33327

كاهش سطح مقطع راداري با روش خنثي سازي چندگانه فاز در گستره وسيع فركانس و زاويه تابش

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي برق- مخابرات ميدان و موج

1392

1403/1/28

محمد خلج اميرحسيني

/

دانشكده مهندسي برق

فراسطوح كه همتاي دوبعدي متامتريال ها محسوب مي شوند آرايه هايي دوبعدي از پراكنده گرهاي با شكل مناسب هستند كه با الگويي مشخص در سلول هاي يك مرز مادي ميزبان جاسازي شده اند و در اهداف متعدد مهندسي موج كاربرد دارند از جمله كاهش سطح مقطع راداري. در اين رساله براي طراحي شكل بهينه سلول ها به منظور كاهش پهن باند سطح مقطع راداري، علاوه بر استفاده از روش هاي مرسوم، روشي جديد بر مبناي بهينه سازي توپولوژي به كار گرفته شده كه اشكال فرم آزاد با تنوعي از طرح هاي معمول و غير معمول را در اختيار فضاي جستجو قرار مي دهد. يكي از راهبردهاي كاهش سطح مقطع راداري، حذف فاز مي باشد كه در اينجا به عنوان راهبرد اصلي طراحي مورد توجه قرار گرفته و پس از بررسي دقيق رياضيات اين روش، تعميم آن به حالت تعدد فاز، مطرح مي شود. در عمل نيز دو روش براي ايجاد تعدد فاز قابل طرح هست، يكي استفاده از تعدد طرح هاي AMC كه فازهاي مطلوب را طوري ايجاد نمايند كه در جهت آينه اي يكديگر را خنثي نمايند و ديگري استفاده از سلول هايي با ارتفاع متغير. در روش دوم نيز مي توان به دو صورت عمل كرد يكي استفاده از سلول هاي گسسته و ديگري در نظر گرفتن تابع پيوسته ارتفاع. ارائه فرمولاسيون سطح مقطع راداري فراسطوح بر مبناي كريستالوگرافي و فرمولاسيون تعدد فاز با استفاده از ارتفاع هاي متعدد در اشكال سلولي مستطيلي و شش ضلعي بخش هاي تحليلي اين گزارش را تشكيل مي دهند. با استفاده از راهبرد حذف فاز و روبش پارامتري فراسطحي طراحي شده كه در محدوده باند فركانسي GHz(9.3-23) ، كاهش RCS بيش از 10dB را ايجاد مي كند. اين موضوع كاهش RCS را در پهناي باندي حدود 85% نشان مي دهد. فراسطحي كه با روش بهينه سازي توپولوژي بر مبناي جزء بندي طراحي شده در محدوده باند فركانسي GHz(5-20) ، كاهش RCS بيش از 9dB را ايجاد مي كند كه كاهش RCS را در پهناي باندي حدود 120% نشان مي دهد و فراسطحي كه با روش بهينه سازي توپولوژي بر مبناي پيوسته سازي طراحي شده در محدوده باند فركانسي (8.1-38.7)GHz ، كاهش RCS بيش از 9dB را ايجاد مي كند كه كاهش RCS را در پهناي باندي حدود 131% نشان مي‌دهد . اولين طرح سه فازي كه پيشنهاد شده بر مبناي روبش پارامتري طراحي شده است كه در محدوده باند فركانسي (7.8-23.3)GHz ، كاهش RCS به مقدار 8dB ايجاد مي كند معادل پهناي باندي حدود 99.96% .طراحي سه فاز بر مبناي روبش پارامتري براي كاهش RCS به مقدار 18dB در محدوده باند فركانسي (13.3-21.3)GHz معادل پهناي باندي حدود 46% عملكرد مناسبي دارد. طرح سه فاز بعدي كه بر مبناي پيوسته سازي و با استفاده از زيرلايه ارزان FR4 توليد شده است در محدوده باند فركانسي (10.2-39.5)GHz ، كاهش RCS بيش از 9dB را ايجاد مي كند كه كاهش RCS را در پهناي باندي حدود 118% نشان مي دهد . و اما به كمك تحليل و فرمول هاي به دست آمده بدون استفاده از چاپ هادي تنها با استفاده از سه سلول با ارتفاع يكسان و گذردهي هاي متفاوت طرحي توليد شده كه در محدوده باند فركانسي (8.2-16.2)GHz يعني پهناي باندي حدود 65.6% كاهش RCS صورت گرفته. همين روند براي سه سلول با گذردهي يكسان و ارتفاع هاي متفاوت فراسطحي را ايجاد نموده شده كه در محدوده باند فركانسي (5.1-17)Gz يعني پهناي باندي حدود 107% سطح مقطع راداري را كاهش داده است. همچنين سه سلول با گذردهي ها و ارتفاع هاي متفاوت طوري بهينه شده اند كه كاهش سطح مقطع راداري در محدوده باند فركانسي (4.4-16.3)GHz يعني پهناي باندي حدود 114.9% صورت گرفته. در انتها طرحي دوفازه با ارتفاع متغير پيوسته ارائه شده كه RCS را در بازه فركانسي (8.3-24.5)GHz يعني پهناي باندي حدود 98% كاهش مي دهد و چون در توليد شكل از تقارن استفاده نشده براي زواياي تابش تا 30 درجه نسبتا پايدار است.

