miniatura|Antena de radar per a la detecció d'avions. Radar és un sistema per a detectar o localitzar objectes a distància mitjançant ones de ràdio d'alta freqüència. Es basa en emetre ràfegues d'ones radioelèctriques i mesurar-ne un possible eco en objectes com ara avions, automòbils o la pluja. Es tracta de l'acrònim en anglès de radio detection and ranging (detecció per ràdio i mesura de la distància) i en català ja ha esdevingut un mot d'ús comú.
Història
En 1886, Heinrich Rudolf Hertz demostra que les ones electromagnètiques es reflecteixen en les superfícies metàl·liques. En 1904 Christian Huelsmeyer patenta el primer sistema anticol·lisió de bucs utilitzant ones electromagnètiques Desenvolupament de la radio i de la transmissió sense fil (per Guglielmo Marconi, entre d'altres), gràcies a la qual cosa es desenvolupen les antenes. En 1917, Nikola Tesla estableix els principis teòrics del futur radar (freqüències i nivells de potència). En 1934, i gràcies a un estudi sistemàtic del magnetró, es realitzen assajos sobre sistemes de detecció d'ona curta seguint els principis de Nikola Tesla. D'aquesta manera neixen els radars d'ones decimètriques. Durant el Segle XX, molts inventors, científics i enginyers han contribuït en el desenvolupament del radar, impulsats sobretot per l'ambient prebèl·lic que va precedir la Segona Guerra Mundial, i a la pròpia Guerra. Els grans països que van participar-hi van ser desenvolupant de forma paral·lela diferents sistemes radar, aportant grans avanços cadascun per arribar al que avui coneixem sobre els sistemes radar.
Anys previs a la Segona Guerra Mundial Alemanya En 1934 el GEMA (La societat d'aparells electro-acústic i mecànic), un dels fundadors del qual va ser Hans Hollmann, fabrica un magnetró capaç de treballar a 650 MHz. Aquest va ser el pas tecnològic que va permetre el desenvolupament del Freya, un radar de vigilància aèria que treballava a 125 MHz amb un abast d'entre 80 i 150 milles. Era un radar per treballar en superfície per les seves dimensions, per això, una versió posterior va ser el Seetakt que treballava a 375 MHz i tenia un abast de 10 milles adaptat per ser muntat en bucs. Aquest radar va ser utilitzat a l'estiu de 1938 en la Guerra Civil espanyola.
La competència en la indústria alemanya de l'època va fer que, l'any 1935, l'empresa alemanya Telefunken llancés un radar d'antena parabòlica giratòria, antecessor del radar d'alerta aèria Würzburg, radar de tir de 560 MHz de treball i amb deflector de 3m de diàmetre.
El Freya i el Würzburg van ser la base de la defensa terrestre dels alemanys durant la Segona Guerra Mundial, i el Seetakt peça fonamental per la detecció a bord dels bucs de l'Armada Alemanya. A l'inici de la Segona Guerra Mundial Alemanya va decidir allistar a científics i enginyers en el front, pensant que la guerra seria curta i satisfactòria, la qual cosa va fer que no avancés significativament en aquests anys. En conseqüència va quedar retardada pel que fa als seus adversaris, que van seguir avançant.
Regne Unit El model de radar actual va ser creat en 1935 i desenvolupat principalment a Anglaterra durant la Segona Guerra Mundial pel físic Robert Watson-Watt. Va suposar un notable avantatge tàctic per la Real Força Aèria britànica en la batalla d'Anglaterra, quan encara era denominat RDF (Radio Direction Finding). Encara que va ser desenvolupat amb finalitats bèl·liques, en l'actualitat compta amb multitud d'usos civils, sent la millor eina per al control de tràfic aeri.
Als moments anteriors a la II Guerra Mundial, Robert Watson-Watt, físic i director del Laboratori d'Investigació de Ràdio i el seu ajudant, el físic Arnold Wilkins, van estar a càrrec de la invenció d'un "raig de la mort" que seria utilitzat en aquesta guerra. La idea de Watson-Watt era elevar la temperatura del pilot atacant a 41 °C aproximadament perquè, en provocar-li febre, quedés incapacitat.
