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matriz de escaneo electrónico activo

El avión de combate Eurofighter Typhoon con su carenado delantero retirado, dejando al descubierto su antena de radar Euroradar CAPTOR AESA. Una matriz de barrido electrónico ac...

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El avión de combate Eurofighter Typhoon con su carenado delantero retirado, dejando al descubierto su antena de radar Euroradar CAPTOR AESA.

Una matriz de barrido electrónico activo ( AESA ) es un tipo de antena de matriz en fase , que es una matriz de antenas controlada por computadora en la que el haz de ondas de radio puede dirigirse electrónicamente para apuntar en diferentes direcciones sin mover la antena. [ 1 ] En la AESA, cada elemento de antena está conectado a un pequeño módulo transmisor/receptor de estado sólido (TRM) bajo el control de una computadora, que realiza las funciones de transmisor y/o receptor para la antena. Esto contrasta con una matriz de barrido electrónico pasivo (PESA), en la que todos los elementos de antena están conectados a un único transmisor y/o receptor a través de desplazadores de fase bajo el control de la computadora. El uso principal de la AESA es en radares , conocidos como radares de matriz en fase activa (APAR).

El AESA es una versión más avanzada y sofisticada de segunda generación de la tecnología de antenas de fase PESA original. Las PESA solo pueden emitir un único haz de ondas de radio a una sola frecuencia a la vez. Si se requieren múltiples haces, la PESA debe utilizar una matriz Butler . El AESA puede irradiar múltiples haces de ondas de radio a múltiples frecuencias simultáneamente. Los radares AESA pueden distribuir sus emisiones de señal en un rango de frecuencias más amplio, lo que dificulta su detección por encima del ruido de fondo , permitiendo que barcos y aeronaves irradien potentes señales de radar sin dejar de ser sigilosos, además de ser más resistentes a las interferencias. También existen sistemas híbridos de AESA y PESA que consisten en subconjuntos que se asemejan individualmente a las PESA, donde cada subconjunto tiene su propio front-end de RF . Mediante un enfoque híbrido, se pueden obtener las ventajas del AESA (por ejemplo, múltiples haces independientes) a un menor coste en comparación con el AESA puro.

Los primeros radares AESA terrestres, navales y aerotransportados entraron en funcionamiento a mediados de la década de 1990. [ 2 ] [ 3 ]

Historia

Boceto conceptual de ZMAR, 1962
Vista aérea de las tres cúpulas del prototipo del radar de matriz multifunción, rodeadas por una valla de contención , en el Campo de Pruebas de Misiles de White Sands, Nuevo México.
Boceto del radar antimisiles FLAT TWIN

Bell Labs propuso reemplazar los radares Nike Zeus con un sistema de antenas de fase en 1960, y recibió la aprobación para su desarrollo en junio de 1961. El resultado fue el radar de matriz multifunción Zeus (ZMAR), un ejemplo temprano de un sistema de radar de matriz activa de dirección electrónica. [ 4 ] El ZMAR pasó a llamarse MAR cuando el programa Zeus finalizó en favor del sistema Nike-X en 1963. El MAR (radar de matriz multifunción) estaba compuesto por un gran número de pequeñas antenas, cada una conectada a un transmisor o receptor independiente controlado por computadora. Mediante una variedad de pasos de formación de haces y procesamiento de señales , un solo MAR era capaz de realizar detección a larga distancia, generación de trayectorias, discriminación de ojivas de señuelos y seguimiento de misiles interceptores salientes. [ 5 ]

El MAR permitía controlar toda la batalla en un amplio espacio desde un único emplazamiento. Cada MAR, junto con su centro de batalla asociado, procesaba las trayectorias de cientos de objetivos. El sistema seleccionaba la batería más adecuada para cada uno y le asignaba objetivos específicos para atacar. Normalmente, una batería estaba asociada al MAR, mientras que las demás se distribuían a su alrededor. Las baterías remotas estaban equipadas con un radar mucho más sencillo cuyo objetivo principal era rastrear los misiles Sprint salientes antes de que fueran visibles para el MAR, que podía estar a cierta distancia. Estos radares de emplazamiento de misiles (MSR) más pequeños realizaban un escaneo pasivo, formando un único haz en lugar de los múltiples haces del MAR. [ 5 ]

