Elektronik soğutucuların uzak alan elektromanyetik ışıma davranışlarının incelenmesi

Abstract

Teknolojik gelişmeler yüksek güç ihtiyacı ile birlikte tümleşik devre yapısına sahip yarı iletken anahtarlama eleman (FET, JFET, MOSFET, BJT vb.) kullanımını artırmıştır. Bu gelişim elektronik cihazların devre yapısını daha karmaşık bir hale getirmiş ve ortaya çıkan yüksek frekans ihtiyaçları doğrultusunda elektronik anahtarlama elemanların hızları da artmıştır. Bu elemanlar yüksek anahtarlama hızları nedeni ile istenmeyen harmonik bileşenler üretirken, doğası gereği çalışmaları esnasında daha fazla ısı açığa çıkarırlar. Düzgün bir çalışma performansı elde edebilmek için açığa çıkan bu yüksek ısının ortamdan uzaklaştırılması gerekir. Bu işlem için kullanılan en temel eleman metalik soğutuculardır ve soğutma performansı ile soğutucu yüzey alanı arasında doğrusal bir ilişki vardır. Ancak farklılaşan yüzey alanının farklı ışıma karakteristiğine sahip antenler gibi davranacağı bilinen bir gerçektir. Bunun anlamı anahtarlama elemanları tarafından üretilen asıl işaretler ile bunların harmoniklerinin istenmeyen bir şekilde bu soğutucular üzerinden ışıma yolu ile dış ortama yayılmasıdır. Dolayısı ile soğutucular bir anten davranışı sergilediklerinden problem bir elektromanyetik uyumluluk sorunu olarak ele alınmalıdır. Soğutucunun fiziksel boyutlarının, geometrisinin ve işaret kaynağının soğutucuya göre konumunun ışıma performansına olan etkisinin gözlemlenmesi bu tez çalışmasının temel konusudur. Soğutucular bir anten olarak ele alınıp değerlendirildiğinde benzetim ve ölçüm sonuçlarının birbirini yakından takip ettiği ve ayrıca soğutucunun anahtarlama elemanına olan bağlantı noktasının (kenarlarına ve köşelerine göre) konumuna ve üretilen işaretin frekansına bağlı olarak ışıma örüntüsünün farklılaştığı gözlemlenmiştir. En küçük huzme genişliği merkez açısı ϕ=285o olmak üzere 30o ( 4 GHZ) ve en büyük huzme genişliği merkez açısı 120o olmak üzere ϕ=90o (4 GHZ) olarak ölçülmüştür. Soğutucular bir anten olarak değerlendirildiğinde taban alanına (yama anten davranışı) ve kanatçık yüksekliklerine (monopol anten davranışı) bağlı olarak 2 ayrı rezonans frekansı değeri (S parametreleri ölçümü aracılığıyla) elde edilmiş ve bu değerlerin besleme noktasına göre değiştiği gözlemlenmiştir. Bazı besleme noktalarında (elektromanyetik uyumluluk bakımından olumlu karşılanmak üzere) hiç ışıma görülmemiştir. Soğutucu geometrisine ait parametrik analizler yapılmıştır. Bu parametrelerden biri olan kanatçık sayısı (yüzey alanını artırmak için oluşturulan yapı) değiştirildiğinde termal yönden artış sağlanırken elektromanyetik ışımaya olan etkisinin çok az olduğu görülmüş ve değer olarak 2.5dB'nin altında kalmıştır. Yama anten davranışından yola çıkarak incelenen taban boyu ve genişliği parametrelerinin artmasıyla birlikte belirli frekanslarda oluşan rezonansların orantılı olarak düşük frekans bölgesine doğru kaydığı saptanmıştır.