Radar de varredura eletrônica

O radar de varredura eletrônica (ESA) foi o maior salto dos radares aeroembarcados desde o incremento da capacidade lookdown/shootdown (olhar e atirar para baixo) nos anos 70. Hoje, o ESA encontra-se operacional nos principais e mais avançados caças de linha frente, melhorando consideravelmente a capacidade de rastreamento contra alvos espaçados e com pequena assinatura radar.


  Por: Ricardo N. Barbosa*


I – INTRODUÇÃO

Radar é um sistema que transmite uma onda eletromagnética em uma certa direção e detecta essa mesma onda refletida por um obstáculo em seu caminho. Na sua forma mais rudimentar, um radar consiste em cinco elementos: um transmissor de rádio, um receptor de rádio ajustado à frequência do transmissor, duas antenas e uma tela. Para detectar a presença de um objeto (alvo), o transmissor gera ondas de rádio, que são irradiadas por uma das antenas. O receptor, enquanto isso, escuta os “ecos” dessas ondas, que são captados pela outra antena. Se um alvo for detectado, um blip indicando sua localização aparece na tela. Na prática, o transmissor e o receptor geralmente compartilham uma antena comum – uma arquitetura chamada de “radar monostático” 

Para que o radar possa diferenciar entre alvos em direções diferentes, bem como detectar alvos em intervalos maiores, a antena concentra a energia irradiada em um feixe estreito, um cone de aproximadamente 3° em azimute e elevação (3° x 3°) nos radares de aeronaves de caça. Para encontrar um alvo, o feixe é sistematicamente varrido pela região em que o alvo é esperado aparecer. O radar pode valer-se de dois tipos de varredura para movimentar o feixe e varrer uma região – mecânica ou eletrônica.

O campo de observação (FoR – field of regard) (limite máximo de varredura) dos radares de caça normalmente é de 120° (±60° off-boresight) no eixo lateral e vertical, ou seja, a antena no radome irá mover-se lateralmente (azimute) ou verticalmente (elevação) até o limite de 60° para qualquer dos lados. O campo de visão (FoV – field of view) será o cone de varredura escolhido dentro do campo de observação, normalmente varia de 20° até o batente de 120° (±60° off-boresight) do FoR. Os FoVs mais estreitos aumentam o alcance de detecção do radar, porém diminuem a consciência situacional, o piloto deve equilibrar esses dois compromissos antagônicos. (Mais detalhes sobre a arquitetura e funcionamento do radar aqui).

II – Radares de Varredura Mecânica (MSA)

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Os radares com matriz de varredura mecânica (MSA – Mecanic Scanned Array) equipam as aeronaves de combate desde a concepção dos radares aeroembarcados, eles necessitam movimentar mecanicamente a antena para deslocar o feixe de onda e assim varrer o espaço à sua frente. A articulação que movimenta o antena MSA é uma fonte potencial de problemas, ela diminui o tempo médio entre falhas do radar. Até o hoje, a maioria dos radares das aeronaves de caça são do tipo MSA.

III – Radares de Varredura Eletrônica (ESA)

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A melhoria das capacidades do radar acompanhou a evolução tecnológica nos últimos 50 anos. Após melhorias contínuas no tubo de força na primeira era dos radares, o processamento digital do sinal fez a primeira ruptura tecnológica nos anos 70, permitindo a rejeição da desordem e a capacidade de “olhar” para baixo. Então os processadores de sinais programáveis abriram caminho para os radares multifuncionais. Hoje existe uma nova ruptura com a implantação do radar de varredura eletrônica (ESA – Electronic Scanned Array).

As antenas com feixe direcionado eletronicamente, as ESAs, foram empregadas em radares baseados na superfície desde a década de 1950. Mas, devido à sua maior complexidade e custo, elas foram lentas para substituir as antenas mecanicamente direcionadas em aplicações aéreas. No entanto, com o advento de aeronaves com seção transversal de radar – “assinatura radar” – extraordinariamente baixa e a necessidade urgente de extrema agilidade de feixe, nos últimos anos os designers de aviônica deram mais atenção às antenas ESA do que a qualquer outro conceito de radar avançado.

