Güvenli Küp Uydu Haberleşmesi İçin Yüksek Seçicilikli, Polarizasyondan Bağımsız ve Açısal Kararlı Bant Geçiren FSY Tasarımı

Öz

Bu çalışma, güvenli Küp Uydu haberleşmeleri için uyarlanmış yüksek seçiciliğe sahip, polarizasyondan bağımsız bant geçiren bir Frekans Seçici Yüzey’in (FSY) tasarımını, üretimini ve deneysel doğrulamasını sunmaktadır. Elektromanyetik (EM) spektrumun giderek yoğunlaşmasıyla birlikte, uzay tabanlı sistemlerde kasıtsız girişimin ve kasıtlı karıştırmanın azaltılması kritik bir gereklilik haline gelmiştir. 10 x 10 mm²’lik kompakt bir boyuta sahip olan önerilen FSY birim hücresi, kare halka ile düz ve çapraz dipolleri birleştiren hibrit bir geometrik yaklaşımla geliştirilmiştir. Normal geliş açısında yapı, 6.2–9.1 GHz aralığında %40.03 kesirli bant genişliğine ve 40.15 dB/GHz maksimum kesim eğimine sahip yüksek seçicilikte bir geçirme bandı sergileyerek hedeflenen uydu haberleşme bandında seçici iletimi desteklemektedir. Bununla birlikte, yapı 4–4.7 GHz ve 15–17.3 GHz aralıklarında çift bant-durdurma yanıtı sağlamakta ve bant dışı EM bastırma için 45 dB’nin üzerinde tepe ekranlama etkinliği sunmaktadır. Tam dalga TE/TM simülasyonları, yapının 60°’ye kadar eğik geliş açılarında merkez rezonans davranışını kararlı biçimde koruduğunu göstermekte; dört katlı rotasyonel simetri ise -20 dB’nin altında çapraz polarizasyon seviyeleriyle polarizasyondan bağımsız çalışmaya katkı sağlamaktadır. Tasarımı doğrulamak amacıyla fiziksel bir prototip üretilmiş ve kontrollü temiz oda ortamında serbest uzay ölçüm düzeneği kullanılarak karakterize edilmiştir. Simülasyon sonuçları ile normal geliş açısında elde edilen ölçüm sonuçları arasındaki uyum, önerilen FSY’nin Küp Uydu odaklı haberleşme sistemleri için kompakt bir EM filtreleme ve ekranlama adayı olarak potansiyelini desteklemektedir.

Anahtar Kelimeler

• Frekans seçici yüzey (FSY)
• bant geçiren filtre
• güvenli uydu haberleşmesi
• açısal kararlılık
• polarizasyondan bağımsız
• Küp Uydu (KüpSat)

Destekleyen Kurum

Bu araştırma; kamu, özel sektör veya kâr amacı gütmeyen herhangi bir fon sağlayan kuruluştan özel bir hibe veya finansal destek almamıştır. Çalışma, yazarların bağlı bulunduğu kurumların mevcut öz kaynakları ve laboratuvar imkanları kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

Etik Beyan

Yazarlar, bu çalışmanın insan veya hayvan denekler üzerinde gerçekleştirilmediğini ve dolayısıyla herhangi bir etik kurul onayına veya iznine gerek duyulmadığını beyan ederler.

Highly Selective and Polarization-Independent Band-Pass FSS with Robust Angular Stability for Secure CubeSat Communications

Öz

This paper presents the design, fabrication, and experimental validation of a highly selective, polarization-independent band-pass Frequency Selective Surface (FSS) tailored for secure CubeSat communications. As the electromagnetic (EM) spectrum becomes increasingly congested, mitigating unintentional interference and intentional jamming in space-based systems is critical. The proposed FSS unit cell, featuring a compact footprint of 10 x 10 mm², is developed through a hybrid geometric approach combining a square loop with straight and cross-dipoles. At normal incidence, it exhibits a high-selectivity pass-band in the 6.2–9.1 GHz range with a fractional bandwidth of 40.03% and a maximum roll-off rate of 40.15 dB/GHz, supporting selective transmission within the targeted satellite communication band. Simultaneously, it provides dual band-stop responses at 4–4.7 GHz and 15–17.3 GHz, with a peak shielding effectiveness exceeding 45 dB for out-of-band EM suppression. Full-wave TE/TM simulations indicate that the structure maintains a stable center-resonance behavior for oblique incidence angles up to 60°, while the four-fold rotational symmetry contributes to polarization-insensitive operation with cross-polarization levels below -20 dB. To verify the design, a physical prototype was manufactured and characterized using a free-space measurement setup within a controlled clean-room environment. The agreement between the simulated and measured normal-incidence responses supports the potential of the proposed FSS as a compact EM filtering and shielding candidate for CubeSat-oriented communication systems.

