COMPARAÇÃO DAS TÉCNICAS DE MEDIDAS DE REFLETIVIDADE RCS E ARCO NRL - NA AVALIAÇÃO DE ABSORVEDORES DE MICROONDAS

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1 COMPARAÇÃO DAS TÉCNICAS DE MEDIDAS DE REFLETIVIDADE RCS E ARCO NRL - NA AVALIAÇÃO DE ABSORVEDORES DE MICROONDAS M.A.S. Miacci 1, E.L. Nohara 1, I.M. Martin 2, M.C. Rezende 2, Praça Marechal-do-Ar Eduardo Gomes, 50, Vila das Acácias, São José dos Campos/SP, CEP: E- mail: enohara@directnet.com.br, mirabel@iae.cta.br 1 Depto. de Eng. Aeronáutica e Mecânica / Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) 2- Divisão de Materiais / Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE) / Centro Técnico Aeroespacial (CTA) RESUMO O propósito de medidas de seção reta radar (RCS) e de refletividade via arco NRL de alvos é de coletar dados de espalhamento de radiação eletromagnética em determinadas faixas de freqüências, visando conhecer a interação onda/material, construir um banco de dados e atingir a especificação de componentes e materiais. Apesar da importância da utilização dessas medidas na caracterização de materiais absorvedores de radiação eletromagnética (MARE) e de alvos, as suas utilizações são limitadas, dev ido à falta de metodologia padronizada, ao alto custo envolvido e à dificuldade na interpretação das medidas. Este trabalho tem como objetivo o estabelecimento de uma metodologia confiável e simples para a determinação de RCS de placas planas revestidas com MARE à base de ferritas NiZn e negro de fumo na faixa de 8-12 GHz. Estes resultados foram comparados com medidas feitas no arco NRL, mostrando uma discussão crítica das vantagens e desvantagens de cada técnica na caracterização de MARE. Palavras-Chave: Materiais Absorvedores de Radiação Eletromagnética, Microondas, Arco NRL, RCS INTRODUÇÃO Os materiais absorvedores de microondas têm recebido muita atenção nas últimas 3 décadas, devido às crescentes exigências das legislações governamentais e industriais de compatibilidade e interferência eletromagnética, envolvendo basicamente as indústrias de equipamentos eletroeletrônicos e telecomunicações, e ao desenvolvimento das indústrias militares [1]. Para cada aplicação, há uma série de requisitos de desempenho para um material absorvedor de radiação eletromagnética, que compreendem: faixa de freqüências de absorção de microondas, nível de absorção, resistência ao meio ambiente (ultravioleta, luz solar, umidade, etc), resistência aos ciclos térmicos, adesão em substratos, textura, elasticidade, rigidez, estabilidade dimensional, tempo de vida útil, efeito do envelhecimento nas propriedades eletromagnéticas, entre outros [2,3]. Em relação às propriedades eletromagnéticas, os parâmetros avaliados compreendem basicamente o coeficiente de reflexão, transmissão, e os valores bicomplexos da permeabilidade ( µ) e permissividade (ε) [4]. Um parâmetro importante na especificação do desempenho de um MARE é o comportamento do seu coeficiente de reflexão, em função do ângulo de incidência do sinal na faixa de microondas. Esse parâmetro pode ser avaliado pelas técnicas do arco NRL (Naval Research Laboratories) e Seção Reta Radar (Radar Cross Section RCS). A Figura 1-a relaciona um esquema do arco NRL, onde o material a ser caracterizado permanece fixo e é variado o ângulo entre as antenas transmissora (Tx) e receptora (Rx), e a Figura 1-b a técnica RCS, onde as antenas receptora e transmissora são fixadas em paralelo uma em relação à outra, com incidência normal do sinal de microondas no objeto em estudo, e a amostra é rotacionada em torno do seu próprio eixo [5-7]. Entretanto, as técnicas esquematizadas na Figura 1 não esgotam as possibilidades de caracterização do coeficiente de reflexão em função do ângulo de incidência na amostra em estudo. Por exemplo, no