Sistemas de radar que sustentan operaciones críticas a través de la previsión meteorológica, seguridad aérea, vigilancia de defensa y conducción autónoma.La calidad de la señal recibida por un radar determina directamente su capacidad de detectar, localizar e identificar objetivos con precisión. Entre los componentes más eficaces para preservar la fidelidad de la señal es el filtro de paso de banda.

Fundamentos de Filtros de Banda

Un filtro de paso de banda es una red de dos puertos diseñada para pasar señales dentro de un rango de frecuencia definido, la banda de paso, con atenuación mínima, rechazando las señales fuera de ese rango. En los receptores de radar, los filtros de paso de banda se colocan típicamente después de la antena y el amplificador de baja altura (LNA) para dar forma al espectro recibido antes de procesarlo.

Parámetros de filtro clave

  • ] Frecuencia de centro (f0): La media geométrica de las frecuencias de corte superior e inferior (a menudo definidas en −3 puntos dB). En el radar, f0 se alinea con la frecuencia de portador del pulso transmitido, como 9.4 GHz para radares meteorológicos de banda X o 77 GHz para radares automotrices.
  • Bandwidth (BW): El rango de frecuencias pasadas. El ancho de banda de radar afecta directamente la resolución del rango: ancho de banda más amplio produce resolución de rango más fino. Un filtro de paso de banda debe tener suficiente ancho de banda para acomodar el espectro de pulsos modulados sin distorsionar la señal.
  • Factor de calidad (Q):] Definido como f0 / BW. Los filtros de alta calidad proporcionan bandas estrechas y alta selectividad, lo que es beneficioso para rechazar interferencias de canal adyacentes pero puede introducir una variación de demora de grupo más alta.
  • ] Pérdida de inserción: El poder perdido a medida que la señal atraviesa el filtro. En los receptores de radar, la pérdida de baja inserción es crítica para evitar degradar la figura de ruido.
  • Rechazo de banda: La atenuación proporcionada fuera de la banda de paso. El rechazo profundo (60 dB o más) es a menudo necesario para suprimir fuertes interferencias de banda o frecuencias de imagen.
  • ]Delay de crecimiento: El derivado de la respuesta de fase con respecto a la frecuencia. La demora del grupo lineal (continuada sobre la banda de paso) preserva la forma del pulso: el retraso del grupo no lineal puede distorsionar las ondas moduladas por fase utilizadas en los radares modernos.

Topologías de filtro comunes para Radar

Los filtros de paso de banda de radar se implementan utilizando una variedad de tecnologías, cada una con desvíos entre tamaño, manipulación de energía, factor Q y costo.

  • Butterworth Filters: Respuesta de bandas de bandas planas máximas pero un lanzamiento gradual. Adecuado cuando la amplitud de banda es primordial.
  • Chebyshev Filtros: Steeper roll-off que Butterworth a expensas de la onda de bandas pasadas. Útil para el rechazo agresivo de interferores de cerca.
  • Filtros Elípticos (Cauer): Equiripple tanto en banda de paso como en banda de parada, logrando la transición más aguda para un determinado orden de filtro. Se utiliza en aplicaciones que requieren una selectividad extremadamente alta.
  • ] Filtros de alta velocidad: Emplear cavidades resonantes (guiada de onda o coaxial) para lograr una pérdida de inserción muy alta Q (miles) y baja. Común en transmisores de radar de alta potencia y receptores sensibles para el control y defensa del tráfico aéreo.
  • Filtros de microstrip y Stripline: Diseños de planos utilizando tecnología de tableros de circuito impresos. Más pequeño y barato, pero con Q moderado, adecuado para módulos de radar compactos como sensores automotrices.
  • Filtros SAW/BAW: Los dispositivos de onda acústica de superficie o a granel proporcionan una Q muy alta en un pequeño paquete para las etapas de IF (por ejemplo, después de la conversión).

Cómo Filtros de Banda Pasa Mejorar la calidad de la señal de radar

Las señales de radar son vulnerables a una amplia gama de deficiencias: el ruido térmico del receptor frontal, el desorden regresa del terreno o del tiempo, la interferencia intencionada o no intencional del canal de co, y las señales espurias de la mezcla armónica. El filtro de la banda pasa actúa como la primera línea de defensa de varias maneras.

Reducción de ruido y mejora de las normas de recursos naturales

El ruido térmico es de banda ancha, que se extiende sobre todo el espectro de radio. Sin un filtro de pase de banda, el receptor amplificaría el ruido en todas las frecuencias, degradando SNR. Limitando el ancho de banda de ruido a sólo que ocupado por la señal deseada, el filtro reduce el ruido de la banda de sonido que entra en el detector.

