estudo das potencialidades do lab-volt radar training system

8/19/2019 Estudo das Potencialidades do Lab-Volt Radar Training System

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Trabalho Individual apresentado à Divisão de Engenharia Eletrônica do

Instituto Tecnológico de Aeronáutica como parte dos requisitos para a

obtenção do título de Especialista em Análise de Ambiente Eletromagnético.

Alexandre Camacho Coelho – 1º Ten.-Esp.-Com.

ESTUDO DAS POTENCIALIDADES DO LAB-VOLT RADAR

TRAINING SYSTEM NO ENSINO DE GUERRA

ELETRÔNICA NO CEAAE

Trabalho aprovado em versão final pelos abaixo assinados:

________________________________________

Prof. Dr. José Edimar Barbosa Oliveira

Orientador

________________________________________

1º Ten.-Av. Eric Cézzane Cólen Guedes

Orientador

________________________________________

Prof. Dr. José Edimar Barbosa Oliveira

Coordenador do Curso de Especialização em Análise de Ambiente Eletromagnético

(CEAAE)

Campo Montenegro

São José dos Campos, SP – Brasil

junho 2003


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ESTUDO DAS POTENCIALIDADES DO LAB-VOLT RADAR

TRAINING SYSTEM NO ENSINO DE GUERRA

ELETRÔNICA NO CEAAE

Alexandre Camacho Coelho – 1º Ten.-Esp.-Com.

Composição da Banca Examinadora:

Prof. Dr. David Fernandes ITA Presidente

Prof. Dr. José Silvério Edmundo Germano ITA Membro

Prof. Dr. José Edimar Barbosa Oliveira ITA Orientador

1º Ten.-Av. Eric Cézzane Cólen Guedes 2/10 GAv. Orientador

ITA


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minha esposa, Rachel e

ao meu filho, Thor

Alexandre.


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AGRADECIMENTOS

A todos que permitiram que eu realizasse este curso por mostrarem que nós, de Boa

Vista, podemos estar no Hemisfério Norte mas não estamos esquecidos. Em especial ao ex-

comandante do DPVBV e DPVDT73, Maj.-Av. Araújo pelo apoio irrestrito e amizade

sincera.

Aos Instrutores e Professores do CEAAE pela dedicação ao ensino e ao ideal do

desenvolvimento tecnológico da Força.

Aos companheiros do CEAAE e PPGAO pela oportunidade de partilhar esse momento

especial de nossas vidas.

Ao Capitão Tenente Brasil cujo apoio permitiu a realização da visita a Escola dosCursos de Formação Técnica Especial do Centro de Instrução Almirante Alexandrino, da

Marinha do Brasil.

Ao colega do curso de doutorado, Alexis Fabricio Tinoco Salazar, pelos ensinamentos

na área de instrumentação de microondas.

Aos senhores Arnaldo Ortiz Clemente e Marcelo Schadeck, da LabSis, pelo apoio

dado na obtenção de material bibliográfico.

Ao Maj. Durante pela confiança depositada na realização deste projeto.Ao Ten. Cólen pela tranqüilidade, dedicação e providencial ajuda.

Ao Prof. Dr. Edimar pela atenção fraternal que dedicou a minha orientação e a

dedicação com que se entrega a causa da Ciência e Tecnologia de Defesa de nosso país.

A minha família que soube me incentivar em todos os momentos.


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RESUMO

Este trabalho analisa o Lab-Volt Radar Training System adquirido pelo Comando

Geral do Ar – COMGAR, para equipar o Laboratório de Pesquisa em Guerra Eletrônica e

Vigilância Eletromagnética da Amazônia do Instituto Tecnológico da Aeronáutica – ITA, e o

Grupo de Instrução Tática e Especializada – GITE. Esta análise está pautada na determinação

das qualidades e deficiências do sistema disponível no ITA no período de realização do

Trabalho Individual, bem como uma avaliação prospectiva sobre as potencialidades dos

sistemas complementares de Guerra Eletrônica, determinação de RCS e caracterização de

antenas que ainda se encontravam em processo de aquisição durante o referido período. Em

complemento a este objetivo o trabalho desenvolve uma proposta pedagógica para uso doequipamento na instrução militar especializada em Guerra Eletrônica ministrada durante o

Curso de Especialização em Análise de Ambiente Eletromagnético – CEAAE. Esta proposta

se direciona pela exploração do caráter multidisciplinar da Guerra Eletrônica materializada no

uso do equipamento nas várias disciplinas cujos conhecimentos se entrelaçam no

funcionamento dos sistemas de radar. Conclui-se ao final que o equipamento apresenta

satisfatório rendimento para a implementação de instrução prática em GE e que sua

associação com os outros sistemas em fase de aquisição tem grande potencial paraimplementação de projetos em várias áreas, tais como processamento de sinais, imageamento

radar e determinação de RCS.


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ABSTRACT

This work analyzes the Lab-volt Radar Training System acquired by the Comando

Geral do Ar – COMGAR, to equip the Laboratory of Electronic Warfare and Amazônia's

Electromagnetic Surveillance of the Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA, and the

Grupo de Instrução Tática e Especializada – GITE. This analysis is ruled in the determination

of the qualities and deficiencies of the available system in ITA in the accomplishment period

of the Individual Work, as well as a prospective evaluation about the potentialities at

complementary systems of Electronic Warfare, determination of RCS and antennas

characterization that still were in acquisition process during the referred period. At

complement to this goal the work develops a pedagogical proposal for use of the equipment inthe specialized military instruction in Electronic Warfare taught during the Curso de

Especialização em Análise de Ambiente Eletromagnético – CEAAE. This proposed

addresses by the exploration of the multidiscipline character of the Electronic Warfare

materialized in the use of the equipment in the several disciplines whose knowledges interlace

in the operation of the radar systems. It concludes at the final that the equipment introduces

satisfactory revenue for the practice instruction implementation in EW and that your

association with the other systems in acquisition phase has great potential for projectsimplementation in several areas, such as signals processing, radar imaging and RCS's

Determination.


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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO..........................................................................................16

1.1 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO...........................................................18

2 CONCEITOS BÁSICOS...........................................................................19

2.1 SISTEMA RADAR BÁSICO......................................................................19

3 LAB-VOLT RADAR TRAINING SYSTEM...........................................27

3.1 APRESENTAÇÃO ......................................................................................27

3.2 COMPOSIÇÃO............................................................................................27

3.2.1 Analog Radar Training System ................................................................29

3.2.1.1 Target Positioning System............................................................................29

3.2.1.2 Power Supply and Antenna Motor Driver....................................................35

3.2.1.3 Radar Antenna ..............................................................................................38

3.2.1.4 Rotating-Antenna Pedestal ...........................................................................40

3.2.1.5 Radar Synchronizer/Antenna Controller ......................................................42

3.2.1.6 Radar Transmitter.........................................................................................45

3.2.1.7 Radar Receiver .............................................................................................49

3.2.1.8 Dual-Channel Sampler .................................................................................52

3.2.1.9 Clutter Generator ..........................................................................................553.2.1.10 PPI Scan Converter.......................................................................................59

3.2.1.11 Analog MTI Processor .................................................................................62

3.2.2 Digital Radar Training System.................................................................63

3.2.2.1 Digital MTD / PPI Processor........................................................................63

3.2.3 Tracking Radar Training System.............................................................66

3.2.3.1 Radar Target Tracker....................................................................................66

3.2.4 Radar Active Target Training ..................................................................81 3.2.4.1 Radar Jamming Pod......................................................................................81

3.2.4.2 Variable-Density Chaff Cloud......................................................................90

3.2.5 Antenna Training and Measuring System...............................................90

3.2.6 RCS Measurement System ........................................................................92

3.2.7 Phased Array Antenna ..............................................................................94

3.2.7.1 Multi-Beam Phased Array Antenna .............................................................94

3.2.7.2 Radar Phased Array Antenna .......................................................................964 LABORATÓRIO DE RADAR NO CEAAE ...........................................98


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4.1 LABORATÓRIO DE RADAR NO CEAAE – MÓDULO OPERACIONAL

......................................................................................................................98

4.1.1 Familiarização com o Equipamento.........................................................98

4.1.1.1 Introdução ao Lab-Volt Analog Radar Training System..............................99

4.1.1.2 Indicador A-scope ......................................................................................100

4.1.1.3 Indicador PPI ..............................................................................................101

4.1.1.4 Ajuste do radar CW....................................................................................102

4.1.1.5 Ajuste do radar FM-CW.............................................................................102

4.1.1.6 Introdução ao Lab-Volt Digital Radar Training System ............................103

4.1.1.7 Introdução ao Lab-Volt Tracking Radar Training System.........................104

4.1.1.8 Introdução ao Lab-Volt Radar Jamming Pod.............................................1054.1.1.9 Uso do Radar Jamming Pod no Despistamento em Distância e Ângulo.... 105

