XXXVII SIMPOSIO BRASILEIRO DE TELECOMUNICAC¸´ OES E ...
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XXXVII SIMPOSIO BRASILEIRO DE TELECOMUNICACOES E PROCESSAMENTO DE SINAIS - SBrT2019, 29 DE SETEMBRO a 02 DE OUTUBRO DE 2019 a, Petropolis, RJ
Efeitos da Fuselagem e da Carga no Diagrama deRadiacao em Veıculos Aereos Nao Tripulados
Pedro H. da R. Candido, Vinicius B. Varoto, Antonio A. N. Pancoti, Rogerio Casagrande, Ulysses R. C. Vitor,Alvaro A. M. de Medeiros
Resumo— Este artigo objetiva analisar a perda de potencia nosinal recebido de uma antena embarcada em um VANT atraves damedicao do diagrama de radiacao. E avaliado como os materiaispresentes na aeronave influenciam na qualidade da recepcao dosinal.
Palavras-Chave— VANT, Diagrama de Radiacao, Fibra deCarbono.
Abstract— This paper aims to analyze the power loss inthe signal received from an antenna embedded in a UAV bymeasuring the radiation pattern. It is evaluated how the materialspresent in the aircraft influence the quality of signal reception.
Keywords— UAV, Radiation Pattern, Carbon Fiber.
I. INTRODUCAO
A utilizacao de VANTs (Veıculos Aereos Nao Tripulados),atualmente, mostra-se em uma escala crescente ao redor domundo. As aplicabilidades destes veıculos tem impulsionadodiversas areas de pesquisa e desenvolvimento. Um exemplode estudo relacionado a VANTs e o Aerodesign, que consisteno planejamento e construcao de um aviao remotamentecontrolado.
A equipe Microraptor da Universidade Federal de Juizde Fora participa anualmente da competicao nacional SAE(Sociedade dos Engenheiros da Mobilidade) de Aerodesignrealizada na cidade de Sao Jose dos Campos (SP). O recenteobjetivos da missao, segundo o edital [1], e a construcao deuma aeronave de perfil cargueiro capaz do soltar a carga, deate 7,58 kg, durante o voo. Por questoes de aerodinamica, asantenas de comunicacao com terminais de controle e telemetriasao embarcadas dentro da aeronave.
No intuito de construir o VANT menos pesado possıvele capaz de transportar o maior volume de carga, a equipefaz grande utilizacao de materiais compositos, tais como afibra de carbono. Todavia, em virtude da sua propriedade deanisotropia [2], a eficiencia no controle e na telemetria doVANT pode ser prejudicada.
Deste modo, e necessario verificar o diagrama de radiacaoda antena embarcada no VANT e as possıveis alteracoescausadas pelo material laminado [3] que compoem afuselagem da aeronave, bem como pela carga que ela devecarregar, composta de um saco de areia.
Pedro H. da R. Candido, Vinicius B. Varoto, Antonio A. N.Pancoti, Rogerio Casagrande, Ulysses R. C. Vitor, Alvaro A. M.de Medeiros sao do Laboratorio de Telecomunicacoes Aplicadas daFaculdade de Engenharia da Universidade Federal de Juiz de Fora.E-mails: {pedro.candido, vinicius.varoto, antonio.pancoti, rogerio.casagrande,ulysses.vitor, alvaro}@engenharia.ufjf.br.
II. METODOLOGIA
Baseado no procedimento de medicao do diagrama deradiacao apresentado em [4], construiu-se uma base giratoria,conforme apresentada na Figura 1. O desenho da base foiprojetado a partir das geometrias da fuselagem da aeronave,na qual se encontrava da antena. A plataforma e feita de MDF,material isolante derivado da madeira, para nao influenciar nasmedicoes.
Fig. 1. Base giratoria construıda para a medicao do diagram de radiacao.
Fig. 2. Setup de medicao.
Nos experimentos foram utilizadas duas antenas dipolo deplaca de circuito impresso identicas para a mesma frequenciautilizada nas competicoes que a equipe participa (2,4 GHz).Uma antena foi conectada a um gerador de Radio Frequencia
SBrT 2019 1570557343
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XXXVII SIMPOSIO BRASILEIRO DE TELECOMUNICACOES E PROCESSAMENTO DE SINAIS - SBrT2019, 29 DE SETEMBRO a 02 DE OUTUBRO DE 2019 a, Petropolis, RJ
(RF) Agilent N9310A e fixada em um pedestal de cano PVC,enquanto a antena receptora foi conectada a um analisador deespectro Rohde & Schwarz FSC3 e fixada em tres situacoesdiferentes: antena sozinha na plataforma, aviao sem carga eaviao carregado.
