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Formación digital de haces

Suma analógica

Figura 1: Conformación analógica del diagrama de la antena

Suma analógica

Figura 1: Conformación analógica del diagrama de la antena

Formación digital de haces

Conformación analógica del diagrama de la antena

La formación analógica de haces (en inglés: Analogue Beamforming, ABF) consiste en que las señales recibidas de cada elemento de antena de un conjunto de antenas en fase se suman en fase y amplitud ya en la antena directamente en la frecuencia portadora de la señal transmitida para procesar una señal común en hasta cuatro receptores centralizados. Estos amplifican la señal y la convierten en una frecuencia intermedia o inmediatamente en la banda base. Los convertidores analógico-digitales (ADC) digitalizan la señal de FI o de vídeo.

Suma digital

Fig. 2: Conformación digital del diagrama de la antena

Suma digital

Fig. 2: Conformación digital del diagrama de la antena

Conformación digital del diagrama de la antena

La formación digital de haces (en inglés: Digital Beamforming, DBF) es una arquitectura de receptores en la que se conecta un receptor individual a cada elemento de antena o a pequeños grupos de antenas de la antena phased array. La conversión a un formato digital también se realiza individualmente para cada elemento de la antena. La suma se realiza digitalmente en un procesador especial. El ruido inherente y la distorsión de la señal en cada receptor individual están descorrelacionados en la suma.

Con esta configuración, se pueden realizar varios haces principales independientes apuntando en diferentes direcciones para cada tiempo de recepción. Otras ventajas de la conformación digital del diagrama de la antena son:

Si se utilizan conexiones inalámbricas a Internet para el control y la alimentación del reloj de los módulos de antena, se habla de formación de haces digital inalámbrica (en inglés: Wireless Digital Beamforming, WDBF). Esto lleva a la posibilidad de distribuir los elementos de la antena para formar un sistema de radar distribuido.

Figura 3: Módulo de transmisión/recepción modular normalizado (SMTRM) (Con la amable autorización de EADS Defence & Security Ulm)

Figura 3: Módulo de transmisión/recepción modular normalizado (SMTRM) (Con la amable autorización de
Cassidian Ulm, antes EADS Defence & Security)

Módulos modulares de transmisión/recepción normalizados (SMTRM)

En el corazón de la conformación digital del diagrama de la antena se encuentran pequeños módulos estandarizados que contienen elementos del amplificador de potencia de transmisión y de la ruta de recepción. Se denominan Módulos Modulares Estandarizados de Transmisión y Recepción (Standardised Modular Transmit-/Receive-Module, SMTRM®) y se fabrican en grandes cantidades. Estos módulos se utilizan simultáneamente como amplificadores de señal bidireccionales y para el control de fase y amplitud. Gracias a su diseño compacto, las pérdidas en la línea durante el procesamiento de la señal son bajas. Estos módulos de transmisión/recepción son versátiles y flexibles, por lo que pueden utilizarse no sólo para un tipo de radar, sino también en muchos tipos de radares que operan en la banda X, desde los radares terrestres, como el radar de guiado de misiles del complejo MEADS o el radar de vigilancia terrestre BÜR de las Fuerzas Armadas alemanas, hasta todo tipo de radares aéreos (por ejemplo, en el radar E-Captor del Eurofighter) y el radar espacial TerraSAR-X.

El SMTRM consiste en una placa de circuito hermética de 64,5 mm de largo, 13,5 mm de ancho y 4,5 mm de alto. En él hay un amplificador de potencia, un circulador de ferrita, un limitador/limitador, un preamplificador de bajo ruido y circuitos de control de ganancia y fase. Los elementos semiconductores, así como un circuito de control integrado especial desarrollado para esta tarea, denominado Circuito Integrado de Aplicación Específica ASIC, están diseñados en tecnología monolítica de arseniuro de galio (GaAs). Sin embargo, es probable que la refrigeración de muchos de estos módulos montados en un espacio reducido sea problemática.

Procesador de forma de haz

Esta posibilidad de organizar diferentes patrones de antena simultáneamente sólo ha sido posible con la tecnología de un receptor digital, porque sólo las señales digitales pueden copiarse tantas veces como se desee sin pérdidas. En la práctica, la señal recibida se convierte en una frecuencia intermedia (FI) y se digitaliza inmediatamente. Con una FI de 75 MHz, el convertidor analógico-digital requiere una frecuencia de muestreo de 100 MHz.

Fig. 4: Diagrama de bloques de un procesador de formación de haces

Fig. 4: Diagrama de bloques de un procesador de formación de haces

Fig. 4: Diagrama de bloques de un procesador de formación de haces

La figura 4 muestra un diagrama de bloques de un procesador de formación de haces típico. Cada antena individual de la antena phased array tiene su propio canal de recepción seguido de un convertidor analógico-digital, un convertidor digital descendente (DDC) y un filtro transversal especial (filtro de respuesta al impulso finito, FIR) para igualar la respuesta en frecuencia y ajustar el retardo de propagación individual en el canal de recepción para una correcta suma. Este filtro, también llamado filtro de respuesta al impulso finito, se sintoniza en un proceso especial de calibración. Para ello, se introduce una señal de prueba de RF que, o bien barre todo el canal (un cambio de frecuencia lineal en todo el ancho de banda), o bien se introduce ruido blanco durante un corto periodo de tiempo para este fin. En este filtro también se realizan las ponderaciones necesarias para suprimir los lóbulos laterales. Los datos del convertidor analógico-digital de todos los canales de recepción (en la imagen se supone que el número es 100 y corresponde al número de radiadores individuales de la antena) se introducen como señal compleja (I&Q) a través de una etapa de desplazamiento de fase en cualquier número de etapas de suma, cuyo número determina el número de posibles patrones de antena que se recibirán simultáneamente. El número M de direcciones de recepción generadas simultáneamente es del orden de 8 a 12 para los radares de reconocimiento aéreo con antena giratoria.