URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Hava Araçlarında Antenden Kabloya Kuplajın
Modellenmesi ve Doğrulanması
Fatih Üstüner, Ersan Baran*, Ekrem Demirel*, Coşkun Coşar*, İ. Hakan Gökdoğan*
TÜBİTAK BİLGEM UEKAE
Gebze, Kocaeli
[email protected]
*TÜBİTAK UME
Gebze, Kocaeli
[email protected], [email protected], [email protected],
[email protected]
Özet: Hava araçları üzerindeki antenlerden veya harici RF vericilerden kaynaklı elektromanyetik alanların
hava aracı içindeki kablolara kuplajının modellenmesi ve bu kuplajın seviyesinin doğrulanmasına yönelik bir
çalışma yapılmıştır. Bu kapsamda Hava Kuvvetlerinde kullanılan CN-235 tipi kargo uçağının kokpitten kargo
çıkış kapısına kadar olan ana gövdesi pencere açıklıkları da dahil olmak üzere modellenmiş ve uçak üzerindeki
antenlerden uçağın içine yerleştirilen bir kabloya kuplaj analiz edilmiştir. Analiz sonucu ortaya çıkan
simülasyon sonuçlarının doğrulanması için gerçek uçağın ölçeklendirilmiş maketinden (mock-up)
yararlanılmıştır. Elde edilen simülasyon ve ölçüm sonuçlarının birbiriyle tutarlı çıkması modellemenin
kullanılabilir olduğunu göstermektedir.
Abstract: A study has been carried out for modelling the coupling of the electromagnetic field generated by the
aircraft on-board or external RF transmitters to the cables inside the aircraft and for verifying its coupling level.
The fuselage of CN-235, a type of Air Force cargo aircraft, has been modelled from cockpit to the cargo door
including the window apertures and the coupling from an on-board antenna to the cable inside the aircraft has
been analysed. In order to verify the analysis results, measurement has been done on a scaled mock-up of the
real aircraft. The simulation and the measurement results seem compatible and this shows the usefulness of the
modelling.
1. Giriş
Elektromanyetik girişim hava araçlarında doğrudan uçuş güvenliğine tehdit oluşturduğundan büyük önem
arzeder [1]. Uçakta bulunan cihazlar arasındaki kablolar elektromanyetik girişimin cihazlara ulaşmasındaki
temel araçlardır. Kabin içinde cep telefonu gibi RF vericilerin kullanımının kısıtlanması bu girişime karşı alınmış
tedbirlerden biridir. Harici RF vericilerden veya uçak üzerindeki antenlerden kaynaklı yüksek seviyeli
elektromanyetik alanlar kabin dışında mevcuttur. Uçak gövdesi bu alanların sınırlanmasında belirli bir rol
oynamakla beraber gövdedeki açıklıklar vasıtasıyla elektromanyetik enerji kabin içine ulaşır. Bu çerçevede,
hava aracındaki antenler ve araç içindeki cihazlar arasındaki kablolar elektromanyetik girişim enerjisinin
aktarılmasında önemli öğeler olarak ortaya çıkarlar. Bu öğeler arasındaki kuplajda yapının geometrisi büyük rol
oynar. Yapı geometrisi bazen basit bir gölgeleme fonksiyonu icra ederken bazen de bir ekranlama unsuru olur.
Hava araçlarında olabilecek muhtemel elektromanyetik girişimlerin nihai ürün ortaya çıkmadan tasarım
esnasında analizi ve değerlendirilmesi maliyet-etkinlik açısından büyük önem arz eder. Bu kapsamda muhtemel
kuplaj senaryolarının sistematik değerlendirilmesi yararlı olacaktır. Hava aracında önemli kuplaj senaryoları
aşağıda belirtilmiştir:
•
•
•
Antenden-antene kuplaj (antenna-to-antenna)
Ortamdan-kabloya kuplaj (field-to-wire)
Kablodan-kabloya kuplaj (wire-to-wire)
Hava platformunda özellikle antenden-antene kuplajı değerlendiren modelleme ve analiz çalışmaları oldukça
büyük bir olgunluğa ulaşmıştır. Bununla birlikte ortamdan-kabloya kuplaj konusunda yapılan çalışmalar
genellikle iletim hattı kuplaj modeline [2] bağlı olup tam dalga çözümler enderdir. Buradaki zorluk temel olarak
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
uçak içi ortamın ve kabloların karmaşık yapısının modellenmesi ve uçak içi ortamdaki rezonans etkileridir.
