Antenna and frequency selective surface design for 3.1 GHZ detect and avoid radar system on unmanned aerial vehicle
İnsansız hava aracında 3.1 GHZ tespit ve kaçınma radar sistemi için anten ve frekans seçici yüzey tasarımı
- Tez No: 933376
- Danışmanlar: PROF. DR. FUNDA AKLEMAN YAPAR, DOÇ. DR. HÜSEYİN ŞERİF SAVCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 133
Özet
Günümüzde teknolojinin hızla ilerlemesiyle birlikte, tarımdan savunma sanayisine kadar hemen her sektör, operasyonel verimliliği artırmak, maliyetleri azaltmak ve insan faktörünü minimize etmek amacıyla ileri düzey teknolojik çözümler benimsemektedir. Bu çözümler arasında insansız hava araçları İHA (İnsansız Hava Aracı) ve drone teknolojileri, özellikle çok yönlülükleri, düşük operasyonel maliyetleri ve riskleri minimize etme yetenekleri sayesinde, güvenlik, istihbarat, lojistik ve ticari uygulamalar gibi çok çeşitli alanlarda önemli bir yer edinmiştir. İHA'lar, 1 kilogramdan 10 tona kadar farklı boyut ve ağırlıkta üretilebilmekte olup, askeri, sivil ve ticari kullanım senaryolarına uygun çeşitli platformlar halinde geliştirilmektedir. Özellikle askeri alanda, insansız hava sistemlerinin sunduğu avantajlar, modern harp doktrinlerinde köklü değişikliklere yol açmıştır. Geleneksel harp dönemlerinde büyük ve maliyetli platformların caydırıcı bir unsur olarak görülmesi yaygın bir strateji iken, günümüzde bu anlayış yerini asimetrik harp konseptine bırakmaktadır. Asimetrik savaşta, düşük maliyetli, hızlı ve esnek kullanıma sahip insansız sistemler, büyük ve maliyetli platformlara zarar vererek stratejik üstünlük sağlama amacı taşımaktadır. Özellikle kamikaze drone'lar, düşman platformlarını etkisiz hale getirme konusunda kritik roller üstlenmekte ve modern muharebe sahalarında önemi giderek artmaktadır. Bu tür sistemler, gelişmiş yapay zeka algoritmaları, hassas hedefleme kabiliyetleri ve koordineli saldırı yönetim sistemleri ile donatılarak etkinliklerini maksimize etmektedir. İnsansız hava araçlarının güvenlik ve operasyonel etkinliği, yalnızca fiziksel tehditlere karşı dayanıklılıklarıyla sınırlı değildir. Gelişen teknolojiler, İHA'ların elektronik harp (EH) sistemleri, sinyal karıştırma (jamming), sahte hedef oluşturma (spoofing), istihbarat toplama, siber saldırılar ve karşı elektronik harp (CEH) tehditleri ile de yüzleşmesini gerektirmektedir. Bu bağlamda, İHA'ların güvenliğini sağlamak amacıyla, radar kesit alanı (RCS) azaltma teknikleri, radar soğurucu malzemeler (RAM), elektronik karıştırma karşıtı teknolojiler ve anti-jamming sistemleri gibi birçok yenilikçi yöntem geliştirilmektedir. Aynı zamanda, drone ve İHA'ların etkinliğini artırmak için yapay zeka destekli otonom karar alma sistemleri, nesnelerin interneti (IoT) tabanlı iletişim protokolleri ve blockchain teknolojisi gibi ileri seviye çözümler üzerine çalışmalar sürdürülmektedir. Sonuç olarak, İHA'lar ve drone teknolojileri, günümüz teknolojik ekosisteminin vazgeçilmez bir parçası haline gelmiş olup, gelecekte bu teknolojilere olan talebin daha da artması beklenmektedir. Savunma sanayisinden lojistiğe, tarımdan felaket yönetimine kadar birçok sektörde, İHA ve drone kullanımının yaygınlaşması, teknolojik altyapının güçlendirilmesi ve siber güvenlik tehditlerine karşı daha dirençli sistemlerin geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Bu nedenle, İHA teknolojilerinin yalnızca operasyonel kapasite açısından değil, aynı zamanda güvenlik ve siber dayanıklılık açısından da ileri seviye bir perspektifle ele alınması, gelecekteki kullanım alanlarının genişletilmesine olanak sağlayacaktır. Bu bağlamda, İHA