4.1.2 Técnicas de Rastreio Eletrônico..............................................................106

4.1.2.1 Aplicação das Técnicas de Rastreio automático em distância ...................106

4.1.2.2 Uso das Técnicas de Rastreio Angular.......................................................107

4.1.2.3 Uso do Rastreio automático em ângulo......................................................108

4.1.2.4 Análise da Performance do Rastreio em Distância e Ângulo (Erros Causados

pelo Radar). ................................................................................................1084.1.2.5 Análise da Performance do Rastreio em Distância e Ângulo (Erros causados

pelo Alvo)...................................................................................................109

4.1.3 Guerra Eletrônica Aplicada ao Radar ...................................................110

4.1.3.1 Aplicação do Bloqueio de Ponto e Determinação da Distância de Burn-

Through ......................................................................................................111

4.1.3.2 Uso do Bloqueio de Barragem contra Radares com Agilidade de Freqüência

....................................................................................................................1114.1.3.3 Uso do Rastreio pelo Bloqueio e da Integração de Pulsos contra o Bloqueio

de Barragem................................................................................................112

4.1.3.4 Uso da Discriminação Direcional contra o Bloqueio pelo Lóbulo Lateral 112

4.1.3.5 Aplicação da técnica Range Gate Pull-Off.................................................113

4.1.3.6 Uso da Tecnologia Stealth na Redução da RCS.........................................113

4.1.3.7 Uso de Sinais Modulados em Amplitude no Despistamento em Ângulo ..114

4.1.3.8 Uso do Despistamento de Polarização Cruzada .........................................114

4.1.3.9 Uso das Técnicas de Despistamento Cooperativo......................................115

4.1.3.10 Uso de Nuvens de Chaff como Despistadores............................................115


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4.1.3.11 Despistamento com Nuvens de Chaff ........................................................116

4.2 LABORATÓRIO RADAR NO CEAAE – MÓDULO TÉCNICO ...........116

4.2.1 Fundamentos de Microondas ..................................................................117

4.2.1.1 Geração e Recepção de Ondas Eletromagnéticas.......................................117

4.2.1.2 Medida do Comprimento de Onda .............................................................118

4.2.1.3 Caracterização de Dispositivo de Microondas ...........................................122

4.2.2 Antenas e Propagação..............................................................................126

4.2.2.1 Determinação do Padrão de Radiação da Antena Radar ............................126

4.2.3 Probabilidade e Variáveis Aleatórias.....................................................126

4.2.3.1 Aplicação da Probabilidade na Detecção Radar.........................................126

4.2.4 Princípios de Telecomunicações..............................................................127 4.2.4.1 Medida dos Sinais de Radar no Domínio da Freqüência ...........................127

4.2.5 Processamento Radar ..............................................................................132

4.2.5.1 Equação Radar............................................................................................132

4.2.5.2 Operação do Phase-Processing MTI ..........................................................133

4.2.5.3 Operação do Vector-Processing MTI.........................................................133

4.2.5.4 Utilização de FRP Variável para Supressão de Velocidade Cega..............134

4.2.5.5 Medida da Performance do Sistema MTI...................................................1344.2.5.6 Aplicação da Integração de Pulsos na Detecção Radar..............................135

4.2.5.7 Aplicação do STC na Rejeição de Clutter ..................................................135

4.2.5.8 Aplicação do IAGC na Rejeição de Clutter ...............................................136

4.2.5.9 Aplicação do Receptor log-FTC na Rejeição do Clutter Meteorológico ...136

4.2.5.10 Aplicação do Processamento CFAR na Rejeição de Clutter......................136

4.2.5.11 Mapeamento de Células no Radar Digital..................................................137

4.2.5.12 Processamento de Sinais Radar com FFT ..................................................1374.2.5.13 Aplicação do Processamento CFAR no Sistema Radar Digital .................138

4.2.5.14 Processamento de Correlação e Interpolação (C&I) no Sistema Radar Digital

....................................................................................................................138

4.2.5.15 Processamento Radar no Modo de Vigilância (Track-While-Scan) ..........139

5 LABORATÓRIO DE PROCESSAMENTO DE SINAIS

ELETROMAGNÉTICOS: POTENCIAL DE AUTOMAÇÃO...........140

5.1 AVALIAÇÃO INICIAL DOS RECURSOS DISPONÍVEIS....................142

5.1.1 Emulador de Guerra Eletrônica – TS100+ Excalibur..........................142

5.1.2 Analisador de Rede Agilent – Modelo 8714ES......................................143


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5.1.3 Analisador de Espectro Agilent – Modelo E4407B...............................143

5.1.4 Osciloscópio Agilent – Modelo 54622A..................................................144

5.1.5 Medidor de Potência HP – Modelo E4418B ..........................................145

5.1.6 Gerador de Sinal – Modelo E4433B .......................................................145

5.1.7 Modulador de Pulso HP / Agilent – Modelo 11720A ............................146

5.1.8 Atenuador / Excitador de Chaveamento HP / Agilent – Modelo 11713A.

....................................................................................................................146

5.1.9 Medidor de Potência de RF HP / Agilent – Modelo 437B ....................146

5.1.10 Gerador de Sinal HP / Agilent – Modelo 8648A...................................147

5.1.11 Gerador de Varredura HP - Modelo 8350.............................................147

5.1.12 RF Plug In HP / Agilent – Modelo 83592B............................................148 5.1.13 Gerador de Função / Pulso – Modelo HP 8116A...................................148

5.1.14 Amplificador de Microondas HP – Modelo 8349B ...............................149

5.1.15 Osciloscópio Digital HP – Modelo 54200A.............................................149

5.1.16 Fonte de Alimentação Programável HP – Modelo 6038A....................149

5.1.17 Freqüencímetro Digital HP – Modelo 5334B.........................................150

5.1.18 Freqüencímetro Digital HP – Modelo 5328B.........................................150

5.1.19 Interface Programável Multifunção Tektronix – Modelo MI5010......151 5.1.20 Scanner Programável Tektronix – Modelo SI5010...............................151

5.1.21 Fonte de Alimentação Programável Tektronix – Modelo PS5010.......152

5.1.22 Repetidor HP – Modelo 59306A .............................................................152

5.1.23 Osciloscópio Digital HP / Agilent – Modelo 54645A.............................153

5.1.24 Gerador de Sinal de RF Agilent – Modelo E4422B ..............................153

5.1.25 Placa de Aquisição de Dados da National Instruments – Modelo

NI6052E.....................................................................................................154 5.1.26 Software LABVIEW da National Instruments .....................................154

5.2 INVESTIMENTO EM RECURSOS HUMANOS ....................................156

6 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES..............................................158

6.1 CONCLUSÕES DA ANÁLISE TÉCNICA ..............................................159

6.2 CONCLUSÕES DA ANÁLISE PEDAGÓGICA......................................163

6.3 RECOMENDAÇÕES ................................................................................164


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LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Diagrama de blocos simplificado de um radar pulsado[6]. ...........................20

Figura 2.2 Transmissor radar usando um oscilador de RF de alta potência[6]...............21

Figura 2.3 Tubo de raios catódicos usado como indicador radar [7]...............................22

(a) Alvo fixo.................................................................................................23

(b) Alvo móvel .............................................................................................23

Figura 2.4 Indicador tipo A-scope.................................................................................23

Figura 2.5 Diagrama de blocos simplificado do Lab-Volt Radar Training System[6]...25

Figura 2.6 Indicador tipo A-scope estendido[6]. ............................................................26

Figura 3.1 Mobile Target Table[9]..................................................................................29 Figura 3.2 Target Controller [9].......................................................................................30

Figura 3.3 Jogo de alvos passivos[9]. .............................................................................31

Figura 3.4 Entradas externas do Target Controller [9]. ...................................................32

Figura 3.5 Altura apropriada da Target Table[6]............................................................33

Figura 3.6 Diagrama de blocos do Target Positioning System[9]. .................................34

Figura 3.7 Painel frontal do Power Supply[10]. ..............................................................35

Figura 3.8 Painel frontal do Antenna Motor Driver [10]

..................................................36 Figura 3.9 Diagrama de blocos simplificado do servomecanismo de controle da

velocidade da antena de radar [10]..................................................................37

Figura 3.10 Radar Antenna[11]. ........................................................................................38

Figura 3.11 Microwave-Absorbing Parapet. ...................................................................39

Figura 3.12 Padrão de radiação da Radar Antenna em 9.0 GHz – Plano H (Azimute)[11].

