Antena e Placa Refletora Vazadas

Após se chegar a uma configuração antena-refletor que atende aos requisitos desejados, iniciativas foram tomadas com o objetivo de deixar a antena mais leve e aerodinâmica, já que esta é a antena de maiores dimensões do projeto devido às suas baixas frequências de operação. Para tanto, os elementos da antena log-periódica foram vazados, removendo as partes centrais das chapas metálicas que compõem cada elemento de dipolo, deixando apenas as bordas dos elementos com uma largura de 6 mm. Resultados de simulação mostraram que esta alteração não prejudicou o desempenho da antena. A antena com os elementos vazados é mostrada na Figura 4.42.

Figura 4.42: Antena log-periódica da banda P com os elementos vazados.

No refletor a estratégia também foi torná-lo vazado, substituindo a chapa metálica por uma grade de mesmas dimensões construída a partir de tubos metálicos de 5 mm de diâmetro. Como a antena é de polarização horizontal, existe um número de tubos horizontais que devem ser inseridos na grade para que os mesmos estejam próximos o suficiente, teoricamente distâncias da ordem de um décimo de comprimento de onda, a fim de promover a reflexão das ondas nas frequências em que irá operar. Várias configurações de grade foram testadas a fim de encontrar o número mínimo de tubos horizontais necessários e algumas delas podem ser vistas na Figura 4.43.

(a) Modelo com 4 tubos horizontais.

(b) Modelo com 3 tubos horizontais

Figura 4.43: Grades refletoras simulados.

O menor número de tubos horizontais que ainda resultou em uma rejeição acima de 20 dB foi três (Figura 4.43b), então esta configuração de grade mínima para ser fabricada, sendo que o número de tubos pode ser maior, caso se verifique a necessidade de uma maior robustez mecânica da grade. A antena com a grade refletora pode ser vista na Figura 4.44.

Figura 4.44: Visão em perspectiva da antena log-periódica da banda P com a grade refletora.

Esta é a configuração mínima para a primeira versão de fabricação da antena da banda P. O gráfico da perda de retorno desta antena pode ser visto na Figura 4.45. A antena tem uma perda de retorno abaixo de -10 dB em toda a banda de operação.

Figura 4.45: Perda de retorno da versão de fabricação da antena log-periódica da banda P. A Carta de Smith é mostrada na Figura 4.46, onde é possível ver que a antena

apresenta uma impedância próxima de 50 Ω na banda de operação.

Figura 4.46: Carta de Smith com o S11 da versão de fabricação da antena log-periódica da banda P.

Na Figura 4.47 é mostrado o padrão de radiação na frequência central. A antena apresenta um ganho de 8,15 dB e uma largura de feixe de 69,3 graus no plano E e 105,1 graus no plano H.

(b) Ganho efetivo no plano H.

Figura 4.47: Padrão de radiação da versão de fabricação da antena log-periódica da banda P.

A rejeição em elevação (plano H) pode ser observada na Figura 4.48. Mesmo com as modificações, a antena apresenta uma rejeição superior a 20 dB na faixa angular de operação do radar.

O modelo final da antena atingiu a especificação de frequência de operação, largura de banda e também o requisito de rejeição em elevação.

4.3.3

Protótipo da Antena

Após a etapa de simulações a antena foi fabricada e pode ser visualizada na Figura 4.49. Algumas modificações foram feitas na antena durante o processo de fabricação e a primeira delas foi aumentar a espessura dos booms da antena para conferir maior resistência estrutural ao dispositivo, mas, como a distâncias entre os booms e entre os elementos da antena foram mantidas, isto não deve ter uma grande impacto no desempenho da antena. Outra modificação foi feita na quantidade de tubos metálicos verticais e horizontais utilizados no refletor, um número maior de 5 tubos na horizontal e 3 tubos na vertical foi necessário para prover maior rigidez, visando fixar a antena no centro do refletor.

Figura 4.49: Protótipo da antena log-periódica da banda P.

O gráfico da perda de retorno medida do protótipo é mostrado na Figura 4.50 e a antena fabricada apresenta uma perda de retorno abaixo de -10 dB em toda a banda de operação.

Figura 4.50: Perda de retorno do protótipo da antena log-periódica da banda P. Na Carta de Smith da Figura 4.51, pode-se notar que a antena tem uma impe- dância próxima de 50 Ω na banda de operação.

Figura 4.51: Carta de Smith com o S11 do protótipo da antena log-periódica da banda P. O padrão de radiação da antena não foi medido, então o requisito de rejeição em elevação será verificado no emprego da antena com o radar.

4.3.4

Teste com o Radar

Um teste com um carro semelhante ao realizado na banda C, ilustrado na Figura 4.13, também foi realizado com a antena da banda P, porém com o veículo se movendo a uma velocidade de aproximadamente 3 m/s. Os dados gravados no teste foram processados e uma imagem alcance-doppler foi gerada. O refletor de canto pode ser facilmente encontrado na imagem, como pode ser visto na Figura 4.52.

Figura 4.52: Imagem alcance-doppler gerada a partir do teste.

