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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: arismar@inatel.br

    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 u