Tümleşik anten kulesi için geniş bantlı soğurucu özellikli çok katmanlı frekans seçici radom tasarımı
Design of multilayer frequency selective radome with wideband absorbing properties for integrated antenna tower
Yazar: MUSTAFA ÖZDİN
Danışman: PROF. DR. SALİM ORAK
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Radom, bir antenin yayılım karakteristiğini bozmadan ona fiziksel koruma sağlayan bir kaplamadır. Güvenlik tesisleri, uçaklar ve füzelere görünmezlik sağlama için radar kesit alanı (RCS) azaltılır. Gelen sinyal farklı yönlere saçılarak RCS azaltılsa da bu sadece monostatik radar sistemlerinde işlevseldir. Diğer radar sistemlerinde RCS azaltmak için sinyalin enerjisi soğurulmalıdır. Nesne soğurucu ile kaplanarak bu kolayca sağlansa da anten kaplamaları, çalışma frekansında geçirgen davranmalıdır. Geleneksel soğurucu radomlar, iletken patern elemanlarından oluşan frekans seçici yüzeylere (FSS) direnç ve diğer devre elemanlarının yüklenmesiyle imal edilmektedir. Metrekare başına on binlerce eleman lehimlemeyi gerektiren bu yapıların üretimi zordur.
Bu tez çalışmasında, antenlere görünmezlik sağlayan, istenen geçirme ve yansıtma karakteristiğine sahip optimum soğurucu radom tasarımı için yeni bir yöntem önerilmiş ve bu yöntemle geniş bant soğurucu, hiçbir elektronik devre elemanı montajı gerektirmeyen, mekanik dayanımı yüksek bir radom tasarlanmıştır. Soğurma ve seçicilik kare şekilli rezistif ve iletken yüzey elemanlarıyla sağlanmıştır. Çalışmada aynı zamanda rezistif veya iletken FSS'ler içeren katmanlı yapıların geçiş katsayısının hesabı için basit ve kullanışlı bir formülasyon ve yöntem de geliştirilmiştir. 
Önce simülasyon sonuçları kullanılarak, dielektrik tabakalara entegre edilmiş bir FSS'in tek başına gösterdiği empedans belirlenmiştir. Bu empedansın eşdeğer devre eleman değerleri eğri uydurma yöntemiyle elde edilmiştir. Eleman değerlerine tabakaların ve FSS elemanlarının elektriksel ve fiziksel özelliklerinin etkisi dahil edilmiştir. Birim hücre ve patch (yama) ebatlarının ilgilenilen banda karşılık gelecek mümkün değerleri için bu işlem yenilenerek, FSS'lerin eşdeğer devrelerindeki tüm elemanlar için değer setleri hazırlanmıştır. Sonra istenen ebatlara karşılık eşdeğer devre eleman değerleri bu setler kullanılarak ara değer hesabı yöntemiyle belirlenmiştir. 
Tüm yapının yansıma ve geçiş katsayıları, bu yapısal özelliklerin fonksiyonları olarak ifade edilmiştir. Optimum radomun yapısını belirleyen fiziksel parametre değerleri, sequential quadratic programming (SQP) algoritması kullanan çok amaçlı optimizasyonla belirlenmiştir. Tasarlanan yapı üretilmiş ve sonuçlar deneysel olarak gösterilmiştir. Tasarlanan radomun ana gövdesi dört dielektrik katmandan meydana gelmekte olup soğurma ve frekans seçicilik, dielektrik tabakalar arasında bulunan üç adet rezistif frekans seçici yüzey (rFSS) ve radomun iç yüzeyinde bulunan iletken frekans seçici yüzey (cFSS) tarafından sağlanmaktadır. rFSS'ler ipek baskı yöntemiyle, cFSS ise maskeleme-eritme yöntemiyle oluşturulmuştur.

Abstract:
Radome is a coating that provides physical protection to an antenna without breaking its propagation characteristic. Radar cross section (RCS) is reduced to provide invisibility to security facilities, aircraft and missiles. Although RCS can be reduced by scattering incoming signal in different directions, this is only functional in monostatic radar systems. In other radar systems, the signal's energy must be absorbed to reduce RCS. Although this can be easily achieved by covering the object with the absorber, the antenna coatings must be transmissive at the operating frequency. Conventional absorber radomes are manufactured by loading resistance and other circuit elements to frequency selective surfaces (FSS), which consist of conductive pattern elements. These structures, which require soldering tens of thousands of elements per square meter, are difficult to manufacture.
In this thesis, a new method is proposed for optimum absorber radome design that provides invisibility to the antennas and has the desired transmission and absorption characteristics, and with this method, a radome is designed with a wide absorption band and high mechanical strength that does not require electronic circuit element loading. Absorption and selectivity are achieved by square shaped resistive and conductive surface elements. In the study, a simple and useful formulation and method has also been developed for calculating the transmission coefficient of layered structures containing resistive or conductive FSSs.
Firstly, using the simulation results, the standalone impedance of an FSS integrated into the dielectric layers is determined. Equivalent circuit elements of this impedance are obtained by curve fitting method. The effect of the electrical and physical properties of the layers and FSS elements are included in the element values. This process was renewed for the possible values of the unit cell and patch sizes to correspond to the band of interest, and value sets were prepared for all elements in the equivalent circuits of FSS. Then, equivalent circuit elements are determined by using intermediate value calculation method by using these sets.
The reflection and transmission coefficients of the entire structure are expressed as functions of these structural features. The physical parameter values that determine the structure of the optimum radom are determined by multiobjective optimization using the sequential quadratic programming (SQP) algorithm. The designed structure is manufactured and the results are shown experimentally. The body of the radome consists of four dielectric layers. Absorption and frequency selectivity are achieved by three resistive FSS (rFSS) located between the dielectric layers and conductive FSS (cFSS) located in the inner surface of the radom. rFSSs are created by silk printing method and cFSS is created by masking-etching method.