Electrónica, Electricidad y Telecomunicaciones: ¿Cómo funciona el radar?

RADAR es una sigla que significa RADIO DETECTION & RANGING. El significado sería detección por ondas de radio de la presencia de un determinado objetivo y determinación de la distancia (range) a la que se encuentra del observador. Si bien esto es correcto, los radares modernos también se utilizan para medir los ángulos (de elevación del objetvo y el acimut), además de la distancia.

En síntesis, los radares se utilizan para detectar la presencia de un objetivo y para determinar su ubicación. (Fig.1)

Fig.1 – Esquema de la medición de la distancia y álgulos desde el observador al objetivo (un avión en este caso)

Principio de funcionamiento del RADAR primario

Hay dos tipos principales de radares: el radar primario y el radar secundario.

La antena del radar primario “ilumina” el objetivo con una señal de microondas, que luego es reflejada y captada por un dispositivo receptor. La señal eléctrica captada por la antena receptora se llama eco o retorno. La señal de radar es generada por un potente transmisor y recibida por un receptor altamente sensible.

Hay dos versiones de este radar primario: el llamado radar pulsado y el denominado radar de onda continua modulada en frecuencia (FM-CW).

El radar pulsado (Fig.2), también llamado radar de pulso simple, es el radar más típico, con una forma de onda que consiste en pulsos repetitivos de RF de corta duración (Fig.3). Es el más común de los radares y como ejemplos encontramos los radares de vigilancia aerea y marítima de largo alcance y los radares meteorológicos. Hay un tipo de radar de pulso que utiliza el cambio de frecuencia Doppler de la señal recibida para detectar objetivos en movimiento, como aviones y automóviles, midiendo su velocidad.

Fig.2 – Diagrama en bloques del RADAR pulsado

Fig.3 – Los pulsos transmitidos por el RADAR PULSANTE.

En el radar de onda continua modulada en frecuencia (FM-CW), como la frecuencia de la señal transmitida cambia continuamente en el tiempo, la frecuencia de la señal del eco será diferente de la señal transmitida y la diferencia entre ambas será proporcional a la distancia al objetivo. En consecuencia, medir la diferencia entre las frecuencias transmitidas y recibidas dará la distancia al objetivo. En un radar de onda continua con modulación de frecuencia de este tipo, la frecuencia generalmente cambia de forma lineal, de modo que hay una alternancia de frecuencia ascendente y descendente. La forma más común de radar FM-CW es el altímetro de radar utilizado en aviones o satélites para determinar su altura sobre la superficie de la Tierra. La modulación de fase, en lugar de la modulación de frecuencia, de la señal CW también se ha utilizado para obtener la medición de distancia o altua. Los principales usuarios de estos radares en EEUU son el Ejército, la Armada, la Fuerza Aérea, la NASA y la USCG (Guardia Costera de Estados Unidos).

Principio de funcionamiento del RADAR secundario

El radar secundario transmite una señal hacia el objetivo, un avión por ejemplo, que la recibe con un receptor cuya salida es utilizada para accionar un transmisor que emite una señal de otra frecuencia hacia la estación base del radar, reemplazando así al eco pasivo obtenido por simple reflexión en el radar primario. El conjunto del equipamiento que posee el objetivo para este fin, recibe el nombre de transponder, (abreviatura de transmitter-responder) en el avión para responder a los interrogatorios desde la estación terrestre para hacer visible al avión y enviar información adicional como su altitud.

Medición de distancia oblicua con el radar pulsado (Fig.1) Sabemos que el pulso de RF viaja desde la antena de radar hacia el objetivo y desde él, al reflejarse, de vuelta a la antena de radar a la velocidad c de la luz, como toda onda electromagnética. También conocemos el valor de esa velocidad: c = 300.000 Km/seg. Por consiguiente, si llamamos d a la distancia entre la antena de radar y el objetivo, podemos escribir la siguiente ecuación:

2 d = c . T

donde T es el intervalo de tiempo entre la transmisión del pulso de RF y el retorno del eco.

Si a d lo expresamos en Km, a c en Km/seg y a T en segundos, tenemos:

d [Km] = 300.000 Km/seg .T [seg] / 2

Si ahora expresamos la velocidad en Km/μ seg y el tiempo T en μ seg, tendremos:

d [Km] = 3 Km/μ seg . T [μseg] / 2

Agrupando valores constantes y simplificando, tenemos:

d [Km] = 1,5 T [μseg]

Esta ecuación nos dice que si medimos el tiempo en micro segundos que demora el pulso de RF en ir y volver del objetivo y lo multiplicamos por 1,5 tendremos el valor de la distancia oblicua entre la antena de radar y el objetivo.

Y a ese tiempo lo podemos medir con un osciloscopio, conectando las puntas del mismo a un punto del equipo de radar donde midamos el pulso de salida del transmisor y el pulso de entrada al receptor. Además deberemos elegir una escala de tiempo en μ seg y colocar la perilla en calibración. Se obtendrá una vista como la mostrada en la Fig.4.

Fig.4 – Osciloscopio usado como pantalla de radar

Pantalla de radar PPI ("plan position indicator")

En el caso de la presentación de la pantalla de radar mostrada con un osciloscopio, como en la Fig.4, la defelexión del haz de electrones del tubo de rayos catódicos se realiza electrostáticamente por las tensiones aplicadas a las placas de deflexión horizontal y vertical, ubicadas en el interior del tubo. En elcaso de la presentación PPI, la deflexión se realiza por medio de corrientes aplicadas a las bobinas de deflexión (yugo), montadas alrededor de la garganta del tubo de rayos catódicos, de una manera similar a la de un televisor. En el primer caso el barrido del haz de electrones que incide sobre la pantalla, se realiza mediante tensiones con forma de onda de diente de sierra. En el segundo caso, el barrido se lleva a cabo mediante corrientes con forma de onda de diente de sierra y a diferencia del osciloscopio, donde el inicio del barrido tiene lugar en el lado izquierdo de la pantalla, en la presentación PPI, el inicio del barrido tiene lugar en el centro de la pantalla. En ambos casos el fin del barrido se produce en el borde de la pantalla.

Pero la genialidad de la presentación PPI consiste en hacer girar la antena parabólica sobre un eje vertical, manteniendo constante su ángulo de inclinación (Fig.1) y haciendo girar en sincronismo con el giro de la antena a las bobinas de deflexión alrededor de la garganta del tubo de rayos catódicos. En cada caso el giro se consigiue mediante motores eléctricos que giran en sincronismo uno con otro. De este modo se consigue que el centro de la pantalla PPI coincida con la posición de la antena y que el acimut de la antena coincida con el acimut del haz giratorio. Además, la pantalla ha sido dotada de la persistencia necesaria como para que se puedan ver las reflexiones sobre la pantalla hasta un instante anterior a la llegada del barrido en su nuevo giro.

Hay varios tipos de pantallas de presentación. En particular, la presentación del osciloscopio se llama Tipo A y la PPI, tipo P. También hay presentaciones de pantalla Tipo B, Tipo C, Tipo E y Tipo G.

No obstante, la presentación de la pantalla PPI es la preferida y la más usada, porque constituye una répllica de la realidad que está ocurriendo en el exterior.