A partir da transmissao um sinal CW (Continuous Wave)na frequencia de 2,4 GHz, sem a influencia qualquer deoutro sinal nesta frequencia, observou-se a potencia medidano analisador de espectro. Em seguida, os valores da potenciarecebida foram salvos enquanto a base em que o modeloestava fixado era girada com passo de cinco graus. A Figura 2apresenta o setup de medicao utilizado. Diferentemente doprocedimento mostrado em [4], no qual a medicao foi feitaem laboratorio, as medicoes deste trabalho foram feitas emcampo aberto. Este tipo de cenario reflete tambem o ambientede propagacao encontrado nas competicoes, possibilitandotambem uma menor quantidade de sinais refletidos.
III. RESULTADOS
(a)
(b)
Fig. 3. Diagramas de radiacao para os planos vertical (a) e horizontal (b)para a antena livre (preto), com VANT sem carga (verde) e com VANT comcarga (vermelha).
A Figura 3 apresenta os resultados da medicao dosdiagramas de radiacao rotacionando o objeto de estudo noeixo longitudinal (a) e no eixo latitudinal (b). As curvas emcada desenho nas cores preta, verde e vermelha representam asmedicoes da antena sozinha, no VANT sem carga e no VANTcom carga, respectivamente.
Observa-se na Figura 3 que a fuselagem da aeronave alteraconsideravelmente o diagrama de radiacao da antena [5],principalmente pelo fato de possuir fibra de carbono emsua estrutura, localizados no trem de pouso, parte superiorda fuselagem e montante do motor. Tal material possuipropriedades eletricas nao homogeneas.
O desenho resultante da medicao da antena sozinha seaproxima muito do ideal com algumas variacoes devido aoambiente de medicao. Na primeira orientacao (Figura 3-a),e possıvel ver lobulos frontal e posterior, e na segunda(Figura 3-b) uma homogeneidade com variacoes por perdade sinal. As demais configuracoes apresentam um padraosemelhante, porem com grande atenuacao e deformacao dopadrao de radiacao.
Os resultados mostram um influencia insignificante comrelacao a presenca da carga no diagrama de radiacao. Outrostestes tambem foram realizados com o aviao com acionamentodo motor eletrico e com componentes eletronicos, que tambemnao apresentaram modificacoes significativas nos resultados.
Tanto para o aviao sem carga, quanto como para o aviaocom carga chegou-se a uma atenuacao media de 14 dBpara a orientacao longitudinal e de 5,3 dB para a orientacaolatitudinal, o que pode ser observado nas curvas verde evermelha na Figura 3.
IV. CONCLUSAO
O projeto de VANTs deve levar em consideracao os efeitosdos materiais nos diagramas de radiacao das antenas decomunicacao. Neste trabalho, verificou-se que os materiaislaminados presentes na fuselagem de um VANT geram umaalteracao no diagrama de radiacao do receptor da aeronave.Tal diferenca pode ser significativa na qualidade da recepcaodo sinal na aeronave, podendo acarretar em uma perda totalda comunicacao.
REFERENCIAS
[1] S. Brasil, Regulamento SAE Brasil Aerodesign 2018. SAE, 2018.[2] T. J. Seidel, A. Galehdar, W. S. T. Rowe, S. John, P. J. Callus, and
K. Ghorbani, “The anisotropic conductivity of unidirectional carbon fibrereinforced polymer laminates and its effect on microstrip antennas,” in2010 Asia-Pacific Microwave Conference, Dec 2010, pp. 1470–1473.
[3] M. R. Cabello, S. Fernandez, M. Pous, E. Pascual-Gil, L. D. Angulo,P. Lopez, P. J. Riu, G. G. Gutierrez, D. Mateos, D. Poyatos, M. Fernandez,J. Alvarez, M. F. Pantoja, M. Anon, F. Silva, A. R. Bretones, R. Trallero,L. Nuno, D. Escot, R. G. Martin, and S. G. Garcia, “Siva uav: A casestudy for the emc analysis of composite air vehicles,” IEEE Transactionson Electromagnetic Compatibility, vol. 59, no. 4, pp. 1103–1113, Aug2017.
[4] W.Felix, T. Souza, and E. Gurjao, “Environmental effects on short dipoleantenna and rfid uhf passive tags,” in SBrT, Setembro 2017, pp. 358–362.
[5] P. A. Tirkas, Jian Peng, C. A. Balanis, and G. C. Barber, “Electromagneticinterference and interaction with complex helicopter structures,” inProceedings of MILCOM ’94, Oct 1994, pp. 12–16 vol.1.
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