Com ho va escriure el propi Wilkins:
Aquesta observació, feta al gener de 1935, va donar lloc una sèrie de fets que van culminar amb la invenció del radar. Els fets als quals Wilkins es va referir havien estat observats en molts llocs i en tots es va considerar aquesta pertorbació com una molèstia que molta gent havia tractat d'eliminar. De fet, en 1932, l'Oficina Postal Britànica va publicar un informe en el qual els seus científics van documentar fenòmens naturals que afectaven la intensitat del senyal electromagnètic rebut: tempestes elèctriques, vents, pluja i el pas d'un aeroplà en el veïnatge del laboratori. Wilkins va conèixer aquest informe de manera accidental, conversant amb la gent de l'Oficina Postal, que es queixava per la interferència.
Quan Wilkins va suggerir la possibilitat d'utilitzar el fenomen d'interferència d'ones de ràdio per detectar avions enemics, Watson-Watt ho va comissionar immediatament per treballar en el càlcul dels aspectes quantitatius.
En acabar els seus càlculs, a Wilkins li va semblar increïble que l'efecte desitjat pogués detectar-se; va revisar els seus càlculs, no va trobar cap error i els va donar a Watson-Watt, que els va trobar fantàstics i va verificar els càlculs matemàtics. Al no trobar error, va enviar els resultats. El fet que un raig de la mort no fos factible no va sorprendre, no obstant això va atreure la idea de poder detectar un avió.
Estats Units Dos científics del Naval Research Laboratory (NRL) Hoyt Taylor i L. Young van donar forma a les especulacions de Marconi i les van plasmar en un experiment en el qual van transmetre un senyal de ràdio d'ona contínua a través del riu Potomac detectant que en passar els bucs es produïen alteracions en la qualitat del senyal rebut. Van aconseguir pertorbacions amb distàncies de fins a tres milles. Observant això, van concloure que es podria dissenyar un element que detectés bucs al mar.
Al mateix temps, l'Armada dels EUA es trobava molt ocupada dotant als bucs de comunicacions sense fils. Malgrat això, es va continuar amb la seva investigació en l'àmbit científic en molts camps. És així que el NRL, en cooperació amb el Carnegie Institute, durant l'any 1925 va investigar la reflexió d'ones en la ionosfera i la modulació per polsos de l'ona, de tal manera que coneixent l'instant de sortida d'un pols i mesurant el seu retard es podria calcular la distància del rebot. A partir d'aquestes investigacions es va dissenyar a principi dels anys 30 el primer radar d'impulsos, obtenint-se els primers polsos reflectits per avions al desembre de 1934. Encara que no va ser fins a juliol de 1936 quan van aconseguir que funcionés correctament, a causa d'un error en el disseny de l'ample de banda del receptor (massa estret). El radar treballava a 200 MHz amb una amplària de pols de 10µs. Aquest radar utilitzava una única antena en emissió i recepció doncs incloïa el primer duplexor, una novetat tecnològica que va suposar una gran diferència entre països durant diversos anys.
Principis miniatura|Radar en un vaixell. Funcionament El funcionament es basa en el càlcul del temps de trànsit de la radiació electromagnètica des de l'antena emissora fins a l'objecte i la tornada, sabent que l'ona es propaga a la velocitat de la llum (.
És una tècnica que fou desenvolupada durant la Segona Guerra Mundial per detectar avions enemics. Durant els darrers setanta anys s'ha demostrat que és una tècnica útil per a la mesura de la distància i trajectòria de diferents objectes. S'ha fet servir en diferents camps de la ciència com la indústria, l'aeronàutica, l'estratègia militar i la meteorologia.
