Development of an ultrawideband low-profile circuit analog absorber using resistively loaded tightly coupled dipole arrays
Rezistif yüklü sıkı kuplajlı dipol dizisi kullanarak aşırı geniş bantlı düşük profilli devre analog soğurucunun geliştirilmesi
- Tez No: 894345
- Danışmanlar: PROF. DR. SERKAN ŞİMŞEK, DR. MUSTAFA KULOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Modern askeri radar sistemlerindeki önemli gelişmeler, radar tarafından tespit edilmek veya izlenmek istenmeyen sistemlerin önlemler almasını gerektirmiştir. Bu önlemlerden biri de radar soğurucu malzemeler (RSM) ile radar sinyallerini absorbe edip kendi radar kesit alanını (RKA) düşürerek radarın yeteneklerini etkisiz hale getirmektir. Ferrit ve yankısız odalarda kullanılan piramit soğurucuların hantal, ağır ve kalın olmasından dolayı uçak, gemi ve füze gibi sistemlerde bu amaçla kullanılması tercih edilmemektedir. Bahsi geçen sistemlerin aerodinamik yapıları, şekilleri ve performansları kullanılan malzemelerle doğrudan ilişkili olduğundan dolayı, soğurucu malzemelerin bu platformlarda kullanışlı olabilmeleri için olabildiğince hafif ve ince olmaları gerekmektedir. Ayrıca, soğurucuların fiziksel özelliklerinin yanısıra belirli bir frekans bandı aralığında belirli bir düzeyde soğurma yapabilmeleri de önemlidir. Ancak, soğurma frekans bandı genişliğini arttırmak soğurucu yapısının daha kalın olmasına ve soğurma düzeyinin azalmasına neden olmaktadır. Bu probleme çözümler sunmak için birçok çalışma yapılmştır. Bu çalışmalardan bazıları, kullanılacak malzemenin elektriksel ve fiziksel özellikleri aracılığıyla soğurma yapabilmesini içerir. Malzemelerin dielektrik katsayısı, manyetik geçirgenliği ve kalınlığı o malzemenin soğurma yeteneği kazanmasını sağlayabilmektedir. Bunun yanısıra, frekans seçici yüzeyler (FSY) aracılığıyla da soğurucu tasarımı yapmak mümkündür. Araştırmalar, bantgenişliği-kalınlık oranının optimize edilebilmesi ve soğurma frekansının kolayca ölçeklenebilir olmasından dolayı son yıllarda FSY tabanlı soğuruculara yoğunlaşmıştır. FSY elemanları direnç gibi davranan malzemelerden oluşabileceği gibi iletken yapıların direnç yüklenmesi ile de tasarlanabilir. Her iki yapıda da soğurucunun en alt katmanında genellikle toprak düzleminin bulunduğu ve bu düzlem ile FSY deseni arasında, hava veya başka bir dielektrik tabakanın bulunduğu görülmektedir. Toprak düzleminin varlığı, soğurucu malzemenin entegre edileceği yapıların yüzeylerinin genellikle metal olmasından dolayıdır. Topraklanmış FSY tabanlı soğuruculara aynı zamanda Devre Analog Soğurucu (DAS) da denilmektedir. Bu tezin amacı, aşırı geniş bantlı (1:3.5) ve düşük profilli (<0.1λD; λD: en düşük çalışma frekansındaki dalga boyu) direnç yüklü DAS tasarlamaktır. Soğurucunun hem TE hem de TM mod dalgalarını absorbe etmesi pratik olarak kullanılması açısından önemlidir. Literaturde, DAS ile alakalı birçok tez çalışmasına ve makaleye rastlamak mümkündür. Bu çalışmalardan birçoğu fiziksel direnç elemanları ile yüklü DAS yapılarını, üretiminin kolay ve maliyetinin az olması nedeniyle konu edinmiştir. Çeşitli FSY desenleri kullanılarak elde edilen soğurucular tek polarizasyonlu veya çift polarizasyonlu (TE ve TM), tek veya çok katmanlı olabilmektedir. Bu yapılar HFSS gibi elektromanyetik benzetim programları kullanılarak analiz edilebilmektedir. Bu programlarının doğru konfigure edilebilmesi, elde edilen benzetim sonuçlarının güvenilirliği için çok önemlidir. Bu tez çalışmasında, bu amaç doğrultusunda HFSS'de bir FSY tabanlı soğurucunun birim hücre analizinin nasıl yapılacağı verilmiştir. Literatürde daha önce yayınlanmış bir tasarım HFSS ile yeniden modellenmiş ve elde edilen benzetim sonuçları, yayındaki sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. HFSS ayarlarının benzetim için uygun olduğu görüldükten sonra tasarım safhasına geçilmiştir. Soğurucu tasarlamanın yollarından biri de anten kullanmaktır. Anteni elektromanyetik dalga ile beslemek