Desenvolvimento de sensor de umidade de solo baseado em antena patch de microfita com capacitor interdigital

Campos, Antonio Luiz Pereira de Siqueira

Universidade Federal do Rio Grande do Norte

2025-05-13

Sensor de umidade do solo

Sensor planar de micro-ondas

Teor de umidade do solo

Antena de microfita

Capacitor interdigital

O conteúdo de água do solo e a disponibilidade de água são de fundamental importância para as atividades terrestres, especialmente àquelas que envolvem agricultura, silvicultura, hidrologia e engenharia. Por essa razão, diversos autores têm se dedicado a propor formas práticas e simples de obter essa informação utilizando as mais diversas técnicas de medição. Entre as técnicas existentes, as baseadas em propriedades dielétricas, como a refletometria no domínio do tempo (TDR) e da frequência (FDR) se destacam como as mais usadas em medições do teor de umidade do solo em campo. Contudo, o alto custo de aquisição de sensores desse tipo pode limitar seu uso em larga escala. Assim, sensores planares de micro-ondas têm ganhado bastante atenção dos pesquisadores como alternativa para o sensoriamento de umidade do solo em campo, pois, devido às suas características inerentes, como baixo custo de produção, facilidade de manuseio, leveza, tamanho reduzido e velocidade de medição, esses sensores se mostram bastante adequados para aplicações que requerem sensoriamento contínuo e em grandes quantidades in situ. Neste contexto, este trabalho apresenta o projeto de um sensor planar de microondas de baixo custo para monitoramento de umidade do solo, integrando um capacitor interdigitado (IDC) a uma antena de microfita de patch retangular. O dispositivo foi desenvolvido sobre o substrato dielétrico FR-4 (εr = 4,4 e tan(δ) = 0,02) e opera, quando descarregado, em 1,5 GHz. Para validação experimental, o sensor foi testado em amostras de solo do tipo Latossolo com umidade entre 0% e 14%, apresentando erro médio de 3,56%, sensibilidade de 1,10% e resolução em frequência de 15,17 MHz, parâmetros comparáveis aos reportados na literatura para sensores de mesma classe. Isso demonstra que o sensor proposto é viável para aplicações que demandam monitoramento contínuo e distribuído, como agricultura de precisão e gestão de recursos hídricos.

Soil water content and water availability are critically important for terrestrial activities, especially those involving agriculture, forestry, hydrology, and engineering. For this reason, many researchers have dedicated efforts to proposing practical and simple methods to obtain this information using diverse measurement techniques. Among existing techniques, those based on dielectric properties, such as time-domain reflectometry (TDR) and frequency-domain reflectometry (FDR), stand out as the most widely used for in situ soil moisture measurements. However, the high cost of such sensors limits their large-scale use. Thus, planar microwave sensors have gained significant attention as an alternative for soil moisture sensing in the field, due to their inherent characteristics, such as low production cost, ease of handling, lightweight design, compact size, and fast measurement speed, making them highly suitable for applications requiring continuous and distributed sensing in situ. In this context, this work presents the design of a low-cost planar microwave sensor for soil moisture monitoring, integrating an interdigital capacitor (IDC) with a rectangular microstrip patch antenna. The device was developed using an FR-4 dielectric substrate (εr = 4.4 and tan(δ) = 0.02) and operates at 1.5 GHz when unloaded. For experimental validation, the sensor was tested on Oxisol soil samples with moisture levels ranging from 0% to 14%, demonstrating a mean error of 3.56%, sensitivity of 1.10%, and frequency resolution of 15.17 MHz, parameters comparable to those reported in the literature for sensors of the same class. This shows that the proposed sensor is viable for applications requiring continuous and distributed monitoring, such as precision agriculture and water resource management.