Aunque MAR tuvo éxito en última instancia, el costo del sistema fue enorme. Cuando el problema de la ABM se volvió tan complejo que incluso un sistema como MAR ya no podía hacer frente a escenarios de ataque realistas, el concepto Nike-X se abandonó en favor de conceptos mucho más simples como el programa Sentinel , que no utilizaba MAR. Un segundo ejemplo, MAR-II, se abandonó in situ en el atolón de Kwajalein . [ 6 ]

El primer radar antimisiles soviético, el 5N65 , se desarrolló entre 1963 y 1965 como parte del sistema antimisiles S-225. Tras algunas modificaciones en el concepto del sistema en 1967, se construyó en el campo de pruebas de Sary Shagan entre 1970 y 1971, y en Occidente se le apodó Flat Twin. Cuatro años después, se construyó otro radar de este diseño en el campo de pruebas de Kura , mientras que el sistema S-225 nunca llegó a entrar en servicio.

Entre los fabricantes estadounidenses de radares AESA utilizados en el F-22 y el Super Hornet se encuentran Northrop Grumman [ 7 ] y Raytheon [ 8 ] . Estas empresas también diseñan, desarrollan y fabrican los módulos de transmisión/recepción que constituyen los componentes básicos de un radar AESA. La tecnología electrónica necesaria se desarrolló internamente mediante programas de investigación del Departamento de Defensa, como el Programa MMIC [ 9 ] [ 10 ] . En 2016, el Congreso financió un concurso de la industria militar para producir nuevos radares para dos docenas de aviones de combate de la Guardia Nacional [ 11 ] .

Concepto básico

Esquema básico de AESA

Los sistemas de radar generalmente funcionan conectando una antena a un potente transmisor de radio para emitir un pulso corto de señal. Luego se desconecta el transmisor y la antena se conecta a un receptor sensible que amplifica los ecos de los objetos objetivo. Midiendo el tiempo que tarda la señal en regresar, el receptor de radar puede determinar la distancia al objeto. El receptor envía la señal resultante a una pantalla . Los elementos transmisores solían ser tubos klistrones o magnetrones , adecuados para amplificar o generar un rango estrecho de frecuencias a altos niveles de potencia. Para escanear una porción del cielo, la antena de radar debe moverse físicamente para apuntar en diferentes direcciones.

A partir de la década de 1960 , se introdujeron nuevos dispositivos de estado sólido capaces de retrasar la señal del transmisor de forma controlada. Esto dio lugar al primer radar de matriz de barrido electrónico pasivo (PESA) a gran escala, o simplemente radar de matriz de fase. Los PESA tomaban una señal de una única fuente, la dividían en cientos de trayectorias, retrasaban selectivamente algunas de ellas y las enviaban a antenas individuales. Las señales de radio de las antenas se superponían en el espacio, y los patrones de interferencia entre las señales individuales se controlaban para reforzar la señal en ciertas direcciones y atenuarla en todas las demás. Los retrasos podían controlarse fácilmente de forma electrónica, lo que permitía orientar el haz con gran rapidez sin mover la antena. Un PESA puede escanear un volumen de espacio mucho más rápido que un sistema mecánico tradicional. Además, gracias a los avances en electrónica, los PESA incorporaron la capacidad de producir varios haces activos, lo que les permitía seguir escaneando el cielo mientras, al mismo tiempo, enfocaban haces más pequeños en ciertos objetivos para el seguimiento o la guía de misiles guiados por radar semiactivo . En la década de 1960, los sensores PESA se generalizaron rápidamente en barcos y grandes emplazamientos fijos, seguidos por los sensores aerotransportados a medida que la electrónica se reducía de tamaño.

