¿Que es el ruido, el area y la distancia de detección?

¿Porqué un receptor es capaz de recibir señal de radar desde mayor distancia que otro?
En asuntos de comunicación y detección, la distancia entre emisor y receptor es uno de los factores fundamentales para elegir el equipo adecuado. En el dominio de los radares, es evidente que la distancia es el parámetro más importante, junto a la definición del haz emisor. El equipo emisor ha de cumplir además una serie de requisitos, uno de ellos es la potencia de emisión que ha de ser lo más baja posible. Es ahí donde los detectores de radar van a tener problemas.

¿Porqué es un problema?
En realidad, la potencia de emisión no debería ser un gran problema, pues al fin y al cabo existen circuitos que pueden amplificar y amplificar la señal hasta hacerla de un nivel adecuado. Estos circuitos no son del “estado del arte”, y sus precios y disponibilidad son adecuados y al alcance de cualquiera. Tampoco es problema que el emisor de radar esté diseccionado hacia otro sitio, pues siempre encontrará rebotes de la señal que alcancen el detector de radares. En definitiva, existe una cantidad de señal que alcanza el receptor, y esa cantidad de señal (energía) puede ser amplificada tantas veces como se quiera hasta hacerla del nivel adecuado.

Pero ¿Entonces porqué no se pueden detectar señales desde lejos?
Si bien la señal puede ser amplificada en el interior de la electrónica del receptor (de forma barata y eficaz), existe un concepto fundamental llamado relación señal-ruido. En efecto: Cuando amplificamos la señal entrante, el circuito también amplifica el ruido que va asociado en la entrada a la antena. Si el nivel de la señal se amplifica 1000 veces, el nivel del ruido se amplificará también 1000 veces.

Por poner un claro ejemplo, supongamos que se tiene un micrófono en una discoteca para grabar la voz de una conversación entre personas que hablan muy bajo. Si amplificamos mucho para poder alcanzar el nivel de la conversación, entonces la música va a “tapar” por completo la conversación. En realidad es casi peor amplificar en exceso pues a mayor amplificación, menor capacidad para poder “entender” o “separar” la conversación. También se puede entender como una “distorsión” en la entrada por excesiva amplificación. En radiofrecuencia ocurre lo mismo. Es sencillo amplificar, pero no conviene hacerlo más de lo necesario pues la relación entre la señal y el ruido entrante es el factor fundamental de recepción de lo que realmente queremos.

¿Cuáles son las fuentes del ruido?
Es lógico pensar que si disminuimos el ruido a la entrada del amplificador del receptor, conseguiremos mejorar la recepción con la misma circuiteria interna. Vamos a ver algunos de los elementos que influyen en ello:

- La antena. Si la antena está diseñada para recibir una gama reducida de frecuencias, entonces puede separar mejor la señal deseada. En otras palabras, si la antena es de banda Ka entre 34 y 35GHz, las señales que estén por debajo de esas frecuencias tendrán bastante atenuación (las que están por encima tambien, pero algo menos) y no alcanzarán el receptor. Eso es bueno, porque ya estamos comenzando a seleccionar lo que nos interesa desde el principio: la señal del radar con su precisa frecuencia. Volviendo al ejemplo de la discoteca, sería como utilizar un micrófono especial que por su construcción dejara pasar sólo las frecuencias de la voz humana.

Este parámetro de las antenas de llama técnicamente “ancho de banda”. Se suele expresar con gráficos de ganancia frente a frecuencia como el de la figura de abajo:

Ahí se puede ver que ésta antena está optimizada para 145MHz, y que atenúa de forma natural aquello que está lejos de la frecuencia de diseño.

Sin embargo, los detectores de radar suelen tener varias bandas de recepción que a menudo están bastante separadas entre sí. Por ejemplo, un beltronics 975 puede recibir desde banda X a unos 9 GHz hasta banda Ka a 35.5GHz. Esta amplitud tan grande imposibilita que la recepción se pueda realizar con suficiente discriminación, perdiendo la ventaja de tener una antena sintonizada para la señal del radar. Como esto es algo necesario, y las potencias de emisión van siendo cada vez más pequeñas, el diseño de este receptor ha sido evolucionado hacia dos antenas independientes que trabajan en bandas separadas. Es el ejemplo del STI, que intenta mejorar este problema. En otros casos como Merlín, se ha optado por eliminar las bandas inferiores X y Ku pues está diseñado específicamente para España.