yerine, besleme yeri, anten empedansına uygun bir dirençle sonlandırılırsa gelen düzlemsel dalga bu direnç üzerinde sönümlenebilmektedir. Bu tezin amacına uygun olarak, aşırı geniş bantlı ve düşük profilli bir soğurucu için en alt tabakasında toprak düzlemi bulunan sıkı kuplajlı dipol dizisi (SKDD) anteni kullanılmıştır. SKDD temel olarak Wheeler konseptini temel alır ve 1:4.5 bant genişliği elde edilebilmektedir. Ancak, soğurucu olarak kullanıldığında yapısal saçılmalardan dolayı birebir aynı bant genişliği beklenmemelidir. Anten yapısında uzaya yayın yapılırken, soğurucu yapısında gelen düzlemsel dalga soğurucu üzerinde emilmektedir. Tasarımın ilk safhasında, 4-18 GHz arasında çalışan soğurucu için endüstride bulunan nispeten düşük dielektrik katsayısına sahip Rogers 5880 alttaşı tercih edilmiştir. Alttaşın altına ve üstüne yerleştirilen sıkı kuplajlı dipol (SKD) elemanı sayesinde hem TE hem TM modunda soğurma sağlanmıştır. Her elemanın ortasında bir adet yüzeye monte teknlojili (YMT) direnç elemanı bulunmaktadır. Bu direncin boyutlarına göre benzetim yapılmış olup, seçilen direncin ohm değeri çalışma frekansı bölgesine uygun olarak optimize edilmiştir. SKD elemanlarının alttaşın altına ve üstüne yerleştirilmesinin sebebi dirençlerin alttaşın aynı yüzeyinde lehimlenmesinin zorluğudur. Modellenen yapının ilgili frekans bölgesinde gelen dalgayı sönümlemesi için boyutlarının ve kullanılan direnç değerlerinin önemi kritiktir. Bu değerlerin HFSS ile kolayca optimize edilebilmesi için değişmesi muhtemel değerlerin hepsi birer değişkenle tanımlanmalıdır. Başlangıçta hangi değerlerin atanması gerektiği ise eşdeğer devre modeli yardımıyla çıkarılabilir. Bu çalışmadaki tasarımın boyutları eşdeğer modeline göre ilk değerler atandıktan sonra optimizasyon ile elde edilmiştir. En önemli parametrelerden biri olan alttaş üzerindeki iletken desen ile toprak düzlemini ayıran mesafenin belirlenmesi elde edilen empedans denklemiyle analiz edilmiştir. Bu mesafenin, en yüksek çalışma frekansındaki dalga boyunun yarısından küçük olması gerekmektedir; aksi takdirde soğurucu yapı rezonansa girecektir. Bu mesafenin çok küçük olması ise soğurucu yapının kısa devre olmasına neden olabilmektedir. Bu mesafenin, soğurucunun kalınlığını doğrudan etkilediği göz ardı edilmeyecek şekilde bir değere atanması gerekmektedir. Diğer önemli parametrelerden biri kullanılan direncin değeridir. Eğer SKDD uygun bir direnç değeri ile uyumlandırılmazsa empedans uyumsuzluğundan kaynaklı soğurma karakteristiği kötüleşir. Benzer şekilde, eşdeğer devre modeli yardımıyla SKD elemanının hangi direnç değeri ile sonlanması gerektiği çıkarılabilmektedir. Diğer ana parametreler ise dipolün uzunluğu, kalınlığı ve dipol uçlarındaki kuplajı sağlayan parmak şeklindeki yapının boyutlarıdır. Soğurucu yapının soğurma yeteneği HFSS ile elde edilen yansıma katsayısı ile analiz edilir. Önerilen soğurucu üzerine düzlemsel elektromanyetik dalga gönderilir ve bu sinyalin gönderim yapılan porta ne kadarının geri döndüğü HFSS tarafından hesaplanır. Önerilen soğurucunun en alt tabakasında tamamen yansıtıcı metal levhası (toprak düzlemi) olduğundan iletim katsayısı teorik olarak sıfırdır. Soğurma seviyesi yansıma katsayısının en büyük değeri olan 1'den yansıma katsayısı büyüklüğünün karesinin çıkarılmasıyla hesaplanır. Böylece RSM'nin üzerine gelen işareti ne kadar sönümlediği analiz edilmiş olur. Tasarımın ilk aşamasında önerilen soğurucunun elde edilen benzetim sonuçlarına göre TE modu için 4.23-18.20 GHz arası ve TM modu için 4.42-18.92 GHz arasında yüzeye dik gelen işareti en az %90 oranında soğurduğu görülmektedir. Üretim sonrası ölçüm sonuçlarının benzetim sonuçlarıyla örtüşebilmesi için soğurucu tasarımı yapılırken üretim safhası dikkate alınmalıdır. Bu sebeple, tasarımın ikinci adımında, kullanılan YMT direncin yüksek frekans bölgesinde kararlı davranmaması nedeniyle tasarım 1-4.5 GHz frekans bölgesine ölçeklenmiştir. Önerilen soğurucunun