47o. Cbc trabalho código 11-21



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(A)

i = Er + Et + Ea
Outro parâmetro importante na caracterização eletromagnética de materiais absorvedores é a determinação dos seus parâmetros bicomplexos: permeabilidade (=’-j’’) e permissividade (=’-j’’), relacionados com as propriedades intrínsecas do material. O parâmetro permeabilidade caracteriza a interação do material com o campo magnético da onda eletromagnética, e a permissividade com o campo elétrico. Os termos ’ e ’ estão relacionados com o armazenamento da energia do campo magnético e elétrico, respectivamente, o os termos ’’ e ’’ com as perdas [1,3,4].

A maioria dos métodos de caracterização eletromagnética dos MARE analisa o coeficiente de reflexão (Er) tendo uma placa metálica refletora como referência, sendo que esta mesma placa é utilizada na caracterização do MARE, posicionando-a sob o material absorvedor. Este procedimento permite avaliar a capacidade do MARE em diminuir o Er do metal (100 % refletor de radiação eletromagnética). Além das variáveis descritas, os métodos de caracterização eletromagnética levam em conta o ângulo de incidência do sinal no material em estudo, bem como o ângulo onde é analisado o sinal refletido. Os métodos de caracterização eletromagnética do coeficiente de reflexão, onde o sistema de transmissão (Tx) e recepção (Rx) do sinal de microondas se encontram no mesmo ponto são denominados monoestáticos, e o sistema em pontos diferentes, biestáticos. Algumas situações estão representadas na Figura 2 [7].



Figura 2. Caracterização de Er em relação ao posicionamento de Tx e Rx. (a) monoestático e (b) biestático [7].


A Tabela I relaciona os principais métodos de caracterização eletromagnética utilizados na área de materiais absorvedores de radiação, indicando a propriedade medida, de acordo com a equação A. Os métodos descritos na Tabela I atualmente estão operacionais no Laboratório de Caracterização Eletromagnética da Divisão de Materiais (AMR/IAE/CTA), discutidos em mais detalhes a seguir.
Tabela I. Métodos de caracterização eletromagnética disponíveis na Divisão de Materiais (AMR/CTA) e suas características.

Método de

Caracterização

Propriedade caracterizada

Posicionamento da amostra

Ângulo de incidência da onda eletromagnética

Guia de onda

Er, Et

 = ’- j’’

 = ’ - j’’


Estático

Normal

Perda por inserção entre antenas

(em câmara anecóica)



Et

Estático

Normal

Arco NRL


Er


Estático


5- 75 (*)

(Monoestático e Biestático)



Seção Reta Radar

(em câmara anecóica)



Er

Estático e Dinâmico

Variável


(Monoestático e Biestático)


*a variação de ângulo pode ser maior, mas é dependente da construção de um arco em maior escala.
I.1 Guia de onda
O guia de onda é um tubo metálico retangular, construído com alta precisão mecânica, onde a onda eletromagnética propaga em um sistema fechado. O tamanho da seção transversal do guia de onda e, conseqüentemente, da amostra é determinado pela faixa de freqüências de operação. Quanto menor a freqüência, maior é a dimensão do guia de onda, uma vez que o comprimento de onda é maior. Por exemplo, na faixa de freqüências compreendidas entre 8-12 GHz, a seção transversal do guia de onda possui dimensões iguais a 23 mm x 10 mm. Por esse motivo, a principal vantagem deste método é a preparação de corpos-de-prova com gasto reduzido de material.
I.2 Arco NRL
O método do arco NRL (Naval Research Laboratories) foi concebido no Laboratório de Pesquisa Naval dos Estados Unidos da América, na década de 50, como um meio de avaliar materiais absorvedores de microondas. Este método foi desenvolvido com o objetivo de determinar o coeficiente de reflexão em diferentes ângulos do sinal incidente. O arco consiste, basicamente, de uma estrutura de madeira, que permite fixar um par de antenas em uma variedade de ângulos.

De acordo com a Figura 3, o material em teste é posicionado sobre um pequeno pedestal no centro da curvatura do arco. O sinal que atinge a amostra é obtido em um gerador de sinais ligado a uma antena transmissora, e o sinal refletido é capturado por uma antena receptora, transmitindo-o para um detetor e a um amplificador. A estrutura do arco é projetada de modo a manter a corneta apontada para o centro do material em teste, não importando onde a corneta é posicionada. O ambiente de testes não pode sofrer interferência de reflexões espúrias provenientes do solo, das laterais ou do teto do ambiente onde é colocado o arco. Por esse motivo são colocados ao redor do arco (no chão), materiais absorvedores de radiação eletromagnética de boa qualidade, que atenuam até 50 dB do sinal (99,999 %) [8].



