De paraboloides a antenas de faseamento: uma breve história do desenvolvimento de antenas de radar aerotransportadas.

À medida que as necessidades da guerra mudam e a ciência e a tecnologia avançam, o "conteúdo valioso" do combate aéreo torna-se cada vez maior. O desenvolvimento do radar aerotransportado para aeronaves de combate é um exemplo típico. Em termos de aparência, a parte mais intuitiva da "evolução" dos equipamentos de radar é a mudança na antena. Vamos falar brevemente sobre o desenvolvimento das antenas de radar aerotransportadas.

O radar aerotransportado evoluiu de funções simples de busca e alcance aéreo nos primórdios para funções que hoje abrangem não apenas busca, rastreamento e orientação de controle de fogo em grandes áreas, mas também levantamento e mapeamento terrestre, imageamento SAR e outras multifunções. De modo geral, o radar aerotransportado requer antenas com características como alto ganho (para aumentar o alcance de detecção), feixe estreito (para aumentar a precisão da medição angular) e baixos lóbulos laterais (para resistir à interferência). Para alcançar alto ganho e feixe estreito, a maneira mais simples é usar antenas direcionais, como as antenas Yagi e as antenas parabólicas (de refletor único). A antena Yagi é muito grande e a antena parabólica permite obter lóbulos laterais baixos com mais facilidade. Portanto, os primeiros radares aerotransportados após a Guerra Fria geralmente adotaram o formato de antenas parabólicas.

Antena parabólica (antena com um único refletor).Este tipo de antena utiliza um paraboloide maior como superfície principal e uma corneta centralizada em frente à superfície principal como fonte de alimentação (alimentação direta) (a corneta também pode ser desviada da posição central, o que é chamado de alimentação deslocada). Seu princípio de funcionamento é bastante similar ao de um espelho parabólico em óptica. O princípio de funcionamento é o seguinte: quando a antena opera no modo de radiação, as ondas esféricas irradiadas pela corneta atingem o paraboloide, e o paraboloide transforma a onda esférica incidente da corneta em uma onda plana, fazendo com que ela se irradie para o espaço livre. Quando opera no modo de recepção, a superfície refletora principal converge as ondas planas transmitidas no espaço livre, chamadas de ondas esféricas, e as "retorna" para o alto-falante de alimentação. Este tipo de antena não é difícil de processar na banda X e abaixo, possui uma estrutura simples e baixo custo. No entanto, as desvantagens também são evidentes. Geralmente, as antenas parabólicas atingem alto desempenho quando a relação do diâmetro focal (a razão entre a distância da corneta à superfície refletora e o tamanho da superfície refletora principal) é alta, resultando em um perfil mais alto e um volume maior. Além disso, quando a antena é rotacionada e escaneada como um todo, ela ocupa muito espaço na cabeça do equipamento, limitando seu ângulo de varredura. Para solucionar essas dificuldades, surgiu a antena de dupla superfície refletora, conhecida como formato "Cassegrain".

Basic composition and working diagram of parabolic antenna

Basic composition and working diagram of parabolic antenna

A antena do radar SL1 (imitação do tipo soviético РП-1/5) equipada com a versão J-5A para todos os climas.

Antena Cassegrain.Trata-se de uma antena aprimorada a partir de uma antena de refletor único. Comparada a uma antena de refletor único, a adição de um subrefletor otimiza inicialmente as ondas eletromagnéticas emitidas pelo alto-falante, proporcionando uma distribuição mais ideal e refletindo-as de volta para o refletor principal. O refletor principal, então, transforma a onda esférica em uma onda plana e a irradia para o espaço livre. A vantagem disso é que melhora a eficiência da abertura da antena, aumenta o ganho, reduz significativamente a relação entre o diâmetro focal e o comprimento de onda, diminui o perfil geral da antena e reduz seu tamanho. Como o receptor e o alimentador também estão na superfície principal, o layout da fiação do sistema fica mais fácil e o ruído do sistema é reduzido. No entanto, a introdução do subrefletor também acarreta o problema do aumento da blindagem da superfície principal, o que, por sua vez, reduz o ganho geral da antena e aumenta o nível de lóbulos laterais.

