Projetar equipamentos que atendam às rígidas restrições de tamanho e massa para uso em aeronaves traz desafios extras para os desenvolvedores de instrumentos, como explica Tamara Clelford
As antenas são usadas para uma ampla gama de aplicações, desde telefones celulares e aparelhos “inteligentes” conectados por WiFi a GPS e sistemas que rastreiam aeronaves e ajudam os pilotos a pousar com segurança. Esses sistemas geralmente têm algumas coisas em comum: a própria antena, que manipula a radiação eletromagnética nas partes de rádio e microondas do espectro; um receptor (se o sistema receber sinais); e um transmissor (se o sistema transmitir). Ao longo dos anos, vários tipos distintos de antenas passaram a ser usados com frequência, com designs, frequências e níveis de potência operacional que dependem fortemente de sua finalidade. Os exemplos incluem antenas de patch em telefones celulares, antenas de fio em receptores de rádio domésticos e antenas refletoras para TV via satélite.
Dentro desse “zoológico” de antenas, as antenas acopladas às estruturas voadoras são únicas em vários aspectos. Restrições estritas de massa e tamanho tornam seu projeto mais complicado, e eles devem ser capazes de lidar com vários desafios além dos requisitos básicos de radiofrequência (RF). Esses problemas são mais graves para sistemas de radar, que requerem um feixe altamente direcional que pode ser varrido em diferentes direções.
Objetivo e opções
Uma antena de radar na frente de um avião, helicóptero, drone, míssil ou outra estrutura voadora está lá para escanear seus arredores, identificar objetos (como terreno, edifícios, carros, navios e aviões) e, em seguida, evitá-los ou rastreá-los . Para conseguir isso, o feixe da antena precisa ser movido em um padrão controlado, como uma varredura raster. Os resultados dessa varredura e do processamento subsequente do computador produzirão uma imagem da área ao redor para onde a antena está olhando.
Existem três maneiras básicas de fazer o feixe da antena se mover. Do ponto de vista do projeto de RF, a abordagem mais simples é usar uma antena refletora que se move em sua totalidade. Esses tipos de antena são normalmente do projeto Cassegrain (figura 1a) e são frequentemente vistos em aeroportos, onde os sistemas de radar empregam grandes antenas refletoras giratórias, e em radiotelescópios onde a antena se move para rastrear o objeto enquanto ele se move no céu. Em ambos os casos, as antenas são feitas de materiais condutores que refletem fortemente os sinais de RF e sua área de coleta concentra essa energia de RF refletida em um elemento de alimentação que roteia o sinal (por meio de uma linha de transmissão) para o receptor para processamento posterior.
O principal problema com a varredura física de toda a antena em aplicações aerotransportadas é que o espaço disponível na frente de um objeto voador costuma ser pequeno. Permitir espaço extra para movimento físico significa que a própria antena deve ser menor – um compromisso que leva a uma resolução pior e menor sensibilidade em relação a um design que usa todo o espaço disponível. No entanto, se a estrutura de vôo for grande – digamos, uma aeronave – essa pode ser uma solução aceitável. Existem muitos espécimes de antenas aerotransportadas escaneadas mecanicamente, incluindo o radar Foxhunter no jato Tornado F3 da Royal Air Force (agora aposentado).
A segunda maneira de fazer o feixe de uma antena se mover é mover apenas parte da antena, como seu refletor principal. No entanto, isso geralmente produz um feixe de antena degradado que tem um desempenho pior quando é varrido significativamente para longe. Novamente, esse compromisso é frequentemente aceitável e alguns projetos foram desenvolvidos para minimizar a degradação no desempenho. O projeto do refletor giratório, por exemplo, introduz um refletor planar móvel na antena do refletor básico, permitindo que o feixe seja varrido sem desfocar o sistema (figura 1b). Isso torna possível maximizar a abertura disponível para a área de coleta de RF, enquanto faz a varredura do feixe com a placa móvel mecânica. Esses projetos apresentam alguma degradação do desempenho da antena em ângulos elevados, mas na maioria das vezes funcionam bem.
Uma variante dessa solução é usar um tipo diferente de antena conhecido como conjunto de placa plana. As antenas deste tipo contêm pequenos elementos de irradiação, como um guia de ondas com fenda, patch ou antenas de fio helicoidal. Esses elementos são conectados a um transmissor e receptor comum, produzindo um feixe coerente que pode ser varrido movendo a placa com motores e hastes. Este método usa a maior parte da abertura disponível da antena como uma área de coleta, enquanto perde apenas uma pequena quantidade para permitir o movimento do feixe e sem introduzir qualquer distorção do padrão em ângulos de varredura altos.
Alternativas eletrônicas
Matrizes planas e designs baseados em refletores de torção são ambas soluções viáveis em plataformas voadoras, com muitas implementações bem-sucedidas. No entanto, escanear mecanicamente toda ou parte de uma antena não é a única maneira de direcionar um feixe. A terceira forma de escanear o feixe de uma antena é controlar a direção do feixe de forma puramente eletrônica, sem nenhuma peça móvel.
Uma dessas antenas direcionadas eletronicamente é conhecida como phased array. Como a antena de placa plana, os arranjos em fase incorporam vários pequenos elementos que são conectados ao mesmo hardware de transmissão e recepção e se combinam para produzir um feixe coerente. Os arranjos em fases estão em uso desde 1960, mas uma variação desse design, conhecida como Active Electronically Steered Antenna (AESA), foi desenvolvida mais recentemente. Em um AESA, cada elemento da matriz tem seu próprio transmissor e receptor. Esta configuração permite que os elementos sejam controlados de forma independente, enquanto o software é então usado para combinar os sinais de todos os elementos para criar um único feixe.