Las AESA son el resultado de avances en la electrónica de estado sólido. En los sistemas anteriores, la señal transmitida se generaba en un klistrón, un tubo de onda progresiva o un dispositivo similar, que eran relativamente grandes. La electrónica del receptor también era grande debido a las altas frecuencias con las que operaba. La introducción de la microelectrónica de arseniuro de galio durante la década de 1980 permitió reducir considerablemente el tamaño de los elementos del receptor hasta que se pudieron construir componentes eficaces de un tamaño similar al de las radios portátiles, de tan solo unos centímetros cúbicos. La introducción de los JFET y los MESFET tuvo el mismo efecto en el transmisor. Esto dio lugar a transmisores-amplificadores con un generador de forma de onda de estado sólido de baja potencia que alimentaba un amplificador, lo que permitió que cualquier radar equipado con ellos transmitiera en un rango de frecuencias mucho más amplio, hasta el punto de cambiar la frecuencia de operación con cada pulso emitido. Al reducir todo el conjunto (el transmisor, el receptor y la antena) a un único "módulo transmisor-receptor" (TRM) del tamaño aproximado de un cartón de leche y disponer estos elementos, se obtiene una antena AESA.

La principal ventaja de una AESA sobre una PESA radica en la capacidad de sus distintos módulos para operar en diferentes frecuencias. A diferencia de la PESA, donde la señal se genera en frecuencias únicas mediante un pequeño número de transmisores, en la AESA cada módulo genera y emite su propia señal independiente. Esto permite a la AESA producir numerosos "subhaces" simultáneos que puede reconocer gracias a sus diferentes frecuencias, y rastrear activamente un número mucho mayor de objetivos. Las AESA también pueden producir haces compuestos por varias frecuencias a la vez, utilizando el procesamiento posterior de la señal combinada de varios TRM para recrear una imagen como si se estuviera enviando un único haz potente. Sin embargo, esto implica que el ruido presente en cada frecuencia también se recibe y se suma.

Ventajas

Las antenas AESA añaden muchas capacidades propias a las de las PESA. Entre ellas se encuentran: la capacidad de formar múltiples haces simultáneamente, el uso simultáneo de grupos de módulos TRM para diferentes funciones, como la detección de radar, y, lo que es más importante, sus múltiples haces simultáneos y frecuencias de escaneo crean dificultades para los detectores de radar tradicionales de tipo correlación.

Baja probabilidad de interceptación

Los sistemas de radar funcionan emitiendo una señal y captando su eco en objetos distantes. Cada una de estas trayectorias, hacia y desde el objetivo, está sujeta a la ley del cuadrado inverso de la propagación, tanto para la señal transmitida como para la reflejada. Esto significa que la energía recibida por un radar disminuye con la cuarta potencia de la distancia, razón por la cual los sistemas de radar requieren alta potencia, a menudo del orden de los megavatios, para ser efectivos a larga distancia.

La señal de radar emitida es una simple señal de radio, que puede recibirse con un receptor de radio convencional . Los aviones y buques militares cuentan con receptores defensivos, denominados " receptores de alerta de radar " (RWR), que detectan la presencia del haz de radar enemigo, revelando así su posición. A diferencia del radar, que debe emitir el pulso y recibir su reflejo, el receptor del objetivo no necesita la reflexión, por lo que la señal se atenúa con el cuadrado de la distancia. Esto significa que el receptor siempre tiene ventaja sobre el radar en cuanto a alcance (sin tener en cuenta la diferencia de tamaño de la antena): siempre podrá detectar la señal mucho antes de que el radar perciba el eco del objetivo. Dado que la posición del radar es información extremadamente útil en un ataque contra dicha plataforma, los radares generalmente deben apagarse durante largos periodos si son atacados; esto es común en los buques, por ejemplo.

A diferencia del radar, que sabe en qué dirección envía su señal, el receptor simplemente recibe un pulso de energía y debe interpretarlo. Dado que el espectro radioeléctrico está lleno de ruido, la señal del receptor se integra durante un breve período de tiempo, lo que hace que las fuentes periódicas como un radar se sumen y destaquen sobre el fondo aleatorio. La dirección aproximada se puede calcular utilizando una antena giratoria o una matriz pasiva similar mediante la comparación de fase o amplitud . Normalmente, los receptores de alerta de radar (RWR) almacenan los pulsos detectados durante un breve período de tiempo y comparan su frecuencia de transmisión y frecuencia de repetición de pulsos con una base de datos de radares conocidos. La dirección de la fuente se combina normalmente con simbología que indica el propósito probable del radar: alerta temprana y control aerotransportado , misil tierra-aire , etc.