Basic composition and working principle of Cassegrain antenna

"Eagle" radar of the Su-15 interceptor aircraft (РП-11)

"Eagle" radar of the Su-15 interceptor aircraft (РП-11)

Para solucionar o problema da oclusão do subrefletor, foi proposta e amplamente utilizada em radares aerotransportados uma antena chamada antena Cassegrain invertida. A antena Cassegrain invertida, também conhecida como antena Cassegrain deformada, baseia-se na antena Cassegrain, alterando a posição do subrefletor para um paraboloide com grade polarizada e a posição da superfície principal para uma placa torcida polarizada. (Na verdade, na antena Cassegrain invertida, as posições das superfícies principal e secundária são obviamente diferentes das antenas Cassegrain comuns.) O princípio de funcionamento é bastante diferente do das antenas Cassegrain: a alimentação por corneta, localizada na versão torcida da polarização, emite ondas eletromagnéticas linearmente polarizadas horizontalmente que são refletidas quase completamente pela grade de polarização frontal, transformando a onda esférica em uma onda plana, que atinge a placa torcida de polarização na parte traseira, "torcendo" a onda de polarização horizontal em uma onda eletromagnética linearmente polarizada verticalmente, que é transmitida pela grade de polarização frontal e irradiada para o espaço livre. Em resumo, embora o feixe emitido pela antena flip-card tenha sido refletido duas vezes, ele difere da antena Cassegrain comum por apresentar um processo de torção de polarização no meio. A grade de polarização localizada na frente da antena bloqueia apenas ondas eletromagnéticas polarizadas horizontalmente e praticamente não afeta ondas polarizadas linearmente na vertical. Aliás, para combater a interferência terrestre, as antenas de radar aerotransportadas são, em sua maioria, antenas com polarização linear vertical. O escaneamento do feixe é obtido pela rotação adequada da placa de torção de polarização. Portanto, a antena flip-card resolve o problema da oclusão do subrefletor e também permite um leve deslocamento da alimentação e da grade de polarização, reduzindo ainda mais o perfil geral da antena. Devido às suas vantagens exclusivas, as antenas flip-up são muito populares em telefones de segunda geração.

O princípio de funcionamento da antena flip-card é que a barra horizontal frontal funciona como uma grade de polarização. A placa torcida polarizada é disposta em um ângulo de 45 graus na parte traseira.

The inverted card antenna used by the Sapphire-21 radar equipped with the MiG-21BIS. Note that the polarization grid is not installed.

A antena Cassegrain invertida usada no sistema de radar AI-24 do caça Tornado.

A antena de cartão invertido usada pelo radar do Mig25 Tornado A não possui grade de polarização instalada.

Vale destacar também que a antena de cartão invertido usada no radar n001 do Su-27 não possui uma grade de polarização instalada em sua superfície.

Antena de cartão invertido usada pelo radar n001 do Su-27. Observe que ela está completa, com a grade de polarização instalada.

Os princípios básicos de funcionamento das antenas mencionadas acima baseiam-se na forma das superfícies refletoras, que diferem em detalhes como a presença ou não de uma única superfície refletora ou de duas superfícies refletoras, e a presença ou não de torção de polarização. Controlando a distância do alto-falante em relação à superfície principal, ajustando o perfil de iluminação, etc., é possível obter alto ganho e baixos lóbulos laterais. Um desempenho satisfatório pode ser alcançado mesmo em estágios iniciais. Contudo, embora os requisitos de processamento para antenas que operam com superfícies refletoras não sejam elevados (a banda X apresenta bom desempenho, mas a dificuldade aumenta consideravelmente em bandas de frequência mais altas), o custo ainda é aceitável. Entretanto, com a melhoria do desempenho dos radares aerotransportados, novas exigências surgiram para a antena, como ângulos de varredura maiores, lóbulos laterais reduzidos e a obtenção de feixes direcionados. As falhas inerentes às antenas flip-card incluem a presença constante de vazamento de energia (que causa redução na eficiência da abertura e perda de ganho), distorção significativa do feixe durante a varredura (o ganho do lóbulo principal diminui, o feixe principal se alarga e os lóbulos laterais aumentam) e o problema do peso elevado da antena. Portanto, muitos consideram que as aeronaves de terceira geração que almejavam a supremacia aérea, como o MiG-29 e o Su-27, utilizaram antenas Cassegrain invertidas em seus primórdios, o que parece um tanto antiquado.

