Un conjunto de antenas activas escaneadas electrónicamente ( AESA ) es un tipo de antena de conjunto en fase , que es un conjunto de antenas controlado por computadora en el que el haz de ondas de radio se puede dirigir electrónicamente para apuntar en diferentes direcciones sin mover la antena. [1] En AESA, cada elemento de antena está conectado a un pequeño módulo de transmisión/recepción (TRM) de estado sólido bajo el control de una computadora, que realiza las funciones de transmisor y/o receptor de la antena. Esto contrasta con una matriz pasiva escaneada electrónicamente (PESA), en la que todos los elementos de la antena están conectados a un único transmisor y/o receptor a través de desfasadores bajo el control de la computadora. El uso principal de AESA es en radar , y estos se conocen como radares activos en fase (APAR).
AESA es una segunda generación más avanzada y sofisticada de la tecnología de matriz en fase original de PESA. Los PESA solo pueden emitir un único haz de ondas de radio en una única frecuencia a la vez. PESA debe utilizar una matriz Butler si se requieren múltiples haces. El AESA puede irradiar múltiples haces de ondas de radio en múltiples frecuencias simultáneamente. Los radares AESA pueden distribuir sus emisiones de señales en una gama más amplia de frecuencias, lo que los hace más difíciles de detectar con ruido de fondo , lo que permite a los barcos y aviones irradiar potentes señales de radar sin dejar de ser sigilosos, además de ser más resistentes a las interferencias. También se pueden encontrar híbridos de AESA y PESA, que consisten en subarreglos que individualmente se parecen a los PESA, donde cada subarreglo tiene su propia interfaz de RF . Utilizando un enfoque híbrido, los beneficios de AESA (por ejemplo, múltiples haces independientes) se pueden obtener a un costo menor en comparación con AESA puro.
Bell Labs propuso reemplazar los radares Nike Zeus con un sistema de matriz en fase en 1960, y recibió el visto bueno para su desarrollo en junio de 1961. El resultado fue el Zeus Multi-function Array Radar (ZMAR), un ejemplo temprano de un radar activo electrónicamente. Sistema de radar dirigido. [2] ZMAR se convirtió en MAR cuando el programa Zeus terminó a favor del sistema Nike-X en 1963. El MAR (radar de matriz multifunción) estaba formado por una gran cantidad de pequeñas antenas, cada una conectada a un sistema independiente controlado por computadora. transmisor o receptor. Utilizando una variedad de pasos de procesamiento de señales y formación de haces, un solo MAR pudo realizar detección a larga distancia, generación de seguimiento, discriminación de ojivas y señuelos y seguimiento de los misiles interceptores salientes. [3]
MAR permitió controlar toda la batalla en un amplio espacio desde un solo sitio. Cada MAR, y su centro de batalla asociado, procesaría pistas para cientos de objetivos. Luego, el sistema seleccionaría la batería más adecuada para cada uno y les entregaría objetivos particulares para que atacaran. Normalmente, una batería estaría asociada al MAR, mientras que otras se distribuirían a su alrededor. Las baterías remotas estaban equipadas con un radar mucho más simple cuyo objetivo principal era rastrear los misiles Sprint salientes antes de que se volvieran visibles para el MAR potencialmente distante. Estos radares de sitio de misiles (MSR) más pequeños se escanearon pasivamente, formando un solo haz en lugar de los múltiples haces del MAR. [3]
Si bien MAR finalmente tuvo éxito, el costo del sistema fue enorme. Cuando el problema ABM se volvió tan complejo que incluso un sistema como MAR ya no podía abordar escenarios de ataque realistas, el concepto Nike-X se abandonó en favor de conceptos mucho más simples como el programa Sentinel , que no usaba MAR. Un segundo ejemplo, MAR-II, fue abandonado en el lugar en el atolón Kwajalein . [4]
El primer APAR soviético, el 5N65 , se desarrolló entre 1963 y 1965 como parte del sistema ABM S-225. Después de algunas modificaciones en el concepto del sistema en 1967, se construyó en el campo de pruebas de Sary Shagan en 1970-1971 y se le apodó Flat Twin en Occidente. Cuatro años más tarde se construyó otro radar de este diseño en el campo de pruebas de Kura , mientras que el sistema S-225 nunca se puso en servicio. [ cita necesaria ]