Nos radares baseados na superfície, essas antenas foram chamadas de “phased arrays ou matriz em fase” – um nome que foi transferido para aplicações aéreas. Esse tipo de radar ou antena são frequentemente chamados de radares ou antenas com “varredura eletrônica”, ou com “matriz direcionada eletronicamente”.

Uma antena ESA difere-se de uma antena orientada mecanicamente em dois aspectos fundamentais:

  1. Pode ser montada em uma posição fixa na estrutura da aeronave.
  2. O seu feixe é dirigido controlando individualmente a fase das ondas de rádio transmitidas e recebidas por cada elemento emissor. Elementos emissor são as pequenas antenas no prato do radar que juntas formam uma matriz de emissão. Uma antena ESA de um caça na verdade é formada por milhares de pequenas antenas ou elementos emissores.

Radares ESA movimentam seu feixe eletronicamente através da interferência de onda criada pela diferença de fase nos elementos emissores. Um processador digital, denominado Controlador de Direção de Feixe (BSC – beam steering controller), traduz a deflexão desejada no feixe de onda em comandos de fase para os elementos emissores individuais, dessa forma é possível projetar uma antena fixa e sem as complexas articulações que movimentam os radares MSA. Alguns modelos ESA ainda usam o movimento físico da antena para aumentar ainda mais o seu campo de observação, vide  o N135 do Su-35S.

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O ESA é montado em uma posição fixa. O feixe de onda é direcionado controlando-se individualmente a fase da onda transmitida individualmente por cada elemento emissor.

1. Vantagens do ESA sobre o MSA

O radar ESA oferece uma série de vantagens em comparação com sistemas de antenas direcionadas mecanicamente:

  • Agilidade do feixe;
  • Desempenho e funcionalidades aprimorados;
  • Aumento da resistência ECCM;
  • Alta disponibilidade;
  • Recursos LPI/LPD aprimorados.

As três vantagens principais do ESA em relação ao MSA são: Eles facilitam a minimização do RCS da aeronave. Eles permitem a extrema agilidade do feixe. E eles são altamente confiáveis.

Facilitando a redução do RCS: Em qualquer aeronave que deve possuir um RCS baixo, a instalação de uma antena de radar é uma preocupação crítica. Até mesmo um MSA com antena plana e comparativamente pequena pode ter um RCS de vários milhares de metros quadrados quando sua antena é iluminada, lembrar que o radome é transparente a algumas frequência, dessa forma o “prato” da antena vai refletir fortemente. Como uma antena MSA está em movimento contínuo através de sua articulação, a contribuição das reflexões da antena para o RCS da aeronave não pode ser facilmente reduzida. Com uma antena ESA, que é fixa em relação à estrutura da aeronave, a antena pode ser inclinada, refletindo as ondas para uma região diferente do radar adversário iluminante.

Extrema agilidade de feixe: Como nenhuma inércia deve ser superada para direcionar o feixe da antena ESA, o mesmo é muito mais ágil do que o feixe de uma antena MSA. Para entender a diferença, considere algumas das magnitudes típicas. A velocidade máxima na qual uma antena MSA pode ser direcionada, daí a agilidade do seu feixe, é limitada pela potência dos motores de sua articulação, entre 100 e 150 graus por segundo. Além disso, para mudar a direção do movimento do feixe leva aproximadamente um décimo de segundo. Em contrapartida, o feixe da antena ESA pode ser direcionado em qualquer lugar dentro de um cone de ± 60 graus em menos de um milésimo de segundo!

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Para levar o feixe de onda de um alvo para separados por 100°, um MSA levaria cerca de um segundo. Um ESA poderia fazer isso em menos de um milissegundo.