esquema de caracterização da Figura 1-a, a amostra também pode ser rotacionada em torno do seu próprio eixo. Em outra situação no arco NRL, pode-se fixar a antena Tx em uma posição, e variar a posição da antena Rx, ou vice-versa. Entretanto, o raio do arco NRL é dependente da faixa de freqüências de caracterização, pois deve-se obedecer condições de campo distante, isto é, deve-se garantir a incidência de uma frente de ondas planas no material em estudo. Quanto maior a freqüência, maior deve ser o raio do arco, para atender as condições de campo distante [5]. A técnica RCS permite caracterizar a amostra em duas situações principais: rotação e inclinação da amostra em relação ao plano das antenas Tx e Rx. Assim como no arco NRL, o ângulo entre as antenas pode ser variado. A desvantagem da metodologia RCS é a necessidade de projeto e 2394

2 construção de dispositivos mecânicos para o suporte da amostra e antenas com alta precisão, bem como de um ambiente especial de testes, como uma câmara anecóica, ou um ambiente aberto controlado [1,6,7]. Tx Rx Arco NRL (b) RCS Figura 1. Esquemas de caracterização do coeficiente de reflexão em função do ângulo de incidência do sinal de microondas. arco NRL - variação do ângulo entre as cornetas receptora (Rx) e transmissora (Tx). (b) RCS - rotação e inclinação da amostra com incidência normal do sinal. 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, para especificações do projeto eletromagnético. Normalmente, as metodologias de caracterização eletromagnética do coeficiente de reflexão envolvendo as técnicas arco NRL e RCS, nas condições descritas na Figura 1, fornecem um grande conjunto de dados, suficiente para a maioria das aplicações. Além do estudo do ângulo de incidência do sinal de microondas, a caracterização do coeficiente de reflexão deve ser complementada com a determinação da influência da polarização da onda eletromagnética [6,7]. DISPOSITIVO EXPERIMENTAL As medidas de RCS foram efetuadas no interior da câmara anecóica do IFI/CTA, onde não existe contaminação de ondas eletromagnéticas espúrias na faixa em estudo. A torre de fixação do alvo e as antenas transmissora/receptora foram protegidas por absorvedores piramidais e planos. Foi observada a condição de campo distante e o perfeito alinhamento entre a fonte emissora e o alvo. A Figura 2 relaciona o esquema do sistema de medidas de RCS utilizado neste trabalho. (b) a c e b d Figura 2. Esquema do sistema utilizado nas medidas de RCS e (b) Câmara anecóica e equipamentos internos (IFI/CTA). Conforme mostra a Figura 2, o sistema consiste basicamente de duas antenas, uma transmissora e outra receptora, montadas sobre uma torre, distanciada 6 m do suporte do alvo. Este método requer que o alvo, neste caso uma placa plana revestida com a manta absorvedora, seja inicialmente caracterizado quanto à sua refletividade em diferentes ângulos de aspecto (RCS) e, em seguida, após ser revestido com o material absorvedor, ser novamente montado no mesmo suporte giratório, obedecendo o mesmo alinhamento utilizado na caracterização da placa metálica plana sem revestimento. Esta metodologia permite obter os valores de referência e de atenuação do material em teste, em diferentes ângulos de aspecto e em diferentes freqüências. De acordo com a Figura 2(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 2395

