirminci yüzyılın sonlarına doğru, metamalzeme alanındaki çalışmalar artan ilgi ile devam etmiştir. Ünlü İngiliz fizikçi John Pendry ve birçok bilim insanı tarafından bu alana katkılar sağlanmış, çığır açan yeni fikirler sunulmuştur.

Metamalzemeler, istenen özellikleri ve işlevleri elde etmek için yapay olarak tasarlanır. Bu yapılar genellikle periyodik sırada dizilmiş birim hücrelerin bir araya gelmesiyle oluşturulur. Birim hücrelerin geometrisi/mimarisi metamalzeme karakterinin ayarlanmasında rol oynar. Hedef özellikleri elde etmek için uygun geometrik tasarımın yapılması ile metamalzemenin kırılma indisi pozitif, sıfıra yakın veya negatif değerlere ayarlanabilir.

Bilinen tüm doğal malzemeler pozitif kırılma indisi değerine sahiptir. Bir ortamdan başka bir ortama geçen ışık, yayılma yönünde hafifçe bükülür. Bir malzemenin kırılma indisi arttıkça ışığı orijinal yolundan daha çok ayırır. Havanın kırılma indisi yaklaşık 1 iken suyun kırılma indisi 1.33’tür. Negatif kırılma indisi ise yayılımın geriye doğru bükülecek şekilde olması demektir. Negatif kırılma indisine sahip malzemeler, biyotıpta, uzay uygulamalarında, ısı transferlerinde ve birçok alanda yeni uygulamalara olanak sağlar.

Dalga manipülasyonu ile metamalzemeler birçok alanda kullanılmaktadır; akustik uygulamalarda, süperlenslerde, geliştirilmiş güneş pillerinde, optik kamuflaj ve görünmezlik pelerinlerinde, soğurucularda, sensörlerde, anten sistemlerinde ve sayısız uygulamalarda. Metamalzemeler, uygulama alanlarına göre tasarlanan farklı yapılarıyla benzersiz özellikler sunarlar.

Anten sistemlerinde çoğunlukla periyodik olarak kullanılan elektromanyetik metamalzemeler, farklı frekans bölgeleri ve farklı uygulama hedeflerine göre farklı şekillerde tasarlanır. Anten sistemlerinde kullanılan elektromanyetik metamalzemeler, genellikle sistem performansını iyileştirmede ve minyatürleştirmede kullanılır. Gelişen teknoloji ile akıllı cihazların çeşitliliği hızlıca artmakta ve rekabet ortamı her geçen gün kızışmaktadır. Cihazların tasarımında, boyutlarında ve iletişim hızlarında ise antenler büyük öneme sahiptir. Akıllı cihazlar, metamalzemelerin anten sistemlerinde kullanıldığı alanlardan sadece biridir. Elektromanyetik metamalzemeler, uydu haberleşme antenlerinde kullanımı ile fark yaratan bir etkendir. Son yıllarda uydu haberleşme antenlerinin performansını artırmada elektromanyetik metamalzemelerin kullanımı bir hayli artmıştır.

Yaşam var olduğu sürece iletişim var olacak, iletişimin ana direği antenler var olacak, anten teknolojileri sürekli en iyiyi hedefleyecektir. Dalga manipülasyonu sağlayan metamalzemeler ise kendisini her alanda geliştirecek, her uygulamada kendisine bir yer ayırtacaktır.