Esta extrema agilidade tem muitas vantagens. Permite:

  • Os mísseis orientados pelo radar da aeronave podem ser direcionados contra alvos iluminados ou rastreados fora do volume de pesquisa selecionado naquele momento, desde que dentro do campo de observação máximo de ±60°;
  • Tempo de permanência em cada alvo pode ser otimizado individualmente para atender às necessidades de busca e rastreamento;
  • Técnicas de detecção sequencial podem ser usadas, aumentando significativamente o alcance de detecção e rastreamento. Uma forma de onda de alta energia e baixa resolução é usada para detecção primária. Quando um alvo potencial é detectado, uma forma de onda de longa duração e alta resolução é apontado para ele para confirmar a detecção e iniciar o rastreamento.
  • O rastreamento pode ser estabelecido no instante em que um alvo é detectado. O alcance de rastreamento é equivalente ao alcance de detecção. Em radares MSA o alcance de rastreamento é cerca de 30-40% inferior ao alcance de detecção.
  • A mesma precisão de rastreamento contra um único alvo pode ser obtida contra múltiplos alvos;
  • A capacidade de seguimento do terreno pode ser melhorada drasticamente;
  • A agilidade do feixe permite o funcionamento simultâneos dos diferentes modos do radar, tais como o seguimento do terreno em baixa altitude para evitar a colisão contra o solo, enquanto faz vigilância ar-ar e rastreamento para proteger o caça contra ameaças aéreas. Radares MSA utilizam um único modo por vez;
  • Interferência eletrônica pode ser empregada em qualquer lugar dentro do campo de observação da antena, ou seja, o radar pode funcionar como um jammer.

Essas capacidades deram origem a uma abordagem totalmente nova, altamente versátil e eficiente para alocar recursos de processamento e para controlar e entrelaçar os vários modos de operação do radar.

Alta confiabilidade: Os ESA eliminam completamente a necessidade de um sistema cardan, motores de direção e juntas rotativas – todas as quais são possíveis fontes de falha. Em um ESA passivo, os únicos elementos ativos são os defasadores, mas deslocadores de fase de alta qualidade são incrivelmente confiáveis. Além disso, se eles falharem aleatoriamente, cerca de 5% podem falhar antes que o desempenho da antena seja degradado o suficiente para justificar a sua substituição.

2. Principais limitações do ESA

Juntamente com suas muitas vantagens, o ESA complica o design de um radar em duas áreas que são tratadas de maneira relativamente simples em um MSA: (a) alcançar um amplo campo de observação e (b) estabilizar o feixe de onda nas mudanças de atitude das aeronaves.

Alcançar um amplo campo de observação: Com um MSA, em qualquer quadrante que o radome forneça uma visibilidade desobstruída, o campo de observação da antena pode ser aumentado sem prejudicar de forma alguma o desempenho do radar. Com um ESA, no entanto, à medida que o feixe de onda é afastado da linha central, a largura do feixe aumenta e o ganho da antena diminui.  

Dependendo da aplicação, a queda no ganho pode ser compensada em certa medida, aumentando o tempo de permanência do feixe nesses setores – às custas da redução da eficiência da digitalização. Mesmo assim, o campo máximo de observação é geralmente limitado a cerca de ± 60° em relação à linha central da antena.

Embora a cobertura de ± 60° seja adequada para muitas aplicações, uma cobertura mais ampla pode ser desejável, nesse caso mais de um radar ESA pode ser utilizado – a um custo adicional considerável. Em uma configuração possível, uma matriz principal voltada para a frente é complementada com duas matrizes menores de “bochechas”, estendendo o campo de observação em ambos os lados, essa solução foi adotado pelo caça russo Sukhoi Su-57. 

Estabilização de Feixe. Com um MSA, a estabilização do feixe não é um problema, a antena é montada em gimbals e escravizada na direção de direcionamento do feixe desejada em coordenadas espaciais, se a antena e os gimbais forem dinamicamente balanceados, esse sistema isolará efetivamente a antena das mudanças de atitude da aeronave. 