Sabemos que, para atender aos requisitos de radares aerotransportados com alto ganho, feixe estreito e baixos lóbulos laterais, as antenas parabólicas eram usadas anteriormente devido à sua estrutura simples. Existe também uma antena um pouco mais complexa em sua forma, mas com desempenho superior: a antena planar. A antena planar é um exemplo típico de antena em arranjo. De dezenas a centenas, ou mesmo milhares, de pequenas antenas unitárias são dispostas uniformemente na superfície do arranjo, seguindo regras e espaçamentos específicos. Uma única antena unitária pode ter um feixe muito amplo e baixo ganho, mas, com o trabalho conjunto de inúmeras antenas unitárias no arranjo, é possível alcançar um ganho muito alto, um feixe estreito e até mesmo lóbulos laterais ultrabaixos (possivelmente evoluindo para um arranjo de fase planar posteriormente). Portanto, devido ao seu excelente desempenho, as antenas planares rapidamente substituíram as antenas de superfície refletora e se tornaram o padrão em diversos sistemas de radar aerotransportados de terceira geração, terceira geração modificada e quarta geração. Os radares aerotransportados avançados atuais, como os radares de arranjo de fase, utilizam quase que exclusivamente antenas planares.

As antenas planas comuns incluem arranjos de fenda em guia de ondas (placa plana), arranjos de guia de ondas abertos, arranjos de dipolos, arranjos de antenas Vivaldi, arranjos de antenas de microfita, etc.

A matriz de fendas em guia de ondas é uma estrutura comum para transmissão de micro-ondas. Fendas (ranhuras) são abertas na superfície do guia de ondas, permitindo que a pequena fenda se torne uma antena para irradiar ondas eletromagnéticas. Ela tem a vantagem de se adequar à estrutura de alimentação e possui grande capacidade de potência. As fendas do guia de ondas aerotransportado parecem ter sido cortadas em uma placa plana, por isso às vezes são chamadas de matrizes de fendas planas.

O radar APY1 usado pela E3 emprega uma matriz de antenas de fenda de guia de ondas.

A antena de fenda de placa plana usada pelo radar APG63 do F15 possui um elemento de antena IFF (matriz) que se projeta da periferia.

 A antena de fenda de placa plana usada pelo radar APG63 do F15 possui um elemento de antena IFF (matriz) que se projeta da periferia.

O conjunto de antenas planas utilizado pelo radar APG66 do F-16A/B.

Semelhante a esta é a antena de matriz de guia de ondas aberta. A guia de ondas aberta também utiliza uma estrutura de guia de ondas, mas em vez de ranhuras e fendas, utiliza diretamente a superfície da abertura da guia de ondas para irradiar ondas eletromagnéticas. Como esse tipo de guia de ondas aberta possui uma seção transversal ligeiramente maior e é mais pesado, é mais comum em radares terrestres ou navais, e raramente utilizado em radares aerotransportados.

A estrutura acima, que utiliza guias de onda para alimentação e radiação, é propícia à adaptação de impedância da antena, e sua grande capacidade de potência é uma vantagem significativa. No entanto, a largura de banda da antena é frequentemente limitada e o peso é difícil de controlar. Consequentemente, muitos projetos inovadores foram gradualmente utilizados em sistemas de radar aerotransportados.

