Antenas Phased Array: Activas vs Pasivas

Las antenas son componentes esenciales en innumerables sistemas de comunicación y detección, permitiendo la transmisión y recepción de señales. Entre las tecnologías de antenas más sofisticadas se encuentran las antenas phased array, capaces de dirigir su haz de forma electrónica sin necesidad de movimiento físico. Estas antenas se dividen principalmente en dos grandes categorías según su arquitectura de alimentación: las activas y las pasivas.

La distinción principal entre estos dos tipos reside en el punto donde se genera la potencia de transmisión de alta frecuencia que irradia la antena.

Antenas Phased Array Activas

Las antenas phased array activas representan una evolución significativa en el diseño de antenas de alta potencia. En lugar de depender de una única fuente de potencia centralizada de alta energía, la potencia de transmisión se genera directamente en la antena, distribuida a través de numerosos módulos transmisor-receptor de baja potencia. Cada uno de estos módulos está convenientemente situado junto a cada elemento radiante individual de la antena.

Esta arquitectura ofrece una ventaja técnica crucial: los desfasadores, componentes necesarios para controlar la dirección del haz al ajustar la fase de la señal en cada elemento, solo tienen que manejar potencias relativamente bajas. Esto simplifica su diseño, reduce su tamaño y, potencialmente, su costo y complejidad en comparación con los desfasadores que manejan la potencia total de un sistema centralizado.

Un ejemplo notable de esta tecnología es el radar utilizado en el avión de combate Tornado. Otros sistemas que emplean antenas activas incluyen el AN/FPS-117, un radar de Defensa Aérea, y el radar APAR (Active Phased Array Radar) utilizado por la Armada. La antena mencionada en la información proporcionada, con sus 428 elementos radiadores, es un claro ejemplo de una antena phased array activa, donde cada uno de esos elementos está asociado a su propio módulo transmisor-receptor.

Antenas Phased Array Pasivas

En contraste con las antenas activas, las antenas phased array pasivas se basan en una generación central de potencia de alta frecuencia. Toda la energía se genera en una fuente potente y luego debe ser distribuida a cada uno de los elementos radiantes de la antena. Esta distribución no es trivial y requiere sistemas de alimentación complejos.

Las antenas pasivas se subdividen según el método utilizado para distribuir esta potencia desde la fuente central a los elementos individuales.

Sistemas de Alimentación para Antenas Pasivas

Existen varios métodos para alimentar una antena phased array pasiva, cada uno con sus propias características, ventajas y desventajas.

Alimentación por Línea

Este es, con mucho, el método más común para distribuir la potencia en antenas pasivas. Implica el uso de redes de guías de onda o líneas estriadas (stripline) para llevar la señal desde la fuente central a cada elemento radiante. Dentro de la alimentación por línea, hay dos enfoques principales:

Alimentación en Serie

En la Alimentación en Serie, los elementos radiantes reciben la potencia de transmisión secuencialmente, uno tras otro, a lo largo de una línea de transmisión. Esto significa que la señal pasa por un elemento antes de llegar al siguiente, y así sucesivamente.

Una característica importante de este método es que, a medida que la señal viaja por la línea de alimentación, acumula un desplazamiento de fase creciente debido a la longitud adicional del recorrido hasta cada elemento subsiguiente. Al ajustar los desfasadores para dirigir el haz, es fundamental tener en cuenta este desplazamiento de fase inherente al cableado en serie. La principal limitación de la alimentación en serie es que un cambio en la frecuencia de operación de la antena afecta directamente estos desplazamientos de fase acumulados. Si se cambia la frecuencia, el sistema de control debe recalcular los ángulos de fase necesarios para cada desfasador o, más comúnmente en la práctica, utilizar una tabla de ángulos de fase diferente precalculada para esa nueva frecuencia. Esto restringe la agilidad de frecuencia de la antena.

La forma en que la potencia total se divide y se entrega a cada elemento en una configuración en serie a menudo se controla mediante acopladores direccionales a lo largo de la línea de alimentación. Estos acopladores se ajustan para desacoplar una porción específica de la potencia total en cada punto donde se conecta un elemento radiante. La cantidad de potencia desacoplada en cada punto a menudo sigue un esquema predeterminado, como una distribución gaussiana o binomial. Esta distribución de potencia a lo largo de la apertura de la antena influye directamente en la forma del diagrama de radiación, y específicamente en el tamaño de los lóbulos laterales, que son radiaciones no deseadas en direcciones distintas al haz principal.