......................................................................................................................41

Figura 3.13 Padrão de radiação da Radar Antenna em 9.0 GHz – Plano E (Elevação)

[11]

.......................................................................................................................41

Figura 3.14 Painel frontal do Rotating-Antenna Pedestal[12]...........................................42

Figura 3.15 Painel frontal do Radar Synchronizer / Antenna Controller [13]....................43

Figura 3.16 Painel frontal do Radar Transmitter [14]. .......................................................45

Figura 3.17 Diagrama de blocos do Radar Transmitter [14]. .............................................47

Figura 3.18 Painel Frontal do Radar Receiver [15]............................................................49

Figura 3.19 Diagrama de Blocos do Radar Receiver [15]..................................................51

Figura 3.20 Painel Frontal do Dual-Channel Sampler [16]................................................52

Figura 3.21 Expansão no tempo de um sinal pulsado[16].................................................54


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Figura 3.22 Painel Frontal do Clutter Generator [17].........................................................55

Figura 3.23 Clutter Marítimo simulado no indicador tipo A-Scope[17]. ..........................56

Figura 3.24 Clutter Meteorológico ou Eco de Segunda Recorrência simulado no

indicador tipo A-scope[18].............................................................................57

Figura 3.25 Diagrama de blocos simplificado do Clutter Generator [17]. .........................58

Figura 3.26 Painel frontal do PPI Scan Converter [18]. .....................................................59

Figura 3.27 Diagrama de blocos simplificado do PPI Scan Converter [18].......................61

Figura 3.28 Painel frontal do Analog MTI Processor [19].................................................62

Figura 3.29 Painel frontal do Digital MTD/PPI Processor [20]. ........................................64

Figura 3.30 Radar Target Tracker [21]...............................................................................67

Figura 3.31 Processo de Aquisição de Alvos[21]..............................................................68 Figura 3.32 Diagrama de Blocos do Radar Target Tracker [21]. .......................................69

Figura 3.33 Diagrama de Sincronismo da geração dos sinais de controle das GATE

ADIANTADA, GATE ATRASADA e RANGE-GATE[21]. ......................72

Figura 3.34 Diagrama simplificado do GERADOR DE SINCRONISMO DA GATE[21].

......................................................................................................................74

Figura 3.35 Diagrama de Sincronismo mostrando como os sinais de controle do

chaveamento de lóbulos são produzidos quando o LOBE CONTROL RATEé fixado para PRF/2[21]. ................................................................................76

Figura 3.36 Interconexões da Interface de Chaveamento de Lóbulos[21]. .......................80

Figura 3.37 Um Jamming Pod numa aeronave e o Lab-Volt Radar Jamming Pod[22]....81

Figura 3.38 A diferença de distância entre as antenas do Radar Jamming Pod[22]..........82

Figura 3.39 O Diagrama de blocos do Radar Jamming Pod[22].......................................83

Figura 3.40 Radar Jamming Pod na Movable Target Table[22]. ......................................85

Figura 3.41 Menu do Controle Remoto do Radar Jamming Pod

[22]

................................86 Figura 3.42 Painel traseiro do Radar Jamming Pod[22]....................................................87

Figura 3.43 Circuito repetidor do Radar Jamming Pod[22]. .............................................88

Figura 3.44 Acessórios do Radar Jamming Pod para estudo da tecnologia stealth[22]....89

Figura 3.45 Configuração básica do Variable-Density Chaff Cloud (VDCC)[22]. ..........90

Figura 3.46 Tiras de shaff penduradas no suporte do VDCC[22]. ....................................91

Figura 3.47 Antenna Training and Measuring System[23]. ..............................................92

Figura 3.48 Padrão RCS polar de um alvo (míssil em escala reduzida) [24]....................93

Figura 3.49 Imagens ISAR de alta resolução (modelo de um Boeing 747 em escala de

1:100)[24].......................................................................................................94


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Figura 3.50 Multi-Beam Phased Array Antenna[25].........................................................95

Figura 3.51 PAA operando com dois feixes simultâneos[25]. ..........................................96

Figura 3.52 Radar Phased Array Antenna[26]...................................................................97

Figura 4.1 Detecção de fase.........................................................................................118

Figura 4.2 Medida do comprimento de onda: posicionamento do equipamento.........119

Figura 4.3 Medida do comprimento de onda: configuração do equipamento.............120

Figura 4.4 Fixação da antena tipo corneta. ..................................................................120

Figura 4.5 Movimentação da antena receptora............................................................121

Figura 4.6 Máximo positivo do sinal detectado. .........................................................121

Figura 4.7 Analisador de Espectro. .............................................................................122

Figura 4.8 Circulador de Ferrite. .................................................................................123 a) Calibração dos instrumentos. .................................................................125

b) Configuração para medida da perda por inserção..................................125

c) Configuração para medida do fator de isolação.....................................125

Figura 4.9 Caracterização de dispositivo de microondas. ...........................................125

(a) Pulso periódico retangular. ...................................................................128

(b) Sinal Fundamental e Harmônicos.........................................................128

Figura 4.10 Pulsos retangulares.....................................................................................128 Figura 4.11 Espectro de um pulso retangular. ...............................................................128

Figura 4.12 Espectro de uma portadora senoidal modulado em amplitude por um pulso

retangular....................................................................................................129

Figura 4.13 Efeito da variação da largura de pulso e da FRP no espectro do sinal

pulsado. ......................................................................................................131

Figura 5.1 Automação do Laboratório de Processamento de Sinais Eletromagnéticos.

....................................................................................................................141 Figura 5.2 Laboratório de Acesso Remoto para Ensino de Guerra Eletrônica............142

Figura 5.3 Excalibur TS100+[41]..................................................................................143

Figura 5.4 Analisador de Rede – Modelo 8714ES[42]..................................................143

(a) Painel Frontal[42]. ..................................................................................144

(b) Software de Controle e Aquisição de Dados através da Internet /

Intranet[43]...................................................................................................144

Figura 5.5 Analisador de Espectro – Modelo E4407B................................................144

Figura 5.6 Osciloscópio – Modelo 54622A[44]. ...........................................................144

Figura 5.7 Power Meter – Modelo E4418B[45]............................................................145


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Figura 5.8 Gerador de Sinal – Modelo E4433B[46]......................................................145

Figura 5.9 Modulador de Pulso HP / Agilent – Modelo 11720A[47]. ..........................146

Figura 5.10 Atenuador / Excitador de Chaveamento HP / Agilent – Modelo 11713A[48].

....................................................................................................................146

Figura 5.11 Medidor de Potência de RF HP / Agilent – Modelo 437B[49]....................147

Figura 5.12 Gerador de Sinal HP / Agilent – Modelo 8648A[50]...................................147

Figura 5.13 Gerrador de Varredura HP – Modelo 8350[51]. ..........................................147

Figura 5.14 RF Plug In HP / Agilent – Modelo 83592B[52]. .........................................148

Figura 5.16 Gerador de Função de Pulso – Modelo HP8116A[54].................................148

Figura 5.17 Amplificador de Microondas HP – Modelo 8349B [55]..............................149

Figura 5.18 Osciloscópio Digital HP – Modelo 54200A[56]..........................................149 Figura 5.19 Fonte de Alimentação Programável HP – Modelo 6038A[57]....................150

Figura 5.20 Freqüencímetro Digital HP – Modelo 5334B[58]........................................150

Figura 5.21 Freqüencímetro Digital HP – Modelo 5328B[59]........................................151

Figura 5.22 Interface Programável Multifunção Tektronix – Modelo MI5010[60]........151

Figura 5.23 Scanner Programável Tektronix – Modelo SI5010[61]. ..............................152

Figura 5.24 Fonte de Alimentação Programável Tektronix – ModeloPS5010[62].........152

Figura 5.25 Repetidor HP – Modelo 59306A[63]

. ..........................................................153 Figura 5.26 Osciloscópio Digital HP / Agilent – Modelo 54645A[64]...........................153

Figura 5.27 Gerador de Sinal de RF Agilent – Modelo E4422B – Modelo E4433B[65].

....................................................................................................................154

Figura 5.28 Placa de Aquisição de Dados da National Instruments – Modelo

NI6052E[66].................................................................................................154

Figura 5.29 Painel frontal (1. Controlador – entrada ; 2. Indicador – saída)[40]. ...........156

Figura 5.30 Diagrama de blocos (1. Função ; 2. Estrutura ; 3. Terminais do painelfrontal)[40]. ..................................................................................................156


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LISTA DE QUADROS

Quadro 3.1 Módulos e Acessórios do Radar Training System. ......................................28

Quadro 3.2 Especificações do RCS Measurement System.............................................93

Quadro 3.3 Especificações da Multi-Beam Phased Array Antenna[25]...........................95

Quadro 3.4 Especificações da Radar Phased Array Antenna. ........................................97

Quadro 4.1 Equipamento - Medida do Comprimento de Onda. ...................................119

Quadro 4.2 Equipamento : Usando o Circulador como Duplexador. ...........................124


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1 INTRODUÇÃO

O Laboratório de pesquisa em Guerra Eletrônica e Vigilância Eletromagnética da

Amazônia, inaugurado no CTA/ITA (Centro Técnico Aeroespacial / Instituto Tecnológico da

Aeronáutica) no dia 5 de março de 2001, foi resultado da ação conjunta do DEPED

(Departamento de Pesquisas e Desenvolvimento), COMGAR (Comando Geral do Ar) e

CCSIVAM (Comissão para Coordenação do Sistema de Vigilância da Amazônia)[1].

Um dos objetivos da criação deste laboratório foi o desenvolvimento de atividades de

pesquisa em ciência e tecnologia dentro de um programa de formação de recursos humanos e

aprimoramento da base operacional, científica e tecnológica do SISGEA (Sistema de Guerra

Eletrônica da Aeronáutica)[1]

.O SISGEA foi criado em 1996 com o objetivo de sistematizar no âmbito do Comando

da Aeronáutica, o estudo e a exploração do complexo ambiente de guerra moderno.

