ESPECIALIZACION PROFESIONAL TECNICA POR ORIENTACION DE MISILES

(COT 10)

ASIGNATURA

DOCENTE: T1 COT(10) NICOLÁS CUYA MOTTA MICROONDAS

2014

RADARES

ANTECEDENTES DURANTE LA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL

• Año 1940, Gran Bretaña se inventó el Magnetrón de cavidades resonantes a cargo de un equipo de investigación de la Universidad de Birmingham, dirigido por los físicos BOOT y RANDALL.

• Año 1941, se fabricó el radar a la banda de Ondas Centimétricas, lo que se mejoró en precisión y permitió la construcción de equipos aptos para ser instalados en buques y aviones.

• A principios de 1944 se puso en servicio un radar de vigilancia en banda de 3000 MHz.En la actualidad existe múltiples radares, que trabajan en frecuencia mucho mayor y además tienen acondicionado un software a fin de hacer múltiples funciones para ayudar a la navegación.

INTRODUCCION A RADARES

• La palabra Radar la introdujo la Marina de los EE.UU. en 1940.Es la abreviaciónRadio Detection And RangingDetección de objetos y medida de sus distancias por medio de la radio

• DEFINICION.-Es un sistema de deteccion de obstáculos y medida de distancias, mediante la utilización de ondas electromagnéticas. El sistema se basa en que la energía electromagnética radiada por un transmisor se refleja en los obstáculos que encuentra a su paso. Mediante la recepción de la energía reflejada y la medida del tiempo transcurrido entre la emisión y la recepción se puede conocer la distancia a que se encuentra, respecto del transmisor, el obstáculo que dio lugar a la reflexión o eco.

Los sistemas de radar emplean dos tipos básicos de transmisión de energía: la de pulsación y la de onda continua (CW). El principio básico del Radar de pulsación es que el transmisor emite ondas radiales en una serie de pulsaciones cortas, potentes, y después queda inactivo durante el resto del ciclo. Durante el período de descanso del transmisor pueden recibir señales de eco, cuya duración puede determinarse para calcular la distancia hasta la superficie reflectora.

En el radar de onda continua (CW) en cambio, el transmisor emite una señal más o menos continua, formando el cambio de la serie ininterrumpida de ondas transmitidas, si encuentra una superficie inmóvil la frecuencia de la señal reflejada será igual a la de la señal transmitida; si la superficie esta en movimiento, la frecuencia del eco reflejado será distinta de la de la señal transmitida, y la diferencia de frecuencias puede utilizarse como indicación de movimiento del blanco. En la transmisión de CW es necesario que se produzca un movimiento, que puede ser del radar o del blanco, para indicar la presencia del blanco.

CLASE DE RADARES

Radares Primarios.- Este grupo es llamado primario ya que su función es la de detectar e indicar distancia. Este grupo se puede subdividir en:• Radares de Pulso.-

Este Radar transmite energía electromagnética durante un tiempo corto y luego, recepciona los ecos de retorno por un periodo de tiempo largo, después de esto, el ciclo se repite.Este radares son utilizados para navegación, búsqueda de blancos y en radares de seguimiento.

FORMA DE ONDA EN UN RADAR DE PULSOS

Tx 1

Tx 2

Rx

Los radares de pulso se pueden dividir en diferentes grupos de acuerdo a sus parámetros y el uso que se les dé

Uso del Radar Alcance Km.

Frec. GHz

l cm.

Largo Alcance 500 1 25

Medio Alcance 200 3 10

Control de Tiro 50 9 3

Navegación 20 9 3

Control de Tráfico áereo 10 40 0.8

• Radares de Onda Continua (CW).- Estos radares transmiten energía continuamente, en algunos casos ésta energía es modulada (FM). Un Radar de Onda Continua es utilizado para medir la velocidad de un blanco y los radares de CW en Frecuencia Modulada son utilizados para medir alturas o en guiados de misiles.

ONDA CONTINUAMODULADO EN FRECUENCIA (FM)

Radares Secundarios.- En éstos radares no se utilizan las reflexiones. La energía transmitida es recibida por un receptor en el blanco; en respuesta a ésta, el blanco transmite energía que a su vez es recibida por el radar. Esta acción es utilizada en sistemas de IFF (Identification Friend or Foe) Identificación Amigo o Enemigo.

EL RADAR DE PULSOS

El radar de pulso es un dispositivo de transmisión y recepción que opera generando una serie de pulso sincronizados de Radio Frecuencia (RF) con el fin de localizar blancos.