sistemlerine yaklaşarak fiziksel müdahalede bulunan tehditlere karşı bir Tespit ve Kaçınma Radar tasarımı yapılacaktır. Bu radar sistemi, modern yazılım tanımlı radyo (SDR) ve alan programlanabilir kapı dizileri (FPGA) donanımlarına sahip olacak ve ağırlık, boyut ve güç tüketimi gibi kritik parametreler optimize edilerek mümkün olduğunca kompakt ve hafif bir yapıda tasarlanacaktır. Radar sistemi, iki alıcı ve bir verici kanalına sahip olup, hedef tespit ve takibini hassasiyetle yürütmek üzere çoklu anten dizileri ve güncellenebilir yazılım altyapısı ile desteklenecektir. İlgili radar projesi, belirlenen teknik isterler doğrultusunda, genel radar ve tespit denklemlerinin etkilerini inceleyen bir link bütçe hesaplama motoru üzerinden tasarlanacaktır. Radar sistemi, tehdit unsurlarını tespit ederek, korunması hedeflenen İHA sistemine yaklaşan cisimlerin mesafe, hız ve geliş açısı bilgilerini otopilot sistemine iletecek ve böylece otonom manevra kabiliyeti ile otomatik kaçış ve uzaklaşma algoritmalarının devreye girmesi sağlanacaktır. Bu sayede, İHA'ların hava sahasında daha güvenli hareket edebilmesi, tehdit unsurlarına karşı daha proaktif önlemler alabilmesi ve özellikle düşük görünürlük teknolojileriyle desteklenen stratejik avantajlar kazanması hedeflenmektedir. Tespit ve Kaçınma Radar projesi üç ana bileşenden oluşmaktadır. İlk olarak, radar sisteminin donanım bileşenleri, AD9361 SDR transceiver ve XC7Z020 FPGA çiplerini içeren AD-FMCOMMS3-EBZ ve ZedBoard kartlarından meydana gelmektedir. Bu bileşenler, sinyal işleme ve veri analizi süreçlerinde üstün performans sağlayarak sistemin anlık tespit ve yanıt verme kabiliyetini artıracaktır. İkinci bileşen, projenin sayısal işleme ve algoritma geliştirme süreci olup, hedef takibi, gürültü bastırma ve sahte hedef ayıklama gibi kritik yetkinlikleri içeren ileri seviye sinyal işleme algoritmalarının tasarlanmasını kapsamaktadır. Bu kapsamda, radar ünitesinin veri analizi ve tahmin algoritmalarına entegrasyonu, güncellenebilir yazılım modelleri üzerinden ele alınacaktır. Son olarak, projenin RF ön yüzey bileşeni olan anten ve frekans-seçici yüzey (FSS) yapılarının tasarımı, sistem performansını artırmak için detaylı elektromanyetik analizler eşliğinde gerçekleştirilecektir. Yüksek kazanca sahip, görünürlüğü düşük anten yapılarına odaklanılarak, radar sisteminin hem etkinlik hem de düşük radar kesit alanı (RCS) hedefleri doğrultusunda optimize edilmesi sağlanacaktır. Bu projeyle birlikte, İHA sistemlerine entegre edilebilecek güçlü ve yenilikçi bir radar sistemi geliştirerek, hava sahası güvenliğinin en üygün teknolojilerle desteklenmesi amaçlanmaktadır. Tespit ve kaçınma radar sistemi için belirlenen proje gereksinimleri doğrultusunda, 40 MHz bant genişliğine sahip, 7 dBi kazanç değerine sahip, 3.1 GHz frekansında çalışan, 2 alıcı (Rx) ve 1 verici (Tx) kanalını destekleyebilen bir anten tasarımı hedeflenmiştir. Bu tasarım, radar sisteminin etkinliğini ve verimliliğini artırmayı amaçlayan önemli parametreleri içermektedir. Özellikle, radarın yüksek doğrulukla hedef tespiti yapabilmesi için geniş bant genişliği ve yüksek kazanç gereklidir. Anten tasarımında bu gereksinimlerin karşılanması, radarın daha geniş bir frekans spektrumunda çalışmasına ve hedeflerin daha hızlı ve güvenilir şekilde tespit edilmesine olanak sağlayacaktır. Radar sisteminin S bandında çalışacak şekilde tasarlanmasının temel nedeni, bu bandın uzak mesafelerde etkili tespit yapabilme kapasitesine sahip olması ve atmosferik yol kaybından daha az etkilenmesidir. S bandı, elektromanyetik dalgaların atmosferdeki su buharı ve