thumbnail|200px|Una antena de radar de detección a larga distancia
El radar (término derivado del acrónimo inglés radio detection and ranging, “detección y distanciometría de radio”) es un sistema que usa ondas electromagnéticas para medir distancias, altitudes, direcciones y velocidades de objetos como aeronaves, barcos, vehículos motorizados, formaciones meteorológicas y el propio terreno. Su funcionamiento se basa en emitir un impulso de radio, que se refleja en el objetivo y se recibe típicamente en la misma posición del emisor. A partir de este "eco" se puede extraer gran cantidad de información. El uso de ondas electromagnéticas con diversas longitudes de onda permite detectar objetos más allá del rango de otro tipo de emisiones (luz visible, sonido, etc.)
Entre sus ámbitos de aplicación se incluyen la meteorología, el control del tráfico aéreo y terrestre y gran variedad de usos militares.
Historia
En 1886, Heinrich Rudolf Hertz demuestra que las ondas electromagnéticas se reflejan en las superficies metálicas. En 1904 Christian Hülsmeyer patenta el primer sistema anticolisión de buques utilizando ondas electromagnéticas Desarrollo de la radio y de la transmisión inalámbrica (por Guglielmo Marconi, entre otros), gracias a lo cual se desarrollan las antenas. En 1917, Nikola Tesla establece los principios teóricos del futuro radar (frecuencias y niveles de potencia). En 1934, y gracias a un estudio sistemático del magnetrón, se realizan ensayos sobre sistemas de detección de onda corta siguiendo los principios de Nikola Tesla. De este modo nacen los radares de ondas decimétricas. Durante el muchos inventores, científicos e ingenieros han contribuido en el desarrollo del radar, impulsados sobre todo por el ambiente prebélico que precedió a la Segunda Guerra Mundial, y a la propia Guerra. Los grandes países que participaron en ella fueron desarrollando de forma paralela distintos sistemas radar, aportando grandes avances cada uno de ellos para llegar a lo que hoy conocemos sobre los sistemas radar.
Años previos a la Segunda Guerra Mundial Alemania En 1934 el GEMA (La sociedad de aparatos electro-acústico y mecánico), uno de cuyos fundadores fue Hans Hollmann, construye un magnetrón capaz de trabajar a 650 MHz. Ese fue el paso tecnológico que permitió el desarrollo del Freya, un radar de vigilancia aérea que trabajaba a 125 MHz con un alcance de entre 80 y 150 millas. Era un radar para trabajar en superficie por sus dimensiones, por ello, una versión posterior fue el Seetakt que trabajaba a 375 MHz y tenía un alcance de 10 millas adaptado para ser montado en buques. Este radar fue utilizado en el verano de 1938 en la guerra civil española.
La competencia en la industria alemana de la época hizo que, en el año 1935, la empresa alemana Telefunken lanzara un radar de antena parabólica giratoria, antecesor del radar de alerta aérea Würzburg, radar de tiro de 560 MHz de trabajo y con deflector de 3m de diámetro.
El Freya y el Würzburg fueron la base de la defensa terrestre de los alemanes durante la Segunda Guerra Mundial, y el Seetakt pieza fundamental para la detección a bordo de los buques de la Armada Alemana. Al inicio de la Segunda Guerra Mundial Alemania decidió alistar a científicos e ingenieros en el frente, pensando que la guerra sería corta y satisfactoria, lo que hizo que no avanzara significativamente en esos años. En consecuencia quedó retrasada con respecto a sus adversarios, que siguieron avanzando.
Reino Unido El modelo de radar actual fue creado en 1935 y desarrollado principalmente en Inglaterra durante la Segunda Guerra Mundial por el físico Robert Watson-Watt. Supuso una notable ventaja táctica para la Real Fuerza Aérea británica en la Batalla de Inglaterra, cuando aún era denominado RDF (Radio Direction Finding). Aunque fue desarrollado con fines bélicos, en la actualidad cuenta con multitud de usos civiles, siendo la mejor herramienta para el control de tráfico aéreo.
