Mikrodalga frekanslarında ince ve geniş bantlı elektromagnetik soğurucu tasarımı için optimizasyon yaklaşımı

Abstract

Günümüzde hızla gelişen teknolojinin insanlığa sunduğu birçok yeni teknik ve buluşlar gerek askeri gerekse sivil alanda hayatı kolaylaştırmıştır. Özellikle 2. Dünya savaşının son fazında ve sonraki dönemlerde, savaş öncesi döneme göre başta savunma ve havacılık olmak üzere bilimin her dalında çeşitli ölçeklerde yeni teknik ve cihazlar bulunmuştur. Söz konusu buluşlardan mikrodalga soğurucu malzemeler bunlardan bir tanesidir. Gelişen teknoloji dünyasında analog dünyadan dijital dünyaya geçiş hız kazanarak artması yeni cihaz ve sistemlerin kapasite ve performans artışını sağlamaktadır. Performans ve kapasite artışı da doğal sonuç olarak yüksek çalışma frekansına ihtiyaç duyulduğu için elektromanyetik girişim de (EMG) artmaktadır. Bu girişimin artması cihaz ve sistemlerin çalışmasını olumsuz etkilediği için mikrodalga soğurucu yapılara gün geçtikçe artan bir talep yaratmıştır.Mikrodalga soğurucular (MS) savunma, havacılık, tıp, kablolu-kablosuz haberleşme gibi birçok alanda EMG'yi azaltmak amacıyla kullanılmaktadır. Savunma ve havacılık dünyasında mikrodalga soğurucu kullanımının iki amacı vardır. Bu amaçlardan ilki görünmezlik, düşman tarafından tespit edebilirliği zorlaştırmak, ikincisi sistem ve cihazların performansını etkilememesi için EMG'yi azaltmaktır. Savunma ve havacılık dünyasında aktif uzaktan algılama sistemi olan radarların hedef tespitini zorlaştırmak amacıyla çeşitli yeni nesil hava platformlarında da kullanılmaktadır. Bu platformlara havacılık dünyasından somut örnek olarak F-117 (Kabus), F-22 (Yırtıcı Kuş) ve B-2 (Hayalet) 5. nesil radara yakalanmayan savaş uçakları örnek verilebilir.Radarın belli miktarda gönderdiği enerjinin hedefe çarpıp geri dönmesiyle çıkan sonuç eşik değerinden yüksekse hedef tespiti yapılabilmekte, eğer bu oran eşik değerinin altında ise hedef radar tarafından tespit edilememektedir. Genel radar denkleminin hedef ve radar sistemi olarak iki tür girdisi vardır. Hedefle ilgili tek girdi parametresi radar kesit alanıdır (RKA), diğer girdiler ise tamamen uzaktan algılama sisteminin yani radarın teknik kapasite ve performansına bağlıdır. Hedefin RKA'sı ne kadar küçükse ekosu da küçük olacağı için ekosunun enerjisi, gönderilen dalga enerji oranı eşik değerinin altında ise hedef tespit edilememektedir. Söz konusu bu oranı düşürmek için kullanılan tekniklerden bir tanesi de MS yapıların yeni nesil hava platformlarında kullanılmasıdır. Örnek verilen 5. nesil savaş uçaklarında uygulanan teknikte de uçağın RKA'sı azaltıldığı için ekonun enerjisi düşük değerde radar antenine geldiği için eşik değerinin altında kalarak hedef düşman radarında gözükmemektedir. Daha basit anlatımla 5.nesil savaş uçaklarının RKA'sı kendisinden binlerce kat küçük olan kuşlarla yaklaşık aynı değerdedir. Diğer teknik ise platformun şekil ve geometrisinin çeşitli hesaplamalar yapılarak değiştirilmesi ile RKA'nın düşürülmesi yapılabilmektedir. Ancak söz konusu platform hava aracı olduğu için aerodinamik faktörler dikkate alındığında hava platformunun şekil ve geometrisinin tasarımsal olarak değiştirilmesi zor ve maliyetli olmaktadır. Böyle bir teknik yaklaşım F-117 uçağında denenmiştir. Uçağın yapısı diğer jet uçaklarına göre pek yuvarlak hatlara sahip olmaması ve parçaların birbiri ile belli açılar yapması yüzünden grafit örgülü bir yapıya sahip olması nedeniyle uçağın maksimum sürati 1 mach altında olup hız sınıflandırması olarak transonik sürate sahiptir. Sürekli uçuşa elverişliliğini sağlamak için