yağış gibi faktörlerden minimum düzeyde etkilenmesini sağlayarak, uzun menzilli radar sistemlerinde önemli avantajlar sunmaktadır. Bu, özellikle çeşitli hava koşullarında istikrarlı ve doğru tespitlerin yapılabilmesi açısından kritik bir özellik olarak öne çıkmaktadır. S bandı aynı zamanda, düşük maliyetli radar sistemleri için uygun bir frekans aralığıdır ve bu nedenle İHA (İnsansız Hava Aracı) platformları için tercih edilmektedir. Radar sisteminin RF pasif bileşenleri ve elektronik bileşenlerinin birlikte bir İHA platformuna entegre edileceği göz önünde bulundurularak, tasarımın küçük boyutlarda, hafif ve düşük güç tüketen bir yapıya sahip olması hedeflenmiştir. İHA'ların sınırlı enerji kaynaklarına sahip olduğu ve aynı zamanda taşıma kapasitelerinin de sınırlı olduğu dikkate alındığında, bu parametrelerin önemi daha da artmaktadır. İHA'ların yakıt tüketimi ve faydalı yük kapasitesi, tüm tasarım sürecinde kritik faktörler olarak belirlenmiş ve bu faktörlerin minimize edilmesi sağlanmıştır. Tasarımın boyutları küçültülerek, İHA'ların uçuş menzili artırılacak ve radar sisteminin faydalı yük kapasitesine etkisi en aza indirilecektir. Bu bağlamda, tasarlanan anten yapısı 3.1 GHz frekans merkezli ve 600 MHz bant genişliğine sahip olup, üç kanallı bir sistem sunmaktadır. Tasarım, İHA platformlarına entegre edilmesi amacıyla küçük ve kompakt bir yapıya sahip olacak şekilde optimize edilmiştir. Anten, dairesel yama birimlerinden oluşan bir yapı kullanılarak tasarlanmıştır ve bu yapı, antenin yüksek verimlilikle çalışmasını sağlayacak şekilde geliştirilmiştir. Antenin azimut düzlemindeki ışın paterninin 100 derece ve elevasyon düzlemindeki ışın paterninin ise 50 derece olduğu belirlenmiştir. Bu, antenin geniş bir görüş alanı sunarak, hedeflerin daha geniş bir açıyla tespit edilmesini sağlar. Çalışmanın ana amacı, anten tasarımında küçültme yöntemlerinin araştırılması ve bu yöntemlerin anten yapısı ile FSS (Frequency Selective Surfaces) yapıları üzerinde uygulanması olmuştur. Bu süreçte, anten boyutlarını küçültmek amacıyla yüksek dielektrik katsayısına sahip malzemeler kullanılarak tasarımlar gerçekleştirilmiştir. Yüksek dielektrik katsayısına sahip malzemeler, elektromanyetik dalgaların daha verimli bir şekilde yönlendirilmesine ve antenin boyutunun küçülmesine olanak tanımaktadır. Ayrıca, bu malzemeler, antenin performansını olumsuz etkilemeden daha küçük boyutlarda aynı performansı sunabilmesini sağlamaktadır. Tasarım süreci boyunca, toplamda beş farklı boyut küçültme yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemler, antenin fiziksel boyutlarının küçültülmesinin yanı sıra, sistemin elektromanyetik özelliklerinin de optimize edilmesini sağlamaktadır. Bu aşamalar, tasarımın her yönüyle verimliliği artırmayı amaçlayan teknik çözüm önerileridir. Nihai anten yapısı, FR4 malzemesi kullanılarak tasarlanan bir antenle karşılaştırılmış ve yapılan testlerde %55 oranında daha küçük boyutlara sahip olduğu tespit edilmiştir. Bu küçültme, antenin daha kompakt bir şekilde tasarlanmasına olanak tanımış ve İHA platformları için uygun bir çözüm sunmuştur. Tasarımın küçültülmesindeki ana etken, yüksek (12.85) dielektrik katsayısına sahip TMM13i seramik malzemesi üzerinde tasarımın gerçekleştirilmesi olmuştur. Yüksek sıcaklık dayanımına sahip bu malzemenin, tasarımda kullanılan en önemli özelliği yüksek dielektrik katsayısına sahip oluşudur. Bu, antenin daha küçük boyutlarda çalışmasını sağlayan temel faktörlerden birisi olmuştur. Anten yapısı, bir İHA platformuna entegre edilecek şekilde tasarlandığı için, platformun entegre edileceği bölgesinin RCS