Seguindo, assim, o exemplo de outras Forças Aéreas mais capacitadas, tais como a RAF e a

USAF, que estruturaram a Guerra Eletrônica como atividade sistêmica, com reflexo direto no

Comando e Controle (quando tratado como Centro de Gravidade), na arte (concepções, táticas

e procedimentos) e na ciência (entendimento e exploração da tecnologia) da guerra[2].

A abordagem sistêmica permite atender ao caráter multidisciplinar da GuerraEletrônica, que requer processos nas áreas de operações, inteligência, capacitação de recursos

humanos e tecnologia. Este caráter se manifesta no nível acadêmico na forma de necessidades

de conhecimentos e habilidades em várias áreas, tais como a física, a matemática, a eletrônica,

a informática e a administração, principalmente no que se refere à abordagem metodológica e

sociológica para o Comando e Controle.

Outra característica da Guerra Eletrônica que resulta na necessidade de

funcionamento sistêmico é a multi-setorialidade, uma vez que requer o concurso de vários

setores de uma Força Armada para a sua viabilização como atividade de guerra. Apesar de ser

uma atividade gerenciada pela área operacional (isto também ocorre na Marinha do Brasil,

RAF, USAF, etc.), uma vez que é uma atividade típica de ambientes onde há conflitos de

interesse, há necessidade da participação das áreas de ensino, apoio, técnica e pessoal.

O Grupo de Instrução Tática e Especializada – GITE e o Instituto Tecnológico da

Aeronáutica – ITA, são elos do SISGEA cujas competências e capacidades os colocam na

área de Capacitação de Recursos Humanos, ou seja, desenvolvem atividades com a finalidade

de preparar o pessoal da aeronáutica para entender melhor e explorar as interações de

ambiente de guerra, pois abrange desde comando e controle até armamentos.


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Estas atividades se materializam através dos cursos, disciplinas ou unidades didáticas

que são passados aos oficiais, e que cobrem as necessidades de uma formação voltada para o

ambiente de guerra em seus diversos níveis.

O COMGAR, como órgão central do sistema, define os currículos dos cursos de GE

ministrados no GITE e ITA, participa da indicação de instrutores e fornece o conteúdo das

matérias, exceto aquelas referentes ao módulo técnico do Curso de Especialização em Análise

de Ambiente Eletromagnético – CEAAE[3], e as do Programa de Pós-Graduação em

Aplicações Operacionais – PPGAO[4], que é prerrogativa do ITA.

Dentro desta política de investimento em Recursos Humanos, o Laboratório de

Pesquisa em Guerra Eletrônica e Vigilância Eletromagnética da Amazônia recebeu do

COMGAR um equipamento para ensino de Guerra Eletrônica na área de radar fabricado pelaLab-Volt System denominado Radar Training System ao custo de aproximadamente US$

190,000.00. A falta de conhecimento técnico especializado ou experiência prévia de uso, no

âmbito do Comando da Aeronáutica, seja no ensino ou na pesquisa, além do fato de encontra-

se em processo de aquisição um sistema similar para uso no GITE, motiva um estudo que

permita operacionalizar este equipamento como instrumento de ensino e pesquisa em Guerra

Eletrônica na Força Aérea Brasileira.

Uma solução possível seria realizar um estudo do funcionamento do equipamento eanalisar suas qualidades para o ensino militar especializado em Guerra Eletrônica.

Assim, o objetivo deste trabalho é fornecer subsídios para o planejamento de ensino e

pesquisa em Guerra Eletrônica na área de radar usando o Lab-Volt Radar Training System

que permitam o seu aproveitamento de forma sistêmica e racional.

O estudo contido neste trabalho restringiu a análise à aplicação do equipamento no

CEAAE.

Para que este estudo tenha a possibilidade de atingir o objetivo proposto deverácumprir os seguintes requisitos:

a) identificar o princípio de operação de cada módulo componente do sistema;

b) identificar as técnicas de geração, recepção e processamento de sinais utilizadas;

c) comparar o Lab-Volt Radar Training System com equipamentos de uso operacional ( full

scale); e

d) propor um conjunto de experimentos a ser implementado nos módulos operacional e

técnico do CEAAE que atenda o seu programa de curso.


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Para cumprir os requisitos estabelecidos, esta análise terá um esforço de pesquisa

focado nos manuais técnicos e de ensino elaborados pelo fabricante do equipamento, e na

literatura especializada de GE, microondas e de controle de servomecanismos.

1.1 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO

No primeiro capítulo foi feita uma contextualização do processo de aquisição do Lab-

Volt Radar Training System para o ITA e GITE como uma conseqüência da consolidação da

abordagem sistêmica na Guerra Eletrônica no Comando da Aeronáutica. Também foi

identificado um dos problemas para a operacionalização do equipamento no ensino de GE na

FAB sendo feita então uma proposta de solução, adotada como objetivo deste trabalho.

No segundo capítulo são abordados os conceitos básicos sobre o funcionamento de um

radar pulsado mantendo o foco na caracterização dos blocos componentes do sistema.

No terceiro capítulo é feita uma análise dos princípios de operação dos vários módulos

do Lab-Volt Radar Training System existentes no Laboratório de Processamento de Sinais

Eletromagnéticos e dos módulos e sistemas em processo de aquisição.

No quarto capítulo é feita uma proposta pedagógica para uso do equipamento no

CEAAE, consistindo de um conjunto de experimentos selecionados para aplicação nos

módulos operacional e técnico do CEAAE.Finalmente, no último capítulo, apresentam-se as principais conclusões e

recomendações do autor.


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2 CONCEITOS BÁSICOS

O objetivo deste capítulo é abordar os conceitos básicos para a compreensão do

funcionamento do Lab-Volt Radar Training System.

2.1 SISTEMA RADAR BÁSICO

Segundo Skolnik [5], o Radar é um sistema eletromagnético para detecção e localização

de objetos. Desta definição podemos depreender as seguintes conclusões:

a) uma vez que o radar utiliza a radiação eletromagnética para sondagem do meio, sua

performance está ligada à teoria dinâmica do campo eletromagnético de Maxwell;

b)

suas funções básicas são a determinação da existência de um corpo, que normalmente

chamamos de alvo, dentro do seu raio de ação ou volume de cobertura, e a determinação

da posição deste alvo.

Outras funções podem ser acrescidas, tais como determinação da velocidade,

identificação de alvos, etc.

Em um sistema de radar pulsado, blocos curtos de energia de radio freqüência (RF)

são gerados para transmissão. Isto é normalmente realizado primeiro gerando um trem de

estreitos pulsos de forma retangular e usando-os para modular uma portadora de RF senoidal.O pulso é transmitido pela antena. Se o sinal colide com um alvo, uma porção do sinal irá

refletir de volta para o radar como um eco. A antena captura os pulsos de eco que são

enviados para o receptor. Os pulsos recebidos são demodulados e convertidos em um sinal de

vídeo para visualização[6].

A Figura 2.1 mostra um diagrama de blocos simplificado de um radar pulsado típico.

O transmissor gera um sinal pulsado de RF de alta potência. Dois tipos de transmissores são

geralmente usados: um oscilador de RF de baixa potência seguido de um amplificador de RF,como mostrado na Figura 2.1, ou um oscilador de RF de alta potência como uma Magnetron,

como mostrado na Figura 2.2.

Para obter um trem de pulsos de RF, um modulador é necessário. Se um oscilador de

RF de baixa potência e um amplificador são usados, como na Figura 2.2, o modulador pode

consistir de uma grade de controle dentro de um amplificador. O modulador modula em

amplitude este sinal para produzir um sinal pulsado de RF. O sinal pulsado de RF é então

amplificado pelo amplificados de RF.


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Figura 2.1 Diagrama de blocos simplificado de um radar pulsado[6].


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Figura 2.2 Transmissor radar usando um oscilador de RF de alta potência[6].

A freqüência de repetição de pulsos FRP (ou f p nas equações) é a taxa em que os

pulsos de RF são gerados. O período entre pulsos T é o tempo entre o início de um pulso e o

inicio de próximo pulso. Notar que T= 1/f p. A largura de pulso τ é a duração de cada pulso.

Se o transmissor e o receptor do radar compartilham a mesma antena, como na Figura

2.1, um duplexador é necessário. A função do duplexador é encaminhar automaticamente osinal transmitido do transmissor para a antena, e receber o sinal vindo da antena para o

receptor, porém previne que o sinal passe diretamente do transmissor para o receptor. Isto é

necessário para prevenir danos nos sensíveis estágios de entrada do receptor.

Falando genericamente, qualquer dispositivo que permita o transmissor e o receptor

compartilharem a mesma antena é chamado um duplexador. Sistemas de radar de alta

potência normalmente usam duplexadores contendo tubos de descarga em gás sensível a

potência para direcionar o sinal transmitido e recebido. Em sistemas de baixa potência, um

circulador de estado sólido em ferrite pode ser usado como duplexador. Um circulador é um

acoplador multi-terminal em que a energia de microondas é transmitida apenas de um

terminal para o próximo.

