Fundamentos Radar

Antena phased array

Figura 1: Izquierda: dos elementos de antena con la misma fase. Derecha: tienen una fase diferente.

Figura 1: Izquierda: dos elementos de antena con la misma fase. Derecha: tienen una fase diferente.

Antena phased array

Una antena phased array está formada por un conjunto de elementos radiantes, cada uno con un desfasador. La onda emitida por cada elemento interfiere con la de los demás. El haz se produce por la suma de las interferencias constructivas y puede orientarse en una dirección determinada variando la fase entre los elementos.
La figura 1 muestra dos elementos alimentados por un transmisor. A la izquierda, la onda emitida por los dos elementos tiene la misma fase y provoca interferencias constructivas que amplifican la señal en determinadas direcciones. En cambio, allí donde las ondas interfieren destructivamente, la señal es nula. El resultado es un haz principal orientado en dirección perpendicular a la línea que une los dos elementos, así como lóbulos secundarios.

Figure 2 : Déviation du faisceau,
gauche: ligne de visée, droite: déviation

Figura 2: Animación de la desviación del haz

En la misma figura de la derecha, la onda emitida por el elemento inferior se desfasa 22 grados antes que la anterior. En este caso, las zonas de interferencia constructiva se desplazarán hacia arriba. Observe que en ambos ejemplos no hay reflector en la imagen y que el lóbulo posterior es tan importante como el lóbulo principal anterior.

El lóbulo principal siempre apunta en la dirección del desplazamiento de fase positivo. Si los desfasadores electrónicos controlan este desplazamiento de fase, el operador puede cambiar a voluntad la dirección de emisión. Sin embargo, no puede superar ciertos límites. La mayor desviación que puede obtenerse del „cono de análisis“ de una antena controlada por red es de 120° (60° a cada lado del centro de la antena). Si consideramos una onda sinusoidal, el desplazamiento de fase puede calcularse fácilmente.

La siguiente figura muestra una matriz de elementos radiantes. Una arquitectura arbitraria da como resultado una antena que emite un haz similar al de un foco. En el caso de una antena que escanea electrónicamente, es importante que el cambio de fase sea coordinado y regular para lograr el escaneo angular. Por ejemplo, la antena AN/FPS-117  se compone de 1584 elementos radiantes montados de forma que se obtiene un haz pasivo, es decir, la señal que se desea transmitir se distribuye a un conjunto de módulos que comprenden un desfasador y un elemento radiante. Los dispositivos de amplificación de las señales transmitidas o recibidas se sitúan fuera de la antena. Las antenas más avanzadas utilizan arquitecturas que proporcionan un haz activo, es decir, los dispositivos de amplificación de las señales transmitidas están incluidos en la antena.

Arquitecturas posibles

Array lineal

Figura 3: Arreglo lineal de una antena phased array

Figura 3: Arreglo lineal de una antena phased array

Estas antenas están formadas por líneas paralelas de elementos radiantes, cada línea alimentada por un desfasador común.

• Ventaja: simplicidad
• Inconveniente: el haz sólo se desvía en una dirección.
• Ejemplos:
  • PAR-80 (sondeo horizontal)
  • AN/FPS-117  (sondeo vertical)
  • Antena de gran apertura en el plano vertical con un diagrama de emisión fijo.

Este tipo de antena phased array es muy común para la exploración en un solo eje, ya que la exploración en la otra dirección se realiza mecánicamente (por ejemplo, AN/FPS-117 ).

Figura 4: Antena de matriz plana

Figura 4: Antena de matriz plana

Antena de matriz plana

En la antena de matriz plana, todos los elementos radiantes tienen su propio desfasador. Se colocan según una rejilla matricial, formando un parche.

• Ventajas: El haz es orientable en dos ejes y puede ser activo o pasivo.
• Inconveniente: arquitectura y electrónica complicadas.
•   Ejemplos: AN/FPS-85  y Thomson Master-A 

Figura 5: Antena de barrido de frecuencias

Figura 5: Antena de barrido de frecuencias

Antena de barrido de frecuencias

Un caso especial de antena phased array es la antena de barrido de frecuencias (FRESCAN Radar). La dirección del haz se consigue cambiando la frecuencia del emisor utilizando una propiedad de la propagación de ondas en una guía de ondas. Normalmente, cada elemento radiante está alimentado por una guía de ondas en acordeón. La fase entre dos elementos es n·360° la frecuencia base.

Al cambiar la frecuencia, cambia el ángulo Θ_s entre el eje principal del haz y la normal a la antena. Este cambio se produce de la siguiente manera

• Si la frecuencia transmitida aumenta, el haz se desvía hacia arriba de la antena;
• Si la frecuencia disminuye, el haz se desvía hacia abajo.

Por lo tanto, un cambio en la frecuencia dará lugar a un barrido de elevación. El ordenador de control del radar almacena las frecuencias utilizadas y su orden, lo que permite al receptor visualizar los retornos en tres dimensiones. Cabe señalar que este método se utiliza a expensas de otros usos de la variación de frecuencia, como la compresión de impulsos.

Sistemas de alimentación

Cálculo del desplazamiento de fase

El desfase Δφ entre dos elementos es constante. Cuál debe ser su valor para obtener la dirección deseada?

Utilicemos una alineación de elementos emisores isentrópicos como la de la figura 6.

dirección principal

cambiadores de fase

Figura 6: Derivación gráfica del desfase

dirección principal

cambiadores de fase

Figura 6: Derivación gráfica del desfase

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• Δφ = desplazamiento de fase entre elementos sucesivos
• d = distancia entre elementos
• Θ_s = desviación de la viga

(3)