Havacılık ve uzay uygulamaları için antenler ve metamalzemeler
Antennas and metamaterials for aerospace applications
Yazar: SERAP KİRİŞ TARHAN
Danışman: PROF. DR. MUHARREM KARAASLAN
İskenderun Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Sivil Havacılık = Civil Aviation

Özet:
Bu tez çalışmasında, havacılıkta kullanılmak üzere ikisi radyo altimetre ve ikisi TCAS anteni olmak üzere dört anten ve bir polarizör tasarımı sunulmuştur. Radyo altimetre, hava aracının yerden yüksekliğinin ölçülmesini sağlayan bir seyrüsefer aygıtıdır. Yaklaşık 4,3 GHz merkez frekansında çalışan ve bir yansıtıcı ile üst antenden oluşan iki katmanlı MIMO radyo altimetre antenleri, ilk çalışmada dağınık paterni toparlayacak ve ikinci çalışmada üretimi kolaylaştıracak şekilde elektromanyetik bant boşluğu (EBG) yapılarının faz tepkisi üzerinden geliştirilen teknikler ile tasarlanmıştır. Her iki tasarım da yüksek kazanç ve yönlülük değerleri ile radyo altimetre anten kriterlerine uygun çalışmaktadır. Üçüncü ve dördüncü çalışmalarda, havacılık güvenliği için önemli bir diğer seyrüsefer yardımcısı olan TCAS için antenler geliştirilmiştir. TCAS, hava araçlarının çarpışmalarını önlemek amacıyla kullanılan bir sistemdir. TCAS antenleri, 1,03 GHz sorgulama ve 1,09 GHz cevap frekanslarında çalışır. Tezde sunulan antenlerin besleme ağı boyutları branşman hatlı kuplörlerin küçültülmesi yoluyla azaltılmış ve uygun yayılım uçları tasarlanmıştır. Sunulan antenler 100°'lik hüzme genişliği ile toplam 360°'lik alanı tarayabilen başarılı TCAS antenleridir. Son bölümde, gelen dalgayı yansıtırken polarizasyonunu değiştiren ince yapılı ve geniş çalışma frekans bantlarına sahip bir polarizör tasarımı sunulmuştur. Bu polarizör, toplam 1,44 GHz'lik bir frekans aralığında polarizasyon rotasyonu ve toplam 8,94 GHz'lik frekans aralığında lineerden dairesel polarizasyona dönüşüm sağlamaktadır. Tasarımda, havacılıkta kullanıma uygun frekans bantları seçilmiştir. Tezde yer alan tüm çalışmaların ölçüm sonuçları, sonlu integrasyon yöntemini kullanan elektromanyetik analiz programı ile yapılan simülasyon sonuçlarını desteklemektedir. Ayrıca iletim hattı teorisine dayanarak bir matematik hesaplama programı üzerinden yapılan kodlama ile TCAS antenleri için tasarlanan kuplörlerin analizi yapılmış ve böylece sağlama gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
In this thesis, four antenna designs, two of which are radio altimeters and two are TCAS antennas, and one polarizer are presented for use in aviation. A radio altimeter is a navigation device that measures the altitude of an aircraft above the ground. Operating at a center frequency of about 4,3 GHz, the two-layer MIMO radio altimeter antennas, consisting of a reflector and a top antenna, were designed using techniques based on electromagnetic band gap (EBG) structures' phase response to gather the scattered pattern in the first study and to facilitate fabrication in the second study. Both designs meet the radio altimeter antenna criteria with high gain and directivity values. In the third and fourth studies, antennas were developed for TCAS, another important navigation aid for aviation safety. TCAS is a system used to prevent aircraft collisions. TCAS antennas operate at 1,03 GHz interrogation and 1,09 GHz reply frequencies. The feed network dimensions of the antennas were reduced by downsizing the branch line couplers and the appropriate radiating parts were designed. The antennas presented in the relevant section are successful TCAS antennas capable of scanning a total area of 360° with a beamwidth of 100°. The last section presents the design of a thin-structured polarizer with wide frequency bands that changes polarization while reflecting the incident wave. This polarizer provides polarization rotation over a total frequency range of 1,44 GHz and linear to circular polarization conversion over a total frequency range of 8,94 GHz. In the design, frequency bands suitable for aviation use were selected. The measurement results of all the studies in the thesis support the simulation results performed with an electromagnetic analysis program that uses the finite integration method. In addition, based on transmission line theory, the analysis of the couplers designed for TCAS antennas was performed by coding through a mathematical calculation program and thus the verification was realized.