radio technical commission for aeronautics - documents (RTCA-DO178) ve (RTCA-DO254) rehber dökümanlarına uyum sağlayan birçok ekstra yazılım ve donanımla desteklenmiştir. Bunun sonucunda uçağın operasyon, tasarım ve test maliyetlerini çok arttırmaktadır. Bu tür hava araçlarının tasarımı yapılırken diğer pek çok alanda olduğu gibi optimizasyona ihtiyaç duyulması birçok farklı mekanizma ve formülasyon üzerinden çalışan optimizasyon tekniklerini doğurmuştur.Mikrodalga soğurucu tasarımı yapılırken optimizasyon için kullanılan performansı, algoritması, çevresel girdi verileri ve kodlaması farklı çeşitli teknikler literatürde mevcuttur. Bu tekniklerden bazıları wind driven optimization (WDO), parçacık sürü optimizasyonu (PSO), genetik algoritma (GA), differantial evaluation (DE), central force optimization (CFO), binary lightning search algorithm (BLSA) gibi literatürde çeşitli optimizasyon teknikleri olup istenen amaçlara istinaden kullanılmaktadır. Yapılan tez çalışmasında sürekli genetik algoritma (SGA) optimizasyon tekniği kullanılarak mikrodalga soğurucu tasarımlarının minimum yansıma katsayılarını ve toplam katman kalınlıklarını azaltmak amaçlanmıştır. SGA tekniğinde ortak girdiler frekans değeri, paralel ve dik kutuplanma türü, dalganın geliş açısı ve herbir katmanın kalınlık değerinden oluşmaktadır. Yapılan çok katmanlı 9 adet tasarımda gelen dalganın dik ve paralel kutuplanma için farklı frekans aralıkları, farklı geliş açıları ve farklı katman sayıları için SGA tekniği kullanılarak optimizasyon yapılmıştır. Minimum yansıma katsayısı ve katmanların toplam kalınlığının minimize edilmesi amaçlanmıştır. Literatürde verilen diğer tekniklerin sonuçları, eğik geliş açıları için minimum ve maksimum yansıma katsayıları, toplam katman kalınlığı, dik geliş açısı için minimum yansıma katsayısı ve toplam katman kalınlığı SGA için elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma yapılan diğer tüm tekniklerde her iki kutuplanma türünde de belli büyüklükten fazla geliş açısı için literatürde karşılaştırma verisi bulunmamıştır. SGA optimizasyonunda, kromozomların genleri (her tabakanın kalınlığı) 0.1-2 mm arasında kalacak şekilde rastgele değerler ile ilk popülasyon oluşturulmuştur. Doğal seçilim tekniği için sıralı seçim yapılıp en düşük maliyetlerin hayatta kalması amaçlanmıştır. Çaprazlama tekniğinde çift noktalı çaprazlama tekniği, mutasyon tekniğinde pozisyona göre mutasyon tekniği uygulanarak her iterasyonda girdileri yansıma katsayısı ve toplam katman kalınlığı olan maliyet fonksiyonu minimize etmek amaçlanmıştır. Söz konusu SGA teknikleri 4. bölümde detaylı olarak anlatılmıştır. Eğik geliş açıları için yapılan tasarımlarda belli değerden büyük geliş açısında minimum yansıma katsayılarının desibel (dB) olarak küçük olmadığı gözlemlenmiştir. Buna ek olarak her iki kutuplama için frekans-yansıma katsayısı sonuçlarından aynı açı değerleri için yansıma katsayısı değerlerinin minimum-maksimum farklarının azaldığı gözlemlenmiştir. Tek katmanlı soğurucu tasarımı yapılmamasının nedeni, optimizasyonda malzeme çeşitliliğini arttırıp, farklı malzemelerin frekansa göre değişen elektrik ve manyetik geçirgenliklerinin değişimlerinden yararlanılmasıdır.MATLAB programını çalıştırmak için 8. nesil i5 işlemcili 256 GB SSD, 8 GB RAM özellikleri olan dizüstü bilgisayar kullanılmıştır. SGA tekniğinde bilgisayarın donanım özellikleri yanında frekans, açı aralığı ve bu parametrelerin arttırım aralığı, kullanılan katman sayısı, popülasyon büyüklüğü, çaprazlama, mutasyon oranı ve iterasyon sayısının arttırılması hesaplama zamanını arttırmaktadır.