A

frente da onda eletromagnética emitida por uma antena caracteriza-se pela forma esférica no ponto de emissão. No entanto, os métodos de caracterização eletromagnética de materiais e estruturas em espaço livre consideram que a frente de onda incide plana no objeto em estudo. Caso esta condição não seja obedecida podem ocorrer erros de medida, devido à difração, acarretando em falta de precisão e confiabilidade na medida.

Figura 3. Arco NRL clássico [8].



Para satisfazer essa condição, é necessário que o material em estudo tenha uma dimensão mínima de 5  x 3  na freqüência de interesse, e obedecer condições de campo distante, isto é, uma distância mínima entre a antena transmissora e o material em estudo, descrita pela equação B, onde R: distância entre a antena e o material em estudo (m), D: maior dimensão do material em estudo (m) e: comprimento de onda (m) [7].



(B)


Assim, para uma placa plana com medidas de 15 cm x 15 cm, na freqüência de 10 GHz, a distância mínima entre a placa e a antena transmissora, para atender condições de campo distante, é de 1,5 m. A 10 GHz, a dimensão mínima de uma placa plana é de 15 cm x 9 cm.
I.3 Medidas em câmara anecóica
A avaliação das propriedades eletromagnéticas dos materiais, tais como refletividade e a absorção de ondas eletromagnéticas, compatibilidade eletromagnética, entre outros, deve ser realizada em um meio ambiente livre de interferências eletromagnéticas externas, de forma que forneça resultados confiáveis das propriedades medidas. O meio ambiente desenvolvido com este objetivo é a câmara anecóica.

Uma câmara anecóica tem por finalidade simular um ambiente de teste eqüivalente ao espaço livre, imune a reflexões, de modo a assegurar a uniformidade em amplitude e fase do sinal incidente na região que contém o dispositivo em teste [2]. Para tanto, as câmaras anecóicas são construídas de paredes metálicas para blindagem externa, e revestidas em seu interior por absorvedores de ondas eletromagnéticas com características de absorção específicas para a freqüência ou faixa de freqüências de interesse [2,7].



I.3.1 Medidas de perda por inserção entre antenas




Este método de análise fornece o coeficiente de transmissão do material em estudo (Et), e consiste em colocar duas antenas, uma emissora e outra receptora, apontadas entre si, podendo ser aplicado em campo aberto ou em câmara anecóica (Figura 4). O sinal de referência é obtido por emissão direta do sinal da corneta transmissora para a receptora. Em seguida, o material em teste é posicionado em frente à corneta receptora e novas medidas são realizadas. A diferença entre os sinais é a quantidade de atenuação do sinal (Et).

I.3.2 Medidas de seção reta radar - RCS

Quando a onda eletromagnética incide em um objeto a energia é espalhada em todas as direções. A distribuição espacial da energia depende da geometria do alvo, da composição do material, da freqüência de operação e da polarização da onda incidente. Essa distribuição da energia é chamada de espalhamento e o material é freqüentemente chamado de alvo ou espalhador [1,7].




Material absorvedor

Figura 4. Esquema simplificado para medidas de absorção entre antenas, em câmara anecóica [1,3,4].

A potência do sinal refletido (Er) ou transmitido (Et) por um alvo é primeiramente convertida em watts pelo analisador de espectro, e normalmente se utiliza a escala logarítmica décibel para representar a potência lida. Na técnica RCS normalmente utiliza-se a unidade de metros quadrados para relacionar a potência refletida pelo alvo, não relacionada com área física. Um metro quadrado em seção reta radar é definido como a energia refletida por uma esfera metálica perfeitamente refletora com 1,0 m2 de área superficial (diâmetro: 1,13 m). Assim, se um determinado objeto possui uma seção reta radar igual a 20 m2, o mesmo reflete a energia da onda eletromagnética com mesma densidade de potência de uma esfera com diâmetro igual a 2,52 m (20 m2 de área superficial). Diferentemente dos métodos apresentados anteriormente, onde a amostra é mantida estática, a metodologia de determinação do coeficiente de reflexão via técnica RCS caracteriza-se pela mudança do ângulo de aspecto do objeto em estudo em relação ao sistema de transmissão/recepção, por exemplo, por rotação ou inclinação, como esquematizado na Figura 5. A configuração do sistema Tx/Rx pode ser monoestático ou biestático [1,7].