parametresini artırmaması hedeflenmiştir. Bu amaçla, antenin önüne yerleştirilecek bir FSS yapısı tasarlanmıştır. Kare Halka Yama birimlerinden oluşan bu FSS yapısı, antenin geçtiği bantta 0.5 dB'ye kadar kayıp ve 600 MHz bant genişliği sağlamaktadır. FSS yapısının X bandında 15 dB'nin altında geçiş kaybına sahip olması, bu bandda yüzey üzerinden herhangi bir sinyalin içeri girmesine engel olmaktadır. Böylece, X bandında çalışan gözetim radarlarının ekranlarında, FSS yüzeyinin arkasındaki detaylardan herhangi bir bilgi yansımamaktadır. Çalışmanın sonunda, tasarlanan anten ve FSS yapıları üretilmiş ve tüm ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Üretilmiş yapıların ölçüm sonuçları, simülasyon ortamından alınan sonuçlarla uyum göstermiştir. Her iki yapı, Tespit ve Kaçınma Radar sisteminin bir parçası olarak kullanıma sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
In today's era, high technologies are widely used in all sectors, from agriculture to the defense industry, to ensure security, efficiency and user-friendliness. Drones or UAVs, ranging from 1 kilogram to 10 tons in different classes and purposes, are the pioneers of these advanced technologies. The use of this technology has significantly simplified processes in various fields and eliminated the most critical factor, human involvement, in many tasks and operations. One of the most notable examples of this is in warfare. In modern wars, the side that minimizes human and material losses emerges victorious. Victory is often achieved by damaging the massive and costly equipment of the opponent - such as large aircraft, vast ships, heavy land vehicles, and missiles worth billions - through the deployment or remote control of low-cost flying or mobile“suicide bomber”in an asymmetric strategy. In particular, kamikaze drones cause severe damage to large, expensive, manned, or unmanned aerial vehicles. Threats to unmanned aerial vehicles are not limited to physical interventions; Electronic warfare, signal jamming, intelligence, cyberattacks, and techniques such as chaff and flares pose significant challenges to drones and UAVs in all sectors. In this context, a Detect and Avoid Radar system will be designed to counter threats that physically approach UAV systems. This radar system will be equipped with SDR and FPGA hardware and designed to be as small and lightweight as possible. The radar system will feature two receiver channels and one transmitter channel. The radar project will be developed based on established technical requirements and a link budget calculation engine that examines the effects of general radar and detection equations. Information on distance, speed, and angle of approach of threats targeting the protected system will be transmitted to the autopilot system, enabling the activation of automatic evasion and distancing algorithms. The Detect and Avoid Radar project consists of three main components. The hardware components of the radar system consist of AD-FMCOMMS3-EBZ and ZedBoard boards, which include the AD9361 SDR transceiver and the XC7Z020 FPGA chips. The digital processing and algorithm development phase will be addressed in a separate effort. This work will cover the design of antennas and FSS structures as RF front-end components of the DAA radar. According to the Detect and Avoid Radar project requirements, the purpose is to design an antenna with a minimum bandwidth of 40 MHz, a gain of 7 dBi, centered at 3.1 GHz, and capable of supporting 2 Rx and 1 Tx channels. The radar operates in the S-band to facilitate detection over long distances