Geri Dön

Design of an origami structured deployable s-band helical antenna for 6U cubesats

6U küp uydular için origami yapılı açılabilir s-bant sarmal anten tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 948748
  2. Yazar: RÜMEYSA ÜSTÜNCAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Savunma ve Savunma Teknolojileri, Defense and Defense Technologies
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 109

Özet

Küp uydular; üniversiteler, şirketler ve öğrenci grupları için uzaya erişimi ve uzayın sağlayabileceği imkanlardan faydalanmayı mümkün hale getiren nano uydu sistemleridir. Bu uydular, yeryüzü gözlemi, telemetri ve veri aktarımı ile data erişimi gibi çeşitli görevlerle görevlendirilir. Bu yeteneklerin mümkün olabilmesi, yer istasyonu ile uydu arasında güvenilir bir iletişim sağlanmasına bağlıdır. Verimli bir iletişimi mümkün kılan temel unsurlar ise elektromanyetik dalgaları elektrik sinyallerine dönüştüren antenlerdir. Bir küp uydunun sahip olduğu görev tanımı, anten sisteminden beklenen performans kriterlerini doğrudan belirler. Örneğin, yönsüz (omnidirectional) antenler geniş kapsama alanı sunarak düşük yönlü kazançla her yöne sinyal yayılımı sağlarken; yönlü (directional) antenler, enerjiyi belirli bir doğrultuda yoğunlaştırarak daha uzun menzilli ve yüksek hızlı ve kaliteli iletişim kurma avantajı sağlar. Bu sebeple, antenin türü ve yapısal özellikleri, anten tasarım sürecinin en önemli karar noktalarından biridir. Her anten türünün kendine özgü avantaj ve sınırlamaları bulunmakta olup, görev ihtiyaçlarına en uygun çözümün seçilmesi sistem performansı açısından belirleyicidir. Yüksek kazançlı antenler, sinyal gücünü artırarak iletişim kalitesini ve veri aktarım hızını optimize eder. Dolayısıyla sarmal(helical) antenler, dairesel polarizasyon yetenekleri, geniş bant genişliği ve yüksek kazanç gibi küp uydu haberleşmesi için gerekli nitelikleri bir arada sunmaları açısından öne çıkmaktadır. Helisel antenler, kavisli formları ve helisel yapıları nedeniyle doğal olarak dairesel polarizasyon sergileme avantajına sahiptir. Bu proje, antenin dalga boyu, çapı ve antenin zemin düzlemi gibi yapısal ve elektriksel özelliklerinin çoğunu tanımlayan belirlenmiş frekansı hedeflemektedir. Bu özellikler, helisel antenlerin yönlülük sağlaması ve uyduyu yer istasyonuna hedeflemesi için bir zorunluluktur. Kazanç, yönlülük ve mesafe sınırlamaları gibi iletişim gereksinimleri de belirlenen diğer özelliklerdir. Küp Uydular sınırlı alana sahip olduğundan, anten boyutu, kazanç ve yönlülüğün dengelenmesi özellikle zorlu ve gerekli bir yaklaşımdır. Sarmal antenler spiral şeklindeki yapıları sayesinde açılabilir özellikte olabilirler. Açılabilir antenlerin tasarımı karmaşıktır ve davranışları uzay koşulları altında kesin olarak tahmin ve kontrol edilemez, ancak başarılı uygulamalar iletişim kabiliyetini ve genel CubeSat performansını önemli ölçüde artırır. Antenler başlangıçta uzay aracının içine katlanmış halde yerleştirilir ve uzaya çıktıktan sonra açılır, bu nedenle güvenilir bir açılma mekanizması kritik öneme sahiptir. Bu çalışmada, 6U küp uydular için açılabilir S-bant sarmal anten tasarımı, simülasyonları ve testleri ele almaktadır. Anten, yüksek kazanç ve dairesel polarizasyon sağlarken, uydu içerisinde kompakt bir şekilde saklanabilmesi ve güvenilir bir şekilde açılabilmesi amacıyla geliştirilmiştir. 2-4 GHz frekans aralığında çalışmak üzere tasarlanan antenin merkez frekansı 2267 MHz olup, hedef kazancı 10 dB'dir; bu da verimli uydu haberleşmesi için umut vaad eden bir RF özelliğidir. Tasarımın RF performansı antenin araç performansı antena teorisi formüllerinden yola çıkılarak hesaplanmıştır. Dalga boyu frekansa bağlıdır dolayısıyla frekansa bağlı olarak antenin çapı kazanç ve yönlülük miktarına göre simülasyonlarla belirlenmiş ve optimize edilmiştir. Bu doğrulamak için de ANSYS HFSS yazılımında elektromanyetik simülasyonlar gerçekleştirilmiş. Işınım deseni, VSWR (Gerilim Dalgası Durum Oranı), kazanç, empedans eşleşmesi ve yansıma kaybı (S11) gibi parametreler analiz edilmiştir. Anten seçimi, yama, sarmal, konik, log-periyodik, quadrifilar sarmal (QHA) ve diğer açılabilir yapıların