A antena em um sistema de radar é o dispositivo de transição entre os guias de onda ou

linhas de transmissão e o espaço livre. A antena é normalmente projetada para concentrar o

sinal transmitido em um feixe estreito. Pela orientação da antena, o feixe pode ser apontado

em várias direções, assim permitindo ao radar determinar a direção do alvo. Embora a maioria

dos sistemas de radar pulsado usem uma antena comum tanto para a transmissão quanto para

a recepção, alguns sistemas usam duas antenas separadas.


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O sistema de posicionamento eletromecânico da antena é usado para orientar a antena.

A antena pode ser feita para rodar , varrendo sobre um ângulo ou área limitados, ou para

rastrear um alvo móvel, dependendo da aplicação.

O eco recebido pela antena é direcionado pelo duplexador para o receptor. A função

do receptor é demodular o sinal de eco e produzir um sinal que possa ser processado e

enviado para o mostrador.

Muitos sistemas de radar incluem algum tipo de processamento. O processador de

sinais deve prover algumas funções que como a redução de ecos indesejados, a redução de

interferência ou ruído e vários tipos de detecção automática.

A finalidade do indicador é converter a informação do alvo para o operador radar. O

tipo de indicador depende da aplicação radar em particular. Em radares pulsados, o indicadornormalmente consiste de algum tipo de mostrador com tubo de raios catódicos. Outros

circuitos, como um circuito para permitir o rastreio de alvos móveis , por exemplo, também

podem fazer parte deste indicador.

Existem dois tipos básicos de indicadores com CRT: o mostrador CRT de deflexão

modulada (Figura 2.3) e o indicador CRT de intensidade modulada. No indicador de deflexão

modulada a presença de um alvo é indicada pela reflexão de um feixe de elétrons. No

indicador de intensidade modulada um alvo é indicado pela intensificação de um feixeelétrons de forma a causar um ponto luminoso que aparece no CRT. A deflexão do feixe e o

ponto luminoso, são chamados “blips”.

Figura 2.3 Tubo de raios catódicos usado como indicador radar [7].


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Um dos indicadores de deflexão modulada mais comum é o indicador tipo A-scope.

No indicador tipo A-scope, a deflexão vertical é proporcional à intensidade do eco do alvo e a

coordenada horizontal da deflexão é proporcional à distância do alvo.

A Figura 2.4 mostra os sinais típicos obtidos nos indicadores tipo A-scope. Em (a)

temos o eco correspondente a um alvo fixo. Quanto mais forte o eco de um alvo particular,

maior a deflexão em relação ao zero do indicador. A amplitude atual da deflexão e seu sinal,

também dependem da fase do sinal de eco relativa ao do sinal do oscilador local. Sendo o

comprimento de onda dos sinais de radar são muito curtos, aproximadamente 3 cm para uma

freqüência de 10 GHz, a fase do sinal de eco pode mudar acentuadamente se o alvo se move

ligeiramente em direção ao radar ou para longe dele.

A Figura 2.4 (b) mostra a deflexão causada por um alvo móvel. Como a fase do sinalde eco varia, a amplitude da deflexão também varia. Isto da uma aparência de “borboleta” aos

alvos móveis no indicador tipo A-scope.

(a) Alvo fixo. (b) Alvo móvel

Figura 2.4 Indicador tipo A-scope.

Nos radares pulsados, à distância do alvo é determinada pelo tempo que se passa entre

a transmissão de um pulso e a recepção do eco. Isto é chamado de tempo de trânsito de ida-e-

volta. No instante em que o pulso de radar é transmitido, o feixe eletrônico do indicador tipo

A-scope retorna para a esquerda da tela e inicia um novo traço, movendo-se em uma

velocidade constante para a direita. Quando um eco é recebido, ele causa uma deflexão

vertical do feixe. A posição da deflexão corresponde conseqüentemente ao tempo de trânsitode ida-e-volta. Em virtude do tempo de trânsito de ida-e-volta ser proporcional ao alcance do


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alvo, a posição horizontal da deflexão do indicador tipo A-scope indica o alcance do alvo.

Quanto maior à distância do alvo, mais para a direita aparece à deflexão.

Em um sistema de radar pulsado, é essencial que alguma forma de sincronização seja

usada no sistema de tal forma que o indicador mostre os alvos na distância correta. Isto pode

ser implementado através do uso de um sincronizador, como mostra a Figura 2.1. O

sincronizador gera um trem de pulsos de sincronização regularmente espaçados que é usado

para o disparo do gerador de pulso e para fazer a reinicialização do indicador.

O gerador de pulsos gera pulsos muito estreitos com a tensão e potência requerida

pelo modulador. Um pulso é gerado para cada pulso vindo do sincronizador.

A Figura 2.5 é um diagrama de blocos simplificado do Lab-Volt Radar Training

System. Este sistema de radar se assemelha a um sistema de radar típico, porém algumasdiferenças de projeto podem ser notadas. Primeiro, o gerador de pulsos está incorporado

dentro do transmissor de radar. Em virtude de o Radar Transmitter operar com uma potência

muito baixa, não há a necessidade de um amplificador de RF.

O sistema de posicionamento eletromecânico da antena consiste do Antenna

Controller, o Antenna Motor Driver, e o Rotating–Antenna Pedestal. O Rotating-Antenna

Pedestal também contém um circulador que atua como duplexador.

A diferença mais notável entre um radar típico e o Radar Training System aparece naseção de recepção. Ao lado do receptor, o Radar Training System, inclui um amostrador. Este

Dual-Channel Sampler permite que o Radar Training System opere sobre uma faixa muito

mais estreita que um radar convencional. Enquanto os radares convencionais são projetados

para operar com distâncias de algumas centenas de quilômetros, o Radar Training System

opera de zero até vários metros.

Para obter boa resolução com esta operação em curto alcance, são necessários pulsos

de RF muito curtos. Processar estes pulsos muito curtos iria normalmente requerer circuitosde processamento de sinais de banda larga. Tais equipamentos, segundo o fabricante, seriam

extremamente intrincados e caros. O Dual-Channel Sampler permite que o Radar Training

System seja usado com pulsos de RF muito curtos, porém usando circuitos de processamento

de sinais de banda estreita que são menos custosos.


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Figura 2.5 Diagrama de blocos simplificado do Lab-Volt Radar Training System[6]

.


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No Radar Training System, um indicador tipo A-scope é obtido conectando um

osciloscópio no Dual-Channel Sampler, como mostrado na Figura 2.5. Existem dois controles

de Alcance no Dual-Channel Sampler. Eles são identificados como SPAN e ORIGIN. A

operação destes controles pode ser entendida imaginando um indicador tipo A-scope muito

largo, como na Figura 2.6.

Figura 2.6 Indicador tipo A-scope estendido[6].

Próximos da esquerda deste indicador existem vários ecos parasitas que são causados

por ligeiras imperfeições no sistema. Exemplos destas imperfeições, que estão presentes em

algum nível em todos os sistemas, são alimentados através de parte do sinal transmitido

através do circulador diretamente para o receptor, bem como um descasamento de impedância

com a antena tipo corneta e imperfeições mecânicas na junta rotativa. Todas estas causas

levam a que uma parte do sinal seja refletido de volta para o receptor. Uma vez que o radar

esteja calibrado, os ecos parasitas não são normalmente visualizados pelo operador. Mais para

a direita no indicador estão vários alvos, um deles está em movimento.

Como mostra a Figura 2.6, o Dual-Channel Sampler gera um indicador A-scope que permite a visualização de parte da faixa total disponível. Este indicador é como uma janela

que pode ser posicionada em qualquer lugar ao longo do alcance total usando o controle

ORIGIN. Girando o controle ORIGIM no sentido horário move-se o inicio da janela (a

origem da distância) para longe da antena em direção à direita. O comprimento da janela

corresponde ao SPAN, que pode ser selecionado para 1.8, 3.6 ou 7.2 m.


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3 LAB-VOLT RADAR TRAINING SYSTEM

3.1

APRESENTAÇÃO

O ensino prático de radar em laboratório sempre foi muito difícil e ao mesmo tempo

muito perigoso. A velocidade de propagação da luz faz com que o tempo para recepção de um

eco radar seja muito pequeno se o objeto está muito próximo. O sistema radar deve estar

suficientemente longe ou ser extremamente rápido para perceber o efeito do sinal de retorno.

Entretanto, se o alvo está muito distante, a potência deve ser suficiente para obter um eco

forte o bastante para ser detectado[6]. O Lab-Volt Radar Training System se propõe a prover

uma experiência real (não simulada) no uso de radar para detecção e rastreio de alvos

passivos, permitindo a operação de um sistema de radar ativo em tempo real dentro de um

laboratório de forma segura pelo uso de baixos níveis de potência. Seu conceito modular

permite que sejam estudados vários tipos de radar e suas técnicas de processamento de sinais,

sejam elas analógicas ou digitais.

3.2 COMPOSIÇÃO

Os módulos instrucionais e instrumentais disponíveis atualmente no Laboratório deProcessamento de Sinais Eletromagnéticos permitem compor os seguintes sistemas de

treinamento da Lab-Volt:

a) Analog Radar Training System;

b) Digital Radar Training System; e

c) Radar Tracking Training System.

Conforme apresentado no Quadro 3.1, alguns módulos são comuns a todos os

sistemas.Alem destes, encontram-se em fase de aquisição os seguintes sistemas:

a) Radar Active Target Training;

b) Antenna Training and Measuring System;

c) RCS Measurement System;

d) Phase Array Antenna.