Esta técnica es mucho menos útil contra un radar con un transmisor de frecuencia ágil (estado sólido). Dado que el AESA (o PESA) puede cambiar su frecuencia con cada pulso (excepto cuando usa filtrado Doppler), y generalmente lo hace usando una secuencia aleatoria, la integración en el tiempo no ayuda a extraer la señal del ruido de fondo. Además, un radar puede estar diseñado para extender la duración del pulso y disminuir su potencia pico. Un AESA o un PESA moderno a menudo tendrán la capacidad de alterar estos parámetros durante el funcionamiento. Esto no afecta la energía total reflejada por el objetivo, pero hace que la detección del pulso por un sistema RWR sea menos probable. [ 12 ] El AESA tampoco tiene ningún tipo de frecuencia de repetición de pulso fija, que también puede variar y así ocultar cualquier brillo periódico en todo el espectro. Los RWR de generaciones anteriores son esencialmente inútiles contra los radares AESA, razón por la cual los AESA también se conocen como radares de baja probabilidad de interceptación . Los RWR modernos deben ser altamente sensibles (ángulos y anchos de banda pequeños para antenas individuales, baja pérdida de transmisión y ruido) [ 12 ] y agregar pulsos sucesivos a través de procesamiento tiempo-frecuencia para lograr tasas de detección útiles. [ 13 ]

Alta resistencia a las interferencias

La interferencia contra un radar AESA es igualmente mucho más difícil. Tradicionalmente, los inhibidores han operado determinando la frecuencia de operación del radar y luego transmitiendo una señal en ella para confundir al receptor sobre cuál es el pulso "real" y cuál es el del inhibidor. Esta técnica funciona siempre que el sistema de radar no pueda cambiar fácilmente su frecuencia de operación. Cuando los transmisores se basaban en tubos klistrones, esto era generalmente cierto, y los radares, especialmente los aerotransportados, solo tenían unas pocas frecuencias para elegir. Un inhibidor podía escuchar esas frecuencias posibles y seleccionar la que usaría para interferir.

La mayoría de los radares que utilizan electrónica moderna son capaces de cambiar su frecuencia de operación con cada pulso. Esto puede reducir la eficacia de las interferencias; si bien es posible emitir ruido blanco de banda ancha para realizar interferencias en todas las frecuencias posibles, esto disminuye la cantidad de energía del inhibidor en cada frecuencia. Un radar AESA tiene la capacidad adicional de emitir un único pulso de amplio espectro, denominado chirp , que es más difícil de interferir.

Los radares AESA también pueden configurarse para funcionar solo en modo de recepción y utilizar estas potentes señales de interferencia para rastrear su origen, algo que requería un receptor independiente en plataformas anteriores. Al integrar las señales recibidas del radar del objetivo con una menor tasa de datos de sus propias emisiones, un sistema de detección con un RWR preciso, como un AESA, puede generar más datos con menos energía. Algunos sistemas con capacidad de formación de haces de recepción, generalmente terrestres, incluso pueden prescindir por completo de un transmisor.

Sin embargo, el uso de una sola antena receptora solo proporciona una dirección. Para obtener la distancia y el vector objetivo se requieren al menos dos dispositivos pasivos físicamente separados para la triangulación , lo que permite determinaciones instantáneas, a menos que se utilice interferometría de fase . El análisis del movimiento del objetivo puede estimar estas cantidades incorporando múltiples mediciones direccionales a lo largo del tiempo, junto con el conocimiento de la posición del receptor y las restricciones sobre el posible movimiento del objetivo.