karşılaştırılması yoluyla yapılmıştır. Yama antenler daha basit ve maliyet açısından avantajlıdır, bu nedenle pek çok uygulamada tercih edilir. Ancak sarmal antenler, doğal dairesel polarizasyon, daha yüksek kazanç ve geniş bant genişliği gibi üstün özellikler sunar, bu da onları yüksek performanslı iletişim görevleri için daha uygun kılar. İyi tasarlanmış ve optimize edilmiş bir açılma mekanizması ile helisel antenler üstün performans sağlayabilir. Temel anten denklemleriyle yapılan teorik hesaplamalar, ilk sonuçları belirlemeye ve boyutları optimize etmeye yardımcı olur. Origami yapının kinematik özellikleri Castigliano teoremiyle açıklanmış, deformasyon sonucu oluşan gerilme enerjisi hesaplanmıştır Minimum potansiyel enerjili kesişme noktaları kuvvetin sıfır olduğu denge konumları haline gelmiş ve harici bir güce ihtiyaç duyulmadan açılır bir yapı oluşturulmuştur. Yapının kendisi bir yay özelliği taşımıştır. Açılma mekanizması doğal katlama teknikleriyle tasarlanmıştır. Açılabilirliği sağlayan mekanik yapı malzemesi olarak ise poliamid film tercih edilmiştir. Açılma mekanizması, sarmal telde ve origami yapısında biriken potansiyel enerjinin katkısıyla güvenilir bir şekilde açılacak şekilde tasarlanmıştır. Buna ek olarak katlanabilir bir origami yapısı oluşturan Kapton® 300 HN poliamid film ile kaplanarak kompaktlık ve açılabilirlik özellikleri artırılmıştır. Ayrıca bu açılma mekanizması için kilitleme ve serbest bırakma mekanizması direnç ve yanıcı tel yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Bu kilitleme ve serbest bırakma sistemi, yüksek güvenilirlik sunmaktadır ve uzay görevleri için uygun bir çözüm olarak değerlendirilmiştir. Açılma mekanizmasının uygulanabilitliği ise CATIA yazılımında yapılan mekanik ve kinematik modellemelerle değerlendirilmiştir. Ardından, 3B yazıcı ile prototipler üretilmiş. Spektrum analizörü ile ve sonrasında yankısız odada test edilmiştir. Bu testler, antenin uzay ortamında çalışabilirliğini değerlendirmek amacıyla gerçekleştirilmiştir. Maliyet, ağırlık ve küp uydu konfigürasyonu üzerindeki yerleşimi gibi faktörler tasarım kararları aracılığıyla ayrıntılı şekilde incelenmiş ve açıklanmıştır. Tasarım sürecinde iletken malzeme olarak gümüş kaplamalı alüminyum, altın kaplamalı titanyum ve bakır değerlendirilmiştir. Her bir malzeme radio frekansı performansı, iletkenlik, korozyon direnci, uzay ortamı ile uyumluluk ve üretilebilirlik açısından karşılaştırılmıştır. Zemin düzleminin amacı antenin yünlülük özelliği kazandırmak olduğu için alüminyum tercih edilmiştir.İletken anten sarmalı için gümüş kaplamalı bakır malezeme kullanılmıtır Bu malzeme ek olarak yapıya destek olabilecek direngenlik özelliği de göstermektedir.Impedans eşleme parçası için yine iyi bir iletken olan bakır kullanılmıştır ve güç kaynağıyla bağlantı noktası olarak SMA konnektör kullanılmıştır. Çalışmanın sonuçları, tasarlanan sarmal antenin yüksek kazanç ve dairesel polarizasyon sağladığını; hafif, kompakt, verimli ve yönlü özellikleri taşıdığı ve küp uydu haberleşme sistemleri ile derin uzay ve yer gözlem görevleri için uygun bir aday olduğunu göstermektedir. Boyut, kazanç ve yönlülük arasında iyi bir denge sağlanmasının yanı sıra, güvenilir açılma mekanizmasının kritik bir tasarım faktörü olduğu vurgulanmaktadır. Aynı zamanda sarmal antenin uydu üzerindeki yerleşimi de küp uydu standartlarına uygunluğu göz önünde bulundurulmuş, antenin katlanmış hâli 40 × 35 mm boyutlarında olacak şekilde tasarlanmıştır; bu da uydu dışında kalınabilecek 80 × 40 mm aralığında kalması gereken sınırlar içinde yer almaktadır. Bu ölçülerin fırlatma kapsülüne (POD) sığması, yapısal tasarım açısından önemli bir kriterdir. Gelecekte, dört iletkenli (quadrifilar) sarmal (QHA) antenler veya log-periyodik antenler gibi alternatif yapıların farklı malzemelerle de performans optimizasyonu açısından incelenmesi ve antenin TVAC (termal vakum odası) ile vakum döngüsü, gaz salınımı (outgassing) ve fonksiyonel testler gibi çevresel testlerden geçirilerek uzay yeterlilik seviyesine uygun bir endüstriyel ürün haline getirilmesi ve antenin ve açılma mekanizmasının uzay performansının da değerlendirilmesi planlanmıştır.

