Un arreglo electrónico activo escaneado ( AESA ) es un tipo de antena de arreglo en fase , que es un arreglo de antena 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 el AESA, cada elemento de antena está conectado a un pequeño módulo de transmisión/recepción de estado sólido (TRM) bajo el control de una computadora, que realiza las funciones de un transmisor y/o receptor para la antena. Esto contrasta con un arreglo electrónico pasivo escaneado (PESA), en el que todos los elementos de antena están conectados a un solo 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 radar de arreglo en fase activo (APAR).
El AESA es una segunda generación más avanzada y sofisticada de la tecnología de matriz en fase PESA original. Los PESA solo pueden emitir un solo haz de ondas de radio en una sola frecuencia a la vez. El PESA debe utilizar una matriz Butler si se requieren múltiples haces. El AESA puede radiar múltiples haces de ondas de radio en múltiples frecuencias simultáneamente. Los radares AESA pueden distribuir sus emisiones de señal en un rango más amplio de frecuencias, lo que los hace más difíciles de detectar sobre el ruido de fondo , lo que permite que los barcos y las aeronaves radien señales de radar potentes 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 submatrices que se parecen individualmente a los PESA, donde cada submatrices tiene su propio frente de RF . Usando un enfoque híbrido, los beneficios de AESA (por ejemplo, múltiples haces independientes) se pueden obtener a un costo menor en comparación con AESA puro.
En 1960, Bell Labs propuso reemplazar los radares Nike Zeus por un sistema de matriz en fase y recibió el visto bueno 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 activo dirigido electrónicamente. [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 transmisor o receptor independiente controlado por computadora. Mediante una variedad de pasos de formación de haces y procesamiento de señales , un solo MAR podía realizar detección a larga distancia, generación de seguimiento, discriminación de ojivas de señuelos y seguimiento de los misiles interceptores salientes. [3]
El MAR permitió controlar toda la batalla en un amplio espacio desde un único sitio. Cada MAR, y su centro de batalla asociado, procesaría los rastros de cientos de objetivos. El sistema seleccionaría entonces la batería más apropiada para cada uno y les asignaría objetivos concretos para que los 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 hicieran visibles para el MAR potencialmente distante. Estos radares de emplazamiento de misiles (MSR) más pequeños se escaneaban de forma pasiva, formando un único haz en lugar de los múltiples haces del MAR. [3]
Aunque el MAR resultó exitoso, el costo del sistema fue enorme. Cuando el problema del ABM se volvió tan complejo que incluso un sistema como el MAR ya no podía lidiar con escenarios de ataque realistas, el concepto Nike-X fue abandonado en favor de conceptos mucho más simples como el programa Sentinel , que no utilizaba el MAR. Un segundo ejemplo, el MAR-II, fue abandonado en el atolón de Kwajalein . [4]
El primer radar APAR soviético, el 5N65 , fue desarrollado 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 Sary Shagan entre 1970 y 1971 y se lo apodó Flat Twin en Occidente. Cuatro años después, se construyó otro radar de este diseño en el campo de pruebas Kura , mientras que el sistema S-225 nunca se puso en servicio. [ cita requerida ]
Entre los fabricantes estadounidenses de los 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 comprenden 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 pulso corto de señal. Luego, se desconecta el transmisor y se conecta la antena a un receptor sensible que amplifica los ecos de los objetos objetivo. Al medir el tiempo que tarda la señal en regresar, el receptor de radar puede determinar la distancia al objeto. Luego, el receptor envía la salida resultante a una pantalla de algún tipo . Los elementos del transmisor eran típicamente tubos klistrón o magnetrones , que son adecuados para amplificar o generar un rango estrecho de frecuencias a 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 retardar la señal del transmisor de forma controlada. Esto dio lugar al primer radar pasivo de matriz electrónica escaneada (PESA) a gran escala, o simplemente radar de matriz en fase. Los PESA tomaban una señal de una sola 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 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 se podían controlar fácilmente de forma electrónica, lo que permitía 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 añadieron 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 rastrear o guiar misiles de rastreo de radar semiactivos . Los PESA se generalizaron rápidamente en barcos y grandes emplazamientos fijos en la década de 1960, seguidos por sensores aerotransportados a medida que la electrónica se reducía.
Los AESA son el resultado de posteriores desarrollos en 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 a lo largo de la década de 1980 sirvió para reducir en gran medida el tamaño de los elementos del receptor hasta que se pudieron construir otros eficaces de tamaños similares a los de las radios portátiles, de solo unos pocos centímetros cúbicos de volumen. La introducción de los JFET y los MESFET también hizo lo mismo con el lado transmisor de los sistemas. Dio lugar a los amplificadores-transmisores con un generador de forma de onda de estado sólido de baja potencia que alimentaba un amplificador, lo que permitía a cualquier radar equipado con ellos transmitir en un rango mucho más amplio de frecuencias, hasta el punto de cambiar la frecuencia de operación con cada pulso enviado. Al reducir todo el conjunto (el transmisor, el receptor y la antena) a un único "módulo transmisor-receptor" (TRM) del tamaño de un cartón de leche y ordenar estos elementos se obtiene 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 individuales por un pequeño número de transmisores, en el AESA cada módulo genera y emite su propia señal independiente. Esto permite al 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 consisten en muchas frecuencias diferentes a la vez, utilizando el posprocesamiento de la señal combinada de varios TRM para recrear una pantalla como si se estuviera enviando un solo haz potente. Sin embargo, esto significa que el ruido presente en cada frecuencia también se recibe y se agrega.