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Modelo Descrição

AnalogRadar

TrainingSystem

DigitalRadar

Training

RadarTrackingTraining

RadarActiveTarget

Training

9601 Power Supply / Antenna Motor Driver X X X X

9602 Radar Synchronizer / Antenna Controller X X X X

9603 Rotating-Antenna Pedestal X X X X

9604 Radar Antenna X X X

9604-A Dual-Feed Parabolic Antenna X X

9605 Dual-Channel Sampler X X X X

9606 Clutter Generator X X X

9607 Target Positioning System X X X X

9608-1 Radar Jamming Pod X

9609 Power Supply X9620 Radar Transmitter X X X X

9621 Radar Receiver X X X X

9622 PPI Scan Converter X X

9623 Analog MTI Processor X X X

9624 Digital MTD / PPI Processor X

9625 Radar Target Tracker X X

9690-1 Connection Cables and Accessories X X X X

9690-B Tracking Radar Accessories X X

9690-C Connection Leads and Accessories X

9535 Corneta X

9694 Hand Controller X X

Quadro 3.1 Módulos e Acessórios do Radar Training System.


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3.2.1 Analog Radar Training System

O Analog Radar Training System, modelo 8095-10, consiste de quatro módulos

instrucionais, quatro módulos de instrumentação, uma antena com pedestal e um sistema de posicionamento de alvos. O Analog Radar Training System permite o estudo de Radares

Pulsados, de Onda-Contínua (CW) e de Onda-Contínua Modulada em Freqüência (FM-

CW)[8].

3.2.1.1 Target Positioning System

O Target Positioning System, modelo 9607-1, permite posicionamento e

movimentação precisos de um alvo radar passivo. O sistema consiste de uma mesa de alvosmóvel, um módulo de controle remoto chamado Target Controller, e um jogo de alvos

passivos[9].

A Mobile Target Table, que pode ser vista na Figura 3.1, é o elemento principal do

Target Positioning System. Ela é uma mesa de 1,5 m2 montada sobre rodas. A superfície útil

da Target Table mede 90 cm por 90 cm e possui uma quadrícula de 1 cm de lado desenhada.

Um mastro é preso ao carro móvel que se movimenta sobre a superfície útil da mesa.

1.

MASTRO2. Proteção do CONVERSOR AC/DC do eixo Y3. Chave de ALIMENTAÇÃO4.

Proteção da ENTRADA DA LINHA

5.

CABO MULTIVIA6. CORDÃO DA LINHA7. Proteção do CONVERSOR AC/DC do eixo X

Figura 3.1 Mobile Target Table[9]


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Um alvo pode ser fixado na extremidade superior do mastro. A posição e movimento

do carro móvel são controlados através do Target Controller (Figura 3.2) que é conectado a

Target Table através de um cabo multivia.

8. INDICADOR do eixo X9.

Seletor do MODO DO INDICADOR10. Indicador do MODO DO INDICADOR11. INDICADOR do eixo Y12.

Controle da POSIÇÃO do eixo Y13.

Controle da VELOCIDADE do eixo Y14. Controle da VELOCIDADE DA TRAJETÓRIA

15. Seletor de MODO16.

Indicador do controle ativo17. MODO do indicador18. Seletor da TRAJETÓRIA19.

Indicador da TRAJETÓRIA20.

Controle da VELOCIDADE no eixo X21. Controle da VELOCIDADE no eixo Y

Figura 3.2 Target Controller [9].

O Target Positioning System provê controle do servo DC em malha fechada da posição e velocidade do alvo montado no mastro do carro móvel, tanto para o eixo X, quanto

para o eixo Y. O alvo pode ser controlado de acordo com quatro diferentes modos: posição,

velocidade, trajetória e externo. O modo de controle é selecionado através de botões no Target

Controller. O modo posição permite que a posição dos eixos X e Y do alvo seja ajustada

manualmente. No modo velocidade, a velocidade do alvo é ajustada manualmente para cada

eixo (X e Y). O modo trajetória permite que o alvo se mova de acordo com uma de quatro

trajetórias pré-programadas. Neste modo, a trajetória do alvo é selecionada através de botõesno Target Controller e a velocidade do alvo é ajustada manualmente girando-se um botão de

controle. No modo externo, a posição do alvo é controlada externamente através de sinais

injetados na entrada externa do Target Controller. Em todos os modos, dois indicadores de 3

dígitos, um para cada eixo do Target Positioning System, fornecem a leitura da posição ou da

velocidade do alvo.

O jogo de seis alvos passivos é composto por: uma esfera, um cilindro, um refletor de

canto, uma placa de metal grande, duas placas de metal pequenas e uma placa grande em


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acrílico. A Figura 3.3 mostra estes alvos e fornece suas dimensões. Estes alvos provem uma

larga faixa de seções retas radar (RCS).

As flutuações nas RCS desses alvos, como uma função de suas orientações com

relação ao sistema radar, diferem uma das outras porque estes alvos apresentam formas

variadas. Um mastro semelhante ao montado no carro móvel da Target Table é fornecido com

o jogo de alvos passivos.

Figura 3.3 Jogo de alvos passivos[9].

O erro de posicionamento no modo posição é, para cada eixo, de ± 0,2 cm, sendo que

para o modo externo é de ± 0,5 cm. A velocidade do alvo pode variar em uma faixa de 0 a 30


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cm/s no modo velocidade, sendo que a velocidade média no modo trajetória pode variar,

aproximadamente, de 3 a 10 cm/s. A máxima velocidade que se pode obter para o alvo no

modo externo, de forma a permitir que o alvo siga de maneira precisa o comando de posição

dado pelos sinais injetados nas entradas externas dos eixos X e Y, é de 10 cm/s. A faixa de

tensão das entradas externas do Target Controller (Figura 3.4) é de -5 a +5 V em uma linha de

10 k Ω de impedância.

22. ENTRADA EXTERNA do eixo X23.

ENTRADA EXTERNA do eixo Y24. Conector de Estrada da TARGET TABLE

Figura 3.4 Entradas externas do Target Controller [9].

Para assegurar o correto alinhamento dos alvos com a antena do Radar Training

System, a altura do Target Table deve ser ajustada de tal forma que o fim do mastro seja

aproximadamente 10 cm menor que o centro do refletor parabólico da antena. Isto ocorre

quando a altura da Target Table e da mesa onde a antena está colocada são iguais, conforme

se observa na Figura 3.5.

O Target Positioning System consiste de dois sistemas de controle por realimentaçãoque excitam dois motores DC que asseguram o movimento do carro tanto no eixo X quanto

no eixo Y. Cada sistema de controle por realimentação e o motor que ele excita formam um

servomecanismo, que é um sistema em que a variável controlada é uma posição mecânica ou

qualquer de suas derivadas temporais. O sistema de controle por realimentação e o motor DC,

que asseguram o movimento do carro no eixo X, formam o servomecanismo do eixo X. De

forma similar, o sistema de controle por realimentação e o motor DC , que asseguram o

movimento do carro no eixo Y, formam o servomecanismo do eixo Y.


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Figura 3.5 Altura apropriada da Target Table[6].

A Figura 3.6 mostra o diagrama de blocos do Target Positioning System. A parte

superior e a parte inferior do diagrama de blocos correspondem respectivamente aos

servomecanismos dos eixos X e Y. Estes servomecanismos são quase idênticos e

compartilham uma fonte de alimentação comum. Um microcontrolador é o cerne de cada

servomecanismo.

O microcontrolador gera um comando apropriado de posição de acordo com o modo

de operação selecionado (posição, velocidade, trajetória ou externo). Um codificador de

posição é montado no eixo de transmissão do motor DC de cada servomecanismo. Quando o

eixo de transmissão do motor gira, a posição do carro móvel muda e o codificador de posição

produz dois sinais pulsados que são alimentados de volta para a entrada digital do

microcontrolador. O microcontrolador usa estes sinais para determinar a posição atual do

carro móvel. Ele compara o comando de posição com a posição atual do carro móvel e produz

um sinal de erro de posição. Este sinal é um fluxo regular de números de 8 bits. Estes

números de 8 bits são convertidos numa tensão analógica do erro de posição por um

conversor D/A. O valor desta tensão é proporcional ao erro de posição enquanto sua polaridade indica a direção em que o motor DC deveria girar para corrigir o erro de posição.

A tensão analógica do erro de posição é convertida em um sinal de alimentação PWM

pelo modulador por largura de pulso e o ceifador de quatro quadrantes, de modo que o

servomecanismo tenha uma boa eficiência de potência. O valor médio (DC) do sinal de

alimentação PWM é proporcional ao valor da tensão analógica do erro de posição.


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Figura 3.6 Diagrama de blocos do Target Positioning System[9].


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A polaridade do valor DC do sinal de alimentação PWM é o mesmo da tensão

analógica do erro de posição. O sinal de alimentação PWM excita o motor DC que move o

carro para reduzir o erro de posição o máximo possível.