O gráfico em uma dimensão, mostrando que a velocidade detectada do alvo é próxima de 3 m/s, pode ser visto na Figura 4.53.

Capítulo 5

Conclusão

Os esforços despendidos ao longo deste trabalho tiveram como objetivo o desen- volvimento de três antenas para serem empregadas em um radar de abertura sintética embarcado em drone multirrotor. O desafio era projetar as antenas de forma que, além de serem eletricamente eficientes, fossem leves o suficiente para permitir que pudessem, juntamente com o radar, serem transportadas como carga útil do drone DJI Matrice 600 Pro que tem uma capacidade de carga de 6 kg.

Na Tabela 5.1 é mostrado que os pesos das antenas somados com o radar resultaram em 1962 gramas, um peso adequado para o uso do sistema embarcado no drone, permitido inclusive o uso de dois sistemas ao mesmo tempo, de forma a coletar dados em dois lados do drone simultaneamente, reduzindo assim o número de voos necessário para imagear uma determinada área.

Tabela 5.1: Pesos dos componentes do sistema SAR. Componente Peso [gramas]

Placas do radar 260 Carcaça do radar 400 Antenas da banda C 105 Antena da banda L 463 Antena da banda P 734 Peso total 1962

Embora o padrão de radiação das antenas fabricadas não tenha sido medido, os testes em voo do sistema drone-SAR revelarão se os primeiros protótipos atingiram os requisitos de rejeição e largura de feixe.

Para a próxima versão da antena da banda C, devem ser verificadas as causas do desvio em frequência e uma correção precisa ser aplicada. Quanto a antena da banda P, etapas preliminares da homologação do sistema mostraram que a banda de operação terá de ser reduzida para o intervalo entre 420 MHz e 450 MHz, o que significa que a antena

poderá ser reprojetada para ter suas dimensões reduzidas numa próxima versão. Por fim, a antena da banda L horizontal ainda precisa de alguns ajustes para melhorar o casamento.

Neste trabalho foram demonstradas três antenas adequadas para serem utilizadas em um sistema de radar de abertura sintética embarcado em drone. As antenas para este sistema foram projetadas, simuladas, fabricadas e testadas e futuros testes de voo com o radar permitirão uma melhor análise sobre em que pontos as antenas podem ser melhoradas.

Referências

[1] M. Skolnik, Introduction to Radar Systems. Boston, MA: McGraw-Hill Education, 3 ed., 2002.

[2] I. Cumming, Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data: Algorithms and Implementation. Remote Sensing Library, Boston, MA: Artech House, 2005.

[3] K. Tomiyasu, “Tutorial review of synthetic-aperture radar (sar) with applications to imaging of the ocean surface,” Proceedings of the IEEE, Vol. 66, no. 5, pp. 563–583, 1978.

[4] M. Richards, Fundamentals of Radar Signal Processing. New York, NY: McGraw-Hill Education, 2 ed., 2014.

[5] S. Tsunoda et al., “Lynx: a high-resolution synthetic aperture radar,” 2000 IEEE Aerospace Conference Proceedings, Vol. 5, pp. 51–58 vol.5, 2000.

[6] Koo et al., “A new unmanned aerial vehicle synthetic aperture radar for environmental monitoring,” Progress In Electromagnetics Research, Vol. 122, pp. 245–268, 2012. [7] C. Li and H. Ling, “Synthetic aperture radar imaging using a small consumer drone,”

IEEE International Symposium on Antennas and Propagation, pp. 685–686, IEEE, 2015.

[8] C. Li and H. Ling, “High-resolution, downward-looking radar imaging using a small consumer drone,” IEEE International Symposium on Antennas and Propagation, pp. 2037–2038, IEEE, 2016.

[9] J. Yan et al., “X-band mini sar radar on eight-rotor mini-uav,” IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), pp. 6702–6705, IEEE, 2016. [10] H. Obermeyer, “Spectrometric Synthetic Aperture Radar.” Patente Nº US9019143B2

, 2015.

[11] J. Nouvel, H. Jeuland, G. Bonin, S. Roques, O. D. Plessis, and J. Peyret, “A ka band imaging radar: Drive on board onera motorglider,” 2006 IEEE International Symposium on Geoscience and Remote Sensing, pp. 134–136, Julho 2006.

[12] M. Elhefnawy and J. T. S. Sumantyo, “A review on designing antenna arrays for long range synthetic aperture radar,” Recent Advances in Robotics and Sensor Technology for Humanitarian Demining and Counter-IEDs (RST), International Workshop on, pp. 1–5, IEEE, 2016.

[13] C. Edi Santosa, J. T. Sri Sumantyo, C. Ming Yam, K. Urata, K. Ito, and S. Gao, “Subarray design for c-band circularly-polarized synthetic aperture radar antenna

onboard airborne,” Progress In Electromagnetics Research, Vol. 163, pp. 107–117, 2018.

[14] Y. Xiaole, N. Daning, L. Shaodong, L. Zhengjun, and W. Wutu, “Design of a wideband waveguide slot array antenna and its decoupling method for synthetic aperture radar,” 2008 38th European Microwave Conference, pp. 135–138, Outubro 2008.