Otras ventajas

Dado que cada elemento de una antena AESA es un potente receptor de radio, las antenas activas desempeñan diversas funciones además del radar tradicional. Una de ellas consiste en dedicar varios elementos a la recepción de señales de radar comunes, eliminando la necesidad de un receptor de alerta de radar independiente. El mismo concepto básico puede utilizarse para proporcionar soporte de radio tradicional y, con algunos elementos también transmitiendo, formar un enlace de datos de muy alto ancho de banda . El F-35 utiliza este mecanismo para enviar datos de sensores entre aeronaves con el fin de proporcionar una imagen sintética de mayor resolución y alcance que la que podría generar cualquier radar individual. En 2007, las pruebas realizadas por Northrop Grumman , Lockheed Martin y L-3 Communications permitieron que el sistema AESA de un Raptor funcionara como un punto de acceso Wi-Fi , capaz de transmitir datos a 548 megabits por segundo y recibirlos a velocidad gigabit; esto es mucho más rápido que el sistema Link 16 utilizado por las aeronaves estadounidenses y aliadas, que transfiere datos a poco más de 1 Mbit/s. [ 14 ] Para lograr estas altas tasas de datos se requiere una antena altamente direccional que proporciona AESA, pero que impide la recepción por otras unidades que no estén dentro del ancho del haz de la antena, mientras que, como la mayoría de los diseños Wi-Fi, Link-16 transmite su señal de forma omnidireccional para garantizar que todas las unidades dentro del alcance puedan recibir los datos. 

Las antenas AESA son mucho más fiables que las PESA o los diseños más antiguos. Dado que cada módulo funciona de forma independiente, los fallos individuales tienen poco impacto en el funcionamiento del sistema en su conjunto. Además, cada módulo consume poca energía, entre 40 y 60 vatios, por lo que se elimina la necesidad de una fuente de alimentación de alto voltaje.

Reemplazar una matriz de escaneo mecánico con un montaje AESA fijo (como en el Boeing F/A-18E/F Super Hornet ) puede ayudar a reducir la sección transversal de radar (RCS) general de una aeronave , pero algunos diseños (como el Eurofighter Typhoon y el Gripen NG ) renuncian a esta ventaja para combinar el escaneo mecánico con el escaneo electrónico y proporcionar un ángulo de cobertura total más amplio. [ 15 ] [ 16 ] Este alto ángulo de puntería fuera del morro permite al caza equipado con AESA emplear una maniobra de cruce de la T , a menudo denominada "haz" en el contexto del combate aire-aire, contra un radar de escaneo mecánico que filtraría la baja velocidad de aproximación del vuelo perpendicular como eco terrestre mientras el AESA gira 40 grados hacia el objetivo para mantenerlo dentro del límite de ángulo fuera del AESA de 60 grados. [ 17 ]

Limitaciones

Con una distancia de media longitud de onda entre los elementos, el ángulo máximo del haz es aproximadamente±45{\displaystyle \pm 45}°. Con una distancia entre elementos más corta, el campo de visión (FOV) más alto para una antena de matriz de fase plana es actualmente de 120° (±60{\displaystyle \pm 60}°), [ 18 ] aunque esto se puede combinar con la dirección mecánica como se indicó anteriormente. [ 19 ] [ 20 ]

Lista de sistemas existentes

El radar AESA AN/APG-77 del F-22 Raptor
Primer plano del radar Thales RBE2-AA montado en el Rafale desde el estándar F3R. (El OSF que se encuentra detrás no forma parte del radar).
El avión de combate HAL Tejas está equipado con un radar AESA Uttam.
Radar AESA LIG Nex1 ESR-500A

sistemas aerotransportados

Sistemas de superficie (terrestres, marítimos)

El primer radar AESA empleado en un buque de guerra operativo fue el japonés OPS-24, fabricado por Mitsubishi Electric e introducido en el JDS Hamagiri (DD-155), el primer buque del último lote de destructores de la clase Asagiri , botado en 1988.

EL/M-2248 MF-STAR a bordo de un destructor de la clase Kolkata.
radar de matriz de fase AN/TPQ-53
Sistema de radar de largo alcance 3DELRR
El misil SAMPSON AESA está a bordo del destructor Tipo 45.

Véase también

Referencias

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  3. 1 2 3 "Japón moderniza 60 F-2 con AAM-4, J/APG-2" . Consultado el 17 de junio de 2015 .
  4. ↑ Bell Labs 1975 , pág. I-35.
  5. 1 2 Bell Labs 1975 , pág. 2-3.
  6. ↑ Bell Labs 1975 , pág. 2-22.
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Bibliografía

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  • Antenas de barrido electrónico y radares: pasado, presente y futuro (mwjournal.com)
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