3.2.1.2 Power Supply and Antenna Motor Driver

O Power Supply / Antenna Motor Driver contém dois dispositivos separados: do lado

esquerdo tem-se a fonte de alimentação (Figura 3.7) e do lado direito temos o excitador do

motor da antena (Figura 3.8). Ele também provê suporte físico para o sistema, uma vez que a

maior parte da instrumentação e módulos instrucionais são projetados para serem empilhados

no topo do mesmo[10].

1. Chave de ALIMENTAÇÃO2.

Indicadores da SAÍDA DE ALIMENTAÇÃO DC REGULADA3. BARRAMENTO DE ALIMENTAÇÃO DC NÃO-REGULADA

4. Conector do TERRA5.

SAÍDAS DE ALIMENTAÇÃO DC REGULADAS

Figura 3.7 Painel frontal do Power Supply[10].

O Power Supply distribui três tensões DC não-reguladas para os módulos do sistemaatravés de conectores auto-alinhados localizados no topo e na base de cada módulo. Estas

tensões DC são alimentadas por dois conectores similares localizados no topo de cada seção.

Empilhando os módulos do sistema sobre o Power Supply / Antenna Motor Driver cria-se,

portanto um barramento de alimentação DC não-regulada. As tensões DC não-reguladas

fornecidas pelo Power Supply são reguladas dentro de cada módulo para prover as tensões

necessárias ao seus funcionamentos. Três tensões DC reguladas estão disponíveis através de

conectores localizados no painel frontal. Todas as saídas são protegidas contra curto-circuito esobrecargas.


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1.

SAÍDA DO OSCILADOR

2.

SAÍDA DE ALIMENTAÇÃO3. Indicador de ALIMENTAÇÃO LIGADA

4.

SAÍDA PWM

5.

ENTRADA

Figura 3.8 Painel frontal do Antenna Motor Driver [10].

O Antenna Motor Driver consiste de um servo-amplificador usado para excitar o

motor DC no Rotating-Antenna Pedestal, modelo 9063. Ele gera um sinal de potência

modulado por largura de pulso que controla a velocidade e direção de rotação deste motor. O

gerador PWM, que consiste de um oscilador de onda triangular e um comparador, produz um

sinal PWM. A largura de pulso do sinal PWM varia de acordo com o nível da tensão de

controle que chega do Radar Synchronizer / Antenna Controller. Um ceifador de quatro-

quadrantes alimentado por uma fonte DC usa o sinal PWM para produzir o sinal de

alimentação PWM.

O Power Supply consiste de uma fonte de alimentação não-regulada e uma fonte de

alimentação regulada. A fonte não-regulada provê alimentação DC não-regulada para os

módulos empilhados sobre o Power Supply / Antenna Motor Driver. A fonte regulada provê

alimentação DC para os circuitos externos conectados nas saídas reguladas da fonte de

alimentação. O Antenna Motor Driver provê alimentação para o motor DC do Rotating-

Antenna Pedestal. Como é apresentado na Figura 3.9, ele atua como um servo amplificador no

servomecanismo controlando a velocidade e posição deste motor.


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Figura 3.9 Diagrama de blocos simplificado do servomecanismo de controle da velocidade da antena de

radar [10].


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A partir da tensão de controle produzida pelo Radar Synchronizer / Antenna

Controller, Antenna Motor Driver produz o sinal de alimentação PWM, que é aplicado no

motor. Uma malha de realimentação de posição e outra de velocidade são usadas para

controlar o nível da tensão de controle e conseqüentemente do sinal de alimentação PWM.

Isto permite que a velocidade de rotação da antena seja mantida constante.

3.2.1.3 Radar Antenna

A Radar Antenna, modelo 9604, concentra o sinal transmitido dentro de um feixe

estreito apontado na direção desejada. É montada sobre o Rotating-Antenna Pedestal e possui

um conector com encaixe miniatura para acoplamento rápido de RF. A antena, cuja geometria

pode-se observar na Figura 3.10, consiste de um refletor parabólico que é iluminado por uma

corneta piramidal. Ela tem um projeto de compensação do alimentador para reduzir os efeitos

de mascaramento produzidos pelo bloqueio da abertura[11].

Figura 3.10 Radar Antenna[11].

Um Microwave-Absorbing Parapet é também fornecido com a Radar Antenna. Apesar

de não ser necessário para uso com o Radar Training System que opera com baixos níveis de

potência de RF, ele provê treinamento em técnicas de segurança para microondas. Ele,

conforme se pode observar na Figura 3.11, consiste de um anteparo formado por três painéis

metálicos cobertos com material absorvedor de microondas. O Parapet deve ser colocado


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entre o Rotating-Antenna Pedestal e os módulos de treinamento de tal forma que ele proteja

o(s) operador (es) do Radar Training System das radiações de microondas vindos da Radar

Antenna.

Figura 3.11 Microwave-Absorbing Parapet.

O valor nominal para o ganho da Radar Antenna é de 27 dB, sendo que a largura de

feixe de meia-potência para 9.0 GHz é de aproximadamente 6º no plano H (azimutal) e de 8º

no plano E (Elevação). A impedância de entrada é de 50 Ω e a polarização é linear e vertical.

O Microwave-Absorbing Parapet utiliza espuma de Uretano impregnada. Sua

refletividade máxima de potência é tipicamente de 1% na faixa de operação que vai de 3.5 a

50 GHz.

A Radar Antenna consiste principalmente de um refletor parabólico que é uma seção

de uma superfície parabólica. Este refletor é iluminado por uma corneta localizada no foco da

superfície parabólica, porém inclinada com relação ao eixo da parábola. A corneta de

alimentação é localizada fora do caminho das ondas refletidas pelo refletor parabólico(abertura), de forma a prevenir a deterioração do padrão de irradiação e descasamento de

impedância.

Durante a transmissão, o sinal de RF é enviado para a corneta de alimentação através

da junta rotativa dentro do Rotating-Antenna Pedestal. A corneta de alimentação é

moderadamente diretiva e consiste de uma seção curta de guia de onda que se projeta em

ambas às direções de modo a formar uma corneta piramidal. Ela é usada para transmitir a

potência de microondas para o espaço livre em um feixe padrão e para receber os sinais de


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microondas vindos do espaço livre. A corneta de alimentação é direcionada de forma a

transmitir a maior parte de sua potência contra o refletor parabólico.

O refletor parabólico concentra as ondas irradiadas pela corneta dentro de um feixe

estreito apontando na direção desejada. Por causa das características da parábola, estas ondas

são irradiadas numa direção paralela ao eixo da superfície parabólica. Ademais, à distância

percorrida por qualquer onda da corneta de alimentação para o refletor e em seguida para um

plano perpendicular o eixo da superfície parabólica é independente do seu caminho. Isto

significa que as ondas originadas na corneta de alimentação são convertidas em uma frente de

onda de fase uniforme. As ondas refletidas em uma direção paralela ao eixo da superfície

parabólica e capturadas pelo refletor parabólico são concentradas no foco, que é a corneta de

alimentação. Os sinais de RF resultantes são enviados para a saída do Rotating-AntennaPedestal através da junta rotativa.

O padrão de radiação representa a distribuição da energia irradiada pela Radar

Antenna nos planos H e E. Eles normalmente são plotados a partir de medidas feitas com a

Radar Antenna operando em uma câmara anecóica. Embora o padrão de radiação de uma

antena seja uma função tridimensional, tanto o plano de radiação E ou o H fornecem uma boa

indicação das características da Radar Antenna.

O plano H é o plano paralelo ao campo magnético na direção da potência máximairradiada. O padrão de radiação da Figura 3.12 foi obtido, segundo o fabricante, pela rotação

da antena no plano horizontal, enquanto se media a potência em uma localização fixa situada

no azimute 0º. A medida de potência é uma função do azimute da antena.

O plano E é o plano paralelo ao campo elétrico na direção da máxima potência

irradiada. O padrão de radiação da Figura 3.13 foi obtido, segundo o fabricante, pela rotação

da antena no plano vertical, enquanto se media a potência em uma localização fixa situada no

azimute 0º. A medida de potência é então uma função da elevação da antena.

3.2.1.4 Rotating-Antenna Pedestal

O Rotating-Antenna Pedestal, modelo 9603, cujo painel frontal pode ser observado na

Figura 3.14, provê a base de montagem para a Radar Antenna e abriga o motor de

posicionamento eletromecânico da antena. Ele também provê os circuitos de RF necessários

para conectar a Radar Antenna ao Radar Transmitter e Receiver. Estes circuitos incluem um

circulador para transmissão e recepção simultâneas e uma junta rotativa que provê oacoplamento RF para a base de montagem da antena[12].


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Figura 3.12 Padrão de radiação da Radar Antenna em 9.0 GHz – Plano H (Azimute)[11].

Um codificador ótico do eixo incremental codifica a posição angular do eixo de

transmissão do motor. Os sinais de saída deste codificador podem ser monitorados através dos

pontos de teste do painel frontal. Sinais de realimentação representando a corrente e tensão do

motor também são fornecidos pelo Rotating-Antenna Pedestal.

Figura 3.13 Padrão de radiação da Radar Antenna em 9.0 GHz – Plano E (Elevação)[11].

