antenas log

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Antena Log-Periódica Aplicada a Sensoriamento Remoto em Radares Aerotransportados Arismar Cerqueira S. Jr., I. F. da Costa Instituto Nacional de Telecomunicações - (Inatel) Santa Rita do Sapucaí – Minas Gerais Email: [email protected] H. E. Hernández - Figueroa Unicamp – Departamento de Micro-ondas e Óptica Campinas – São Paulo J. R. Moreira Neto, E. Reis OrbiSat da Amazônia Ind. e Aerolevantamento S.A. Campinas – São Paulo Resumo— Este artigo relata o projeto de uma antena log- periódica para aplicações de sensoriamento remoto em radares de abertura sintética (SAR) aerotransportados. O projeto e a análise de desempenho da antena foram realizados utilizando o software HFSS em função dos pré-requisitos eletromagnéticos e das restrições aerodinâmicas deste tipo de radar. Vale ressaltar que o modelo numérico contempla a fuselagem e a asa de um avião comercial. Resultados numéricos demonstram a aplicabilidade da antena proposta para radares SAR operantes na banda P na faixa de 350 a 450 MHz com polarização dupla e alto alcance, assegurado pelo ganho de 7,74 dBi. Palavras chave; Antena, Log-periódica, sensoriamento remoto e radar aerotransportado. I. INTRODUÇÃO Sensoriamento Remoto é a ciência relacionada à utilização conjunta de sensores em satélites ou aeronaves para aquisição e processamento de dados com o objetivo de estudar o ambiente terrestre por meio do registro e da análise das interações entre a radiação eletromagnética e as substâncias componentes do planeta Terra. Esta tecnologia tem sido utilizada em diversas áreas, desde análises topográficas até o controle do desmatamento e aplicações em segurança nacional. O sensor ativo de micro-ondas mais comum é o RADAR, acrônimo para Radio Detection And Ranging. Este sensor transmite um sinal de micro-ondas, na forma de pulsos eletromagnéticos regulares, em direção ao alvo e detecta a sua porção retro espalhada. A intensidade deste sinal retro espalhado é medida para discriminar diferentes alvos, e o atraso temporal (ou defasagem) entre os sinais transmitido e refletido determina a distância do alvo. O sistema de radar consiste basicamente de um transmissor, um receptor, uma antena e um sistema eletrônico para processar e gravar os dados. Radares podem ser embarcados em plataformas orbitais (satélites ou ônibus espaciais) ou aerotransportadas (aeronaves) [1]. A onda eletromagnética ilumina obliquamente uma faixa da superfície, na direção perpendicular à de movimento da plataforma. Estes sistemas são chamados Radar de Visada Lateral (Side-Looking Airborne Radar – SLAR). Radares aerotransportados podem ter antenas de até 2 m, enquanto satélites podem suportar antenas de 10 a 15 m de comprimento. Para superar esta limitação de tamanho, o movimento da plataforma e os processos especiais de gravação e o processamento dos ecos do sinal retro espalhado podem ser usados para simular antenas muito maiores. Além disso, radares SAR (Synthetic Aperture Radar) que utilizam antena com polarização dupla podem gerar até 3 imagens alternando a recepção e a transmissão do sinal entre as polarizações vertical e horizontal. Com isso cada resultado das alterações enfatiza uma característica do solo e da vegetação, o que permite um estudo mais preciso do local. Este artigo relata o projeto de uma antena log-periódica [2], banda larga com polarização dupla e alto ganho para aplicações de sensoriamento remoto em radares SAR aerotransportados. O artigo foi dividido em 4 seções. A seção 2 descreve as características dos sistemas de sensoriamento remoto e apresenta imagens explicativas sobre a banda de operação e os resultados obtidos com as diferentes polarizações. A seção 3 relata o desenvolvimento da antena log-periódica para aplicações em radares aerotransportados, levando em consideração os pré- requisitos eletromagnéticos e as restrições aerodinâmicas. Por fim, a última seção resume os resultados obtidos e expõe possíveis trabalhos futuros a serem realizados a partir da contribuição da presente pesquisa. II. SENSORIAMENTO REMOTO EM RADARES AEROTRANSPORTADOS A banda escolhida para a operação do radar foi à banda P devido às suas características de penetração na vegetação. Nesta faixa de frequência é possível analisar zonas de vegetação densa, tendo em vista que as ondas eletromagnéticas penetram nas copas das árvores

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resumo de anteas

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  • Antena Log-Peridica Aplicada a Sensoriamento Remoto em Radares Aerotransportados

    Arismar Cerqueira S. Jr., I. F. da Costa

    Instituto Nacional de Telecomunicaes - (Inatel) Santa Rita do Sapuca Minas Gerais

