Del paraboloide al arreglo de fase: una breve historia del desarrollo de las antenas de radar aerotransportadas

A medida que cambian las necesidades de la guerra y avanzan la ciencia y la tecnología, la importancia del combate aéreo aumenta progresivamente. El desarrollo del radar aerotransportado para aviones de combate es un ejemplo típico. En términos visuales, la evolución más evidente de los equipos de radar reside en el cambio de la antena. Analicemos brevemente el desarrollo de las antenas de radar aerotransportadas.

El radar aerotransportado ha evolucionado desde sus inicios con simples funciones de búsqueda y localización aérea hasta abarcar ahora no solo la búsqueda, el seguimiento y la guía de tiro en una amplia zona, sino también el reconocimiento y la cartografía terrestres, la obtención de imágenes SAR y otras funciones múltiples. En general, el radar aerotransportado requiere antenas con características como alta ganancia (para aumentar el alcance de detección), haz estrecho (para aumentar la precisión de la medición angular) y lóbulos laterales bajos (para resistir interferencias). Para lograr una alta ganancia y un haz estrecho, la solución más sencilla es utilizar antenas direccionales, como las antenas Yagi y las antenas parabólicas (de un solo reflector). La antena Yagi es demasiado grande, mientras que la antena parabólica permite obtener lóbulos laterales bajos con mayor facilidad. Por lo tanto, los primeros radares aerotransportados posteriores a la Guerra Fría generalmente adoptaron antenas parabólicas.

Antena parabólica (antena de reflector único).Este tipo de antena utiliza un paraboloide de mayor tamaño como superficie principal y una bocina en el centro, frente a dicha superficie, como fuente de alimentación (alimentación directa) (la bocina también puede estar desviada de la posición central, lo que se denomina alimentación offset). Su principio de funcionamiento es bastante similar al de un espejo parabólico en óptica. Cuando la antena opera en modo de radiación, las ondas esféricas emitidas por la bocina inciden sobre el paraboloide, que las transforma en ondas planas, las cuales se propagan al espacio libre. En modo de recepción, la superficie reflectante principal converge las ondas planas transmitidas al espacio libre, denominadas ondas esféricas, y las "retorna" al altavoz de alimentación. Este tipo de antena es fácil de procesar en la banda X e inferiores, tiene una estructura simple y es de bajo costo. Sin embargo, también presenta desventajas evidentes. Debido a que las antenas parabólicas suelen ofrecer un alto rendimiento cuando la relación del diámetro focal (la relación entre la distancia de la bocina a la superficie reflectante y el tamaño de la superficie reflectante principal) es elevada, el perfil general de la antena es más alto y su volumen mayor. En particular, al rotar y escanear la antena en su conjunto, ocupa mucho espacio en el cabezal del equipo, lo que limita considerablemente su ángulo de escaneo. Para solucionar estas dificultades, se creó una antena de doble superficie reflectante denominada "Cassegrain".

Composición básica y diagrama de funcionamiento de una antena parabólica.

Composición básica y diagrama de funcionamiento de una antena parabólica.

La antena del radar SL1 (imitación del tipo soviético РП-1/5) equipada con la versión para todo tipo de clima J-5A

Antena Cassegrain.Se trata de una antena mejorada a partir de una antena de reflector simple. En comparación con una antena de reflector simple, el subreflector añadido optimiza inicialmente las ondas electromagnéticas emitidas por el altavoz y les proporciona una distribución más ideal, reflejándolas de vuelta al reflector principal. Este último transforma la onda esférica resultante en una onda plana y la irradia al espacio libre. La ventaja de esto radica en que mejora la eficiencia de la apertura de la antena, aumenta la ganancia, reduce considerablemente la relación del diámetro focal, disminuye el perfil general de la antena y reduce su tamaño. Al ubicar el receptor y el alimentador en la superficie principal, se facilita el cableado del sistema y se reduce el ruido. Sin embargo, la introducción del subreflector también conlleva el problema de un mayor apantallamiento de la superficie principal, lo que a su vez reduce la ganancia general de la antena y aumenta el nivel de lóbulos laterales.

