Ingeniería de radar

Una matriz de barrido electrónico (ESA), o matriz de fase , ofrece ventajas sobre las antenas de barrido mecánico, como el barrido instantáneo del haz, la disponibilidad de múltiples haces ágiles simultáneos y modos de radar que operan simultáneamente. Los parámetros de rendimiento de una ESA son el ancho de banda , la potencia radiada isotrópica efectiva (PIRE) y el cociente G _R /T, el campo de visión. La PIRE es el producto de la ganancia de transmisión, G _T , y la potencia de transmisión, P _T. G _R /T es el cociente de la ganancia de recepción y la temperatura de ruido de la antena. Una PIRE y un G _R /T elevados son requisitos previos para la detección de largo alcance. Las opciones de diseño son:

• Activas frente a pasivas : En una matriz de barrido electrónico activo (AESA), cada antena está conectada a un módulo de transmisión/recepción (T/R) con amplificación de potencia de estado sólido (SSPA). Una AESA ofrece amplificación de potencia distribuida, alto rendimiento y fiabilidad, pero es costosa. En una matriz de barrido electrónico pasivo (PESA) , la matriz está conectada a un único módulo T/R con dispositivos electrónicos de vacío (VED). Una PESA ofrece amplificación de potencia centralizada y ahorro de costes, pero requiere desfasadores de baja pérdida.
• Apertura : La apertura de la antena de un sensor de radar puede ser real o sintética. Los sensores de radar de haz real permiten la detección de objetivos en tiempo real. El radar de apertura sintética (SAR) permite una resolución angular superior al ancho de haz real al desplazar la apertura sobre el objetivo y sumar los ecos de forma coherente.
• Arquitectura : El campo de visión se escanea con haces ortogonales en frecuencia altamente directivos (guía de ondas ranurada), ortogonales espacialmente (redes de formación de haces conmutadas) u ortogonales en el tiempo. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} En caso de escaneo ortogonal en el tiempo, el haz de un ESA se escanea preferiblemente aplicando un retardo de tiempo progresivo,${\displaystyle \Delta \tau }$, constante en frecuencia, en lugar de aplicar un cambio de fase progresivo, constante en frecuencia. El uso de desplazadores de fase de retardo de tiempo real (TTD) evita el desvío del haz con la frecuencia. El ángulo de escaneo,${\displaystyle \theta }$, se expresa como una función de la progresión del cambio de fase,${\displaystyle \beta }$, que es una función de la frecuencia y del retardo de tiempo progresivo,${\displaystyle \Delta \tau }$, que es invariante con la frecuencia:

${\displaystyle k\,d\,\cos {\theta }=\beta \left(f\right)=2\,\pi \,{\frac {c}{\lambda _{0}}}\,\Delta \tau }$

${\displaystyle \theta =\arccos {\left({\frac {c}{d}}\,\Delta \tau \right)}}$

Tenga en cuenta que${\displaystyle \theta }$no es una función de la frecuencia. Un desplazamiento de fase constante en función de la frecuencia también tiene aplicaciones importantes, aunque en la síntesis de patrones de banda ancha. Por ejemplo, la generación de monopulsos de banda ancha${\displaystyle \Sigma /\Delta }$Los patrones de recepción dependen de una red de alimentación que combina dos submatrices mediante un acoplador híbrido de banda ancha .

• Formación de haces : El haz se forma en el dominio digital (formación digital de haces (DBF)), de frecuencia intermedia (FI), óptico o de radiofrecuencia (RF).
• Construcción : Una matriz de barrido electrónico puede ser de tipo ladrillo, varilla, baldosa o bandeja. La construcción de tipo ladrillo o bandeja se refiere a la integración de los circuitos de RF perpendiculares al plano de la matriz. La construcción de tipo baldosa se refiere a la integración de los circuitos de RF en sustratos paralelos al plano de la matriz. La construcción de tipo varilla se refiere a la conexión de los circuitos de RF a una matriz lineal en el plano de la matriz.
• Red de alimentación : La red de alimentación es restringida (corporativa, en serie) o alimentada desde el espacio.
• Cuadrícula : La cuadrícula es periódica (rectangular, triangular) o aperiódica (adelgazada).
• Polarización (antena) : La polarización de los sensores de radar terrestres es vertical para reducir la propagación multitrayecto ( ángulo de Brewster ). Los sensores de radar también pueden ser polarimétricos para aplicaciones en cualquier condición meteorológica.

El alcance y la velocidad de un objetivo se detectan mediante la medición de distancia por retardo de pulso y el efecto Doppler ( pulso-Doppler ), o mediante la medición de distancia por modulación de frecuencia (FM) y la diferenciación de alcance. La resolución de alcance está limitada por el ancho de banda de la señal instantánea del sensor de radar tanto en radares de pulso-Doppler como en radares de onda continua modulada en frecuencia ( FMCW ). Los sensores de radar monoestáticos monopulso- Doppler ofrecen ventajas sobre los radares FMCW, tales como:

• Semidúplex : Los sensores de radar de pulso-Doppler son semidúplex, mientras que los sensores de radar FMCW son dúplex completo. Por lo tanto, el pulso-Doppler proporciona un mayor aislamiento entre el transmisor y el receptor, lo que aumenta considerablemente el rango dinámico (DR) del receptor y la detección de alcance. Además, una antena o un conjunto de antenas puede compartirse en el tiempo entre el transmisor y el receptor del módulo T/R, mientras que los radares FMCW requieren dos antenas o conjuntos de antenas, uno para transmitir y otro para recibir. Una desventaja del funcionamiento semidúplex es la existencia de una zona ciega en las inmediaciones del sensor de radar. Por consiguiente, los sensores de radar de pulso-Doppler son más adecuados para la detección de largo alcance, mientras que los sensores de radar FMCW son más adecuados para la detección de corto alcance.
• Monopulso : Una red de alimentación monopulso , como se muestra en la Fig. 2, aumenta la precisión angular a una fracción del ancho del haz al comparar ecos que se originan a partir de un único pulso radiado y que se reciben en dos o más haces concurrentes y espacialmente ortogonales.
• Compresión de pulsos : La compresión de pulsos desvincula el ancho de pulso del ancho de banda instantáneo de la señal, que normalmente están inversamente relacionados. El ancho de pulso está relacionado con el tiempo de impacto en el objetivo, la relación señal-ruido (SNR) y el alcance máximo. El ancho de banda instantáneo de la señal está relacionado con la resolución de alcance.
• Procesamiento Doppler pulsado : Los ecos originados por una ráfaga radiada se transforman al dominio espectral mediante una transformada discreta de Fourier (DFT). En el dominio espectral, se puede eliminar el ruido estacionario debido a que presenta un desplazamiento de frecuencia Doppler diferente al del objetivo en movimiento. El alcance y la velocidad de un objetivo se pueden estimar con una relación señal/ruido (SNR) mejorada gracias a la integración coherente de los ecos. ^{[ 7 ]}

Los radares biestáticos cuentan con un transmisor y un receptor separados espacialmente. En este caso, el sensor de la antena transmisora ​​informa al sistema sobre la posición angular del haz de exploración, mientras que los sensores de detección de energía se encuentran en la otra antena. La sincronización temporal es crucial para interpretar los datos, ya que la antena receptora permanece fija.

Los radares monoestáticos cuentan con un transmisor y un receptor ubicados espacialmente en el mismo lugar. En este caso, la emisión debe aislarse de los sensores de recepción, ya que la energía emitida es mucho mayor que la reflejada.