RADARTx

Rx

La distancia del Radar al blanco se puede calcular a partir de la siguiente ecuación:

Donde:C : Velocidad de propagación de las ondas Electromagnéticas

en el espacio 3 x 108 m/seg.t : Es el tiempo de ida y vuelta del pulso de transmisión en

segundos.R : Es el alcance o distancia del blanco al radar en metros.

CR = t

2

ESQUEMA BASICO DE UN RADAR A PULSOS

TIMER

SINCRONISMO

MODULADOR

INDICADOR

TX

TR

RECEPTOR

ANTENATx

Rx

• TIMER.- • Sincroniza la pulsación del transmisor con la iniciación del

tiempo básico en la unidad indicadora (PPI). Determina cuando el transmisor debe transmitir y como las otras funciones del sistema se relacionan al tiempo de transmisión.

• TRANSMISOR.-Genera energía de RF en forma de pulsos de alta potencia por medio de un oscilador (magnetrón) controlado por un modulador.

• MODULADOR.-Envía impulsos de alta tensión y potencia al magnetrón.

• TR.-Se encarga de seleccionar la parte de transmisión de la recepción con la finalidad de no dañar al receptor durante la transmision, funciona como un conmutador.

• ANTENA.-Se encarga de irradiar al espacio la RF proveniente del transmisor y recibe la energía del eco de retorno y la envía al receptor.

• RECEPTOR.-Amplifica las pulsaciones de eco y produce una salida de pulsaciones de video amplificadas que se envían al indicador.

• INDICADOR.-Provee la representación visual de la información del radar.

Tipos de presentación de radar

FUNCIONAMIENTO DE DIAGRAMA EN BLOQUEEl transmisor genera energía electromagnética (RF) en forma de pulsos de alta potencia previamente moduladas para luego ser enviadas a la antena a través de la línea de transmisión (guía de onda) y posteriormente al espacio; durante la transmisión y recepción el TR es el encargado de seleccionar y proteger al receptor de los impulsos de alta potencia provenientes del transmisor que los pueda dañar, así mismo a través de él ingresa la señal de retorno (eco) que dejará pasar a los circuitos de la unidad receptora que amplificará y procesará las señal para entregarla en forma de video (visual) para su presentación en el indicador PPI.

ALCANCE MAXIMO Y MINIMO DEL RADAR

En la figura anterior tenemos dos parámetros importantes sobre el alcance máximo del radar

TrRmax = C

2

TrTr

PWPW

Pero también sabemos que Tr = 1 / PRF y el alcance máximo también puede calcularse así:

1 CRmax =

2 PRF

El alcance mínimo del radar esta determinado por el ancho de pulso (PW)

CRmin =

2

PROBLEMASDeterminar el alcance máximo y mínimo de un radar que transmite pulsos de 3 Seg. de ancho y una PRF de 200 Hertz.SOLUCION:PW : 3 Seg.PRF : 200 pps (Hertz)Tr : 0.005 Seg.

Tr 0.005* Rmax = C ------- = 3x108 --------

2 2

Rmax = 750 Km.

1 C 3 x 108 * Rmax = --- ------ = 0.5 -----------

2 PRF 200

Rmax = 750 Km.

C 3 x 108 * Rmin = ----- = ----------- (3 x 10-6) 2 2

Rmin = 450 m.

APLICACIÓN DE LOS RADARES

• RADARES DE NAVEGACION.- que proporciona información acerca de la distancia y dirección de los objetos que rodean al buque ó aeronave portador del sistema hasta una distancia de 50 millas náuticas con elevado grado de precisión, son utilizados netamente en aviones de combate, aviones comerciales, buques de guerra, yates

• RADADES DE VIGILANCIA Y METEREOLOGIA.- que proporcionan la información sobre la presencia de objetos ó lluvias y tormentas con un alcance del orden de las 250 MN

son utilizados en zonas estratégicas para detectar cualquier condición meteorológica, para detectar cualquier tipo de amenaza a largo alcance, para el control y supervisión de tráfico aéreo en aeropuertos

• RADARES DE CONTROL DE TIRO.- que siguen automáticamente a un blanco determinado acondicionado a un sistema de armas, no solo debe localizar objetos sino además identificarlos, determinar su trayectorias y predecir su objetivo final con alto grado de precisión utilizado netamente en buques de guerra y aeronaves de combate.

• POLARIZACIONEs el sentido en el que viaja el campo eléctrico. El cambio de polarización se usa para condiciones del tiempo y condiciones de perturbación.

• FRECUENCIA:Indica el número de ciclos que suceden en un segundo.