boyutları değiştiği için tekrar optimizasyon sürecine girilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre TE modu için 1.052 – 4.56 GHz ve TM modu için 1.06 – 4.60 GHz frekans bandı aralığında yüzeye dik gelen işaretin en az %90 sönümlendiği görülmüştür. Ardından, benzer şekilde Rogers 5880 alttaşının kırılgan ve hassas bir malzeme oluşu sebebiyle üretimde doğabilecek sıkıntılara karşı mevcut alttaş Rogers 4003 olarak değişmiştir. Tasarımın üçüncü safhası bu alttaş ile tekrar benzetimler yapılmasıdır. Dielektrik katsayı değiştiğinden optimizasyon süreci ikinci safhaya göre daha zorludur. Dielektrik katsayının artması bant genişliğinin azalmasına neden olmuş ve nihayetinde elde edilen benzetim sonuçlarına göre TE modu için 0.99 – 4.00 GHz ve TM modu için 1.04 – 4.21 GHz frekans bandı aralığında yüzeye dik gelen işaretin en az %90 oranında emildiği görülmüştür. Bu durumda, önerilen sooğurucu bant genişliği 1:3.85 (4.00/1.04) ve kalınlığı 0.093λD olmuştur. Ayrıca, tasarımdaki boyutların etkisinin gözlemlenmesi ve açıya bağlı kararlılık analizi için gelen işaret 0° – 45° arasında iken benzetimler yapıılmıştır. Önerilen soğurucunun bu açılar arasında kararlı soğurma karakteristiği sergilediği görülmüştür. Bunun dışında, üretim aşamasında alttaşın desteklenmesi için ayraç olarak köpük malzemesi kullanılacağından, dielektrik katsayı değeri 1.05 olan Rohacell malzeme ile benzetim yapılmıştır. Bu sonuçlara göre de önerilen soğurucunun, bu tezin amaçlarından birini yerine getirdiği ve üretime hazır olduğu görülmüştür. Tasarımın amaçlarından biri de RKA düşürmektir. Bu amaç doğrultusunda birim hücre analizi yapılan soğurucunun sonlu elemanlı dizi hali (12x12 birim hücre) modellenip benzetimi yapılmıştır. Sonlu elemanlı soğurucu ile mükemmel iletken olduğu kabul edilen aynı boyut ve kalınlıktaki metal levhanın RKA seviyesi karşılaştırılmış olup önerilen soğurucunun 1 – 4 GHz aralığında yaklaşık 10 dB RKA düşürdüğü görülmüştür. Benzer şekilde, önerilen soğurucunun endüstride yaygın olarak kullanılan LS-18 ve LS-24 soğurucu malzemelere göre RKA performansı yaklaşık 7.5 dB daha iyidir. Elde edilen benzetim sonuçlarının doğrulanması için önerilen soğurucu üretilip ölçülmüştür. Ölçüm sonuçları ile benzetim sonuçlarının örtüştüğü görülmüş olup önerilen soğurucunun RKA düşürme gibi uygulamalarda kullanılabilirliği bu çalışma ile gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Due to developments of modern military radar systems the interest of radar absorbing materials (RAM) is increased. Since pyramid-shaped absorbers used in anechoic chambers and ferrite absorbers are bulky, heavy and thick, they are not preferred to be used in the systems such as aircraft, ships and missiles. The absorber materials must be as light and thin as possible in order to be useful on these platforms because the aerodynamic structures, shapes and performances of the aforementioned systems are directly related to the materials used. It is also important to have wide operational bandwidth. However, increasing the absorption frequency bandwidth causes the absorber structure to be thicker and the absorption level to decrease. Many studies have been carried out to provide solutions to this problem. Some of these studies include the ability of the material to be used to absorb through its electrical and physical properties. The absorption can be achieved through the features of the materials such as dielectric coefficient, magnetic permeability and thickness. In addition, it is possible to design an absorber by using frequency selective surfaces (FSS). In recent years, research has focused on FSS-based absorbers because the bandwidth-to-thickness ratio can be optimized and the operating frequency can be scaled easily. FSS elements can be consists of resistive materials, or they can be loaded with lumped resistors. In both structures, it is seen that there is usually a ground plane in the bottom layer of the