A posição codificada do eixo de transmissão do motor e os sinais de realimentação são

enviados para o Radar Synchronizer / Antenna Controller onde são usados para determinar a

posição atual da antena e para controlar a velocidade e direção de rotação da antena radar.


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1.

ENTRADA DE RF2.

CONECTOR PLUG-IN3. SAÍDA DE RF

4.

SAÍDA DE REALIMENTAÇÃO DO MOTOR5.

ENTRADA DE ALIMENTAÇÃO DO MOTOR

Figura 3.14 Painel frontal do Rotating-Antenna Pedestal[12].

Como apresentado na Figura 3.9, um servomecanismo controla a velocidade de

rotação do motor DC no Rotating-Antenna Pedestal. O Radar Synchronizer / Antenna

Controller e o Power Supply / Antenna Motor Driver são parte deste servomecanismo. A

partir da tensão de controle produzida pelo Antenna Controller o Antenna Motor Driver

produz um sinal de alimentação PWM que é aplicado no motor. O Rotating-Antenna Pedestal

contém tanto os sensores de posição quanto de velocidade que provêem sinais representando a

atual posição do eixo de transmissão do motor e a velocidade de rotação. Através da malha de

realimentação de posição e da malha de realimentação de velocidade, estes sinais são

enviados para o Antenna Controller para variar as tensões de controle e, por conseqüência, a

tensão média do sinal de alimentação PWM. Isto permite que a velocidade de rotação do

motor seja mantida constante.

3.2.1.5 Radar Synchronizer/Antenna Controller

O Radar Synchronizer / Antenna Controller, modelo 9602, cujo painel frontal pode ser

visto na Figura 3.15, é usado na geração da freqüência de repetição de pulso (FRP) e na

sincronização dos vários elementos do Radar Training System. Ele também controla os

parâmetros de operação da Radar Antenna montada no Rotating-Antenna Pedestal[13].


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1.

Seletor FRP2. SAÍDA A [FRP]3. Controle da VELOCIDADE DE ROTAÇÃO DA ANTENA4.

BARRAMENTO DE ALIMENTAÇÃO DC NÃO-REGULADA5. Seletor do MODO DE ROTAÇÃO DA ANTENA6. INDICADOR DO CONTROLADOR DA ANTENA7.

Seletor de MODO DO INDICADOR DO CONTROLADOR DA ANTENA8. SAÍDA DO CONTROLADOR DA ANTENA

9.

Indicador de ALIMENTAÇÃO LIGADA10. Chave de ALIMENTAÇÃO11. ENTRADA DE REALIMENTAÇÃO DO MOTOR12.

SAÍDA DE AZIMUTE13. ENTRADA DE RASTREIO14. SAÍDA B [1024 x FRP]15.

Seletor do MODO DE FRP

Figura 3.15 Painel frontal do Radar Synchronizer / Antenna Controller [13].

O Radar Synchronizer inclui um gerador de FRP equipado com botões para seleção da

FRP e entre os modos single ou staggered FRP. Dois jogos de saídas são necessários para a

sincronização, um para a FRP selecionada e outro para a FRP selecionada vezes 1024.

O Antenna Controller provê três modos de controle da antena radar. O modo manual

permite que a velocidade e direção de rotação da antena seja variada manualmente. No modo

de travamento pela FRP, a antena gira no sentido horário numa velocidade proporcional a

FRP selecionada no Radar Synchronizer. Finalmente, o modo varredura/rastreio permite tanto

a varredura quanto o rastreio com a antena. Injetando um sinal de comando adequado na

entrada de rastreio permite-se que a antena rastreie o alvo. Se nenhum sinal estiver presente

na entrada de rastreio, a antena varre para frente e para trás sobre um ângulo de 120º centrado

no azimute 0º. É fornecido um indicador de três dígitos que pode ser chaveado para mostrar

ou a posição ou a velocidade de rotação da antena.

O Antenna Controller usa sinais de realimentação produzidos no Rotating-Antenna

Pedestal e um sinal interno para gerar um sinal de erro. Este sinal é amplificado para tornar-se

um sinal de controle que é enviado para o Power Supply / Antenna Motor Driver que

internamente o transforma em um sinal PWM adequado para excitar um motor DC que


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impulsiona a antena do radar. Ele também gera a informação de azimute necessária ao Clutter

Generator e ao PPI Scan Converter.

O Radar Synchronizer / Antenna Controller é basicamente um relógio mestre

excitando um divisor de freqüência selecionável que internamente excita três divisores de

freqüência. Estes circuitos produzem os sinais de sincronismo, FRP e um sinal de controle da

velocidade de rotação da antena do radar quando o modo de travamento da antena pela FRP é

selecionado no Antenna Controller.

Como apresentado na Figura 3.9, o Antenna Controller é parte do servomecanismo de

controle da velocidade de rotação do motor DC no Rotating-Antenna Pedestal. Ele gera uma

tensão de controle usada pelo Antenna Motor Driver para produzir o sinal PWM que é

aplicado ao motor. A velocidade de rotação da antena é diretamente proporcional ao nível datensão de controle. Um circuito de realimentação, contendo tanto a malha de realimentação de

posição quanto de velocidade, permite que a velocidade de rotação seja mantida constante

pelo Antenna Controller.

A malha de realimentação de velocidade provê um sinal para o Antenna Controller que

indica a velocidade atual de rotação do motor. Este sinal é comparado com um sinal de

comando de velocidade no Antenna Controller. Quando a velocidade atual do motor é maior

ou menor que o valor do comando de velocidade, isto resulta em um erro de velocidade. Umcontrolador de velocidade varia o nível da tensão de controle com o objetivo de acelerar ou

desacelerar o motor até que o erro de velocidade seja virtualmente nulo. A malha de

realimentação de velocidade tem uma velocidade de resposta muito alta de forma a compensar

rapidamente qualquer erro de velocidade.

Uma segunda malha, a malha de realimentação de posição, provê um sinal para o

Antenna Controller que indica a posição angular atual do eixo transmissão da antenna. Este

sinal é comparado com um sinal de comando de posição angular produzido internamente peloAntenna Controller. Quando a posição angular atual do eixo de transmissão não corresponde

com o valor do comando de posição angular, isto resulta em um erro de posição angular. Um

controlador de posição varia o nível do sinal de comando de velocidade de forma a acelerar

ou desacelerar o motor até que o erro de posição angular seja virtualmente nulo. A malha de

realimentação de posição tem um velocidade de resposta baixa e permite que a velocidade

média de rotação se mantenha constante para compensar qualquer erro de posição angular.


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3.2.1.6 Radar Transmitter

O Radar Transmitter, modelo 9620, cujo painel frontal pode ser visto na Figura 3.16, é

responsável pela geração dos sinais de RF . Ele permite que se obtenha sinais tipo CW (ondacontínua), FM-CW (modulados em freqüência) e modulados por pulsos. Para obter estes

sinais o equipamento dispõe de um Oscilador de RF, um Gerador de Pulso e um Modulador.

Uma chave de alimentação de RF permite que o sinal de alimentação de RF na saída do Radar

Transmitter seja ligado ou desligado[14].

1. Controle de VARIAÇÃO DA FREQUÊNCIA2. Seletor da FREQUÊNCIA DO OSCILADOR DE RF3.

Indicador da FREQUÊNCIA DO OSCILADOR DE RF4.

BARRAMENTO DE ALIMENTAÇÃO DC NÃO-REGULADA5.

Indicador LED de ALIMENTAÇÃO DE RF6. SAÍDA DO OSCILADOR DE RF7. SAÍDA DE RF CW / FM-CW8.

ENTRADA DE RF CW9.

ENTRADA DE PULSO10. SAÍDA DE RF PULSADA

11. Indicador de ALIMENTAÇÃO LIGADA12. SAÍDA DO GERADOR DE PULSO13.

Controle da LARGURA DE PULSO VARIÁVEL14.

Seletor da LARGURA DE PULSO DO GERADOR DE PULSO15.

ENTRADA DE DISPARO DO GERADOR DE PULSO16. Chave de ALIMENTAÇÃO DE RF17. SAÍDA DO MONITOR DA TENSÃO DE CONTROLE DO OSCILADOR

DE RF18.

Controle de DESVIO da seção de MODULAÇÃO DE FREQUÊNCIA19. Controle de FREQUÊNCIA da seção de MODULAÇÃO EM

FREQUÊNCIA

Figura 3.16 Painel frontal do Radar Transmitter [14].

O Oscilador de RF é constituído de um oscilador de onda-contínua controlado por

tensão cuja freqüência é indicada em um indicador de 21/2 dígitos. Um Modulador de

Freqüência com freqüência de modulação e desvio de freqüência variáveis permite a operação

do radar no modo FM-CW.

Para operação pulsada, o sinal de RF de onda-contínua é modulado em amplitude por

um Modulador de Pulsos. O Gerador de Pulsos provê os pulsos moduladores. Um sinal de

sincronização é necessário para sincronizar a operação deste circuito. É possível selecionar

três valores para a largura de pulso, 1 ns, 2 ns ou 5 ns. O Gerador de Pulsos também provê um

controle de variação contínua da largura de

estudo das potencialidades do lab-volt radar training system

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