Rechazo de la denuncia y discriminación por motivos de destino

El desorden, ecos no deseados del suelo, el mar, la lluvia o los edificios, a menudo tiene una frecuencia Doppler diferente de la de objetivos móviles. Mientras que la indicación de destino móvil (MTI) y el procesamiento Doppler dependen de cambios de fase de pulso a pulso, el filtro de paso de banda evita señales de desorden estacionarios que caen fuera del rango de frecuencia esperado de los objetivos móviles de saturar el receptor.

Mitigación de la interferencia

Los radares suelen funcionar en entornos de espectro concurridos junto a enlaces de comunicaciones, estaciones de radio y otros radares. Un filtro de banda con rechazo de alta banda atenua las señales de estas fuentes antes de llegar a las etapas amplificadoras sensibles. Esto es especialmente importante para los radares militares que deben operar en entornos electromagnéticos controvertidos.El filtro también suprime las frecuencias de imagen producidas durante el proceso de mezclado de baja conversión, evitando falsos objetivos.

Preservación de la forma de pulso y resolución de rango

En los radares de compresión de pulsos, la forma de onda transmitida es de fase o frecuencia modulada (por ejemplo, modulación de frecuencia lineal). La señal recibida se procesa con un filtro combinado para reconstruir un pulso corto, de alta resolución. Cualquier distorsión en la amplitud o respuesta de fase del filtro de paso de banda causará degradación de los sidelobe, ampliando el lóbulo principal y reduciendo la resolución de rango.

Consideraciones de diseño para filtros de paso de banda de radar

El diseño de un filtro de paso de banda óptimo para una aplicación de radar requiere un equilibrio de los requisitos conflictivos.

Ancho de banda y resolución de rango

Un ancho de banda más amplio mejora la resolución de rango (ΔR = c / (2 BW)), pero también admite más ruido e interferencia. El ancho de banda filtrante debe ser cuidadosamente igualado al ancho de banda de pulso transmitido. Para un pulso simple sin modificar, el ancho de banda del filtro se establece normalmente en aproximadamente 1 / τ (τ = ancho de pulso) para maximizar SNR mientras evita el alargamiento de pulso.

Fase de la linealidad y la adulación del grupo

Respuesta de fase no lineal introduce dispersión, que puede distorsionar el pulso de la barriga y causar la asimetría de la compresión del sidelobe. Los diseñadores de filtros de radar especifican la onda de retraso del grupo (a menudo menos de 10 ns sobre el sistema de banda X) y pueden usar técnicas de igualación o elegir topologías de filtro de Bessel o de fase lineal para minimizar la distorsión.

Estabilidad de temperatura y vibración

Los sistemas de radar funcionan en entornos difíciles: los radares aéreos experimentan oscilaciones de temperatura extrema y vibraciones; los radares terrestres deben funcionar en las zonas de lluvia, hielo y amplios rangos térmicos. La frecuencia central del filtro y ancho de banda deben permanecer estables. Los filtros de cavidad que emplean Invar u otros materiales de baja expansión, o los resonadores dieléctricos compensados por temperatura, son a menudo necesarios.

Integración con el receptor Front‐End

El filtro de paso de banda se coloca generalmente después de que el LNA minimiza las contribuciones de la figura de ruido. Sin embargo, la pérdida de inserción del filtro se añade directamente a la figura de ruido del receptor (NF). Por lo tanto, el filtro debe tener una pérdida muy baja (normalmente se ha seleccionado 1 dB para filtros de cavidad de guía de onda, ⁇ 2 dB para microstrip).

Aplicaciones en diferentes sistemas de radar

Radares de control de tráfico aéreo (ATC)

Los radares ATC (por ejemplo, ASR-11) operan en la banda S (2.7–2.9 GHz) y requieren un alto rechazo de interferencia de las comunicaciones y los sistemas de navegación cercanos. Los filtros de banda pasan con faldas empinadas (rechazo de entrada 80 dB a 10 MHz) se utilizan para asegurar que sólo los retornos de aeronaves dentro de la banda de frecuencia asignada se procesan.

El tiempo Radars

Los sistemas de radar meteorológico, como el WSR‐88D (NEXRAD) que opera a 2.7–3.0 GHz, usan filtros de pase de banda para suprimir el desorden de tierra y rechazar interferencias de radares cercanos. El ancho de banda de filtro se combina con la longitud de pulso utilizada para diferentes estrategias de escaneo (por ejemplo, 1 μs de ancho de banda de 1 MHz).

Radares militares y de defensa

Las contramedidas y la guerra electrónica requieren radares con una selectividad excepcional. Los filtros de banda pasan en los radares militares (por ejemplo, AN/SPY‐1, PESA/AESA) se implementan a menudo como filtros de cavidad de guía de onda con Q muy alta para rechazar las señales de interferencia. Pueden incluir bancos intercambiables de filtros para seleccionar diferentes canales de frecuencia, permitiendo la agilidad de frecuencia para evitar la detección y la interferencia del enemigo.

