Metamaterial Based Absorber Design in Ism Band for Biomedical Applications

Abstract

Günümüzde yeni elektromanyetik özelliklerin elde edilmesi, dalga boyundan daha küçük ayrıtlara sahip, yapay fonksiyonel yapılar içeren malzemelerin üretilmesi ile gerçekleştirilebilmektedir. Bu yapay fonksiyonel yapıların boyutları moleküler seviye ile karşılaştırıldığında çok daha büyüktür fakat boyutların çalışılan dalga boyundan küçük olması malzemenin etkin elektrik ve manyetik geçirgenlik katsayılarının tanımlanmasına imkân sağlamaktadır. Bu şekilde belirli bir elektromanyetik özelliğin gerçeklenmesi amacıyla dalga boyundan daha küçük boyutlara sahip olan fonksiyonel yapılar ile oluşturulmuş malzemelere metamalzeme denilmektedir. Metamalzemelerin potansiyel kullanım alanlarından biriside biyosensörlerdir. Gelişmekte olan biyomedikal teknolojisi ve yeni klinik araştırma alanları daha hassas, hızlı, düşük maliyetli, düşük numune kullanan ve kullanımı kolay soğurucuların geliştirilmesini gerektirmektedir. Soğurucu olarak tasarlanabilen metamalzemeler yukarıda söz edilen avantajlara sahip olup, gelişmiş biyoalgılama platformlarının gereksinim duyduğu teknolojiler açsından da anahtar rol oynayacak bileşenlerdir. Bu çalışmada biyosensör olarak kullanılabilecek yeni tip metamalzeme soğurucu tasarımı gerçekleştirilmiştir. Biyomedikal uygulamaların da kullandığı ISM bant frekans bölgesinin 2,4 – 5,8 GHz frekans aralığında yüksek verim ve geniş bant soğurum gösteren, metamalzeme tabanlı sinyal soğurucu yapının tasarım, optimizasyon, üretim ve ölçümü gerçekleştirilmiştir. Simülasyon ve tasarım çalışmaları CST Studio Suite programı yardımıyla yapılmıştır. Tasarım 4 farklı aşamada gerçekleştirilerek, alttaş kalınlığı ve dielektrik katsayısının soğuruma etkisi de incelenerek, ISM bandında optimum değere sahip metamalzeme soğurucunun son hali üretim için kullanılmıştır. Ayrıca yapı tam simetrik olduğu için polarizasyon açısından bağımsız olduğu gözlemlenmiştir. Laboratuvar ölçümleri tam yansımasız bir odada gerçekleştirilmiş ve simülasyon ve laboratuvar ölçümlerinin birbiriyle çok az farkla uyumlu olduğu görülmüştür.

Nowadays, accessing to new electromagnetic properties can be realized by fabricating materials consist of artificial functional structures which have subwavelength dimensions. When compared with molecular dimensions, the dimensions of these artificial functional structures are larger. However due to the subwavelength size of these structures, we can define the effective permittivity and effective permeability parameters. In this context, the materials consist of subwavelength sized functional structures to realize specific electromagnetic properties are called metamaterials. One of the potential uses of metamaterials is biosensors. Emerging biomedical technology and new clinical research areas require the development of more sensitive, rapid, low-cost, low-sampling and easy-to-use absorbers. Metamaterials that can be designed as absorbers have the above-mentioned advantages and are the components that will play a key role in terms of technologies required by advanced biosensing platforms. In this study, a new type of metamaterial absorber that can be used as a biosensor has been designed. The design, optimization, production and measurement of a metamaterial-based signal absorber structure with high efficiency and broadband absorption in the 2.4 – 5.8 GHz frequency range of the ISM band frequency region, which is also used by biomedical applications, has been carried out. Simulation and design studies were carried out with the help of CST Studio Suite. The design was carried out in 4 different stages and the effect of substrate thickness and dielectric coefficient on the absorption was examined, and the final state of the metamaterial absorber with the optimum value in the ISM band was used for production. In addition, since the structure is fully symmetrical, it has been observed that it is independent of polarization angle. Laboratory measurements were performed in a fully anechoic chamber and it was seen that the simulation and measurement results were in a good agreement with a little difference.