3 microondas tipo piramidal, para recobrimento da câmara anecóica; c) antenas tipo corneta piramidal; d) cabos coaxiais de baixas perdas e e) gerador de microondas sintetizado. Externamente à câmara ficavam os controladores dos posicionadores de transmissão/recepção, analisador de espectro, computador PC para a aquisição de dados, via interface GPIB. Para se determinar o RCS (σ), considera-se a potência transmitida/recebida da antena/alvo, levando-se em conta o espaço livre, distância (R) e a equação: Pr = G 2 λ 2 σ Pt onde: (4 π) 3 R 4 P r = Potência recebida P t = Potência transmitida G = Ganho da antena λ = comprimento onda σ = Seção Reta Radar R = distância alvo-antena O arco NRL consiste de uma estrutura obrigatoriamente de madeira, que permite fixar um par de antenas em uma variedade de ângulos. A antena do tipo corneta, pode ser deslocada ao longo desse arco. A estrutura do arco é projetada de modo a manter a corneta apontada para o centro do corpo-de-prova em teste, não importando onde a armação é posicionada. O transmissor e o receptor podem ficar próximos, contanto que seja colocado um material absorvedor entre eles, de modo a reduzir as interferências das cornetas transmissora e receptora entre si, devido aos lóbulos laterais de emissão. O material em teste é colocado no centro geométrico do arco, conforme a Figura 3. (b) Figura 3. Esquema da interligação entre o gerador de sinais, analisador de espectro, computador, cabos e o arco NRL e (b) arco NRL d a Divisão de Materiais/IAE/CTA. Os equipamentos utilizados nas medidas do RCS e arco NRL, foram: 1) câmara anecóica, especificada para 2-18 GHz, 2) arco NRL de madeira compensada, 3) fonte RF modelo HP 83630B e HP 8341B (Hewlett Packard), 4) analisador espectral modelo HP 8593E, 5) computador PC com interface GPIB, 6) adaptadores e cabos coaxiais de baixas perdas da Huber-Suhner enterprise, modelo Sucoform SM-141-PE (50Ω), 7) antenas 8-12 GHz, 8) sistema de controle de giro da torre de fixação do alvo e a antena transmissora/receptora Scientific Atlanta, 9) placas planas de alumínio 30 cm x 20 cm. O material absorvedor utilizado consistiu de uma manta de silicone, com 30 cm x 20 cm, e 2 mm de espessura, aditada com partículas de ferrita de níquel-zinco e negro de fumo, preparada de acordo com [8] na Divisão de Materiais/IAE/CTA. RESULTADOS E DISCUSSÃO Após integrado o sistema de medidas proposto, de acordo com o esquema mostrado na Figura 3, foi feita uma rigorosa calibração do conjunto experimental. Para isto, foram utilizados alvos com figuras de RCS bem conhecidas como: 1) lente de Luneberg, que consiste de uma esfera não metálica com camadas de diferentes valores de constante dielétrica com 30 cm de diâmetro, com RCS de 45 m 2, 2) placa plana de alumínio de 30 cm x 20 cm, 3) diedros retos de alumínio, 4) triedros também de alumínio, 5) esfera condutora metálica. Os gráficos da Figura 4 relacionam os diagramas de RCS medidos, característicos de uma placa plana de alumínio de referência (30 cm x 20 cm), em dbm (Figura 4-a) e m 2 (Figura 4-b), realizada em 10 GHz, com giro de 180º no plano horizontal. O método de conversão do diagrama de RCS em dbm para m 2, bem como db em %, já foi descrito em trabalhos anteriores [2]. Pode-se observar pela Figura 4-a um pico máximo em 0 o (-32,3 dbm) 2396

4 correspondendo a 50,2 m 2 (Figura 4-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 (Figura 4-a) apresenta uma queda acentuada do sinal em ângulos próximos de 0 o, e em ângulos superiores, em aproximadamente 5 o, a intensidade do sinal está abaixo de 50,0 db. A queda abrupta do sinal em ângulos superiores/inferiores a 0 o se deve, fundamentalmente, à geometria do corpo-de-prova utilizado com 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]. Intensidade (dbm) Seção Reta Radar (m 2 ) (b) Figura. 