Alimentación en Paralelo

La Alimentación en Paralelo adopta un enfoque diferente para la distribución de potencia. Aquí, la potencia de transmisión se divide simultáneamente y en fase en nodos de una red de distribución. Cada elemento radiante es alimentado a través de una línea de transmisión individual, y todas estas líneas tienen la misma longitud.

La ventaja crucial de tener líneas de alimentación de igual longitud es que las diferencias de fase entre los elementos radiantes, que son controladas por los desfasadores para dirigir el haz, son completamente independientes de la frecuencia de operación. Esto simplifica enormemente el cálculo del desplazamiento de fase por parte del ordenador de control, ya que no necesita considerar la longitud de las líneas de alimentación en sus cálculos para la dirección del haz.

Esta independencia de la frecuencia confiere a las antenas con alimentación en paralelo una mayor agilidad de frecuencia y un ancho de banda más amplio en la línea de alimentación hacia la antena. Esto es particularmente ventajoso para aplicaciones que requieren cambios rápidos de frecuencia (agilidad de frecuencia), diversidad de frecuencias (operar en múltiples frecuencias) o técnicas de compresión de impulsos, donde la señal transmitida cubre un ancho de banda considerable.

Alimentación por Radiación

La alimentación por radiación es un método menos convencional para las antenas phased array pasivas. En lugar de distribuir la potencia a través de cables o guías de onda que llegan a cada elemento, la superficie de la antena es "iluminada" con la potencia de transmisión por un radiador primario, generalmente una bocina. Los elementos radiantes de la antena phased array actúan entonces como receptores de esta iluminación, manipulan la fase de la señal captada y la re-radian.

Este método tiene la ventaja intrínseca de que la distribución de potencia a lo largo de la superficie de la antena ya puede ser diferenciada por el patrón de radiación de la bocina de alimentación. Las regiones centrales de la antena reciben una iluminación más intensa, mientras que las regiones periféricas reciben menos energía, a menudo siguiendo una distribución similar a la gaussiana. Esta distribución de potencia no uniforme a lo largo de la apertura ayuda a reducir el tamaño de los lóbulos laterales en el diagrama de radiación de la antena.

Existen dos tipos principales de alimentación por radiación:

Tipo Transmisión

En el Tipo Transmisión, la superficie de la antena phased array se ilumina desde atrás a través del radiador de bocina. La potencia de transmisión irradiada por la bocina viaja a través de la estructura de la antena. Los pequeños elementos radiantes distribuidos en la superficie de la antena captan esta energía, la señal es influenciada en fase por los desfasadores asociados a cada elemento, y luego es re-radiada hacia adelante.

Una desventaja de esta configuración es que el espacio detrás de la antena phased array queda obstruido por el campo de radiación de la bocina de alimentación, lo que puede limitar el espacio disponible para la electrónica asociada. Sin embargo, la bocina no está ubicada delante de la antena, evitando la formación de sombras en el haz principal.

Un aspecto técnico a considerar es que existen diferencias en el tiempo que tarda la señal en viajar desde la bocina de alimentación hasta cada elemento radiante individual. Estas diferencias de tiempo de tránsito son mayores cuanto más cerca esté montado el radiador primario (la bocina) del plano de la antena. Estos tiempos de tránsito deben ser tenidos en cuenta por el sistema de control al calcular los ajustes de los desfasadores. Debido a esta dependencia de los tiempos de propagación, este tipo de antena se asemeja más a un alimentador en serie en cuanto a su control y, por lo tanto, también presenta limitaciones similares en cuanto al ancho de banda de la antena.

El complejo de misiles de defensa antiaérea Patriot es un ejemplo conocido que utiliza una antena phased array de tipo transmisión. Este enfoque está experimentando un resurgimiento en la gama de ondas milimétricas con el desarrollo de pequeños chips de radar que integran una antena, actuando eficazmente como un radiador primario compacto.