CICLO

FRECUENCIA DE REPETICIÓN DE PULSOS (PRF):Es el número de pulsos que el radar transmite en un segundo, se expresa en pulsos por segundo también en Hertz.El tiempo debe ser suficiente para que el pulso transmitido pueda retornar desde el blanco. A mayor PRF se tiene una alta precisión (mejor discriminación) y corto alcance.

PRF = 1/TrTr

• ANCHO DE PULSO (PW):Es la cantidad de energía electromagnética que es transportada en un pulso. Es decir el tiempo en que se mantiene activo el transmisor. Se da en Microsegundos (seg).

Tx1Tx2

ANTENAS DE

MICROONDAS

INTRODUCCION

En esencia, una antena es un sistema conductor metálico capaz de radiar y recibir ondas electromagnéticas, y una guía de onda es un tuvo metálico conductor por medio del cual se propaga energía electromagnética de alta frecuencia, por lo general entre una antena y un transmisor, un receptor, o ambos. Una antena se utiliza como la interfase entre un transmisor y el espacio

libre o el espacio libre y el receptor. Una guía de onda, así como una línea de transmisión, se utiliza solo para interconectar eficientemente una antena con el transceptor.

Una antena acopla energía de la salida de un transmisor a la atmósfera de la Tierra o de la atmósfera de la Tierra a un receptor.

Una antena es un dispositivo recíproco pasivo; pasivo en cuanto a que en realidad no puede amplificar una señal, por lo menos no en el sentido real de la palabra (sin embargo, una antena puede tener ganancia), y recíproco en cuanto a que las características de transmisión y recepción son idénticas, excepto donde las corrientes de alimentación al elemento de la antena se limitan a la modificación de patrón de transmisión.

CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS DE MICROONDAS

Entre las principales características de las antenas podemos encontrar:

Ganancia

Diagrama o patrón de radiación

Ancho del haz

Impedancia de entrada

Polarización

Ancho de banda

Directividad

Ganancia de una antena

Definimos a la ganancia de la antena como el cociente entre la cantidad de energía irradiada en la dirección preferencial y la que irradiaría una antena isotrópica alimentada por el mismo transmisor. Este número lo expresamos en decibelios con relación a la isotrópica y por ende se denota en dBi.

Ganancia de una antena

La ganancia respecto a la antena isotrópica se expresa en dBi.También se puede expresar la ganancia con respecto a un dipolo de media onda, denominada entonces dBd.

Diagrama de radiación

El diagrama de radiación o patrón de radiación es una representación de la potencia de la señal trasmitida en función del ángulo espacial.

Es un objeto tridimensional.

Por comodidad, se suele graficar aparte la proyección en el plano horizontal y en el plano vertical.

Diagrama de radiación

Diagrama de radiación

Se representan de forma bi-dimensional en dos planos, el vertical y el horizontal, estos planos son presentados en coordenadas rectangulares o en coordenadas polares como se muestra a continuación:

Un Dipolo Antena de bocinaestándar

Coordenadas Polares

Coordenadas Rectangulares

Antena Isotrópica

Es la que irradia (o recibe) desde todas las direcciones con la misma intensidad. Aunque es físicamente irrealizable, el concepto de antena isotrópica se utiliza como modelo de comparación con las antenas reales. Como irradia con igual eficacia en todas direcciones, decimos que su diagrama o patrón de radiación es una esfera.

Antena Isotrópica

Un ejemplo de lo que se aproxima a una antena isotrópica es la luz producida por un foco, que se proyecta en todas direcciones con la misma intensidad, excepto en la base del bombillo.Cuando al foco le ponemos un reflector, lo convertimos en una antena directiva, pues en la dirección perpendicular al reflector habremos aumentado la iluminación, mientras que en la parte trasera del reflector se habrá bloqueado la iluminación.

Ancho del haz (beamwidth)

El ancho del haz (beamwidth) es el ángulo subtendido por la radiación emitida entre los puntos en que la potencia disminuye a la mitad (3 dB).

Impedancia de entrada

Es el cociente entre el voltaje aplicado a los terminales de entrada y la corriente resultante.En general tiene una parte resistiva y una parte reactiva.

Impedancia de entrada

Para máxima transferencia de potencia, la impedancia de la antena debe estar acoplada a la de la línea de transmisión que la alimenta.

Polarización de antena

La polarización de una antena corresponde a la dirección del campo eléctrico emitido por una antena.Esta polarización puede ser:

Vertical

Horizontal

Elíptica, Circular (RH o LH)

Polarización de antena

Si el campo eléctrico permanece en la dirección vertical durante toda la trayectoria de una onda decimos que tiene polarización vertical, como es el caso de un dipolo donde el movimiento de los electrones dentro del alambre responde al campo eléctrico y por lo tanto define la Polarización.