En los momentos anteriores a la II Guerra Mundial, Robert Watson-Watt, físico y director del Laboratorio de Investigación de Radio y su ayudante, el físico Arnold Wilkins, estuvieron a cargo de la invención de un "rayo de la muerte" que sería utilizado en esa guerra. La idea de Watson-Watt era elevar la temperatura del piloto atacante a 41 °C aproximadamente para que, al provocarle fiebre, quedara incapacitado.
Como lo escribió el propio Wilkins:
Esta observación, hecha en enero de 1935, dio lugar una serie de hechos que culminaron con la invención del radar. Los hechos a los que Wilkins se refirió habían sido observados en muchos lugares y en todos se consideró esta perturbación como un estorbo que mucha gente había tratado de eliminar. De hecho, en 1932, la Oficina Postal Británica publicó un informe en el que sus científicos documentaron fenómenos naturales que afectaban la intensidad de la señal electromagnética recibida: tormentas eléctricas, vientos, lluvia y el paso de un aeroplano en la vecindad del laboratorio. Wilkins conoció este informe de manera accidental, conversando con la gente de la Oficina Postal, que se quejaba por la interferencia.
Cuando Wilkins sugirió la posibilidad de utilizar el fenómeno de interferencia de ondas de radio para detectar aviones enemigos, Watson-Watt lo comisionó inmediatamente para trabajar en el cálculo de los aspectos cuantitativos.
Al terminar sus cálculos, a Wilkins le pareció increíble que el efecto deseado pudiera detectarse; revisó sus cálculos, no encontró ningún error y se los dio a Watson-Watt, quien los vio fantásticos y verificó los cálculos matemáticos. Al no encontrar error, envió los resultados. El hecho de que un rayo de la muerte no fuera factible no sorprendió, sin embargo atrajo la idea de poder detectar un avión.
Estados Unidos Dos científicos del Naval Research Laboratory (NRL) Hoyt Taylor y L. Young dieron forma a las especulaciones de Marconi y las plasmaron en un experimento en el que transmitieron una señal de radio de onda continua a través del río Potomac detectando que al pasar los buques se producían alteraciones en la calidad de la señal recibida. Lograron perturbaciones con distancias de hasta tres millas. Observando esto, concluyeron con que se podría diseñar un elemento que detectara buques en el mar.
Al mismo tiempo, la Armada de los Estados Unidos. se encontraba muy ocupada dotando a los buques de comunicaciones sin hilos. A pesar de esto, se continuó con su investigación a nivel científico en muchos campos. Es así que el NRL, en cooperación con el Carnegie Institute, durante el año 1925 investigó la reflexión de ondas en la ionosfera y la modulación por pulsos de la onda, de tal manera que conociendo el instante de salida de un pulso y midiendo su retardo se podría calcular la distancia del rebote. A partir de estas investigaciones se diseñó a principio de los años 30 el primer radar de impulsos, obteniéndose los primeros pulsos reflejados por aviones en diciembre de 1934. Aunque no fue hasta julio de 1936 cuando consiguieron que funcionara correctamente, debido a un error en el diseño del ancho de banda del receptor (demasiado estrecho). El radar trabajaba a 200 MHz con una anchura de pulso de 10µs. Este radar utilizaba una única antena en emisión y recepción pues incluía el primer duplexor, una novedad tecnológica que supuso una gran diferencia entre los ejércitos que lo tenían y los que no.
