Elektromanyetik görünmezlik sağlayan silindirik yüzey tasarımı
Cylindrical surface design to achieve electromagnetic invisibility
Yazar: HANDE BODUR
Danışman: PROF. DR. SİBEL ÇİMEN
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektromanyetik görünmezlik, bir nesnenin belirlenen frekans aralığında üzerine gelen elektromanyetik dalganın geri saçılmasını azaltarak ve gizlenmek istenen yapının etrafından dolaşmasını sağlayarak elde edilen, tasarlanmış bir mühendislik sistemidir. Pelerin olarak atfedilen bu sistemli tasarım, bir nesnenin saçılma özelliklerinin azaltılarak en aza indirilmesiyle sağlanabilmektedir. Literatürde dönüşüm tabanlı gizleme, iletim hatlı gizleme, paralel plakalı gizleme, halı tekniği ile gizleme, plasmonik gizleme ve manto pelerini gizleme teknikleri gibi pek çok pelerin tasarımı yöntemleri yer almaktadır. Bu tez çalışması kapsamında manto pelerini yöntemi kullanılacaktır. Özgünlüğünü halen koruyan bu yöntem askeri teknolojiden iletişim sistemlerine kadar geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir ve bu alanlardaki çalışmalar halen süregelmektedir. Gerekli yüzey tasarımları, Elektromanyetik (EM) saçılma azaltımı sağlamak amacıyla yüzey empedansı ayarlanarak silindirik nesneler göz önünde bulundurularak yapılmıştır. Dielektrik silindir ve iletken silindirin üzerine sarılmış ince tek katmanlı dielektrik yapılar için bi-statik Radar Kesit Alanı (RKA) analizleri yapılarak önemli miktarda saçılma azaltımı sonuçları elde edilmiştir. Mikroşerit yapılı olmasının avantajıyla birlikte, tez kapsamında tasarlanan pelerinler küçük boyutlu, düşük maliyetli ve üretimi kolaydır. Bu pelerinler radyo frekansı ile haberleşmede parazit ve kuplajı azaltmada, görünmez sensörlerin tasarımında, uçak, yer ve uzay aracı antenlerinde, RKA azaltmada da kullanılabilirler.  Pelerin yapıları fiziksel boyut ve dar bant genişliği gibi önemli iki dezavantaja sahiptirler. Fakat mikroşerit yapıların kullanımıyla beraber fiziksel boyutla ilgili dezavantaj giderilmektedir, diğer yöntemlere kıyasla daha ince tasarımlar yapmak mümkün olmaktadır. Ancak bant genişliğini arttırmaya yönelik çalışmalar ise literatürde oldukça az sayıdadır. Bu tez çalışması kapsamında bant genişletmeye yönelik çalışmalar yapılmıştır. Yeni bir yöntemle tasarlanan tek katmanlı, çift bantlı çalışan detaylı bir çalışma tez kapsamında literatüre kazandırılmıştır. Literatürde yapılan yüzey tasarımlarında genellikle geleneksel birim hücre tasarımları ve homojen birim hücre yerleşimi yapılmaktadır. Ancak son yıllarda yapılan çalışmalarda çoğunlukla özgün birim hücre çalışmaları ve homojen olmayan birim hücre yerleşimleri literatürde yerini almaya başlamıştır. Saçılma azaltımı sağlayacak özgün birim hücre tasarımları yapılarak pelerin yapıların analizleri yapılmıştır. Tasarımı ve analizleri yapılan çalışmaların pratik gerçeklemeleri yapılarak ölçüm sonuçları elde edilmiştir.

Abstract:
Electromagnetic invisibility is a designed engineering system that is achieved by reducing the backscattering of the electromagnetic wave incident on an object within a specified frequency range and allowing it to go around the structure to be hidden. This systematic design, referred to as a cloak, can be achieved by cancelling or minimizing the scattering properties of an object. There are many cloak design methods in the literature, such as transformation based cloaking, transmission line cloaking, parallel plate cloaking, carpet cloaking, plasmonic cloaking and mantle cloaking techniques. Within the scope of this thesis study, the mantle cloak method will be used. This method, which still maintains its originality, has a wide range of applications from military technology to communication systems, and studies in these areas are still ongoing. The necessary surface designs were made considering cylindrical objects by adjusting the surface impedance to provide scattering reduction. Significant scattering reduction results were obtained by performing bi-static Radar Cross Section (RCS) analyzes for the dielectric cylinder and thin single layer dielectric structures wound on the conductive cylinder. With the advantage of having a microstrip structure, the cloaks designed within the scope of the thesis are small in size, low cost and easy to produce. These cloaks can also be used to reduce interference and coupling in radio frequency communications, in the design of invisible sensors, in aircraft, ground and spacecraft antennas, and in reducing RCS. Cloak structures have two important disadvantages: physical size and narrow bandwidth. However, with the use of microstrip structures, the disadvantage related to physical size is eliminated, and it is possible to make thinner designs compared to other methods. However, studies on increasing bandwidth are very few in the literature. Within the scope of this thesis study, studies on band broadening were carried out. A detailed single layer, dual band study designed with a new method has been introduced to the literature within the scope of the thesis. In the surface designs made in the literature, traditional unit cell designs and homogeneous unit cell layouts are generally used. However, in studies conducted in recent years, novel unit cell studies and non-homogeneous unit cell layouts are mostly examined. Novel unit cell designs that will provide scattering reduction were made and cloak structures were analyzed. Measurement results were obtained by practical implementations of the studies designed and analyzed.