absorber and there is an air or another dielectric layer between ground plane and the FSS pattern. Grounded FSS-based absorbers are also called circuit analog absorbers (CAA). The aim of this thesis is to design an ultrawideband and low profile (<0.1λL; λL:wavelength at the lowest operating frequency) resistor loaded CAA. Many of the studies in literature have focused on CAAs loaded with lumped resistors due to their easy production and low cost. Absorbers obtained using various FSS patterns can be single-polarized or dual-polarized (TE and TM), single or multilayer and so on. These structures can be analyzed using electromagnetic simulation programs such as HFSS. The correct configuration of these programs is very important for the reliability of the simulation results obtained. In this thesis, it is given how to do unit cell analysis of an FSS-based absorber in HFSS for this purpose. A previously published design in the literature was remodeled with HFSS and the obtained simulation results were compared with the published results. After the HFSS settings were found to be suitable for simulation, the design phase was started. One of the ways to design an absorber is to use an antenna. Instead of feeding the antenna with electromagnetic wave, if the feeding place is terminated with a resistance suitable for the antenna impedance, the incoming planar wave can be damped on this resistance. A tightly coupled dipole array (TCDA) antenna with a ground plane at the bottom layer is used. In the first phase of the design, Rogers 5880 substrate with relatively low dielectric coefficient, which is available in the industry, was preferred for the absorber operating between 4 and 18 GHz. Absorption is provided in both TE and TM modes, thanks to the tightly coupled dipole (TCD) element placed above and below the substrate. There is a physical surface mounted device (SMD) resistor element in the middle of each element. The size of this resistor has been simulated and the ohm value of the selected resistor has been optimized. The reason why TCD elements are placed above and below the substrate is the difficulty of soldering the resistors of the two elements on the same surface. The equivalent circuit model is utilized for giving the initial value to the dimension of absorber. The determination of the distance separating the conductor pattern on the substrate and the ground plane, which is one of the most important parameters, was analyzed with the obtained impedance equation. Another important parameter is the value of the resistor used. If the TCDA is not matched with a aproppriate resistor value, the absorption characteristic will deteriorate due to impedance mismatch. Other main parameters are the length and thickness of the dipole and the dimensions of the finger-shaped structure that provides the coupling at the dipole ends. The absorption ability of the absorber structure is analyzed by the reflection coefficient obtained with HFSS. A plane wave is sent on the proposed absorber and how much of this signal is returned to the transmitted port is calculated by HFSS. Since the bottom layer of the proposed absorber is completely reflective metal sheet (ground plane), the transmission coefficient is theoretically zero. The absorption level is calculated from the reflection coefficient magnitude so that it can be analyzed how much the RAM absorb the incident wave. According to the simulation results of the first design stage of proposed absorber, it is seen that it absorbs the normally incident wave 90%, between 4.23 - 18.20 GHz for TE mode and 4.42 - 18.92 GHz for TM mode. When simulating, it is necessary to take into account the problems that may arise during the production phase and the points to be considered in order to match the post-production measurement results with the simulation results. For this reason, in the second step of the design, the design was scaled to the 1 GHz - 4.5 GHz