    Email: [email protected]

    H. E. Hernndez - Figueroa Unicamp Departamento de Micro-ondas e ptica

    Campinas So Paulo

    J. R. Moreira Neto, E. Reis OrbiSat da Amaznia Ind. e Aerolevantamento S.A.

    Campinas So Paulo

    Resumo Este artigo relata o projeto de uma antena log-peridica para aplicaes de sensoriamento remoto em radares de abertura sinttica (SAR) aerotransportados. O projeto e a anlise de desempenho da antena foram realizados utilizando o software HFSS em funo dos pr-requisitos eletromagnticos e das restries aerodinmicas deste tipo de radar. Vale ressaltar que o modelo numrico contempla a fuselagem e a asa de um avio comercial. Resultados numricos demonstram a aplicabilidade da antena proposta para radares SAR operantes na banda P na faixa de 350 a 450 MHz com polarizao dupla e alto alcance, assegurado pelo ganho de 7,74 dBi.

    Palavras chave; Antena, Log-peridica, sensoriamento remoto e radar aerotransportado.

    I. INTRODUO

    Sensoriamento Remoto a cincia relacionada utilizao conjunta de sensores em satlites ou aeronaves para aquisio e processamento de dados com o objetivo de estudar o ambiente terrestre por meio do registro e da anlise das interaes entre a radiao eletromagntica e as substncias componentes do planeta Terra. Esta tecnologia tem sido utilizada em diversas reas, desde anlises topogrficas at o controle do desmatamento e aplicaes em segurana nacional.

    O sensor ativo de micro-ondas mais comum o RADAR, acrnimo para Radio Detection And Ranging. Este sensor transmite um sinal de micro-ondas, na forma de pulsos eletromagnticos regulares, em direo ao alvo e detecta a sua poro retro espalhada. A intensidade deste sinal retro espalhado medida para discriminar diferentes alvos, e o atraso temporal (ou defasagem) entre os sinais transmitido e refletido determina a distncia do alvo. O sistema de radar consiste basicamente de um transmissor, um receptor, uma antena e um sistema eletrnico para processar e gravar os dados. Radares podem ser embarcados em plataformas orbitais (satlites ou nibus espaciais) ou aerotransportadas (aeronaves) [1]. A onda eletromagntica ilumina obliquamente uma faixa da superfcie, na direo

    perpendicular de movimento da plataforma. Estes sistemas so chamados Radar de Visada Lateral (Side-Looking Airborne Radar SLAR).

    Radares aerotransportados podem ter antenas de at 2 m, enquanto satlites podem suportar antenas de 10 a 15 m de comprimento. Para superar esta limitao de tamanho, o movimento da plataforma e os processos especiais de gravao e o processamento dos ecos do sinal retro espalhado podem ser usados para simular antenas muito maiores. Alm disso, radares SAR (Synthetic Aperture Radar) que utilizam antena com polarizao dupla podem gerar at 3 imagens alternando a recepo e a transmisso do sinal entre as polarizaes vertical e horizontal. Com isso cada resultado das alteraes enfatiza uma caracterstica do solo e da vegetao, o que permite um estudo mais preciso do local.

    Este artigo relata o projeto de uma antena log-peridica [2], banda larga com polarizao dupla e alto ganho para aplicaes de sensoriamento remoto em radares SAR aerotransportados. O artigo foi dividido em 4 sees. A seo 2 descreve as caractersticas dos sistemas de sensoriamento remoto e apresenta imagens explicativas sobre a banda de operao e os resultados obtidos com as diferentes polarizaes. A seo 3 relata o desenvolvimento da antena log-peridica para aplicaes em radares aerotransportados, levando em considerao os pr-requisitos eletromagnticos e as restries aerodinmicas. Por fim, a ltima seo resume os resultados obtidos e expe possveis trabalhos futuros a serem realizados a partir da contribuio da presente pesquisa.