miniatura|center|400px|En vermell les ones generades pel radar, i en verd les retornades per l'objecte detectat. Calculant quant de temps han trigat a anar i tornar, sabrem com de llunyà és l'objecte Reflexió Les ones electromagnètiques es dispersen quan hi ha canvis significatius en les constants dielèctriques o diamagnètiques. Això significa que un objecte sòlid a l'aire o en el buit (és a dir, un canvi en la densitat atòmica entre l'objecte i el seu entorn) produirà dispersió de les ones de ràdio, com les del radar. Això ocorre particularment en el cas dels materials conductors com el metall i la fibra de carboni, la qual cosa fa que el radar sigui especialment indicat per a la detecció d'aeronaus. En ocasions els avions militars utilitzen materials amb substàncies resistives i magnètiques que absorbeixen les ones del radar, reduint així el nivell de reflexió. Establint una analogia entre les ones del radar i l'espectre visible, aquests materials equivaldrien a pintar alguna cosa amb un color fosc.
La reflexió de les ones del radar varia en funció de la seva longitud d'ona i de la forma del blanc. Si la longitud d'ona és molt menor que la grandària del blanc, l'ona rebotarà de la mateixa manera que la llum contra un mirall. Si per contra és molt més gran que la grandària del blanc, la qual cosa ocorre és que aquest es polaritza (separació física de les càrregues positives i negatives) com en un dipol (vegeu: Dispersió de Rayleigh). Quan les dues escales són similars poden donar-se efectes de ressonància. Els primers radars utilitzaven longituds d'ona molt elevades, majors que els objectius; els senyals que rebien eren tènues. Els radars actuals empren longituds d'ona més petites (de pocs centímetres o inferiors) que permeten detectar objectes de la grandària d'una barra de pa.
Els senyals de ràdio d'ona curta (3 kHz-30 MHz) es reflecteixen en les corbes i arestes, de la mateixa manera que la llum produeix llampades en un tros de cristall corb. Per a aquestes longituds d'ona els objectes que més reflecteixen són aquells amb angles de 90° entre les superfícies reflectives. Una estructura que consti de tres superfícies que s'ajunten en una cantonada (com la d'una caixa) sempre reflectirà cap a l'emissor aquelles ones que entrin per la seva obertura. miniatura|Reflector de cantonada
Aquest tipus de reflectors, denominats reflectors de cantonada (corner reflectors, veure imatge a la dreta), se solen usar per fer "visibles" al radar objectes que en altres circumstàncies no ho serien (se solen instal·lar en vaixells per millorar el seu detectabilitat i evitar xocs). Seguint el mateix raonament, si es desitja que una nau no sigui detectada, en el seu disseny es procurarà eliminar aquestes cantonades interiors, així com superfícies i vores perpendiculars a les possibles direccions de detecció. D'aquí l'aspecte estrany dels avions "stealth" (avió furtiu). Totes aquestes mesures no eliminen per complet la reflexió a causa de la difracció, especialment per a longituds d'ona grans. Una altra contramesura habitual és llançar cables i tires metàl·liques que el seu llarg és mitja longitud d'ona (chaffs) amb la idea d'encegar al radar; són efectives, si bé la direcció cap a la qual es reflecteixen les ones és aleatòria quan l'òptim seria dirigir la reflexió cap al radar que es vol evitar. El factor que dona la mesura de quant reflecteix un objecte les ones de ràdio es diu "secció transversal de radar" (σ), traducció de l'anglès RCS ("Radar Cross Section").
Equació radar La potencia Pr reflectida a l'antena de recepció està donada per l'equació radar:
on Pt = potència transmesa Gt = guany de l'antena de transmissió Ar = obertura efectiva (àrea) de l'antena de recepció σ = secció transversal del radar, o coeficient de decaïment de l'objectiu F = factor de propagació del patró Rt = distància del transmissor a l'objectiu Rr = distància de l'objectiu al receptor.
En el cas comú on el transmissor i el receptor estan en el mateix lloc, Rt = Rr i el terme Rt² Rr² pot ser reemplaçat per R4, on R és la distància. Això resulta en:
Això diu que la potència en el receptor es redueix proporcionalment a la quarta potència de la distància, la qual cosa significa que la potència reflectida des de l'objectiu distant és molt petita.