Figura 5. Esquema de caracterização do coeficiente de reflexão pelo método RCS - rotação e inclinação do objeto em estudo (placa plana) em relação ao sistema transmissão (Tx) e recepção (Rx) [1,7].



II. MATERIAIS E MÉTODOS
A metodologia adotada no Laboratório de Caracterização Eletromagnética da AMR/IAE/CTA das medidas por guia de onda utiliza um acoplador direcional na faixa de freqüências compreendidas entre 8-12 GHz, marca Hewlett-Packard, modelo X752C, ligado a uma analisador de espectro 70000 (Hewlett-Packard) e gerador de sinais sintetizado 83752A (Agilent), cabos coaxias de baixas perdas da empresa Adam Russel e Suhner, adaptadores coaxiais de baixas perdas da empresa Suhner, e microcomputador PC, com interface GPIB (General Purpose Interface Bus). O arco NRL utilizado é constituído de madeira compensada (Figura 6-a), para evitar reflexões espúrias do sinal de microondas, e o esquema de interligação do arco NRL está relacionado na Figura 6-b. As medidas de RCS foram efetuadas no interior da câmara anecóica do IFI/CTA. A Figura 7 relaciona o esquema do sistema de medidas de RCS utilizado neste trabalho. Conforme mostra a Figura 7(a), o sistema consiste basicamente de duas antenas, uma transmissora e outra receptora, montadas sobre uma torre, e outra torre com o alvo em estudo. Esta metodologia permite obter os valores de referência e de atenuação do material em teste, em diferentes ângulos de aspecto e em diferentes freqüências.

Figura 6. (a) Esquema da interligação entre o gerador de sinais, analisador de espectro, computador, cabos e o arco NRL e (b) arco NRL da AMR/IAE/CTA.


De acordo com a Figura 7(b), observa-se o sistema interno de medidas composto por: a) alvo sob teste, neste caso uma placa plana com e sem revestimento absorvedor; b) absorvedores de microondas tipo piramidal, para recobrimento da câmara anecóica; c) antenas tipo corneta piramidal (8-12 GHz); d) cabos coaxiais de baixas perdas (Huber-Suhner), e) gerador de microondas sintetizado (HP 83630B), e sistema de controle de giro Scientific Atlanta da torre de fixação do alvo e a antena transmissora/receptora. Externamente à câmara ficavam os controladores dos posicionadores de transmissão/recepção, analisador de espectro, computador PC para a aquisição de dados via interface GPIB.


Figura 7. (a) Esquema do sistema utilizado nas medidas de RCS e (b) Câmara anecóica e equipamentos internos (IFI/CTA), 8 m x 5 m x 4 m.
O material absorvedor utilizado consistiu de um sistema de resina epóxi (adesivo epóxi aradilte profissional - Ciba) com diferentes proporções de ferritas NiZn e MnZn, conforme apresentado na Tabela II. A resina epóxi não apresenta absorção da onda eletromagnética, não interferindo nas medidas. As formulações foram preparadas de acordo com [9] na AMR/IAE/CTA, aplicadas em placas de alumínio 2024 com dimensões de 30 cm x 20 cm, com espessura final de 2,0 mm.
Tabela II. Formulação dos revestimentos estudados.

Formulação

Resina Epóxi

(% em massa)



Ferrita NiZn

(% em massa)



Ferrita MnZn

(% em massa)



1

52

48

-

2

52

-

48

3

30

35

35


IV. RESULTADOS E DISCUSSÃO
As formulações relacionadas na Tabela II foram caracterizadas pelas metodologias de guia de onda, arco NRL e seção reta radar. O gráfico da Figura 8 relaciona as curvas do coeficiente de reflexão das formulações 1, 2 e 3 obtidas no guia de onda e arco NRL, de 8-12 GHz. Uma vez que as formulações foram aplicadas em uma placa de alumínio, o coeficiente de reflexão (Er) medido é diferente do descrito na Figura 1, pois neste caso o material absorvedor possui uma placa metálica na parte inferior.