4. Diagrama RCS da placa de alumínio (30 cm x 20 cm) a 10 GHz, em dbm e(b) m 2. Para avaliar quantitativamente a absorção de energia da onda eletromagnética da manta de silicone flexível produzida na Divisão de Materiais (30 cm x 20 cm), a mesma foi utilizada para recobrir a placa de alumínio caracterizada anteriormente (Figura 4), ou seja, uma placa com dimensões de 30 cm x 20 cm. Assim, foi medido o diagrama RCS do sistema placa de alumínio / manta de silicone flexível. Os gráficos da Figura 5 relacionam o diagrama RCS da manta de silicone, em dbm (Figura 5-a) e m 2 (Figura 5-b), obtidos a 10 GHz. Pode-se observar pelo gráfico da Figura 5-a (manta + placa alumínio) que o pico principal em 0 º graus é atenuado em 20 db em relação ao gráfico da Figura 4-a (placa de alumínio), o que corresponde a 99,0 % de atenuação do sinal. A envoltória do diagrama RCS em dbm também sofre alteração, mas em menor intensidade em relação à atenuação observada no pico principal, mostrando que o material absorvedor é mais efetivo com a incidência do sinal de microondas em ângulos próximos à normal. O gráfico da Figura 5-b relaciona o diagrama RCS convertido em m 2, com valor no ângulo de 0 º igual a 0,49 m 2, e a Figura 5-b um valor igual a 50,2 m 2. Esta redução em termos de área é proporcional a 20 db, ou seja, cada incremento de 3,0 db é eqüivalente a uma redução de 50 %. A placa de alumínio recoberta com a manta flexível de silicone foi medida com uma varredura do sinal de 8-12 GHz, no setup de RCS, com a placa precisamente posicionada no sistema de medidas a fim de garantir a incidência normal do sinal de microondas. Este posicionamento é crítico, pois um desvio de posicionamento de 2 º entre uma placa plana e o sistema transmissor/receptor, é capaz de gerar uma queda do sinal em torno de 2,0 db. A Figura 6-a relaciona a medida realizada com varredura de 8-12 GHz na placa de alumínio recoberta com a manta flexível, com incidência normal de microondas. A medida foi normalizada, isto é, a reta em preto representa a medida da placa de alumínio, e a curva em azul a medida da placa recoberta com a manta flexível, relacionada com a absorção real da manta flexível. Pode-se observar pela Figura 6-a que a manta flexível possui um comportamento eletromagnético ressonante concentrado na banda X (8-12 GHz), com absorção máxima em 10,2 GHz (27 db = 99,8%). A Figura 6-b relaciona a medida realizada no arco NRL para avaliação do ângulo de incidência do sinal na absorção de microondas. As medidas foram realizadas nos ângulos de 15 º, 30 º, 45 º, 60 º e 2397

5 75 º entre as antenas transmissora e receptora, de acordo com o esquema da Figura 3-a. A curva de absorção a 0 º foi medida no setup RCS (Figura 6-a). Intensidade (dbm) Seção Reta Radar (m 2 ) Intensidade (db) Figura 5. Diagrama RCS da placa de alumínio recoberta com a manta flexível de silicone (30 cm x 20 cm) a 10 GHz, em dbm e(b) m 2. (b) (b) Freqüência (GHz) Figura 6. Medida de 8-12 GHz da placa de alumínio recoberta com a manta flexível de silicone (30 cm x 20 cm), com incidência normal do sinal de microondas em função da freqüência, antenas Tx e Rx em paralelo medido no setup RCS e (b) ângulo de incidência do sinal de microondas (ângulo entre Tx e Rx) em função da freqüência medido no setup arco NRL. Na parte superior do gráfico da Figura 6-b está representada uma projeção em cores das curvas de nível, relacionada com o nível de absorção do material, em função do ângulo de incidência. À direita do gráfico, a escala de cores que relaciona os níveis de atenuação em db. Pelo gráfico da Figura 6-b pode-se observar a dependência do ângulo de incidência na curva de absorção do material. No ângulo igual a 15 º já se observa uma ligeira queda no nível de absorção do pico principal, em ângulos superiores a 30 º o nível de absorção diminui com mais intensidade, e em ângulos superiores a 60 º já não se observa mais atenuação do sinal de microondas. 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. O índice de refração de um material absorvedor é dependente das propriedades dielétricas e magnéticas dos aditivos. 2398