Los fabricantes estadounidenses de radares AESA utilizados en el F-22 y el Super Hornet incluyen a Northrop Grumman [7] y Raytheon. [8] Estas empresas también diseñan, desarrollan y fabrican los módulos de transmisión/recepción que constituyen los "bloques de construcción" de un radar AESA. La tecnología electrónica necesaria se desarrolló internamente a través de 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]
Los sistemas de radar generalmente funcionan conectando una antena a un potente transmisor de radio para emitir un breve pulso de señal. Luego se desconecta el transmisor y la antena se conecta a un receptor sensible que amplifica cualquier eco de los objetos objetivo. Al medir el tiempo que tarda la señal en regresar, el receptor del radar puede determinar la distancia al objeto. Luego, el receptor envía la salida resultante a una pantalla de algún tipo . Los elementos transmisores eran típicamente tubos de klistrón o magnetrones , que son adecuados para amplificar o generar una gama estrecha de frecuencias hasta niveles de alta potencia. Para escanear una parte del cielo, la antena del 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 llevó al primer radar práctico de barrido electrónico pasivo (PESA) a gran escala, o simplemente radar de matriz en fase. Los PESA tomaron una señal de una única fuente, la dividieron en cientos de caminos, retrasaron selectivamente algunos de ellos y los enviaron a antenas individuales. Las señales de radio de las antenas separadas se superponían en el espacio, y los patrones de interferencia entre las señales individuales se controlaban para reforzar la señal en ciertas direcciones y silenciarla en todas las demás. Los retrasos podrían controlarse fácilmente electrónicamente, lo que permitiría dirigir el haz muy rápidamente sin mover la antena. Un PESA puede escanear un volumen de espacio mucho más rápido que un sistema mecánico tradicional. Además, gracias al progreso en la electrónica, los PESA agregaron la capacidad de producir varios haces activos, lo que les permite continuar escaneando el cielo y al mismo tiempo enfocar haces más pequeños en ciertos objetivos para rastrear o guiar misiles de radar semiactivos . Los PESA rápidamente se generalizaron en barcos y grandes emplazamientos fijos en la década de 1960, seguidos por sensores aéreos a medida que la electrónica se redujo.
Los AESA son el resultado de nuevos desarrollos en la electrónica de estado sólido. En sistemas anteriores, la señal transmitida se creaba originalmente en un klistrón, un tubo de ondas viajeras o un dispositivo similar, que son relativamente grandes. La electrónica del receptor también era grande debido a las altas frecuencias con las que trabajaba. La introducción de la microelectrónica de arseniuro de galio durante la década de 1980 sirvió para reducir en gran medida el tamaño de los elementos receptores hasta que se pudieron construir otros eficaces en tamaños similares a los de las radios portátiles, de sólo unos pocos centímetros cúbicos de volumen. La introducción de JFET y MESFET también hizo lo mismo en el lado transmisor de los sistemas. Dio origen a amplificadores-transmisores con un generador de formas de onda de estado sólido de baja potencia que alimentaba un amplificador, permitiendo que cualquier radar así equipado transmitiera en una gama mucho más amplia de frecuencias, hasta el punto de cambiar la frecuencia operativa con cada pulso enviado. Reducir todo el conjunto (el transmisor, el receptor y la antena) en un único "módulo transmisor-receptor" (TRM) del tamaño de un cartón de leche y colocar estos elementos produce un AESA.
La principal ventaja de un AESA sobre un PESA es la capacidad de los diferentes módulos para operar en diferentes frecuencias. A diferencia del PESA, donde la señal se genera en frecuencias únicas mediante un pequeño número de transmisores, en el AESA cada módulo genera e irradia su propia señal independiente. Esto permite a AESA producir numerosos "subhaces" simultáneos que puede reconocer debido a diferentes frecuencias y rastrear activamente un número mucho mayor de objetivos. Los AESA también pueden producir haces que constan de muchas frecuencias diferentes a la vez, utilizando el posprocesamiento de la señal combinada de varios TRM para recrear una visualización como si se enviara un único haz potente. Sin embargo, esto significa que el ruido presente en cada frecuencia también se recibe y se suma.
Las AESA añaden muchas capacidades propias a las de las PESA. Entre ellos se encuentran: la capacidad de formar múltiples haces simultáneamente, usar grupos de TRM para diferentes funciones simultáneamente, 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.