P




-1

-2

-3



(a)
ode-se observar pelo gráfico da Figura 8-a, que as ferritas de NiZn e MnZn, formulações 1 e 2, respectivamente, apresentam uma curva de ressonância típica (perfil em V), indicando que o máximo de absorção se encontra em freqüências inferiores a 8 GHz (NiZn) e superiores a 12 GHz (MnZn). A curva de absorção da formulação 3 relaciona um material com comportamento de absorção em banda larga, uma vez que foram sobrepostas as características de ambas as ferritas, resultando em um somatório de atenuação da onda eletromagnética.

Figura 8. Curvas do coeficiente de reflexão medido em (a) guia de onda, formulações1 - 3, (b) arco NRL, formulação 3.


A Figura 8-b relaciona a medida realizada no arco NRL com a formulação 3 para avaliação do ângulo de incidência do sinal na absorção de microondas, obtida nos ângulos de 15º, 30º, 45º, 60º e 75º entre as antenas transmissora e receptora (configuração biestática), de acordo com o esquema da Figura 6.

Pelo gráfico da Figura 8-b pode-se observar a dependência do ângulo de incidência na curva de absorção do material. No ângulo igual a 15º já se observa uma ligeira queda no nível de absorção do pico principal, em ângulos superiores a 30º o nível de absorção diminui com mais intensidade, e em ângulos superiores a 60º a atenuação é menor que 1,0 dB. A queda do nível de absorção em função do ângulo de incidência do sinal está relacionado com o índice de refração do material absorvedor. Quanto mais rasante é o sinal de microondas em relação à superfície do absorvedor, menor é a entrada do sinal no material e, conseqüentemente, maior é a reflexão e menor a absorção.

Os gráficos da Figura 9 relacionam os diagramas de RCS medidos em configuração monoestática, a curva em azul da placa plana de alumínio de referência (30 cm x 20 cm), e em vermelho a placa de alumínio recoberta com a formulação 3 (30 cm x 20 cm), em dBm (Figura 9-a) e m2 (Figura 9-b), realizada na freqüência de 10 GHz, com giro de 180º no plano horizontal. O método de conversão do diagrama de RCS em dBm para m2, bem como dB em %, já foi descrito em trabalhos anteriores [2]. Pode-se observar na curva em azul da Figura 9-a um pico máximo em 0o (-32,3 dBm) correspondendo a 50,2 m2 (Figura 9-b). O máximo do sinal refletido se deve à incidência e reflexão normal do sinal de microondas na placa plana de alumínio.

O



diagrama RCS medido da placa plana de referência (Figura 9-a, curva em azul) apresenta uma queda acentuada do sinal em ângulos próximos de 0o, e deve-se, fundamentalmente, à geometria do corpo-de-prova utilizado como referência, placa plana, onde uma variação mínima de posicionamento gera uma grande quantidade de reflexões das ondas incidentes na placa em direções diferentes à antena receptora. Outras geometrias, como diedros, triedros, esferas, corpos com geometria complexa, etc, possuem um diagrama de seção reta radar diferenciado em relação ao diagrama da placa plana [1,6,7].



(a)

(b)

Figura 9. Diagrama RCS da placa plana de alumínio (30 cm x 20 cm) a 10 GHz, em (a) dBm e(b) m2. Curva em azul – placa de referência, curva em vermelho – placa recoberta com a formulação 3.


As curvas em vermelho da Figura 9 relacionam o diagrama RCS da placa de alumínio recoberta com a formulação 3, em dBm (Fig. 10-a) e m2 (Fig. 10-b), em 10 GHz.