- La tecnología receptora. Existe un componente electronico de mucha importancia en la recepción: el LNA o amplificador de bajo ruido. Se trata de la primera etapa en la entrada del receptor, y juega un papel fundamental en el ruido pues es “la base” de todo lo demás. Si este componente crea un ruido alto, el resto de la cadena lo amplificará, con sus consecuencias. Existen varias tecnologías, fundamentalmente diodos, FET, HEMT,etc. Las más usadas son las dos últimas. Por desgracia, el coste del componente es elevado si se quiere una buena relación señal-ruido. En las bandas más complejas (Ka), es difícil encontrar LNAs con S/N menor de 2dB, mientras que lo habitual es 2.5dB (a mayor valor, peor mérito). Si: 0.5dB tienen bastante importancia, ya que tratándose de señales de tan baja potencia, cada fracción de dB es importante en esta etapa de recepción. Casi todos los detectores de radar están rondando los 2.5, salvo el DSI que baja a 2.1. Este es uno de los factores que hacen al DSI un buen receptor.

- Los elementos de conexión, guiaondas, placa, líneas strip, temperatura interna… algo menos importantes, pero que aumentan el ruido del receptor.
- El llamado ruido base, debido a la temperatura del ambiente a la frecuencia estudiada. Este es inevitable e igual para todos.

La conclusión de todo lo expuesto anteriormente es que existe una tecnología electrónica “estándar” que se emplea en la recepción, y que difiere ligeramente entre fabricantes rondando los 2.1 a 2.5dB en el LNA. En cuanto a las antenas, hay que considerar siempre que una antena capaz de recibir una amplia gama de frecuencias, será peor que otra más “sintonizada”.

¿Si la electrónica es similar a grandes rasgos, cómo se puede mejorar la distancia de detección?
Esta es una pregunta compleja, pues depende de muchos factores como el tiempo de barrido o la selectividad del receptor, pero hay un parámetro que está fuertemente implicado en la recepción: La energía de entrada a la antena. Hay que conseguir “capturar” la máxima cantidad de energía procedente del emisor. Si conseguimos captar mucha energía del emisor, será más fácil discernir entre el ruido ambiente y más fácil será el filtrado en el receptor. Existe una ecuación que aclara dónde “hay que trabajar”: La ecuación de Friis.

Según podemos ver, para aumentar la potencia recibida hay que:
- Aumentar la potencia transmitida. No está a nuestro alcance.
- Aumentar el área de la antena transmitida. No está a nuestro alcance.
- Aumentar la frecuencia de emisión. La frecuencia de emisión es fija (34GHz).
- Reducir la distancia al emisor. ¡Eso resulta obvio!
- Aumentar el área de la antena receptora. ¡Eso sí está de nuestra mano!

En efecto, a mayor área de antena mayor cantidad de energía que entrará al sistema. Así de sencillo.
Como ejemplo de la importancia de la potencia recibida, daré un dato:

Si se duplica la distancia entre emisor y receptor, la potencia recibida será cuatro veces menor.
Otro dato para tener en cuenta:

Si se duplica el área de entrada a la antena, se obtienen 3dB más de ganancia. Con esos 3dB se logra un 40% más de distancia de recepción.

Por eso es tan difícil obtener distancia radicalmente mayores con los detectores de radar si no se actúa en el área de entrada a la antena.

Si partimos de un área A determinada, puede escribirse la siguiente tabla ejemplo:

Area                    A     2A  4A   8A
Distancia (metros) 100 140 200 280

Por razones de espacio, no es posible multiplicar por 8 el área de la antena. Sería excesivamente grande y con mucho fondo. Poco útil.

Sin embargo, los fabricantes hacen uso de ésta técnica. Si partimos del área de un 975, veremos que valentine 1 tiene en torno a un 10% más de área, Merlín un 30% y el DSI casi un 40%. Los famosos “conos” amplificadores utilizan esta técnica, ampliando la apertura (área) de la antena pero con una eficacia menor al tener discontinuidades entre el cono y la antena interna.

A partir de ahí, cada receptor puede hacer uso de esa energía de entrada y utilizar los algoritmos digitales internos y circuitos que consideren oportunos para discriminar entre falsas alarmas y señales. Los llamados filtros. En este punto sí hay diferencias entre receptores, y cada uno aplica los que se supone “funcionan mejor”.

Como conclusión, decir que la tecnología es ampliamente conocida por todos y que afortunadamente está al alcance de cualquiera.

El lector ha de saber que no hay secretos ni magia en la detección, sólo equipos mas o menos adecuados a las necesidades.