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Sistemas de alimentación para antenas phased array

Foto de una antena de radar aerotransportada típica: los diminutos elementos radiantes están montados línea a línea sobre una superficie circular.

Foto 1: Radar utilizado en el avión de combate Tornado

Antenas activas

Las antenas phased array activas son aquellas en las que la potencia de transmisión se genera directamente en la antena mediante muchos módulos transmisor-receptor de baja potencia. Algunos ejemplos son el radar utilizado en el Tornado, el AN/FPS-117 de la Defensa Aérea y el APAR APAR de la Armada.

Las antenas activas son antenas phased array, en las que, en lugar de una central de generación de potencia de alta frecuencia, a cada radiador individual se le asigna un amplificador de potencia, que está convenientemente situado directamente en el radiador, es decir, en la antena. Esto tiene la ventaja de que los desfasadores necesarios sólo tienen que procesar pequeñas potencias.

Esta antena de la imagen, por ejemplo, consta de 428 elementos radiadores activos. Las antenas activas se describen con más detalle en el capítulo Transmisor.

Antenas pasivas

Las antenas pasivas phased array se subdividen:

Antenas pasivas phased array
Alimentación por radiación
Alimentación por línea
Tipo transmisión
Tipo reflexión
en serie
en paralelo
Antenas pasivas phased array
Alimentación por radiación
Alimentación por línea
Organigrama: Clasificación de las antenas phased array pasivas.
Las antenas pasivas phased array se dividen en alimentadas por radiación (que a su vez se dividen en tipo transmisión y tipo reflexión) y alimentadas por línea (que a su vez se dividen en alimentadas en serie y alimentadas en paralelo).
passive Phased Array Antennen
Alimentación por radiación
Alimentación por línea

La alimentación por línea es, con mucho, la forma más común de alimentar una antena pasiva phased array. Para la alimentación por línea, se necesita un circuito de guía de ondas o una red estriada para distribuir la potencia generada centralmente a los elementos individuales (ejemplo: PAR-80).

Un método menos utilizado es la alimentación por radiación, en la que la superficie de la antena se irradia con la potencia de transmisión a través de un radiador de bocina. A continuación, ésta es captada por pequeñas antenas distribuidas en una zona, influenciada en fase y luego reemitida. (Ejemplo: Patriot).

Figura 2: Alimentación en serie de los elementos radiantes

La imagen muestra la alimentación en serie de los elementos radiantes de una antena phased array: todos los elementos radiantes están conectados a una línea de alimentación a una distancia determinada pero siempre igual entre sí.

Figura 2: Alimentación en serie de los elementos radiantes (imagen interactiva)

Alimentación en serie de una antena pasiva

En la alimentación en serie de antenas phased array, los elementos radiantes reciben la potencia de transmisión uno tras otro. Al ajustar los desfasadores debe tenerse en cuenta el desplazamiento de fase creciente debido a la mayor longitud de la línea de alimentación. Un cambio de frecuencia no es posible con una alimentación en serie.

Si, a pesar de todo, se realiza un cambio de frecuencia, el ordenador también debe volver a calcular el desplazamiento de fase (o, en la práctica, utilizar una tabla de ángulos de fase diferente).

El desacoplamiento de la línea de alimentación se realiza mediante acopladores direccionales, que se ajustan de tal forma que sólo se desacopla una parte determinada de la potencia total. A menudo, el tamaño de esta parte se determina según un esquema determinado, por ejemplo según una distribución gaussiana o binomial. Esta distribución de potencia influye en el tamaño de los lóbulos laterales del diagrama de la antena.

Figura 3: Alimentación en paralelo de elementos radiantes

El gráfico muestra la alimentación paralela de los elementos radiantes de una antena phased array. La línea de alimentación se divide continuamente en dos líneas, de modo que al final todos los radiadores (de dos en dos) reciben la misma potencia y la misma fase.

Figura 3: Alimentación en paralelo de elementos radiantes (imagen interactiva)

Alimentación en paralelo de una antena pasiva

Con la alimentación en paralelo de antenas phased array, la potencia de transmisión se divide por igual en fase en cada nodo. Cada elemento radiante tiene una línea de alimentación de la misma longitud y, por tanto, es independiente de la frecuencia. Al final, 2n radiadores reciben todos la misma cantidad de potencia en la misma fase.