Tipo Reflexión

El Tipo Reflexión es otra forma de alimentación por radiación. En este caso, la superficie de la antena se ilumina frontalmente a través de una bocina de alimentación. La potencia de transmisión es captada por los pequeños elementos radiantes de la superficie, influenciada en fase por los desfasadores, y luego reflejada en un plano de reflexión. Después de la reflexión, la señal pasa nuevamente por los desfasadores (o por un segundo conjunto de ellos) para una última influencia de fase antes de ser re-emitida hacia adelante.

Una ventaja significativa del tipo reflexión es que deja suficiente espacio despejado detrás de la antena para alojar todos los circuitos electrónicos necesarios, como el control de los desfasadores, fuentes de alimentación y otros sistemas de procesamiento. Sin embargo, la bocina de alimentación se encuentra delante de la superficie de la antena, lo que introduce un desafío. Si la bocina se coloca directamente en el centro, en la dirección del mejor haz de radiación, no solo formará una sombra que afectará el patrón de radiación principal, sino que también podría recoger parte de la energía reflejada, creando ondas estacionarias no deseadas en el sistema de alimentación.

Para mitigar este problema, la bocina de alimentación a menudo se monta fuera de la dirección del haz principal, de forma similar a como se configura una antena offset. Aunque esto resuelve el problema de la sombra central y las ondas estacionarias, introduce nuevamente diferencias en los tiempos de propagación desde la bocina a los distintos elementos radiantes de la antena. Estos tiempos de tránsito deben ser cuidadosamente considerados y compensados por el control de los desfasadores.

Un beneficio adicional de la configuración de tipo reflexión, especialmente con una bocina offset, es la posibilidad de utilizar radiadores de bocina separados para la transmisión y la recepción. Al conmutar el control de los desfasadores y dirigir el haz hacia la bocina de transmisión o recepción según sea necesario, la antena puede asumir además la función de un conmutador de transmisión-recepción, desacoplando eficazmente las trayectorias de señal de transmisión y recepción. El radar AN/APQ-140 es un ejemplo de sistema que utiliza una antena phased array de tipo reflexión.

Preguntas Frecuentes (FAQ)

¿Qué es una antena phased array?
Es un tipo de antena que utiliza múltiples elementos radiantes cuya fase de señal se controla electrónicamente para dirigir el haz sin movimiento mecánico.

¿Cuál es la principal diferencia entre una antena phased array activa y una pasiva?
La activa genera potencia de transmisión en cada elemento, mientras que la pasiva la genera centralmente y la distribuye a los elementos.

¿Por qué se utilizan módulos transmisor-receptor de baja potencia en antenas activas?
Permite que los desfasadores asociados a cada elemento solo tengan que manejar potencias bajas, simplificando su diseño y manejo.

¿Qué sistemas de alimentación son comunes en las antenas pasivas?
Los más comunes son la alimentación por línea (en serie o paralelo) y la alimentación por radiación (tipo transmisión o reflexión).

¿Qué ventaja ofrece la alimentación en paralelo frente a la en serie en antenivas pasivas?
La alimentación en paralelo ofrece mayor agilidad de frecuencia y ancho de banda al hacer que las diferencias de fase entre elementos sean independientes de la frecuencia, gracias a líneas de alimentación de igual longitud.

¿Cómo influye la distribución de potencia en el diagrama de radiación?
La forma en que la potencia se distribuye a lo largo de la apertura de la antena (como con distribuciones gaussianas o binomiales) afecta directamente el tamaño de los lóbulos laterales no deseados.

¿Qué es la alimentación por radiación tipo transmisión?
Es donde la bocina de alimentación ilumina la antena desde atrás. Los elementos captan, fasean y re-radian. Puede limitar el espacio posterior y tener dependencia de los tiempos de propagación.

¿Qué es la alimentación por radiación tipo reflexión?
Es donde la bocina ilumina la antena desde el frente. Los elementos captan, fasean, reflejan y re-emiten. Permite más espacio detrás para electrónica, pero la bocina puede causar sombra o requerir una configuración offset.

En resumen, la elección entre una antena phased array activa o pasiva, y en el caso de las pasivas, el sistema de alimentación utilizado, depende en gran medida de los requisitos específicos de la aplicación, incluyendo la potencia total necesaria, la agilidad de frecuencia, las limitaciones de espacio, la complejidad del sistema y el costo. Cada configuración presenta un conjunto único de compromisos técnicos que deben evaluarse cuidadosamente.

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