Radares automotrices

Los módulos de radar automotriz (24 GHz de banda ancha y 77 GHz) deben ser pequeños, ligeros y económicos. Normalmente utilizan microstrip o sustratos de banda integrada (SIW) filtros de pase de banda. El ancho de banda del filtro debe acomodar el ancho de banda de chirp (por ejemplo, 4 GHz en la banda 77 GHz) para lograr la misma resolución de gama de 5 mm

Comparación con otros tipos de filtro en sistemas de radar

Mientras que los filtros de banda pasan son los más comunes, otros tipos de filtros sirven funciones complementarias.

Filtros de Passs y Altos Pasajes

Los filtros de baja velocidad se utilizan después de mezcladores para rechazar la banda lateral superior o la frecuencia de imagen, mientras que los filtros de alto paso pueden suprimir el ruido de baja frecuencia (por ejemplo, ruido de flicker). Sin embargo, ninguno proporciona el rechazo fuera de banda necesario para eliminar los interferores fuertes ubicados en ambos lados del transportista. Un filtro de pase de banda combina las funciones de un filtro de baja velocidad y un filtro de alto paso para recibir más eficaz para los radares.

Filtros de notch

Los filtros de notch (banda-stop) se utilizan para eliminar los interferentes de banda estrecha conocidos, como un canal de comunicación específico o un armónico del transmisor. A veces se encadenan con un filtro de paso de banda para proporcionar un rechazo profundo a una sola frecuencia mientras mantiene la banda de paso.

En la práctica, los receptores de radar pueden incorporar una cadena de filtros: un filtro de paso de banda preseleccionista en la antena, un filtro de inyección de imagen después del primer mezclador, un filtro de paso de bandas de canales en IF y un filtro de baja velocidad antes de la ADC. El filtro de pase de banda de cada etapa juega un papel en la limpieza progresiva de la señal.

Tendencias futuras en la tecnología de filtro de banda de radar

A medida que los sistemas de radar evolucionan hacia mayores frecuencias, anchos de banda más grandes y entornos más dinámicos, la tecnología de filtros debe avanzar.

Filtros definidos por software y ajustables

Los filtros de paso de banda ajustables que utilizan varacadores, condensadores MEMS o materiales ferroelectricos permiten que un solo radar funcione a través de múltiples bandas de frecuencia. El control de software permite el acaparamiento de frecuencia rápida para el intercambio de radares cognitivos y espectros, haciendo que el filtro sea un componente adaptable de la cadena de señal.

Filtros activos integrados

Los filtros de paso de banda activa en chips usando procesos SiGe o CMOS están siendo desarrollados para arrays de onda mm. Ofrecen tunabilidad y tamaño pequeño, pero se enfrentan a desafíos con ruido y linealidad. Las técnicas de alimentación directa o negativa pueden mejorar su rendimiento para aplicaciones de radar.

Filtros de paso de banda MMIC

Los circuitos integrados de microondas monolíticos pueden integrar filtros de banda con LNAs, mezcladores y transmisores de fase en una sola matriz, reduciendo pérdidas de interconexión. Para el radar 5G y automotriz en 28 GHz, 39 GHz y 77 GHz, estos filtros dependen de los resonadores de elementos bultos (inductores de inspiración y condensadores MIM) o estructuras de línea de transmisión distribuida.

Filtros de onda acústica para frecuencias más altas

Aunque los filtros SAW y BAW se limitan tradicionalmente a menos de 6 GHz, nuevos materiales como nitrido de aluminio y nitruro de aluminio escandalizado están empujando a los resonadores BAW en el rango de ondas mm. Estos filtros ofrecen una impresión Q muy alta y pequeña, lo que los hace atractivos para futuras etapas de IF de radar.

Conclusión

Los filtros de paso de banda son una piedra angular de integridad de señal de radar. Al seleccionar la banda de frecuencia de interés, reducen el ruido térmico, suprimen el desorden, rechazan la interferencia y preservan la fidelidad de las formas de onda moduladas. El diseño de estos filtros requiere una consideración cuidadosa del ancho de banda, factor Q, pérdida de inserción, retraso de grupo y estabilidad ambiental, todo adaptado a la aplicación de radar específica.

Para más lectura, consulte la revisión completa de los filtros de receptor de radar en IEEE Transacciones en Teoría de Microondas y Técnicas, la nota de aplicación sobre el diseño de filtros para sistemas de radar desde [FLT2]] [Analog de dispositivos ] y el tutorial sobre los fundamentos de los filtros de banda