Vertical

Polarización de antena

Si colocamos el alambre horizontalmente, tendremos polarización horizontal.

Horizontal

Polarización de antena

Elíptica

Un caso particular de la polarización elíptica es la polarización circular la cual puede ser hacia la derecha o hacia la izquierda.Es importante que ambos extremos de un enlace utilicen el mismo sentido de giro en polarización circular. Las antenas helicoidales producen señales con polarización circular.

Polarización de antena

Cruzada

Ambas antenas de un enlace deben tener la misma polarización para poder acoplarse adecuadamente.La polarización cruzada tiene lugar cuando un extremo del enlace tiene polarización diferente del otro extremo. La polarización cruzada implica una pérdida de señal que puede alcanzar 20 decibeles.

Ancho de banda

Es el rango de frecuencias en el cual la antena cumple con ciertas características, tales como ganancia o relación de onda estacionaria, garantizando así su funcionamiento adecuado.

Directividad

Es la relación entre la densidad de potencia radiada en la dirección de máxima radiación, a una cierta distancia r y la potencia total radiada dividida por el área de la esfera de radio r. La directividad se puede calcular a partir del diagrama de radiación. La ganancia de una antena es igual a la directividad multiplicada por la eficiencia.

Tipos de antenas

Una antena es un dispositivo formado por un conjunto de conductores que, unido a un generador, permite la emisión de ondas de radio frecuencia, o que, conectado a una impedancia, sirve para captar las ondas emitidas por una fuente lejana para este fin existen diferentes tipos

Antena de cuadro Antena parabólica o reflector Antena lineal Antena multibanda Antena dipolo de media onda Antena yagi Antena VHF y UHF

Antena de cuadro

Antena de escasa sensibilidad, formada por una bobina de una o varias espiras arrolladas en un cuadro, cuyo funcionamiento bidireccional la hace útil en radiogoniometría.

Antena de reflector o parabólica

Las antenas reflectoras parabólicas proporcionan una ganancia y una directividad extremadamente altas y son muy populares para los radios de microondas y el enlace de comunicaciones por satélite. Una antena parabólica se compone de dos partes principales: un reflector parabólico y elemento activo llamado mecanismo de alimentación. En esencia, el mecanismo de alimentación aloja la antena principal (por lo general un dipolo o una tabla de dipolo), que irradia ondas electromagnéticas hacia el reflector. El reflector es un dispositivo pasivo que solo refleja la energía irradiada por el mecanismo de alimentación en una emisión concentrada altamente direccional donde las ondas individuales están todas en fase entre sí (un frente de ondas en fase).

Antena lineal

La que está constituida por un conductor rectilíneo, generalmente en posición vertical.

Antena multibanda

La que permite la recepción de ondas cortas en una amplitud de banda que abarca muy diversas frecuencias.

Antena Dipolo de media onda

Está formada por dos trozos de material conductor, cada uno de un cuarto de longitud de onda. Si se conecta a la línea de alimentación por el centro, la distribución de corriente y de voltaje es simétrica y ofrece una impedancia de 72 ohmios.Este tipo de antena forma la base de muchas otras, y puede utilizarse para polarización horizontal o vertical, dependiendo de como se disponga.

Antena Yagi

Una antena Yagi consiste en una antena de dipolo a la cual se le añaden unos elementos llamados "parásitos" para hacerlo direccional. Estos elementos pueden ser directores o reflectores.Los elementos directores se colocan delante de la antena y refuerzan la señal en el sentido de emisión.Los elementos reflectores se colocan detrás y bloquean la captación de señales en la dirección opuesta al emisor.

Antena Yagi

1 : Elemento conductor2 : Reflectores3 : Guías de ondas4 : Cable

Antenas VHF y UHF

Para clasificar las ondas de radio se toman como medida los múltiplos de diez en la longitud de onda. Por lo tanto las ondas de VHF tienen una longitud de onda entre 1 Metro y 10 Metros mientras que las de UHF tienen una longitud de entre 10 Centímetros y un Metro. Como la relación es que la frecuencia es igual a la velocidad de la luz (misma velocidad que la de propagación de las ondas electromagnéticas, aproximadamente 300.000 Km./h) dividida por la longitud de onda, entonces tenemos que la banda de VHF va desde los 30 MHz a los 300 MHz y la de UHF va de los 300 MHz. a los 3 GHz