Ortamdan-kabloya kuplaj iki alt kategoride değerlendirilebilir. Bu kategorilerden biri hava aracı haricindeki RF
verici kaynaklı elektromanyetik alanın kablolara kuplajı, diğeri ise uçak üzerindeki antenlerden kaynaklanan
elektromanyetik ışımanın hava aracının içindeki kablolara kuplajdır. İkinci kategori kuplaj kısaca antendenkabloya kuplaj olarak da isimlendirilebilir. Bu kuplajdaki fiziksel olay şu şekilde gerçekleşir; antenden yayılan
elektromanyetik alanlar uçak gövdesi üzerinde akımlar endükler, endüklenen akımlar pencere gibi iletken
olmayan dielektrik malzemeyle kaplı açıklıkları ikincil bir anten olarak kullanarak içeriye doğru giren
elektromanyetik dalgaya yol açarak kabin içinde bir elektromanyetik alan dağılımına sebep olurlar. Rezonans
etkileriyle şekillenen bu elektromanyetik alan kabloların üzerinde akım endükler ve kabloların terminallerinde
oluşan gerilimler elektromanyetik girişim işareti olarak cihazları etkileyecek seviyelere erişebilir. Bu çalışmada
böyle bir fiziksel olaydan hareketle gerçek bir uçak platformu baz alınarak uçak üzerindeki bir antenden oluşan
elektromanyetik alanın uçağın gövdesindeki açıklıklardan girerek uçak içindeki kablolara kuplajı incelenecektir.
Bu inceleme hem sayısal elektromanyetik simülasyon yöntemleri kullanarak hem de maket uçak üzerinde ölçüm
yaparak gerçekleştirilmiştir.
2. Modelleme ve Simülasyon
Bu çalışmada mümkün olduğu kadar basit bir geometri baz alınarak antenden-kabloya kuplaj modellenmiştir
(bkz. Şekil 1a). Hava Kuvvetlerinde kullanılan CN-235 tipi kargo uçağının kokpitten kargo çıkış kapısına kadar
olan ana gövdesi pencere açıklıkları da dahil olmak üzere modellenmiş, kablolar tel geometrisi baz alınarak ana
gövde boyunca uçak içine yerleştirilmiştir. Uçak antenleri ise 25 cm uzunluğunda monopol antenler kullanılarak
modellenmiştir. Tüm yapı ve antenler ticari bir moment metodu yazılımı (FEKO) kullanılarak modellenmiş ve
kuplaj analizi 30 MHz – 500 MHz aralığında gerçekleştirilmiştir.
(a)
(b)
Şekil 1. Elektromanyetik model (a) ve ölçekli uçak maketi (b)
Şekil 2. Ölçüm düzeneği
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
3. Ölçüm Maketi
Analiz sonucu ortaya çıkan simülasyon sonuçlarının doğrulanması için gerçek uçağın %40 küçültülerek
ölçeklendirilmiş maketinden (mock-up) yararlanılmıştır. Maket temel olarak ahşaptan yapılmış ancak kabuk
yüzeyi alüminyum panellerle kaplanmıştır. Modellemede olduğu gibi kablolar basit bakır teller kullanılarak
yapılmıştır. Antenlerin çıkışları kabin içinde çift ekranlı koaksiyel kablolar kullanılarak maketin arka kısmına
getirilmiş. Maketin arka tarafında sağlanan terminal konnektörleri vasıtasıyla ölçüm cihazlarına bağlantı
gerçekleştirilmiştir. Ölçüm düzeneği temel olarak bir network analizörden oluşmuş bununla birlikte ölçüm
dinamik aralığının artırılması için network analizör çıkış terminalinde geniş bandlı bir RF güç yükselteçden
faydalanılmıştır. Maketin ölçüm sırasındaki konumu Şekil 1b’de ölçüm düzeneği ise Şekil 2’de verilmiştir.
4. Analiz ve Ölçüm Sonuçlarının Karşılaştırılması
A2 anteninden C1b kablosuna olan kuplaja ilişkin simülasyon ve ölçüm sonuçları Şekil 3’de verilmiştir.
Simülasyon ve ölçüm sonuçları birbiriyle tutarlı sonuç vermiştir. Bununla birlikte, uçak gövdesi içi rezonansların
modellemeyi ne kadar zorlu hale getirdiği de sonuçlardan açıkça görülmektedir. Bununla birlikte kuplajın genel
trendi ve seviyesi tasarım esnasında alınacak tedbirlere bir temel teşkil edecek niteliktedir.
Antenden-Kabloya Kuplaj (C1b-A2) 25 cm +PA
0
-20
S21 [dB]
-40
-60
-80
-100
Ölçüm
Simülasyon
-120
50
100
150
200
250
300
Frekans [MHz]
350
400
450
500
Şekil 3. Antenden-Kabloya kuplaj sonucu
5. Sonuç
Gerçek bir hava platformu baz alınarak antenden-kabloya kuplaj etkisi sayısal elektromanyetik modelleme
teknikleri kullanılarak modellenmiş ve simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda modellemenin doğruluğu
ölçekli bir maket üzerinde yapılan ölçümlerle test edilmiştir. Simülasyon ve ölçüm sonuçlarının birbiriyle tutarlı
çıkması modellemenin başarısını göstermektedir. Bununla birlikte kabin içindeki unsurların devreye girmesiyle
bu başarımın düşmesi söz konusu olabilir. Bu hususun gerçek bir uçakta yapılacak ölçümlerle değerlendirilmesi
faydalı olacaktır.
Kaynaklar
[1]. MIL-STD-464C, Electromagnetic Environmental Effects, Requirements For Systems, ABD Savunma
Bakanlığı (DoD), 2010
[2]. C. R. Paul, “Basic EMC Technology Advancement For C3 SYSTEMS - Model Revision for IEMCAP”,
RADC-TR-82-286, Rome Air Development Center, Griffiss AFB, New York, ABD, 1984

Download Report