Los sistemas de radar funcionan enviando una señal y luego escuchando su eco en objetos distantes. Cada uno de estos caminos, hacia y desde el objetivo, está sujeto a la ley de propagación del cuadrado inverso tanto en la señal transmitida como en la señal reflejada. Eso significa que la energía recibida de un radar cae con la cuarta potencia de la distancia, razón por la cual los sistemas de radar requieren altas potencias, a menudo en el rango de megavatios, para ser efectivos a larga distancia.
La señal de radar que se envía es una señal de radio simple y se puede recibir con un simple receptor de radio . Los aviones y barcos militares tienen receptores defensivos, llamados " receptores de alerta de radar " (RWR), que detectan cuando un rayo de radar enemigo está sobre ellos, revelando así la posición del enemigo. A diferencia de la unidad de radar, que debe enviar el pulso y luego recibir su reflejo, el receptor del objetivo no necesita el reflejo y, por lo tanto, la señal disminuye sólo como el cuadrado de la distancia. Esto significa que el receptor siempre tiene ventaja [despreciando la disparidad en el tamaño de la antena] sobre el radar en términos de alcance: siempre podrá detectar la señal mucho antes de que el radar pueda ver el eco del objetivo. Dado que la posición del radar es información extremadamente útil en un ataque a esa plataforma, esto significa que los radares generalmente deben apagarse durante períodos prolongados si están sujetos a un ataque; Esto es común, por ejemplo, en los barcos.
A diferencia del radar, que sabe en qué dirección envía su señal, el receptor simplemente recibe un pulso de energía y tiene que interpretarlo. Dado que el espectro de radio está lleno de ruido, la señal del receptor se integra en un corto período de tiempo, lo que hace que 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 comparación de fase o amplitud . Normalmente, los RWR almacenan los pulsos detectados durante un corto 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 hacia la fuente normalmente se combina con una simbología que indica el propósito probable del radar: alerta y control tempranos aerotransportados , misil tierra-aire , etc.
Esta técnica es mucho menos útil contra un radar con un transmisor de frecuencia ágil (estado sólido). Dado que AESA (o PESA) puede cambiar su frecuencia con cada pulso (excepto cuando se usa filtrado Doppler) y generalmente lo hace usando una secuencia aleatoria, la integración en el tiempo no ayuda a sacar la señal del ruido de fondo. Además, se puede diseñar un radar para ampliar la duración del pulso y reducir su potencia máxima. Un AESA o un PESA moderno a menudo tendrán la capacidad de alterar estos parámetros durante la operación. Esto no supone ninguna diferencia en la energía total reflejada por el objetivo, pero hace que la detección del pulso por parte de un sistema RWR sea menos probable. [12] La AESA tampoco tiene ningún tipo de frecuencia de repetición de pulso fija, que también puede variarse y ocultar así cualquier brillo periódico en todo el espectro. Los RWR de generación anterior 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, bajas pérdidas de transmisión y ruido) [12] y agregar pulsos sucesivos a través del procesamiento de tiempo-frecuencia para lograr tasas de detección útiles. [13]
La interferencia también es mucho más difícil contra un AESA. Tradicionalmente, los bloqueadores han funcionado determinando la frecuencia de funcionamiento del radar y luego transmitiendo una señal para confundir al receptor sobre cuál es el pulso "real" y cuál es el del bloqueador. Esta técnica funciona siempre que el sistema de radar no pueda cambiar fácilmente su frecuencia de funcionamiento. Cuando los transmisores se basaban en tubos de klistrón, esto era generalmente cierto, y los radares, especialmente los aéreos, sólo tenían unas pocas frecuencias para elegir. Un bloqueador podría escuchar esas posibles frecuencias y seleccionar la que se utilizará para bloquear.
La mayoría de los radares que utilizan electrónica moderna son capaces de cambiar su frecuencia de funcionamiento con cada pulso. Esto puede hacer que la interferencia sea menos efectiva; Aunque es posible enviar ruido blanco de banda ancha para realizar interferencias en todas las frecuencias posibles, esto reduce la cantidad de energía de interferencia en cualquier frecuencia. Un AESA tiene la capacidad adicional de difundir sus frecuencias en una banda ancha incluso en un solo pulso, una técnica conocida como "chirrido". En este caso, la interferencia será la misma frecuencia que la del radar sólo durante un período corto, mientras que el resto del pulso del radar no se bloqueará.