Com um ESA, a estabilização não é tão simples. Como a matriz está fixada na estrutura da aeronave, todas as mudanças na atitude da aeronave – seja em rolagem, inclinação ou guinada – devem ser inerentemente detectadas e compensada de forma eletrônica. Comandos de fase para direcionar a mudança devem ser calculados para cada elemento emissor, e esses comandos devem ser transmitidos para os deslocadores de fase da antena ou módulos T/R e executados. Todo o processo deve ser repetido a uma taxa alta o suficiente para acompanhar as mudanças de atitude da aeronave. Felizmente, com avançados sistemas de processamento digital aerotransportado, pode-se fornecer um taxa de atualização rápida o suficiente.

3. Tipos de ESA

Os ESAs são de três tipos básicos: passivos, ativos e uma variante do ESA ativo, chamada de ESA TTD (true-time-delay).

ESA passivo: Embora consideravelmente mais complexo do que um radar mecanicamente orientado (MSA), o ESA passivo ou PESA (Passive Electronic Scanned Array) é muito mais simples que o ESA ativo. Ele opera em conjunto com os mesmos tipos de módulos de transmissão e recepção centrais do MSA. Para direcionar o feixe formado pela matriz, um deslocador de fase controlado eletronicamente é colocado imediatamente atrás de cada elemento emissor, ou em cada coluna de elementos emissores em uma matriz unidimensional. O comutador de fase é controlado por um processador local chamado controlador de direção de feixe (BSC) ou pelo processador central. A arquitetura do PESA é mais próximo dos MSA do que dos ESA ativos, mas assim como esse último, possui os benefícios proporcionados pelo direcionamento eletrônico do feixe de onda.

ESA ativo: O ESA ativo ou AESA (Active Electronic Scanned Array) é uma ordem de grandeza mais complexa que o PESA. Vistos por fora, AESA e PESA são bastante semelhantes, mas seus componentes internos são muito diferentes. O PESA usa um conjunto transmissor central formado por um amplificador de alta potencia (HPA – high power amplifier), ou às vezes dois, que transmitem um único sinal, o sinal é então dividido em milhares de caminhos através de milhares de deslocadores de fase até chegar aos elementos emissores, há também um conjunto de recepção central formado pelo amplificador de baixo ruído (LNA – low-noise preamplifier), por outro lado, o radar AESA consiste em milhares de módulos de transmissão-recepção (módulo T/R ou TRM) com amplificadores de alta potencia (HPA) e amplificadores de baixo ruído (LNA) miniaturizados e ligados a cada elemento emissor, ou seja, o AESA miniaturiza a maior parte do conjunto de transmissão e recepção do MSA e do PESA. Cada TRM pode ser considerado como um pequeno radar.

ESA TTD. Este é um ESA ativo em que os desvios de fase para o direcionamento do feixe são obtidos pela variação dos comprimentos físicos dos feeds para os módulos T/R individuais. Baseando-se nas técnicas fotônicas, um feed de fibra ótica é fornecido para cada módulo. O atraso de tempo experimentado pelos sinais que passam através da alimentação – daí a sua fase – é controlada pela troca de comprimentos de fibra dentro ou fora da alimentação. Evitando as limitações de largura de banda instantânea inerente à mudança de fase eletrônica, a técnica fotônica torna possível larguras de banda instantâneas.

IV – Resumo

Radar é um sistema que transmite uma onda eletromagnética em uma certa direção e detecta essa mesma onda refletida por um obstáculo em seu caminho. Para que o radar possa diferenciar entre alvos em direções diferentes, bem como detectar alvos em intervalos maiores, a antena concentra a energia irradiada em um feixe estreito. O feixe é sistematicamente varrido pela região em que o alvo é esperado aparecer. O radar pode valer-se de dois tipos de varredura para movimentar o feixe e varrer uma região – mecânica (MSA) ou eletrônica (ESA). O radar ESA oferece uma série de vantagens em comparação com sistemas de antenas direcionadas mecanicamente: Agilidade do feixe, desempenho e funcionalidades aprimorados, aumento da resistência ECCM, alta disponibilidade e recursos LPI/LPD aprimorados.


Fontes e Referências

  • Introdution to Airbone Radar, George W. Stimson (Autor);

*Ricardo N. Barbosa é Técnico do Seguro Social e 3º Sargento da Reserva não Remunerada da FAB. E-mail: rnbeear@hotmail.com

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