Anahtar Kelimeler

• Frequency selective surface (FSS)
• band-pass filter
• secure satellite communication
• angular stability
• polarization-independent
• CubeSat

Destekleyen Kurum

This research received no specific grant from any funding agency in the public, commercial, or not-for-profit sectors. The study was conducted utilizing the existing resources and facilities of the authors' affiliated institutions.

Etik Beyan

The authors declare that this research does not involve human participants or animal subjects. Therefore, no ethical committee approval is required for this study.

Kaynakça

1. M. Karahan, E. Aksoy, ve Y. Yavuz, “A frequency selective surface design to reduce the interference effect on satellite communication”, içinde 2017 8th International Conference on Recent Advances in Space Technologies (RAST), Istanbul, Turkey: IEEE, Haz. 2017, ss. 221-223. doi: 10.1109/RAST.2017.8003013.
2. B. Karibayev, T. Namazbayev, G. Ikhsan, B. Kozhakhmetova, ve S. Arzykulov, “Frequency-Based Classification of Practical CubeSat Antennas: A Review”, IEEE Access, c. 13, ss. 178112-178147, 2025, doi: 10.1109/ACCESS.2025.3620808.
3. R. Anwar, L. Mao, ve H. Ning, “Frequency Selective Surfaces: A Review”, Appl. Sci., c. 8, sy. 9, s. 1689, Eyl. 2018, doi: 10.3390/app8091689.
4. M. Karahan ve E. Aksoy, “Design and analysis of angular stable antipodal F‐TYPE frequency selective surface with multi‐band characteristics”, Int. J. RF Microw. Comput.-Aided Eng., c. 30, sy. 12, Ara. 2020, doi: 10.1002/mmce.22466.
5. S. M. Q. A. Shah, F. Ahmed, ve N. Shoaib, “A Miniaturized FSS Based Band-Stop Filter for EMI Shielding Applications”, içinde 2020 International Conference on UK-China Emerging Technologies (UCET), Glasgow, United Kingdom: IEEE, Ağu. 2020, ss. 1-3. doi: 10.1109/UCET51115.2020.9205483.
6. W. Li ve Y. Li, “A High Selectivity, Miniaturized, Low Profile Dual-Band Bandpass FSS with a Controllable Transmission Zero”, Int. J. Antennas Propag., c. 2017, ss. 1-9, 2017, doi: 10.1155/2017/7983567.
7. J. Ghosh, R. Dutta, A. Sarkhel, ve Q. H. Abbasi, “Design of miniaturize flexible wideband frequency selective surface for electromagnetic shielding application”, Waves Random Complex Media, c. 35, sy. 6, ss. 11249-11269, Kas. 2025, doi: 10.1080/17455030.2022.2121442.
8. W. Afzal, M. Z. Baig, A. Ebrahimi, Md. R. Robel, M. T. A. Rana, ve W. Rowe, “Frequency Selective Surfaces: Design, Analysis, and Applications”, Telecom, c. 5, sy. 4, ss. 1102-1128, Kas. 2024, doi: 10.3390/telecom5040056.