Composición básica y principio de funcionamiento de la antena Cassegrain

Radar "Eagle" del avión interceptor Su-15 (РП-11)

Radar "Eagle" del avión interceptor Su-15 (РП-11)

Para solucionar el problema de la oclusión del subreflector, se propuso una antena denominada antena Cassegrain invertida, ampliamente utilizada en radares aerotransportados. La Cassegrain invertida, también conocida como antena Cassegrain deformada, se basa en la antena Cassegrain convencional. En ella, la posición del subreflector se transforma en un paraboloide de rejilla polarizada y la de la superficie principal en una placa retorcida polarizada. (De hecho, en la antena Cassegrain invertida, las posiciones de las superficies principal y secundaria difieren notablemente de las de las antenas Cassegrain convencionales). Su principio de funcionamiento es muy diferente al de las antenas Cassegrain: la bocina de alimentación, ubicada en la versión retorcida polarizada, emite ondas electromagnéticas polarizadas linealmente de manera horizontal que, al incidir sobre la rejilla de polarización frontal, se reflejan casi por completo, convirtiendo la onda esférica en una onda plana. Esta onda incide sobre la placa retorcida polarizada en la parte posterior, transformando la onda de polarización horizontal en una onda electromagnética polarizada linealmente de manera vertical, que se transmite desde la rejilla de polarización frontal y se irradia al espacio libre. En resumen, aunque el haz emitido por la antena de tarjeta invertida se refleja dos veces, se diferencia de la antena Cassegrain convencional en que se produce un proceso de torsión de polarización en el medio. La rejilla de polarización situada frente a la antena solo bloquea las ondas electromagnéticas polarizadas horizontalmente y prácticamente no afecta a las ondas polarizadas verticalmente. Cabe mencionar que, para combatir la interferencia terrestre, las antenas de radar aerotransportadas suelen ser de polarización vertical lineal. El escaneo del haz se logra mediante la rotación adecuada de la placa de torsión de polarización. Por lo tanto, la antena de tarjeta invertida resuelve el problema de la oclusión del subreflector y, además, permite un ligero desplazamiento de la rejilla de alimentación y polarización, reduciendo aún más el perfil general de la antena. Gracias a sus ventajas únicas, las antenas abatibles son muy populares en los teléfonos de segunda generación.

El principio de funcionamiento de la antena de tarjeta abatible consiste en que la barra horizontal frontal es una rejilla de polarización. La placa giratoria polarizada está dispuesta en un ángulo de 45 grados en la parte posterior.

Antena de tarjeta invertida utilizada por el radar Sapphire-21 equipado con el MiG-21BIS. Nótese que la rejilla de polarización no está instalada.

La antena Cassegrain invertida utilizada en el sistema de radar AI-24 del caza Tornado.

La antena de tarjeta invertida utilizada por el radar Mig25 Tornado A no tiene instalada una rejilla de polarización.

También cabe destacar que la antena de tarjeta invertida utilizada por el radar n001 del Su-27 no tiene instalada su superficie de rejilla de polarización.

Antena de tarjeta invertida utilizada por el radar n001 del Su-27. Nótese que se encuentra completa, con una rejilla de polarización instalada.

Los principios básicos de funcionamiento de las antenas mencionadas se basan en la forma de las superficies reflectantes, que difieren en detalles como si son superficies reflectantes simples o dobles, y si presentan o no torsión de polarización. Al controlar la distancia del altavoz a la superficie principal, ajustar la atenuación de la iluminación, etc., es fácil lograr una alta ganancia y lóbulos laterales bajos. También se puede obtener un rendimiento satisfactorio en las primeras etapas. Sin embargo, aunque los requisitos de procesamiento para las antenas que funcionan con superficies reflectantes no son elevados (la banda X es relativamente buena, pero la dificultad aumenta considerablemente en bandas de frecuencia más altas), el costo también es aceptable. No obstante, con la mejora del rendimiento del radar aerotransportado, se han planteado nuevos requisitos para la antena, como un mayor ángulo de exploración, lóbulos laterales más bajos y la realización de haces conformados. Las deficiencias inherentes a las antenas de tarjeta invertida incluyen la fuga de energía (que reduce la eficiencia de apertura y provoca pérdida de ganancia), una grave distorsión del haz durante el escaneo (disminuye la ganancia del lóbulo principal, se ensancha y aumentan los lóbulos laterales) y el problema del peso excesivo de la antena. Por lo tanto, se considera que los aviones de tercera generación que aspiran a la supremacía aérea, como el MiG-29 y el Su-27, utilizaron antenas Cassegrain invertidas en sus inicios, lo que resulta bastante deficiente.