Principios miniaturadeimagen|Radar en un barco. Reflexión Las ondas electromagnéticas se dispersan cuando hay cambios significativos en las constantes dieléctricas o diamagnéticas. Esto significa que un objeto sólido en el aire o en el vacío (es decir, un cambio en la densidad atómica entre el objeto y su entorno) producirá dispersión de las ondas de radio, como las del radar. Esto ocurre particularmente en el caso de los materiales conductores como el metal y la fibra de carbono, lo que hace que el radar sea especialmente indicado para la detección de aeronaves. En ocasiones los aviones militares utilizan materiales con sustancias resistivas y magnéticas que absorben las ondas del radar, reduciendo así el nivel de reflexión. Estableciendo una analogía entre las ondas del radar y el espectro visible, estos materiales equivaldrían a pintar algo con un color oscuro.
La reflexión de las ondas del radar varía en función de su longitud de onda y de la forma del blanco. Si la longitud de onda es mucho menor que el tamaño del blanco, la onda rebotará del mismo modo que la luz contra un espejo. Si por el contrario es mucho más grande que el tamaño del blanco, lo que ocurre es que este se polariza (separación física de las cargas positivas y negativas) como en un dipolo (véase: Dispersión de Rayleigh). Cuando las dos escalas son similares pueden darse efectos de resonancia. Los primeros radares utilizaban longitudes de onda muy elevadas, mayores que los objetivos; las señales que recibían eran tenues. Los radares actuales emplean longitudes de onda más pequeñas (de pocos centímetros o inferiores) que permiten detectar objetos del tamaño de una barra de pan.
Las señales de radio de onda corta (3 kHz-30 MHz) se reflejan en las curvas y aristas, del mismo modo que la luz produce destellos en un trozo de cristal curvo. Para estas longitudes de onda los objetos que más reflejan son aquellos con ángulos de 90° entre las superficies reflectivas. Una estructura que conste de tres superficies que se juntan en una esquina (como la de una caja) siempre reflejará hacia el emisor aquellas ondas que entren por su abertura. thumb|200px|Reflector de esquina
Este tipo de reflectores, denominados reflectores de esquina (corner reflectors, ver imagen a la derecha), se suelen usar para hacer "visibles" al radar objetos que en otras circunstancias no lo serían (se suelen instalar en barcos para mejorar su detectabilidad y evitar choques). Siguiendo el mismo razonamiento, si se desea que una nave no sea detectada, en su diseño se procurará eliminar estas esquinas interiores, así como superficies y bordes perpendiculares a las posibles direcciones de detección. De ahí el aspecto extraño de los aviones "stealth" (avión furtivo). Todas estas medidas no eliminan por completo la reflexión debido a la difracción, especialmente para longitudes de onda grandes. Otra contramedida habitual es arrojar cables y tiras metálicas cuyo largo es media longitud de onda (chaffs) con la idea de cegar al radar; son efectivas, si bien la dirección hacia la que se reflejan las ondas es aleatoria cuando lo óptimo sería dirigir la reflexión hacia el radar que se quiere evitar. El factor que da la medida de cuánto refleja un objeto las ondas de radio se llama "sección transversal de radar" (σ), traducción del inglés RCS ("Radar Cross Section").
Ecuación radar La potencia Pr reflejada a la antena de recepción está dada por la ecuación radar:
donde Pt = potencia transmitida Gt = ganancia de la antena de transmisión Ar = apertura efectiva (área) de la antena de recepción σ = sección transversal del radar, o coeficiente de decaimiento del objetivo F = factor de propagación del patrón Rt = distancia del transmisor al objetivo Rr = distancia del objetivo al receptor.
En el caso común donde el transmisor y el receptor están en el mismo lugar, Rt = Rr y el término Rt² Rr² puede ser reemplazado por R4, donde R es la distancia. Esto resulta en:
Esto dice que la potencia en el receptor se reduce proporcionalmente a la cuarta potencia de la distancia, lo que significa que la potencia reflejada desde el objetivo distante es muy pequeña.
La ecuación anterior con F = 1 es una simplificación para el vacío sin interferencia. El factor de propagación engloba los efectos de la propagación multicamino y del shadowing, y depende del entorno en el que se estén propagando las ondas. En una situación real los efectos de atenuación en el recorrido deben ser considerados.