9. K. Sarabandi ve N. Behdad, “A Frequency Selective Surface With Miniaturized Elements”, IEEE Trans. Antennas Propag., c. 55, sy. 5, ss. 1239-1245, May. 2007, doi: 10.1109/TAP.2007.895567.
10. P.-C. Zhao, Z.-Y. Zong, W. Wu, ve D.-G. Fang, “A Convoluted Structure for Miniaturized Frequency Selective Surface and Its Equivalent Circuit for Optimization Design”, IEEE Trans. Antennas Propag., c. 64, sy. 7, ss. 2963-2970, Tem. 2016, doi: 10.1109/TAP.2016.2565694.
11. C. Sun vd., “A dual-band dual-polarization metasurface filter with high-selectivity passband and wide-angle stability properties”, J. Phys. Appl. Phys., c. 58, sy. 41, s. 415003, Eki. 2025, doi: 10.1088/1361-6463/ae0a65.
12. Q. Chen, S. Yang, J. Bai, ve Y. Fu, “Design of Absorptive/Transmissive Frequency-Selective Surface Based on Parallel Resonance”, IEEE Trans. Antennas Propag., c. 65, sy. 9, ss. 4897-4902, Eyl. 2017, doi: 10.1109/TAP.2017.2722875.
13. S. Xi, K.-D. Xu, S. Yang, X. Ren, ve W. Wu, “X-band frequency selective surface with low loss and angular stability”, AEU - Int. J. Electron. Commun., c. 173, s. 154990, Oca. 2024, doi: 10.1016/j.aeue.2023.154990.
14. A. Gouda ve S. Ghosh, “An analytical study of curved frequency selective surfaces for shielding applications”, Microw. Opt. Technol. Lett., c. 65, sy. 12, ss. 3139-3146, Ara. 2023, doi: 10.1002/mop.33851.
15. M. Karahan ve E. Aksoy, “Design of a PIN Diode-Based Reconfigurable Frequency Selective Surface”, içinde 2022 Workshop on Microwave Theory and Techniques in Wireless Communications (MTTW), Riga, Latvia: IEEE, Eki. 2022, ss. 95-99. doi: 10.1109/MTTW56973.2022.9942460.
16. M. Karahan, Y. Yavuz, S. H. Ates, ve E. Aksoy, “A Dual-Band Frequency Selective Surface Structure with Stable Performance for Oblique Incidence”.
17. J. A. Vásquez-Peralvo vd., “2.5D Inductive Intertwined Frequency Selective Surface for Band-Pass and High Miniaturization Applications”, IEEE Access, c. 13, ss. 22156-22165, 2025, doi: 10.1109/ACCESS.2025.3535565.
18. S. Feng, Y. Han, X. Xiu, W. Che, ve Q. Xue, “Design of a Three-dimensional Bandpass Frequency Selective Surface Based on Coupled-slotlines”, içinde 2022 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz Applications (IMWS-AMP), Guangzhou, China: IEEE, Kas. 2022, ss. 1-3. doi: 10.1109/IMWS-AMP54652.2022.10107306.
19. A. N. Biswas, S. Ballav, S. K. Parui, ve A. Chatterjee, “A Polarization Insensitive Frequency Selective Surface with Bandpass and Bandstop Response”, içinde 2018 IEEE Indian Conference on Antennas and Propogation (InCAP), Hyderabad, India: IEEE, Ara. 2018, ss. 1-4. doi: 10.1109/INCAP.2018.8770800.
20. K. P. Kaur, M. L. S. N. S. Lakshmi, S. Kaur, ve S. Ralhan, “Numerical and Equivalent-Circuit Analysis of Ultrathin FSS With Wide-Stopband Response for EM Shielding Applications”, içinde 2025 Fifth International Conference on Advances in Electrical, Computing, Communication and Sustainable Technologies (ICAECT), Bhilai, India: IEEE, Oca. 2025, ss. 1-7. doi: 10.1109/ICAECT63952.2025.10958900.
21. F. J. Hidalgo, R. R. Boix, M. Camacho, ve J. Córcoles, “Optimized Design of a Dual-Band Polarization Selective Surface with Third-Order Band-Pass Responses Using In-House Method of Moments”, IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., ss. 1-5, 2026, doi: 10.1109/LAWP.2026.3690976.
22. R.-X. Liao vd., “Quasi-Elliptic Bandpass Frequency Selective Surface Based on Coupled Stubs-Loaded Ring Resonators”, IEEE Access, c. 8, ss. 113675-113682, 2020, doi: 10.1109/ACCESS.2020.3003319.
23. S.-L. Yang, F.-S. Zhang, L.-W. Song, ve F. Zhang, “Frequency-Selective Surface With Dual Polarization and Ultrawide Passband”, IEEE Trans. Antennas Propag., c. 73, sy. 4, ss. 2510-2520, Nis. 2025, doi: 10.1109/TAP.2025.3539960.