Özet (Çeviri)

This study covers the design, simulations, tests, and prototyping process of a deployable S-band helical antenna for 6U CubeSats. The antenna was developed to provide high gain and circular polarization. Furthermore, compactly stored and reliably deployed within the satellite and designated to operate in the 2- 4 GHz frequency range with 2267 MHz center frequency. The antenna has a target gain of 10 dB which is a promising RF characteristic to achieve efficient satellite communication. Factors such as assembly, deployment mechanism, cost, weight, placement on the CubeSat configuration are examined and explained through the design decisions. Silver-plated aluminum, gold-plated titanium and copper were considered as conductive materials in the design, while polyamide film is preferred as mechanical structure materials during material selection process. The deployment mechanism was designed to be reliably deployed with the contribution of potential energy stored in the helical wire and origami structure. The relationship between the wire antenna and is Kapton® 300 HN polyimide film as a foldable origami-based structure, which increases its compactness and deployability is developed. To verify the RF performance of the wire design, electromagnetic simulations were performed and analyzed in ANSYS HFSS software such parameters as radiation pattern, impedance matching and return loss (S11). The feasibility of the deployment mechanism was provided and evaluated with mechanical and kinematic modeling conducted in CATIA software. Then, 3D printed prototypes were produced and tested with spectrum analyzer and, after that, in an anechoic chamber. Tests were applied to examine the antenna operability and solidity in space environment. The results of the study are obtained that the helical antenna provides high gain and circular polarization and it is a suitable candidate for CubeSat communication systems for deep space and Earth observation missions. In addition to developing a good balance between size, gain and directivity, it is emphasized that a reliable deployment mechanism is a critical design component. As future work, alternative structures such as quadrifilar helix (QHA) or log-periodic antennas are also planned to be considered and compared in terms of performance optimization, producing the antenna as a space-qualified product to be launched into space after conducting necessary environmental testing such as TVAC (thermal vacuum chamber) and considering the different kinds of conductive materials to conduct better RF performance.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    482461

    Kinematic design and analysis of deployable vault and pseudo-dome structures based on origami techniques

    Origami teknikleri temel alınarak açılır kapanır tonoz ve kubbemsi strüktürlerin kinematik tasarımı ve analizi

    ANDREE SONAD KARAVELİ KARTAL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Mimarlıkİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. KORAY KORKMAZ

  2. Tez No

    473233

    Geometric and mobility analysis of the Miura-Ori pattern and its derivations

    Miura-Ori ve türevlerinin geometrik ve serbestlik derecesi analizi

    AYTEN HUSEYNLİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Mimarlıkİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. KORAY KORKMAZ

  3. Tez No

    893158

    Origami temelli etkinliklerle zenginleştirilmiş öğrenme ortamının beşinci sınıf öğrencilerinin geometri başarıları, geometri dersine yönelik tutumları ve geometriye yönelik kaygıları üzerindeki etkisinin incelenmesi

    An investigation of the effect of learning environment enriched with origami-based activities on fifth grade students' geometry achievement, attitudes towards geometry lesson, and anxiety towards geometry

    ŞİMAL BUTAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Eğitim ve ÖğretimSivas Cumhuriyet Üniversitesi

    Matematik ve Fen Bilimleri Eğitimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATİH KARAKUŞ

  4. Tez No

    549076

    Zenginleştirilmiş öğrenme etkinliklerinin 4. sınıf öğrencilerinin simetri konusundaki başarısına etkisi

    The effect of enriched learning activities on 4th grade students success in symmetry

    ÇİMEN ÖZKARTAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Eğitim ve ÖğretimAğrı İbrahim Çeçen Üniversitesi

    Temel Eğitim Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ TUĞBA ÖÇAL

  5. Tez No

    230930

    Görsel sanat etkinlikleriyle bütünleştirilmiş ilköğretim fen ve teknoloji öğretimi

    Teaching science and technology subject with integration of science and visual art activities at primary schools

    SUAT TÜRKOĞUZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2008

    Eğitim ve ÖğretimDokuz Eylül Üniversitesi

    İlköğretim Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZELİHA YAYLA

Geri Dön