Los AESA también se pueden cambiar a un modo de solo recepción y utilizar estas poderosas señales de interferencia para rastrear su fuente, algo que requería un receptor separado en las plataformas más antiguas. Al integrar las señales recibidas del propio radar de los objetivos junto con una menor tasa de datos de sus propias transmisiones, un sistema de detección con un RWR preciso como un AESA puede generar más datos con menos energía. Algunos sistemas receptores con capacidad de formación de haces, normalmente basados en tierra, pueden incluso descartar por completo un transmisor.
Sin embargo, utilizar una única antena receptora sólo da una dirección. Obtener un rango y un vector objetivo requiere al menos dos dispositivos pasivos físicamente separados para que la triangulación proporcione determinaciones instantáneas, a menos que se utilice interferometría de fase . El análisis del movimiento del objetivo puede estimar estas cantidades incorporando muchas mediciones direccionales a lo largo del tiempo, junto con el conocimiento de la posición del receptor y las limitaciones sobre el posible movimiento del objetivo.
Dado que cada elemento de un AESA es un potente receptor de radio, los conjuntos activos tienen muchas funciones además del radar tradicional. Un uso es dedicar varios de los elementos a la recepción de señales de radar comunes, eliminando la necesidad de un receptor de alerta de radar independiente. El mismo concepto básico se puede utilizar para proporcionar soporte de radio tradicional y, con algunos elementos también de transmisión, formar un enlace de datos de muy alto ancho de banda . El F-35 utiliza este mecanismo para enviar datos de sensores entre aviones con el fin de proporcionar una imagen sintética de mayor resolución y alcance que la que podría generar cualquier radar. En 2007, las pruebas realizadas por Northrop Grumman , Lockheed Martin y L-3 Communications permitieron que el sistema AESA de un Raptor actuara como un punto de acceso WiFi , capaz de transmitir datos a 548 megabits por segundo y recibir a velocidad de gigabit; esto es mucho más rápido que el sistema Link 16 utilizado por aviones estadounidenses y aliados, que transfiere datos a poco más de 1 Mbit/s. [14] Para lograr estas altas velocidades 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 de Wi-Fi, Link-16 transmite su señal omnidireccional para garantizar que todos Las unidades dentro del alcance pueden recibir los datos.
Los AESA también son mucho más confiables que los PESA o los diseños más antiguos. Dado que cada módulo funciona independientemente de los demás, las fallas individuales tienen poco efecto en el funcionamiento del sistema en su conjunto. Además, los módulos funcionan individualmente a potencias bajas, quizás de 40 a 60 vatios, por lo que se elimina la necesidad de una gran fuente de alimentación de alto voltaje.
Reemplazar una matriz escaneada mecánicamente con una montura AESA fija (como en el Boeing F/A-18E/F Super Hornet ) puede ayudar a reducir la sección transversal general del radar (RCS) de un avión, pero algunos diseños (como el Eurofighter Typhoon ) renuncie a esta ventaja para combinar el escaneo mecánico con el escaneo electrónico y proporcionar un ángulo más amplio de cobertura total. [15] Este alto apuntamiento fuera del morro permite al caza equipado con AESA emplear una maniobra de cruce de T , a menudo denominada "transmisión" en el contexto del combate aire-aire, contra un radar escaneado mecánicamente que filtraría el baja velocidad de cierre del vuelo perpendicular como desorden del suelo mientras el AESA gira 40 grados hacia el objetivo para mantenerlo dentro del límite de ángulo de 60 grados del AESA. [dieciséis]
Con una distancia de media longitud de onda entre los elementos, el ángulo máximo del haz es de aproximadamente °. Con una distancia de elemento más corta, el campo de visión (FOV) más alto para una antena de matriz en fase plana es actualmente de 120° ( °), [17] aunque esto se puede combinar con dirección mecánica como se indicó anteriormente. [18] [19]
El primer radar AESA empleado en un buque de guerra operativo fue el OPS-24 japonés fabricado por Mitsubishi Electric introducido en el JDS Hamagiri (DD-155), el primer barco del último lote del destructor clase Asagiri , botado en 1988.
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