frequency region, since the SMD resistor used was not stable in the high frequency region. Since the dimensions of the proposed absorber have changed, the optimization process has been started again. According to the results obtained, it has been observed that the normally incident wave is absorber by 90% in the frequency range of 1.052 – 4.56 GHz for TE mode and 1.06 – 4.60 GHz for TM mode. Then, similarly, Rogers 5880 was changed to Rogers 4003 against the problems that may arise in production due to the fragile and sensitive material of the substrate. The third phase of the design is to simulate again with this substrate. Since the dielectric coefficient changes, the optimization process is more difficult than the second phase. The change in the dielectric coefficient caused a decrease in the bandwidth, and according to the results obtained, it is seen that the normally incident wave is absorbed by 90% in the frequency band 0.99 – 4.00 GHz and 1.04 – 4.21 GHz for the TE and TM mode respectively. In this case, the recommended absorber bandwidth was 1:3.85 (4.00/1.04) and the thickness was 0.093λL. Moreover, simulations were made when the angle of incident wave was between 0° and 45° for analyzing the angular stability. It has been observed that the proposed absorber exhibits stable absorption characteristics between these angles. Furthermore, since foam material is planned to be used as a separator to support the substrate after manufacturing, it has been simulated with Rohacell having dielectric coefficient value of 1.05. According to these results, it has been seen that the proposed absorber fulfills one of the objectives of this thesis. One of the design objectives is reducing the RCS of systems that absorber installed on. The finite element array of absorber (12x12 unit cell) was designed and simulated for this purpose. RCS level of the absorber and the metal plate having the same size and thickness as the absorber, were compared. It was seen that the proposed absorber is capable of to reduce RCS by around 10 dB in the 1 - 4 GHz range compared to metal. Similarly, the RCS reduction performance of the proposed absorber is approximately 7.5 dB better than the LS-18 and LS-24 absorbers which are frequently utilized in the industry. In order to validate the obtained simulation results, the proposed absorber was manufactured and measured. It has been observed that the measured absorptivity agrees reasonably well with simulation result. It can be suggested that the proposed absorber may be used in different applications 5G, stealth technology and so on.
Benzer Tezler
- Radar uygulamalarında vivaldi anten tasarımı ve optimizasyonu
Vivaldi antenna design and optimization in radar applications
ERDEM BARLİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEBAHATTİN EKER
- Ultra geniş bant uygulamaları için esnek papyon anten tasarımı
Design of flexible bow-tie antenna for ultrawide band applications
AYKUT CAN DEMİRBAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BAHA KANBEROĞLU
- Zaman alanı terahertz fiber üstü radyo uygulamaları için yonga üstü fotonik bileşenlerin ileri tasarım yöntemleri ile geliştirilmesi
Development of novel on-chip optical components via advanced design methods for time-domain terahertz radio-on-fiber applications
AHMET OĞUZ SAKIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTobb Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ÜNLÜ
- Mikrodalga görüntüleme uygulamaları için ultra geniş bant anten tasarımı
Design of ultra wide band antenna for microwave imaging applications
EMRE KIZILAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN
- Bant çentik anahtarlamalı ultra geniş bant anten tasarımı ve prototiplenmesi
Design and prototyping of switchable band-notched ultra-wideband antenna
MEHMET YERLİKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKaramanoğlu Mehmetbey Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ABDURRAHİM TOKTAŞ