    II. SENSORIAMENTO REMOTO EM RADARES AEROTRANSPORTADOS

    A banda escolhida para a operao do radar foi banda P

    devido s suas caractersticas de penetrao na vegetao. Nesta faixa de frequncia possvel analisar zonas de vegetao densa, tendo em vista que as ondas eletromagnticas penetram nas copas das rvores

  • conseguindo atingir o solo, figura 1b. Existem radares SAR que operam na banda X capazes de mapear apenas a copa das rvores, como ilustrado na figura 1a [3]. O nvel de penetrao na vegetao est diretamente relacionado ao comprimento de onda () do radar, o qual de alguns centmetros e dezenas de centmetros nas bandas X e P, respectivamente.

    a) Sinais refletidos pelo radar de banda X

    b) Sinais refletidos pelo radar da banda P

    Fig.1: Radar de banda X e P

    A funcionalidade do radar tambm depende da polarizao da sua antena. Por meio do uso de combinaes de recepo e transmisso entre as antenas com polarizao vertical e horizontal possvel destacar diferentes parmetros no solo o que amplia ainda mais o uso desta tecnologia. A figura 2 apresenta imagens obtidas por radares SAR operantes nas bandas X e P com polarizao dupla. A partir destas imagens podem ser feitas anlises de relevo e vegetao com alta preciso.

    a) Ortoimagem em banda P com curvas de nvel.

    b) Ortoimagem em banda X , com classificao feita com imagens da banda P.

    Fig. 2: Imagens obtidas utilizando radares SAR.

    III. DESENVOLVIMENTO DA ANTENA LOG-PERIDICA

    O projeto de uma antena log-peridica de dipolos pode ser dividido em duas etapas. Inicialmente, defini-se o nmero de elementos e o espaamento entre eles a partir dos pr-requisitos do padro de radiao e da banda de operao. A segunda etapa consiste na definio do nmero de elementos em funo dos pontos de ressonncia na banda. Isso posto, calcula-se os comprimentos dos elementos (Ln) e a distncia entre eles (dn) [4] [5]. A tab.I apresenta os valores calculados para a antena proposta. Estes valores foram otimizados visando obter uma banda de 25 % em torno de 400 MHz e diminuir o tamanho da antena para minimizar o arrasto aerodinmico.

    Tabela I: Parmetros da antena proposta.

    Parmetro Dimenso (mm)

    L (comprimento total da antena) 480

    L1 (comprimento do maior elemento) 187

    d1 (distncia entre o primeiro elemento

    e o segundo elemento)

    60

    d0 ( distncia entre o fim da antena e o

    maior elemento)

    200

    O prximo passo foi a elaborao do modelo

    computacional no software HFSS para anlise do desempenho da antena em funo da sua perda de retorno e do seu padro de radiao, conforme reportado na figura 3. A antena apresenta uma banda de 57% para S11 < -10 dB, cobrindo a faixa de frequncia de 320 a 550MHz. O seu

  • padro de radiao do tipo end-fire e com ganho mximo G = 6,2 dBi na direo do eixo Y.

    a) Modelo computacional.

    b) Perda de retorno.

    c) Padro de radiao 3D

    Fig. 3: Simulaes da antena log-peridica com polarizao horizontal.

    Uma vez que a antena proposta est dentro das exigncias de banda do projeto, iniciou-se a anlise de desempenho das

    considerando-a fixada na parte externa da fuselagem do avio, conforme mostrado na figura 4. A fuselagem e asa do avio so metlicas, por isso tem forte influncia nas caractersticas eletromagnticas da antena. As suas dimenses foram extradas de uma avio comercial do tipo turbo comander e importadas no software HFSS utilizando o modelo em formato DXF. No caso da fuselagem, analisou-se parte da lateral do avio com dimenses 1,39 x 1,35 x 0,33 metros, perfazendo um volume total de 0,62 m3. J no caso da asa, considerou-se um pedao com comprimento de 1,35 m e largura de 0,4 m. Reduziu-se as suas dimenses at no mnimo o comprimento de onda do radar para reduzir o tempo computacional sem afetar as caractersticas eletromagnticas.

    Fig. 4: Detalhes da simulao

    O custo de sensoriamente remoto depende do tempo de vo e, conseqentemente dos custo operacionais do mesmo, como por exemplo, despesas com manuteno, combustveis e recursos humanos (pilotos e tripulao). O uso de duas antenas, uma em cada lado da aeronave, pode contribuir substancialmente para reduo do custo operacional. Desta maneira, pode-se mapear simultaneamente os dois lados da aeronave, com isso reduzir o tempo de vo metade. Entretanto, deve-se assegurar que no exista sobreposio entre as reas mapeadas, fato que resultaria na criao de "fantasmas" no sensoriamento remonto. Tomando-se como base a direo nadir (eixo perpendicular direo de vo), criou-se o parmetro rejeio para quantificar o nvel de radiao eletromagntico no lado oposto ao que est sendo mapeado. A rejeio dada por:

    R = G() - G(-) (1)

    sendo G() o ganho na direo e G(-)

    o ganho na direo oposta em relao nadir. A figura 4 destaca uma possvel regio de interesse para o sensoriamento remoto, que varia de 30 a 60 graus no plano de elevao (30 < < 60 ). Adotou-se como pr-requisito de projeto um nvel de rejeio de no mnimo 15 dB, ou seja, almeja-se que apenas cerca de 3% da energia radiada atinja o lado oposto do avio.