Por tanto, los cambios de frecuencia no afectan a las diferencias de fase. Esto tiene la ventaja de que el ordenador puede ignorar la longitud de las líneas de alimentación al calcular el desplazamiento de fase y que aumenta el ancho de banda de la línea de alimentación a la antena. Esto es una ventaja para la agilidad de la frecuencia y permite la diversidad de frecuencias y la compresión de impulsos.

Alimentación por radiación con tipo de transmisión
Laufzeitdifferenz

Figura 4: Alimentación por radiación con tipo de transmisión

El diagrama muestra la función de una antena phased array como tipo de transmisión.
Diferencia de tiempo de tránsito

Figura 4: Alimentación por radiación con tipo de transmisión (imagen interactiva)

Una antena phased array con alimentación por radiación tiene la ventaja de que la distribución de potencia a los radiadores individuales ya está diferenciada por el radiador de bocina. Las regiones centrales reciben una iluminación más intensa, mientras que las regiones periféricas reciben una iluminación más débil según una distribución gaussiana. Esta distribución de potencia reduce los lóbulos laterales del diagrama de antena. El tipo de transmisión es un tipo de alimentación por radiación en el que la superficie de la antena se ilumina desde atrás a través del radiador de bocina con la potencia de transmisión. A continuación, ésta es captada por pequeñas antenas, influenciada en fase y luego re-radiada.

Sin embargo, el espacio situado detrás de la antena phased array queda obstruido por el campo de alimentación. Por otra parte, el radiador de bocina no está situado delante de la antena para formar sombras. Las diferencias de tiempo de propagación entre los radiadores individuales son mayores cuanto más cerca está montado el radiador primario del campo de la antena. Estos tiempos de tránsito deben tenerse en cuenta en el control del desfasador. (Por ello, este tipo de antena se asemeja más a un alimentador en serie en cuanto al control y, por tanto, también tiene sus limitaciones en cuanto al ancho de banda de la antena).

El complejo de misiles de defensa antiaérea Patriot utiliza una antena phased array como tipo de transmisión.

En la gama de ondas milimétricas, el tipo de transmisión está experimentando un renacimiento mediante el uso de un pequeño chip de radar con una antena integrada como radiador primario.

Alimentación por radiación con tipo de reflexión
Reflector

Figura 5: Alimentación por radiación con tipo de reflexión

El diagrama muestra el funcionamiento de una antena phased array como tipo reflexión.
Reflector

Figura 5: Alimentación por radiación con tipo de reflexión (imagen interactiva)

El tipo de alimentación por reflexión es un tipo de alimentación por radiación en el que la superficie de la antena se ilumina frontalmente a través de una bocina de alimentación con la potencia de transmisión. A continuación, ésta es captada por pequeñas antenas, influenciada en fase, reflejada en un plano de reflexión, influenciada de nuevo por los desfasadores y reemitida. (Ejemplo: AN/APQ-140)

Con el tipo de reflexión, hay suficiente espacio detrás de la antena para acomodar todos los circuitos (por ejemplo, control del cambiador de fase, fuente de alimentación, etc.). El radiador de bocina interfiere con esto. Exactamente en la mejor dirección de radiación (en el centro) no sólo forma una sombra, sino que también recogería de nuevo la energía reflejada, lo que crearía una onda estacionaria en el sistema de alimentación.

Pero debe estar en algún lugar en el medio, de lo contrario habrá diferentes tiempos de propagación a los elementos radiadores. Si se aceptan estos diferentes tiempos de propagación y se tienen en cuenta a la hora de controlar los desfasadores, el radiador de bocina puede montarse fuera de la dirección del haz, como en el caso de una antena offset. En este caso, incluso es posible utilizar diferentes radiadores de bocina para la transmisión y la recepción conmutando el control del desfasador, desacoplando así el trayecto de transmisión del trayecto de recepción. Con este tipo de control de desplazamiento de fase, la antena asumiría además la función de conmutador de transmisión-recepción.