Los AESA añaden muchas capacidades propias a las de los PESA, entre ellas: la capacidad de formar múltiples haces simultáneamente, utilizar 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 una de estas trayectorias, hacia y desde el objetivo, está sujeta a la ley de propagación del cuadrado inverso, tanto en la señal transmitida como en la señal reflejada. Esto significa que la energía recibida de un radar disminuye con la cuarta potencia de la distancia, por lo que los sistemas de radar requieren altas potencias, a menudo en el rango de los megavatios, para ser efectivos a larga distancia.
La señal de radar que se envía es una señal de radio simple, y puede recibirse con un receptor de radio simple . Los aviones y barcos militares tienen receptores defensivos, llamados " receptores de advertencia de radar " (RWR), que detectan cuando un haz 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 se reduce solo con el cuadrado de la distancia. Esto significa que el receptor siempre tiene una ventaja [sin tener en cuenta 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 una 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 en los barcos, por ejemplo.
A diferencia del radar, que sabe en qué dirección está enviando 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 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 un conjunto pasivo similar utilizando la 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 pulso con una base de datos de radares conocidos. La dirección de la fuente normalmente se combina con la 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 estado sólido (de frecuencia ágil). Dado que el AESA (o PESA) puede cambiar su frecuencia con cada pulso (excepto cuando se utiliza el filtrado Doppler), y generalmente lo hace utilizando una secuencia aleatoria, la integración a lo largo del tiempo no ayuda a extraer la señal del ruido de fondo. Además, un radar puede estar diseñado para extender 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 el funcionamiento. Esto no hace ninguna diferencia en 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 variarse y, por lo tanto, ocultar cualquier brillo periódico en todo el espectro. Los RWR de generaciones anteriores son esencialmente inútiles contra los radares AESA, por lo que los AESA también se conocen como radares de baja probabilidad de intercepción . 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 del procesamiento de tiempo-frecuencia para lograr tasas de detección útiles. [13]
La interferencia es mucho más difícil contra un AESA. Tradicionalmente, los inhibidores han funcionado determinando la frecuencia operativa del radar y luego transmitiendo una señal a través de 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 operativa. Cuando los transmisores se basaban en tubos klistrón esto era generalmente así, y los radares, especialmente los aerotransportados, tenían sólo unas pocas frecuencias para elegir. Un inhibidor podía escuchar esas frecuencias posibles y seleccionar la que se utilizaría para interferir.
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 una interferencia de barrera contra todas las frecuencias posibles, esto reduce la cantidad de energía de interferencia en cualquier frecuencia. Un AESA tiene la capacidad adicional de distribuir sus frecuencias a lo largo de una banda ancha incluso en un solo pulso, una técnica conocida como "chirp". En este caso, la interferencia será la misma frecuencia que el radar solo durante un corto período, mientras que el resto del pulso del radar no se ve afectado.
Los AESA también pueden cambiarse a un modo de solo recepción y utilizar estas potentes señales de interferencia para rastrear su origen, algo que requería un receptor separado en 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 con capacidad de formación de haces de recepción, generalmente basados en tierra, pueden incluso descartar un transmisor por completo.
Sin embargo, el uso de una única antena receptora solo proporciona una dirección. Para obtener un rango y un vector objetivo se necesitan al menos dos dispositivos pasivos separados físicamente 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 separado. El mismo concepto básico se puede utilizar para proporcionar soporte de radio tradicional y, con algunos elementos que también transmiten, formar un enlace de datos de ancho de banda muy alto . 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 cualquier radar podría generar. 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 los 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 se encuentren dentro del ancho de haz de la antena, mientras que, como la mayoría de los diseños de Wi-Fi, Link-16 transmite su señal de manera omnidireccional para garantizar que todas las unidades dentro del alcance puedan 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 con 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 un conjunto escaneado mecánicamente por 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 más amplio de cobertura total. [15] [16] Esta alta orientación hacia afuera del morro permite al caza equipado con AESA emplear una maniobra de cruce de la T , a menudo denominada "beaming" en el contexto del combate aire-aire, contra un radar escaneado mecánicamente que filtraría la 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 desviación de 60 grados del AESA. [17]
Con una distancia de media longitud de onda entre los elementos, el ángulo máximo del haz es de aproximadamente 10°. Con una distancia entre elementos más corta, el campo de visión (FOV) más alto para una antena de matriz en fase plana es actualmente de 120° (10 °), [18] aunque esto se puede combinar con dirección mecánica como se indicó anteriormente. [19] [20]
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 buque del último lote del destructor de clase Asagiri , botado en 1988.
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