  • O mtodo numrico utilizado para as simulaes foi o mtodo dos momentos, no qual o domnio computacional dividido em tetraedros e as equaes de Maxwell so resolvidas numericamente em cada um destes tetraedros. Quando incorporamos parte do avio ao modelo numrico, o domnio computacional cresceu significativamente. A figura 5 apresenta exemplos da malha (mesh) utilizada nas simulaes com e sem a estrutura do avio. O nmero de tetraedros aumentou de 8.600 para 33.440.

    a) Somente a antena com polarizao dupla.

    b) Antena fixada na parte externa do avio.

    Fig. 5: Exemplo de malhas utilizadas nas simulaes.

    O passo seguinte foi a analise de interao entre as antenas com polarizaes horizontal e vertical, utilizando o modelo numrico apresentado na figura 6a. As figuras 6b e 6c apresentam os resultados simulados dos parmetros S11 e S21, respectivamente. Nota-se que a banda de operao se manteve e que o acoplamento entre as antenas na faixa de interesse (350 a 450 MHz) muito baixo, variando entre -33 e -28 dB. A mudana no formato da curva da perda de retorno foi causada pelo posicionamento fsico da antena na fuselagem.

    Os resultados principais do padro de radiao para duas as polarizaes foram resumidos na figura 7. A posio da antena na fuselagem foi otimizada para minimizar a rejeio e viabilizar o sensoriamento remoto simultneo nos lados da aeronave, assim como mostrado na figura 7a. A rejeio calculada para faixa de interesse (30 < < 60 ) manteve-se sempre acima de 15 dB, chegando a 22 dB no melhor dos casos. Vale ressaltar que alm do aumento da energia radiada na regio de interesse, a antena fixada na fuselagem apresenta ganho G= 7,74 dBi, resultando em um aumento de

    1,54 dB. A influncia da fuselagem no padro de radiao pode ser observada na figura 7b. Por fim, as figuras 7c e 7d apresentam os resultados da polarizao vertical. Assim como no caso da polarizao horizontal, a rejeio se manteve acima de 15 dB e o ganho maior ou igual a 7 dBi.

    a) Modelo numrico.

    b) Perda de retorno (S11).

    c) Acoplamento entre as polarizaes (S21).

    Fig. 6: Antena com polarizao dupla fixada na fuselagem e resultados numricos dos parmetros S

  • a) Padro de radiao 3D da polarizao horizontal.

    b) Padro de radiao no plano de elevao:polarizao horizontal com fuselagem (vermelho) e sem fuselagem (azul).

    c) Padro de radiao 3D da polarizao vertical.

    d) Padro de radiao da polarizao vertical nos planos de elevao (curva azul) e de azimute (curva vermelha).

    Fig. 7: Padro de radiao em 400 MHz para as duas polarizaes.

    IV Concluses

    O trabalho baseou-se no desenvolvimento de uma antena

    log-peridica para aplicaes de sensoriamento remoto utilizando radares SAR. Resultados numricos demonstraram a aplicabilidade da antena proposta, a qual apresenta banda de 57% e ganho sempre superior a 7 dB em toda a faixa de interesse para as polarizaes horizontal e vertical. Alm disso, a antena proposta implica na reduo dos custos operacionais do sistema, pois viabiliza o uso simultneo de dois radares SAR, um de cada lado da aeronave. O projeto da antena e a sua posio na aeronave foram otimizados para assegurar os pr-requisitos eletromagnticos e aerodinmicos de radares SAR. Vislumbra-se construir a antena proposta, fixa-la a uma aeronave comercial e test-la em campo. Estes resultados sero comparados com os obtidos no presente trabalho para validao do projeto.

    Bibliografia

    [1] Canad Centre for Remote Sensing (CCRS),Fundamentals of

    Remote Sensing, http://ccrs.nrcan.gc.ca/resource/tutor/fundam/in dex_e.php, acessado em 10/08/2011.

    [2] Thomas A. Milligan, Modern Antenna Design, 2rd ed., John Wiley &Sons, 2005.

    [3] Orbisat, http://www.orbisat.com.br acessado em 20/09/2011 [4] Balanis, C. A, Antenna Theory: Analysis and Design, 3rd ed., John

    Wiley &Sons, 2005. [5] Lobkova, L.M. Sevastopol, Research of Radiation Characteristics of

    Wire Log-Periodic Antennas, Microwave & Telecommunication Technology, 2007. CriMiCo 2007. 17th International Crimean Conference.