Sabemos que, para cumplir con los requisitos de los radares aerotransportados de alta ganancia, haz estrecho y lóbulos laterales bajos, se utilizaban antenas parabólicas debido a su estructura simple. También existe una antena ligeramente más compleja en su forma, pero con un mejor rendimiento: la antena de matriz plana. La antena de matriz plana es una antena de matriz típica. Desde docenas hasta cientos, o incluso miles, de pequeñas antenas unitarias se disponen uniformemente sobre la superficie de la matriz según ciertas reglas y espaciamientos. Una sola antena unitaria puede tener un haz muy ancho y baja ganancia, pero al depender de numerosas antenas unitarias en la matriz que trabajen juntas, se puede lograr una ganancia muy alta, un haz estrecho e incluso lóbulos laterales ultrabajos (e incluso se puede actualizar posteriormente a una matriz de fase plana). Por lo tanto, debido a su excelente rendimiento, las antenas de matriz plana reemplazaron rápidamente a las antenas de superficie reflectante y se convirtieron en la norma en varios sistemas de radar aerotransportados de tercera generación, tercera generación modificada y cuarta generación. Los radares aerotransportados avanzados actuales, incluidos los radares de matriz de fase, utilizan casi en su totalidad antenas de matriz plana.

Las antenas planares comunes incluyen matrices de ranuras de guía de onda (placa plana), matrices de guía de onda abierta, matrices de dipolos, matrices de antenas Vivaldi, matrices de antenas de parche de microcinta, etc.

La matriz de ranuras de guía de onda es una estructura común para la transmisión de microondas. Se abren ranuras en la superficie de la guía de onda, lo que permite que cada ranura pequeña actúe como antena para irradiar ondas electromagnéticas. Tiene la ventaja de adaptarse a la estructura de alimentación y posee una gran capacidad de potencia. Las ranuras de guía de onda aéreas parecen estar cortadas en una placa plana, por lo que a veces se las denomina matrices de ranuras planas.

El radar APY1 utilizado por E3 emplea una matriz de antenas de ranura de guía de ondas.

La matriz de ranuras de placa plana utilizada por el radar APG63 del F15 tiene una antena de elemento IFF (matriz) que sobresale de la periferia.

 La matriz de ranuras de placa plana utilizada por el radar APG63 del F15 tiene una antena de elemento IFF (matriz) que sobresale de la periferia.

El conjunto de ranuras de placa plana utilizado por el radar APG66 del F16A/B

Similar a esto es la antena de matriz de guía de onda abierta. La guía de onda abierta también utiliza una estructura de guía de onda, pero en lugar de ranuras y hendiduras, utiliza directamente la superficie de la boca de la guía de onda para irradiar ondas electromagnéticas. Debido a que este tipo de guía de onda abierta tiene una sección transversal ligeramente mayor y es más pesada, es más común en radares terrestres o navales, y rara vez se utiliza en radares aerotransportados.

La estructura descrita, que utiliza guías de onda para la alimentación y la radiación, facilita la adaptación de impedancias de la antena, y su gran capacidad de potencia constituye una ventaja significativa. Sin embargo, el ancho de banda de la antena suele ser limitado y su peso resulta difícil de controlar. Por consiguiente, se han ido incorporando gradualmente numerosos diseños innovadores en sistemas de radar aerotransportados.