6 CONCLUSÕES As metodologias de caracterização eletromagnética apresentadas no presente trabalho, arco NRL e seção reta radar (RCS), permitem caracterizar um alvo em diversas situações do ângulo de incidência no material, como mostrado na Figura 1, visando adquirir conhecimentos no fenômeno de espalhamento de radiação. Esta caracterização é importante para as aplicações práticas dos materiais absorvedores, pois permite 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 desvantagem principal o custo dos equipamentos e infra-estrutura adequada. Além disso, não há no momento uma metodologia padronizada para caracterização de materiais absorvedores e alvos. Como pode ser visualizado nos gráficos das Figuras 4, 5 e 6, o desempenho em termos de absorção de microondas da manta de borracha de silicone produzida na Divisão de Materiais, é dependente do ângulo de incidência do sinal. Esta dependência está diretamente relacionada com o índice de refração do material absorvedor. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Miacci, M.A.S, Tese Mestrado ITA/CTA, março (2002). [2] Rezende, M. C.;Miacci, M.A, Nohara, E. L., Martin, I. M, Radar Cross Section Measurements (8-12 GHz) of Flat Plates Paited with Microwave Absorbing Materials, Proceedings SBMO/IEEE MIT-S IMOC (2001). [3] Miacci, M.A.S, C.R. Mirabel, et al., Radar Cross Section Measurements (8-12 GHz) of Magnetic and Dielectric Microwave Absorbing Thin Sheets, Revista de Física Aplicada e Instrumentação, Brasil, (2002). In press. [4] Mikhailovsky, L. K., Radioabsorbing Currentless (spin) Media, Materials and Coatings, Proceedings XV International Conference on Microwave Ferrites, Rokosowo, Polônia (2000). [5] Rezende, M. C.;Miacci, M.A et al., Efeito da Polarização de Antenas nas medidas de refletividade de microondas pelo método do arco NRL, Revista de Física Aplicada e Instrumentação, 14 (1999) [6] Knott, E.F., J. F. Schaeffer and M. T. Tuley, Radar Cross Section 2 a edição, Artech House Inc., USA, (1993). [7] Ruck, G. T., Barrick, Donald E., Stuart, Willian D., Krichbaum and Clarence K., Radar Cross Section Handbook vol 1, Plenum Press, New York (1970). [8] 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 Mirabel et al. IAE/AMR/CTA, INPI (1998). PI AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio do Centro TécnicoAeroespacial/Comando da Aeronáutica, FAPESP (Proc. N. 98/ ), CNPq (Proc. N /96 Proc. N /87-2) e CAPES. 2399

7 COMPARATION OF REFLECTIVITY MEASUREMENTS TECHNIQUES RCS AND NRL ARCH IN THE MICROWAVE ABSORBERS AVALIATION M.A.S. Miacci 1, E.L. Nohara 1, I.M. Martin 2, M.C. Rezende 2, Praça Marechal-do-Ar Eduardo Gomes, 50, Vila das Acácias, São José dos Campos/SP, CEP: E- mail: 1 Depto. de Eng. Aeronáutica e Mecânica / Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) 2- Divisão de Materiais / Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE) / Centro Técnico Aeroespacial (CTA) ABSTRACT The reflectivity measurements by using RCS and NRL arch techniques aim to collect electromagnetic radiation scattering data of targets in a specific frequency range, to know wave/matter interaction, to build a data set and to reach components and materials specification. Although the importance of these measurements in the characterization of radar absorbing materials (RAM) and targets their uses are limited due to the lack of standard normalization, high cost and the difficult in the interpretation of the measurements. This work aims to establish a simple and reliable methodology to determine the RCS of flat plates recovered with RAM filled with NiZn and carbon black in the frequency range of 8-12 GHz. The results were compared to those obtained by NRL arch showing the advantages and disadvantages of each technique in the RAM characterization. Keywords: Radar absorbing materials, Microwave, NRL arch, RCS 2400