De fato, no final da Guerra Fria, para alcançar maior velocidade de varredura e desempenho mais robusto em radares aerotransportados (como busca simultânea, rastreamento, controle de tiro, orientação, detecção de alvos terrestres, etc.), os engenheiros utilizaram antenas de varredura eletrônica (phased arrays) para radares aerotransportados, tecnologia ainda considerada avançada. A aparência de uma antena de varredura eletrônica não difere muito da de uma antena planar comum. Pode-se até mesmo entendê-la simplesmente como uma modificação na estrutura de alimentação de uma antena planar convencional (o transmissor/receptor e o algoritmo de processamento de sinal, obviamente, sofrerão grandes alterações). Adicionando um deslocador de fase (phased shifter) à parte traseira da antena, obtém-se uma antena de varredura eletrônica passiva (PESA). Caso não se deseje o deslocador de fase e se opte por um componente de retransmissão (TR), obtém-se uma antena de varredura eletrônica ativa (AESA). Para os engenheiros de antenas, o mesmo conjunto de antenas pode ser utilizado tanto para AESA quanto para PESA. Portanto, as antenas planares têm grande potencial para serem aprimoradas e transformadas em antenas de varredura eletrônica.

Para radares atualizados com antenas AESA, há maior potência de transmissão, maior alcance de detecção, varredura de feixe mais sensível e funções de modelagem de feixe mais poderosas. Também é mais fácil obter um lóbulo lateral médio de -50 ou -60 dB.

Tomemos o F-22 como exemplo. O radar AESA desta nova geração de caças furtivos utiliza antenas dipolo (a imagem mostra a antena dipolo em forma de guarda-chuva usada pelo radar APG77 do F-22). A unidade utiliza uma antena dipolo, que possui características de banda larga. O padrão de radiação é amplo e permite realizar varreduras em grandes ângulos.

Antena de radar APG77 do F-22

A parte que se projeta na frente pode ser facilmente confundida com um componente TR. Tecnicamente, trata-se da superfície da antena. O componente TR é conectado atrás da antena (embora atualmente o componente TR seja geralmente integrado à antena, ainda será abordado separadamente aqui).

O radar AESA RBE2 usado no novo Rafale (como mostrado na imagem abaixo) utiliza um conjunto de antenas Vivaldi. Este tipo de antena caracteriza-se por uma largura de banda particularmente ampla, permitindo a expansão da largura de banda de todo o conjunto de antenas.

RBE2 AESA

RBE2 AESA

É claro que existem alguns radares mais especiais. Por exemplo, o radar APY9, usado pela aeronave de alerta antecipado E2D, utiliza uma antena Yagi como unidade. Como o comprimento de onda da onda eletromagnética na banda UHF que utiliza é longo, o tamanho da antena é bastante limitado. Para obter um feixe estreito e um ganho mais elevados, o feixe da antena precisa ser estreitado, tornando a antena Yagi uma escolha ideal. Como unidade, a antena Yagi de alto ganho pode melhorar significativamente o ganho do conjunto de radares. Mas tudo é relativo. O feixe estreito da antena Yagi limita bastante a capacidade de varredura de grande ângulo do conjunto. Quando o ângulo de varredura da antena se desvia muito do normal, a queda de ganho e a distorção da forma de onda tornam-se muito evidentes. Portanto, o APY9 utiliza uma combinação de varredura eletromecânica para compensar essas deficiências.

Conjunto linear de antenas Yagi 2x9 utilizado pelo radar E2D APY9

Foi o desenvolvimento da tecnologia de antenas de faseamento que levou as antenas aerotransportadas a um novo patamar.

O desenvolvimento de antenas é um microcosmo do desenvolvimento tecnológico geral do radar. Embora não possamos tirar conclusões sobre o desempenho do radar ou medir seu desempenho geral com base na aparência da antena, a engenharia frequentemente se concentra na coordenação e no equilíbrio entre os sistemas. Se o desempenho geral de um sistema de radar for avançado, a antena não pode ser inferior. No futuro, os engenheiros continuarão a superar desafios como a varredura de grande ângulo das antenas de matriz faseada (expandindo o alcance de varredura atual de +60 graus), banda ultralarga, abertura comum, conformação, etc., para impulsionar o desenvolvimento de sistemas de radar aerotransportados.

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