Nowadays, many new techniques and inventions offered to humanity by rapidly developing technology have made life easier in both military and civilian areas. Especially in the last phase of World War II and in the following periods, new techniques and devices have been found in various scales in all branches of science, especially defense and aerospace. One of these inventions, microwave absorber materials are one of them. In the developing world of technology, the transition from analog world to digital world is gaining momentum, thus increasing the capacity and performance of new devices and systems. Electromagnetic interference (EMI) increases as performance and capacity increase naturally result in high operating frequency. As the increase of this interference has negatively affected the operation of the devices and systems, it has created an increasing demand for microwave absorber structures.Microwave absorbers (MA) are used to reduce EMI in many areas such as defense, aerospace, medicine, wired-wireless communication. The use of microwave absorbers in the world of defense and aviation has two purposes. The first of these aims is to increase the invisibility, the difficulty of detecting by the enemy, and the second to reduce the EMI in order not to affect the performance of the systems and devices. It is also used in various new generation aerial platforms in order to make the target detection of radar which is active remote sensing system in the world of defense and aviation. For example, F-117 (Stealth), F-22 (Raptor) and B2 (Phantom) warplanes of the 5th generation are not caught by radar.The operating principle of the radar is proportional to the target's reflected energy by sending a certain amount of energy to the target, the target can be determined if the ratio is higher than the threshold, if the ratio is below the threshold value it can not be detected. The general radar equation has two types of input as the target and radar system, the only input parameter related to the target is the radar cross-sectional area (RCS), while the other inputs depend entirely on the technical capacity and performance of the remote sensing system, namely the radar. The smaller the RCS of the target, the echo will be smaller, because the energy of the echo is below the threshold of energy. One of the techniques used to reduce this ratio is the use of MA structures in the new generation of air platforms. Since the RCS of the 5th generation combat aircraft is reduced, the energy of the echo does not appear in the enemy radar because the energy of the echo reaches with the low value to radar antenna. The other technique is to reduce the RCS by changing the shape and geometry of the platform by performing various calculations, but since the aforementioned platform is an air vehicle, it is difficult and costly to change the shape and geometry of the aerial platform when aerodynamic factors are taken into account.Such a technical approach has been tested in the F-117 aircraft, because the structure of the aircraft has a graphite braided structure due to the fact that the parts which do not have very rounded lines compared to other jet planes have certain angles with each other. Because of this design, the maximum speed of the F-117 fighter bomber is less than 1 mach, the aircraft is classified as transonic (very close to sound barrier but not exceed sound speed further more no sonic boom) aircraft in the speed classification. For continious airworthinence of these type of aircraft needed some extra certification which are radio technical commision for aeronautics – documents (RTCA- DO178) and (RTCA-DO254) are supplemented by a number of additional software and hardware adapters. As a result, the operation costs of the aircraft have increased a lot. When designing such aircraft, the need for optimization, as in many other areas, has led to optimization techniques that operate over many different mechanisms and formulations. Due to the fact that the current costs are higher, other techniques are used to replace the microwave absorber material that reduce the radar footprint on large platforms such as ships. Some of these techniques include designing the ship's geometry and shape as precisely as possible, such as the French La-Fayette frigate, but on ships with more lengths, ships can escape water from the sea with water hoses along the ship's hull to escape radar detection. Firstly, when the processing costs of microwave absorbing materials used in the fifth generation combat aircraft are reduced by the developing technology, it can become more suitable for use on military platforms which include larger and much more metal than aircraft.There are various different techniques for optimization in the literature when designing microwave absorber. Some of optimization techniques in literature are wind driven optimization (WDO), particle swarm optimization (PSO), genetic algorithm (GA), central force optimization (CFO), and binary lightning search algorithm (BLSA). They are used according to the desired purposes. Common inputs of the CGA and other optimization techniques are frequency range, type of polarization and angle of incidence.In this thesis, it is aimed to decrease the minimum reflection coefficients and total layer thickness of the microwave absorber designs by using continuous genetic algorithm (CGA) optimization technique. In CGA technique common inputs consist of frequency range, parallel - vertical polarization type, wave's angle of incidence and thickness values of each layer. Minimum reflection coefficent and total layer thickness obtained by CGA in this thesis are compared with the results obtained by some other optimization methods given in literature. The permutation technique for coding in the CGA optimization, the genes of the chromosomes in the first population formation (the thickness of each layers) are formed with random values in the range of 0.1-2 mm. İt is intended to minimize the cost function. CGA technique is described in detail in Chapter 4. Another important point in the optimization is the double point crossing technique. In order for the crossover to work efficiently, the number of the population number should be even. When an odd number is entered, one of the individuals will always be out of crossing. The reason why single-layer design is not preferred is that it is not suitable for crossing. In addition, three, four, five and seven layered designs were made in order to benefit from materials with varying magnetic and relative dielectric constant with respect to frequency. Computer used for running MATLAB has the 8th generation i5 processor, 256 GB SSD and 8 GB RAM. The parameters like frequency range, angle range, number of layers, size of population, number of iterations, incriment of crossing and mutation rate affect performance and computation time of CGA as well as hardware specifications.