De hecho, a finales de la Guerra Fría, para lograr una mayor velocidad de escaneo y un rendimiento más potente del radar aerotransportado (como búsqueda simultánea, seguimiento, control de tiro, guiado, detección terrestre, etc.), los ingenieros utilizaron antenas de matriz en fase, tecnología que aún se considera avanzada. La apariencia de una antena de matriz en fase no difiere mucho de la de una antena de matriz plana común. Incluso puede entenderse simplemente como una modificación de la estructura de alimentación basada en una antena de matriz plana de escaneo automático (el transmisor/receptor y el algoritmo de procesamiento de señal, por supuesto, cambian considerablemente). Al añadir un desplazador de fase a la parte posterior de la unidad de antena, se obtiene una antena de matriz en fase pasiva (PESA). Si se prescinde del desplazador de fase y se añade un componente TR, se obtiene una antena de matriz en fase activa (AESA). Para los ingenieros de antenas, la misma matriz de antenas puede utilizarse para AESA o PESA. Por lo tanto, las antenas de matriz plana tienen un gran potencial para ser actualizadas a antenas de matriz en fase.

Los radares actualizados con antenas AESA ofrecen mayor potencia de transmisión, mayor alcance de detección, escaneo de haz más sensible y funciones de conformación de haz más potentes. Además, es más fácil obtener un lóbulo lateral promedio de -50 o -60 dB.

Tomemos como ejemplo el F-22. El radar AESA de esta nueva generación de cazas furtivos suele utilizar antenas dipolo (la imagen muestra la antena dipolo en forma de paraguas que usa el radar APG-77 del F-22). Esta unidad emplea una antena dipolo con características de banda ancha. Su patrón de radiación es amplio, lo que facilita el escaneo de gran angular.

Antena de radar APG77 del F22

La pieza que sobresale en la parte frontal puede confundirse fácilmente con un componente TR. En realidad, se trata de la superficie de la antena. El componente TR se conecta detrás de la antena (aunque actualmente suele integrarse con ella, aquí se analiza por separado).

El radar AESA RBE2 utilizado en el nuevo Rafale (como se muestra en la imagen inferior) emplea una matriz de antenas Vivaldi. Este tipo de antena se caracteriza por un ancho de banda particularmente amplio, lo que permite ampliar el ancho de banda de toda la matriz.

RBE2 AESA

RBE2 AESA

Por supuesto, existen algunos sistemas más especiales. Por ejemplo, el radar APY9, utilizado por el avión de alerta temprana E2D que se muestra a continuación, emplea una antena Yagi. Debido a la longitud de onda de la onda electromagnética en la banda UHF que utiliza, su tamaño es muy limitado. Para obtener un haz más estrecho y una alta ganancia, es necesario reducir el haz de la antena, por lo que la antena Yagi se ha convertido en la opción ideal. Como unidad, la antena Yagi de alta ganancia puede mejorar significativamente la ganancia del conjunto. Sin embargo, todo es relativo. El haz estrecho de la antena Yagi limita considerablemente la capacidad de escaneo de gran angular del conjunto. Cuando el ángulo de escaneo de la antena se desvía mucho de la normal, la disminución de la ganancia y la distorsión de la forma de onda se hacen muy evidentes. Por lo tanto, el APY9 utiliza una combinación de escaneo electromecánico para compensar estas limitaciones.

Conjunto lineal de antenas Yagi de 2*9 unidades utilizado por el radar E2D APY9

El desarrollo de la tecnología de antenas en fase ha llevado a las antenas aerotransportadas a una nueva etapa.

El desarrollo de antenas es un microcosmos del desarrollo tecnológico general del radar. Si bien no podemos extraer conclusiones sobre el rendimiento del radar ni medir su rendimiento general basándonos únicamente en la apariencia de la antena, la ingeniería suele centrarse en la coordinación y el equilibrio entre los sistemas. Si el rendimiento general de un sistema de radar es avanzado, la antena no puede ser inferior. En el futuro, los ingenieros seguirán superando problemas como el escaneo de gran ángulo de las antenas de matriz en fase (ampliando el rango de escaneo actual de +60 grados), la banda ultraancha, la apertura común, la adaptabilidad, etc., para impulsar el desarrollo de los sistemas de radar aerotransportados.

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