[15] M. Caris, F. Klöppel, J. Wilcke, T. Brehm, S. Sieger, R. Sommer, S. Stanko, M. Frioud, D. Henke, E. Meier, et al., “Multi-channel radar at 35 ghz for airborne sar-applications,” 2018 19th International Radar Symposium (IRS), pp. 1–8, IEEE, 2018.

[16] M. G. Fernandez, Y. Á. López, A. A. Arboleya, B. G. Valdés, Y. R. Vaqueiro, F. L.-H. Andrés, and A. P. García, “Synthetic aperture radar imaging system for landmine detection using a ground penetrating radar on board an unmanned aerial vehicle,” IEEE Access, 2018.

[17] M. Schartel, R. Burr, W. Mayer, N. Docci, and C. Waldschmidt, “Uav-based ground penetrating synthetic aperture radar,” 2018 IEEE MTT-S International Conference on Microwaves for Intelligent Mobility (ICMIM), pp. 1–4, IEEE, 2018.

[18] G. Ludeno, I. Catapano, A. Renga, A. R. Vetrella, G. Fasano, and F. Soldovieri, “Assessment of a micro-uav system for microwave tomography radar imaging,” Remote

Sensing of Environment, Vol. 212, pp. 90–102, 2018.

[19] M. Lort, A. Aguasca, C. Lopez-Martinez, and T. M. Marín, “Initial evaluation of sar capabilities in uav multicopter platforms,” IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, Vol. 11, no. 1, pp. 127–140, 2018. [20] J. Yan, Z. Peng, H. Hong, X. Zhu, Q. Lu, B. Ren, and C. Li, “Indoor range-direction-

movement sar for drone-based radar systems,” Microwave Conference (APMC), 2017 IEEE Asia Pacific, pp. 1290–1293, IEEE, 2017.

[21] “MATRICE 600 Pro - DJI.” https://www.dji.com/matrice600-pro.

[22] G. Stimson, H. Griffiths, C. Baker, and D. Adamy, Stimson’s Introduction to Airborne Radar. Electromagnetics and Radar, Edison, NJ: SciTech Publishing, 3 ed., 2014.

[23] C. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design. Hoboken, NJ: Wiley Interscience, 4 ed., 2016.

[24] L. Frenzel, Principles of Electronic Communication Systems. New York, NY: McGraw- Hill Education, 4 ed., 2016.

[25] F. Ulaby, Electromagnetics for Engineers. Upper Saddle River, NJ: Pearson, 2005. [26] S. Wentworth, Applied Electromagnetics: Early Transmission Lines Approach. Hobo-

ken, NJ: John Wiley, 2007.

[27] “Polarimetry - NASA-ISRO SAR Mission (NISAR).”https://nisar.jpl.nasa.gov/

technology/polsar/.

[28] A. Colliander, “Analysis of coincident l-band radiometer and radar measurements with respect to soil moisture and vegetation conditions,” European Journal of Remote Sensing, Vol. 45, no. 1, pp. 111–120, 2012.

[29] “Características Mínimas de Radiação de Antenas de Estações Terrenas para Co- municação via Satélite.” Norma Nº 01/97, ANEXO da Portaria n.º 02/97, Agência Nacional de Telecomunicações (ANATEL), Brasil.

[30] G. Deschamps, “Microstrip microwave antennas,” 3rd USAF Symposium on Antennas, 1953.

[31] H. Gutton and G. Baissinot, “Flat Aerial for Ultra High Frequencies.” Patente Francesa Nº 703113, 1955.

[32] D. Pozar, Microwave Engineering. Hoboken, NJ: Wiley, 4 ed., 2012.

[33] R. DuHamel and D. Isbell, “Broadband logarithmically periodic antenna structures,” IRE International Convention Record, pp. 119–128, 1958.

[34] D. Isbell, “Log periodic dipole arrays,” IRE Transactions on Antennas and Propaga- tion, Vol. 8, pp. 260–267, 1960.

[35] R. Carrel, “Analysis and Design of the Log-Periodic Dipole Antenna,” Relatório Técnico, Illinois University at Urbana, Electrical Engineering Research Lab, 1961. [36] “CST Studio Suite Electromagnetic Field Simulation Software.” https://www.cst.

com/products/csts2.

[37] “RO4350B™ Laminates - Rogers Corporation.”https://www.rogerscorp.com/acs/

[38] R. E. Collin, “Theory and design of wide-band multisection quarter-wave transformers,” Proceedings of the IRE, Vol. 43, pp. 179–185, Fevereiro 1955.

[39] L. Young, “Tables for cascaded homogeneous quarter-wave transformers,” IRE Tran- sactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 7, pp. 233–237, Abril 1959. [40] L. Young, “The quarter-wave transformer prototype circuit,” IRE Transactions on

Microwave Theory and Techniques, Vol. 8, pp. 483–489, Setembro 1960.

[41] D. Koks, “How to Create and Manipulate Radar Range-Doppler Plots,” Relatório técnico, Defence Science and Technology Organisation of Edinburgh (Australia), Cyber and Electronic Warfare Division, 2014.