Publication:
Design of a compact dual-band radiometer system for an unmanned aircraft system platform

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Authors
Wah González, Carlos Roberto
Embargoed Until
Advisor
Rodríguez Solís, Rafael A.
College
College of Engineering
Department
Department of Electrical and Computer Engineering
Degree Level
Ph.D.
Publisher
Date
2021-12-09
Abstract
Water is the most important resource of Earth, representing 71% of it. To understand this resource, variables like salinity and soil moisture content, prove to be useful to study its behave. Salinity content helps to understand the water cycle, ocean density, and exchange of water between the ocean and the atmosphere on the planet. Meanwhile, with soil moisture scientists understand the cycle of water in the land and the exchange with the ocean, and can help to predict flooding and severe droughts. A dual-band antenna, using L and Ka bands (1.413 and 31.5 GHz), was designed and validated to be used as an instrument to measure salinity content and soil moisture. These frequency bands were chosen since they are protected to make Earth research. L-band is a well-used frequency since radiometric are very sensitive to brightness temperature. One of the most important design aspects of this sensor is the antenna, which is designed to be compact, low size, and lightweight, to be mounted on a small Unmanned Aircraft Vehicle (UAV). It consists of a microstrip patch antenna designed to operate at 1.413 GHz.The gain and the front-to-back ratio of the microstrip antenna are 9 dB and 17 dB respectively, with an HPBW of 66 deg. The Ka-band antenna, embedded in the patch, consists of a Substrate Integrated Waveguide (SIW) slot array. This higher frequency band was chosen to correct the ocean salinity measurements, due to errors caused by winds, waves, and asymmetrical surfaces. For the slot array the gain, front-to-back ratio, and HPBW are 14 dB, 15 dB, and 8 deg. Both antennas were coaxially fed to obtain a 50 ohm input impedance. The impedance bandwidth is below -15 dB for both of the bands. A salinity change due to rainfall and brightness temperature codes are presented. The salinity code presents a scenario where the salinity ocean surface is below 33 psu, due to different rainfall rates. While the temperature extraction code is made with a tropical scenario where the physical temperature of the ocean is around 28o Celsius obtaining a voltage at the terminals of the antenna around 0.2 V. With this code, the salinity measurement can be also be extracted.

El agua es el recurso más importante de la Tierra, representando el 71 % del mismo. Para comprender este recurso, variables como la salinidad y el contenido de humedad del suelo, resultan útiles para estudiar su comportamiento. El contenido de salinidad ayuda a comprender el ciclo del agua, la densidad del océano y el intercambio de agua entre el océano y la atmósfera del planeta. Mientras tanto, con la humedad del suelo, los científicos comprenden el ciclo del agua en la tierra y el intercambio con el océano, y pueden ayudar a predecir inundaciones y sequías severas. Se diseñó y validó una antena de doble banda, que utiliza bandas L y Ka (1.413 y 31.5 GHz) para ser utilizada como instrumento para medir el contenido de salinidad y la humedad del suelo. Estas bandas de frecuencia fueron elegidas porque están protegidas para realizar investigaciones sobre la Tierra. La banda L es una frecuencia muy utilizada ya que los radiométricos son muy sensibles a la temperatura de brillo. Uno de los aspectos de diseño más importantes de este sensor es la antena, que está diseñada para ser compacta, de bajo tamaño y liviana, para ser montada en un pequeño vehículo aéreo no tripulado (UAV). Consiste en una antena de parche de microbanda diseñada para operar a 1.413 GHz. La ganancia y la relación de adelante hacia atrás de la antena de microbanda son 9 dB y 17 dB respectivamente, con un HPBW de 66 grados. La antena de banda Ka, incrustada en el parche, consta de una matriz de ranuras de guía de ondas integrada de sustrato (SIW). Esta banda de frecuencia más alta se eligió para corregir las mediciones de salinidad del océano, debido a errores causados por vientos, olas y superficies asimétricas. Para la matriz de ranuras, la ganancia, la relación de adelante hacia atrás y HPBW son 14 dB, 15 dB y 8 grados. Ambas antenas se alimentaron coaxialmente para obtener una impedancia de entrada de 50 ohmios. El ancho de banda de impedancia está por debajo de -15 dB para ambas bandas. Se presenta un cambio de salinidad debido a la lluvia y los códigos de temperatura de brillo. El código de salinidad presenta un escenario en el que la salinidad de la superficie del océano está por debajo de 33 psu, debido a diferentes tasas de lluvia. Mientras que el código de extracción de temperatura se realiza con un escenario tropical donde la temperatura física del océano es de alrededor de 28o Celsius obteniendo un voltaje en los terminales de la antena de alrededor de 0.2 V. Con este código, la medida de salinidad también se puede realizar extraído.
Keywords
Salinity Retrieval,
Slot array,
Microstrip patch antenna,
Brightness temperature,
Metallization thickness,
Compact dual-band radiometers
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Cite
Wah González, C. R. (2021). Design of a compact dual-band radiometer system for an unmanned aircraft system platform [Dissertation]. Retrieved from https://hdl.handle.net/20.500.11801/2858