Pode-se observar pelo diagrama em azul da Figura 9-a que o pico principal em 0 graus é atenuado em 4,0 dB em relação ao diagrama da placa de alumínio de referência, o que corresponde a 60,0 % de atenuação do sinal. A envoltória do diagrama RCS em dBm também sofre alteração, de até 3,0 dB em +/- 30º, em ângulos entre +30º e +70o é observado um ligeiro aumento na envoltória, em torno de 1,0 – 2,0 dB. O gráfico da Figura 9-b relaciona o diagrama RCS convertido em m2, com valor no ângulo de 0º igual a 20 m2 (diagrama em vermelho – formulação 3), correspondente a uma atenuação de 4,0 dB em relação ao diagrama em azul (placa de referência).
V. CONCLUSÃO
O artigo apresenta as principais técnicas de caracterização eletromagnética de materiais absorvedores de radiação eletromagnética, guia de onda, arco NRL e seção reta radar (RCS), que permitem caracterizar um alvo em diversas situações do ângulo de incidência no material, visando adquirir conhecimentos no fenômeno de espalhamento de radiação de microondas. Estas caracterizações são importantes para as aplicações práticas dos materiais absorvedores, pois permitem obter as especificações do material, definindo as melhores condições na aplicação do material, bem como estabelecer as suas limitações em termos de atenuação do sinal de microondas. Entretanto, as metodologias de caracterização eletromagnética apresentam como principal desvantagem o custo dos equipamentos e infra-estrutura adequada. Além disso, não há no momento uma metodologia padronizada para a caracterização de materiais absorvedores e alvos.

Somente após a montagem de um banco de dados relacionados na Tabela I, é possível inferir se o material apresenta algum nível real de absorção da onda eletromagnética. Por exemplo, a redução do coeficiente de reflexão por um determinado material não está necessariamente ligado a uma absorção real.

O levantamento do meio ambiente eletromagnético onde é aplicado o material absorvedor, bem como a geometria do substrato, é que definirá a melhor condição de caracterização do coeficiente de reflexão e transmissão, para especificações do projeto eletromagnético. Normalmente, as metodologias de caracterização eletromagnética apresentadas fornecem um grande conjunto de dados, suficiente para a maioria das aplicações.

Como pode ser visualizado nos gráficos das Figuras 8-10, o desempenho em termos de absorção de microondas das formulações constituídas de resina epóxi com ferritas de NiZn e MnZn apresentam absorção do sinal de microondas, sendo dependente do ângulo de incidência do sinal. Esta dependência está diretamente relacionada com o índice de refração do material absorvedor.


VI. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio recebido do Centro Técnico Aeroespacial/Comando da Aeronáutica, FAPESP (Processo No. 98/15839-4) e CNPq (Processos No. 300599/96 e No. 300228/87-2)
VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] NOHARA, E.L. Materiais Absorvedores de Radiação Eletromagnética (8-12 GHz) Obtidos Pela Combinação de Compósitos Avançados Dielétricos e Revestimentos Magnéticos. Tese de Doutorado. ITA/CTA, março 2003.

[2] MIACCI, M.A.S. Determinação Experimental do Espalhamento Monoestático de Microondas por Alvos de Geometrias Simples. Tese Mestrado ITA/CTA, março 2002.

[3] DIAS, J.C. Obtenção de Revestimentos Absorvedores de Radiação Eletromagnética (2-18 GHz) Aplicados no Setor Aeronáutico .Tese de Doutorado. ITA/CTA, Junho 2000.

[4] SILVA, F. S. Obtenção de Estruturas Híbridas Absorvedoras de Radiação Eletromagnética na Faixa de Microondas Aplicadas no Setor Aeronáutico. Tese de Mestrado. ITA/CTA, novembro 2000.

[5] REZENDE, M. C.;MIACCI, M.A, NOHARA, E. L., MARTIN, I. M, Radar Cross Section Measurements (8-12 GHz) of Flat Plates Painted with Microwave Absorbing Materials, Proceedings SBMO/IEEE MIT-S IMOC (2001).

[6] REZENDE, M. C.;MIACCI, M.A, NOHARA, E. L., MARTIN, I. M, et al., Radar Cross Section Measurements (8-12 GHz) of Magnetic and Dielectric Microwave Absorbing Thin Sheets, Revista de Física Aplicada e Instrumentação, Brasil, 15 (2001) 1-6.

[7] KNOTT, E.F., J. F. SCHAEFFER AND M. T. TULEY, “Radar Cross Section” 2a edição, Artech House Inc., USA, (1993).

[8] REZENDE, M. C.;MIACCI, M.A, NOHARA, E. L., MARTIN, I. M, Efeito da Polarização de Antenas nas medidas de refletividade de microondas pelo método do arco NRL, Revista de Física Aplicada e Instrumentação, 14 (1999) 79-85.



[9] Patente sobre “Processo para obtenção de revestimentos absorvedores de microondas (2-20 GHz) à base de poliuretanos e resinas epoxi aditados com partículas de carbono e ferritas” REZENDE, M.C. et al. IAE/AMR/CTA, INPI (1998). PI9805581-0.





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