Do ponto de vista do radar de rastreamento, o interessante sobre o projeto AESA é que ter controle individual de cada elemento torna possível produzir vários feixes em diferentes direções e em diferentes frequências ao mesmo tempo. Esses múltiplos feixes e frequências são especialmente benéficos para antenas voadoras, pois tornam mais difícil a interferência de fontes externas no sinal.
A principal desvantagem das antenas direcionadas eletronicamente é que elas têm um alcance máximo de varredura. Embora seja possível escanear eletronicamente um feixe de antena a 60 ° da perpendicular, o feixe inevitavelmente se degrada à medida que o ângulo de varredura é aumentado, e chegar a 90 ° de varredura (quanto mais 180 °) não é possível. Sistemas práticos que precisam de uma varredura mais ampla, portanto, precisam de alguma maneira de resolver isso.
Design de iterações
Os primeiros exemplos de AESAs foram baseados em terra. Nessas aplicações, o espaço atrás das antenas não é escasso, então há espaço para abrigar (e resfriar) todos os componentes eletrônicos, transmissores e receptores de conexão do AESA. Um dos primeiros exemplos navais é o grande radar Sampson AESA usado no contratorpedeiro classe Tipo 45 da Marinha Real, que rastreia alvos e comunica esta informação aos mísseis guiados a bordo. Como esses sistemas normalmente visam pesquisar todo o céu, é crucial que eles superem a limitação do ângulo máximo de varredura. Alguns AESAs de base terrestre e naval fazem isso tendo múltiplas faces para a antena (geralmente em uma formação triangular) e / ou montando a antena em um gimble giratório para produzir 360 ° de cobertura.
Para aplicações aerotransportadas, a limitação do ângulo de varredura também pode precisar ser superada por meio de movimento mecânico ou múltiplas matrizes. Um exemplo aerotransportado pode ser encontrado no radar AESA KLJ-7A a ser instalado no avião de combate JF-17, que foi desenvolvido pelo Instituto de Pesquisa de Tecnologia Eletrônica de Nanjing, na China. Esta aeronave usa dois tipos de AESA: um único AESA de placa plana móvel e uma variante com uma antena AESA frontal e dois arranjos AESA laterais.
Ao projetar um sistema de radar, as negociações entre a varredura eletrônica e mecânica são complicadas. Certamente não é o caso de matrizes direcionadas eletronicamente substituíram inteiramente as mecânicas. Embora as antenas escaneadas mecanicamente tenham peças móveis que podem quebrar e precisam ser mantidas e calibradas, as próprias antenas são menos complexas e mais baratas de fabricar do que os AESAs. Os dados que eles produzem também são mais facilmente processados, o que os mantém em circulação há muito tempo.
Os AESAs resolvem alguns dos problemas com uma antena digitalizada tradicional. Eles permitem o uso de toda a abertura, maximizando assim o espaço disponível e permitem que o feixe seja varrido para uma gama razoavelmente ampla de ângulos. No entanto, para antenas voadoras, o espaço é especialmente limitado e as restrições de massa tornam mais difícil projetar AESAs que cabem nesses espaços menores. Em um objeto voador do tamanho de uma aeronave, um AESA é uma escolha viável e, de fato, uma escolha popular hoje, com AESAs usados em combinação com soluções mecânicas em aeronaves Rafale, Seaspray e Wedgetail, para citar apenas alguns. No entanto, em embarcações menores, como mísseis, drones ou outros veículos aéreos não tripulados, as dificuldades de espaço, massa e resfriamento dos AESAs são mais difíceis de mitigar. As empresas vêm trabalhando nesse problema há muitos anos, mas as barreiras permanecem e alguns erros lamentáveis ocorreram ao longo do caminho. A primeira tentativa de usar um AESA em um míssil (o AAM-4B) resultou no míssil ser muito grande para ser carregado no compartimento de armas do avião.
A longo prazo, mudar para uma solução puramente AESA é claramente desejável para pequenos objetos voadores. Uma antena puramente eletrônica removerá os problemas causados pela varredura mecanicamente e permitirá que o sistema olhe em mais de uma direção por vez. Pode até ser possível rastrear mais de um objeto por vez, o que melhoraria muito o desempenho e a usabilidade. Essa opção está sendo investigada por várias empresas, mas traz novos desafios para a mesa.
Como o direcionamento do feixe de tal antena precisará ser de pelo menos 180 °, AESAs planos não podem mais ser usados, mas alterar o perfil do AESA de 2D para 3D tornará o processamento do sinal muito mais difícil. Um 3D AESA também restringirá ainda mais o espaço disponível para os componentes eletrônicos atrás da antena. Isso traz grandes desafios para o projeto e fabricação da antena, tanto para encaixar tudo quanto para permitir resfriamento suficiente. Dois desenvolvimentos que podem ajudar a resolver esses problemas são o progresso na miniaturização eletrônica e o surgimento de novos substratos para hardware de estado sólido. As tecnologias de prototipagem rápida também podem tornar possível a fabricação de estruturas que não podem ser feitas com as técnicas tradicionais. Talvez a área onde haja mais espaço para novas abordagens, no entanto, seja na compreensão de como os sinais de RF interagem em uma estrutura 3D e o processamento de sinal necessário para extrair medições significativas. Apesar do ritmo aparentemente lento de mudança na indústria aeroespacial (devido a considerações de segurança e sistemas legados), existem muitos problemas interessantes que os projetistas de instrumentos podem enfrentar.
Publicado em 20/08/2020 07h14
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