1404/02/15

Radar cross section reduction using multiple phase cancellation over a wide range of frequencies and incident angles

1/1/1900 12:00:00 AM

Metasurfaces, which are considered the two-dimensional counterparts of metamaterials, are two-dimensional arrays of appropriately shaped scatterers embedded in a specific pattern in the cells of a host material boundary and are used for various wave engineering purposes, including radar cross-section reduction. In this thesis, in order to design the optimal shape of the cells for reducing the radar cross-section in a wide bandwidth, in addition to using conventional methods, a new method based on topology optimization is used that provides free-form shapes with a variety of common and unusual designs in the search space. One of the strategies for reducing the radar cross-section is phase cancellation, which is considered here as the main design strategy and after a detailed mathematical discription of this method, its generalization to the multi-phase case is proposed. In practice, two methods can be considered for creating multiple phases, one is to use a multiple AMC designs to create the desired phases in such a way that they cancel each other in the mirror direction, and the other is to use cells with variable heights. In the second method, there are two ways, one using discrete cells and the other considering a continuous height function. Crystallographic-based metasurface radar cross section formulation and RCS formulation of multiple height AMCs in the rectangular and hexagonal layout form the analytical sections of this report. Using the phase cancellation method and a parametric sweep, a metasurface is designed that provides more than 10 dB RCS reduction in the frequency band (9.3-23 GHz). This means RCS reductionin bandwidth is about 85%. The metasurface that is designed by the topology optimization method based on pixellation, produces more than 9 dB RCS reduction, in the frequency range of GHz (5-20) which means RCS reduction bandwidth is about 120%, and the metasurface that is designed by topology optimization method based on continuousization, produces more than 9 dB RCS reduction, in the frequency range of (8.1-38.7) GHz which means RCS reduction bandwidth is about 131%. The first three-phase design proposed is based on parametric sweep, which provides an RCS reduction of 8 dB in the frequency band (7.8-23.3) GHz, equivalent to a bandwidth of about 99.96%. The three-phase design based on parametric scanning has a good performance for reducing RCS by 18 dB in the frequency band (13.3-21.3) GHz, equivalent to a bandwidth of about 46%. The next three-phase design, which is based on continuousization and produced using a cheap FR4 substrate, provides more than 9 dB RCS reduction in the frequency band of (10.2-39.5) GHz, which means RCS reduction bandwidth is about 118%. By help of the formulas obtained, without using conductive layers, a design was produced with only three cells of same height and different permeabilities, which reduced the RCS in the frequency range of (8.2-16.2) GHz, i.e. about 65.6% bandwidth. The same process was used for three cells with the same permeabilities and different heights, which reduced the radar cross section in the frequency range of (5.1-17) GHz, i.e. about 107% bandwidth. Also, three cells with different permeabilities and heights were optimized in such a way that the radar cross section was reduced in the frequency range of (4.4-16.3) GHz, i.e. about 114.9%bandwidth. Finally, a two-phase design with continuously variable height is presented that reduces RCS in the frequency range of (8.3-24.5) GHz, i.e. about 98% bandwidth, and for asymmetry in shape of cells, it is relatively stable for incident angles up to 30 degrees.

فراسطوح حذف فاز , كاهش سطح مقطع راداري , كريستالوگرافي , تعدد فاز , بهينه سازي توپولوژي

phase cancellation metasurfaces , Radar Cross Section Reduction (RCS) , crystallography , multiple phases , Topology optimization (T.O.)

Heidari

Dr. Khalaj-Amirhosseini