and reduce the impact of atmospheric path loss. Considering that passive RF components will be integrated with electronic components in a UAV platform, the design will focus on compact size, low power consumption, and lightweight. These parameters are critical because they affect the UAV's fuel efficiency and payload capacity and will be considered throughout the design process. A compact antenna operating at a center frequency of 3.1 GHz with a bandwidth of 600 MHz and three channels has been designed. Composed of circular patch elements, this antenna provides beam patterns of 100 degrees in azimuth and 50 degrees in elevation. The primary objective of the study was to explore size reduction methods and apply them to antenna and FSS structures. With the designs made on materials with high dielectric constants, five different size reduction methods were employed. The final antenna structure was compared to an antenna designed with FR4 material and was found to be 55% smaller in size. The main factor in size reduction was the use of TMM13i ceramic material with a high dielectric constant (12.85). The high dielectric constant of this material, along with its resistance to high temperatures, was a key feature used in the design. The antenna structure is designed for integration into a UAV platform, with the objective of ensuring that the integration area does not increase the platform's RCS parameter. To achieve this, a FSS structure is designed to be placed in front of the antenna. This FSS structure, consisting of square Ring Slot elements, provides up to 0.5 dB loss and 600 MHz bandwidth in the antenna's operating band. The FSS structure also exhibits a transmission loss below 15 dB in the X-band, preventing any signals from passing through in this band. Consequently, surveillance radars operating in the X-band do not receive any reflections of details behind the FSS structure. At the end of the study, the designed antenna and FSS structures were manufactured and all measurements were performed. The measurement results of the manufactured structures aligned with the simulation results. Both structures were deployed as part of the Detect and Avoid Radar system.
Benzer Tezler
- GSM ve 5G uygulamaları için çift bantlı çift kutuplanmalı anten tasarımı
Dual band dual polarized antenna design for GSM and 5G applications
MEHMET SAMİ ERSÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KAMİL KARAÇUHA
- A dual-band frequency selective surface design for satellite applications
Uydu uygulamalarında kullanılacak çift bantlı frekans seçici yüzey tasarımı
ESMA MUTLUER
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MESUT KARTAL
- Mobil uydu haberleşme sistemleri için ku band faz dizili almaç sistemi tasarımı
Ku band phased array receiver system design for mobile satellite communication systems
EMRE AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELÇUK PAKER
- X-bantta çalışan bantdurduran frekans seçici yüzey kullanarak ultra geniş bant mikroşerit antenlerde kısmi kazanç arttırımı
Partial gain increase for ultrawide band microstrip antennas using x-band bandstop frequency selective surface
KOMRON HOTAMI
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GONCA ÇAKIR
- Biyomedikal cihazlarda 5G frekans bandı girişimini bastırmak için frekans seçici yüzey ile filtre tasarımı
Design of a frequency selective surface filter to suppress 5G frequency band interference in biomedical devices
MEHMET ENİS KARTAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiVan Yüzüncü Yıl ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİLAL TÜTÜNCÜ