Hace ya mucho había prometido hacer estos «matches», es decir comparación entre dos alternativas tecnológicas empleadas en los radares, exponiendo ventajas y desventajas de cada uno y cómo evoluciona la técnica. Pues bien, he esperado un tiempo (en realidad unos años, pues ya desde el 2010 los transmisores con transistores eran un hecho). Así pues aquí va, sígame y le cuento.
Durante muchísimo tiempo, desde los años 40 hasta aproximadamente el 2010, la competencia se centraba en el uso de magnetrones versus klistrones como elemento de salida hasta que se consiguió fabricar transistores que pudieran trabajar en el rango de microondas con suficiente potencia como la que demanda un radar meteorológico, entonces comenzaron a fabricarse radares comerciales con transmisores transistorizados en lugar de usar válvulas.
Transistores, la tecnología
Los transmisores a transistores suelen denominarse SSPA (Solid-State Power Amplifier). Al principio se usaron transistores de Arseniuro de Galio (GaAs); pero toleraban muy poca potencia, aunque permitían alcanzar frecuencias muy altas (usado en radares de bandas X y Ku en excitadores de las salidas y en los receptores), todavía se usan en receptores de bajo ruido, son transistores tipo FET (Field Effect Transistor), los hay bipolares, pero no se usan en los radares. Luego vinieron los Si LDMOS (Silicio Laterally Diffused Metal-Oxide Semiconductor) que permitieron potencias más altas y hicieron viables su uso en los radares de banda S y C. Los más avanzados son los transistores de Nitruro de Galio (GaN), permiten niveles de potencia y de frecuencia más altos; pero son más caros. Los GaN son del tipo FET (Field Effect Transistor y HEMT (High Electron Mobility Transistor). Resumen: GaAs – Si LDMOS – GaN.
En el mundo, actualmente los radares de válvulas (magnetrón + klistrón) representan más de 2/3 del total, en tanto que los SSPA ya casi llegan a un tercio y esta correlación va cambiando a su favor.
Comparación técnica
Ruido de fase (Phase Noise). Fluctuaciones aleatorias en la fase de la señal de RF generada por el transmisor, causadas por imperfecciones en osciladores y amplificadores. Se mide en dBc/Hz (decibelios respecto a la portadora por unidad de ancho de banda). El ruido de fase tiene influencia decisiva en el cálculo de la velocidad Doppler de objetos con baja velocidad y en la estimación de la Fase Diferencial en los radares polarimétricos, fundamental para diferenciar correctamente lluvia de granizo. De mejor a peor: GaN: -90 dBc/Hz (jitter: 0.5-1 grados RMS); Si LDMOS: -85 dBc/Hz (jitter:1-2 grados RMS); Klistrón: -80 dBc/Hz (jitter: 2-5 grados RMS); Magnetrón coaxial: -70 dBc/Hz (jitter: <5 grados RMS) y Magnetrón convencional: -60 dBc/Hz (jitter: >10 grados RMS).
Potencia de salida. Los SSPA permiten muy poca potencia pico en el pulso de salida (menos de 100 kW, por supuesto apilando varios módulos), lo típico es 5-10 kW, en tanto los klistrones y magnetrones permiten pulsos de 500-1000 kW sin dificultad. Sin embargo, para compensar esto, en los radares comerciales SSPA se emplean pulsos muy largos de modo que la potencia promedio en el período sea comparable a la potencia promedio de los radares de válvulas. Digamos que un radar de válvula transmite pulsos de 500 kW, duración de 1 microsegundo en un período de 1 milisegundo de repetición de los pulsos. Esto nos da una potencia promedio de 500 W. Un radar con SSPA de 5 kW de potencia pìco en los pulsos, necesita lanzar pulsos de 100 microsegundos en un periodo de repetición de 1 milisegundos para llegar a la misma potencia promedio de 500 W. Hasta ahí no hay problemas; pero …
Resolución en distancia. Los radares a válvulas que usan pulsos de 1 microsegundo tienen una resolución en distancia de 150 metros, sin embargo, si se usan pulsos de 100 microsegundos, la resolución empeora a 15000 metros, lo que resulta inadmisible.
Para vencer esta dificultad se emplea una técnica desarrollada en los años 70 denominada «Compresión de Pulsos«. El pulso de 100 microsegundos se divide en 100 intervalos de 1 microsegundo. En cada uno de estos intervalos el transmisor radia una frecuencia ligeramente diferente (variándola por diferentes métodos de modulación), de modo que en la recepción, por medio de un engorroso procedimiento, se pueda diferenciar la señal recibida en cada una de estas frecuencias, llevando la resolución a los mismos 150 metros que en los radares de válvulas. De este modo se conserva el poder resolutivo en tanto que los objetos son irradiados con la potencia total de los 100 microsegundos ¿Felices? Nadie cuenta la parte negativa que tiene esto. Si bien en la transmisión cada intervalo tiene una frecuencia diferente, los filtros en la recepción no son rectangulares y perfectos, sino que son gaussianos y tienen lóbulos laterales. De este modo en un intervalo recibes no toda la señal que le tocaba y recibes, además, de la señal de la frecuencia que le toca, recibes una parte de las señales recibidas en las frecuencias adyacentes y se la «asignas» a ese intervalo. Cuando hay actividad convectiva las fronteras entre, digamos, lluvia y granizo, suelen ser muy abruptas, en los radares SSPA estas fronteras se diluyen, se difuminan un poco, cosa que no sucede en los radares a válvulas. Háganme caso, esto no te lo contará ningún fabricante.
Tiempo de vida. Los radares con klistrón y magnetrón coaxial moderno garantizan no menos de 50 mil horas de vida útil. Nosotros, en los siete radares antiguos (de los años 70) usamos magnetrones rusos MI-503G, suelen durar más de 8 mil horas (eso es casi un año de trabajo ininterrumpido) y son muy baratos (menos de 3 mil USD cada magnetrón). Los SSPA prometen ser eternos, pues los transistores no se desgastan ni se degradan. No obstante, permítanme ser desconfiado, también las lámparas LED prometían ser eternas; pero en la práctica resulta que duran menos que las lámparas ionizadas. Como diría Elpidio Valdés –Eso habría que verlo compay. En principio sí, los SSPA deben durar más que los klistrones y los magnetrones sin degradación de sus características aunque no lleguen a ser eternos.
Disipación de calor. Obviamente, los transistores disipan en calor mucho menos que las válvulas, porque estás tienen un filamento para caldear el cátodo y que estos emitan electrones que son los que van a conducir la corriente. No obstante, los SSPA requieren de un sistema de disipación de calor y enfriamiento forzado con requerimientos muy estrictos. Generalmente, en sistemas de transmisores de estado sólido (SSPA), se emplea algún tipo de chiller (o unidad de enfriamiento) que es un equipo crítico diseñado para disipar el calor generado por los transistores (GaN, Si LDMOS) mediante un circuito de refrigeración líquida.
Consumo energético. El empleo de tales artefactos de refrigeración hace que el consumo energético de los SSPA sea comparable al de los klistrones o superior. En mi experiencia de más de 40 años lidiando con nuestros viejos radares a magnetrón les puedo asegurar que estos trabajan sin climatización del local e incluso a veces hasta sin el tiro forzado de aire que los enfría (por roturas, por supuesto). Los sistemas a klistrón (como el del radar METEOR 1500 S en Holguín) demandan un poco más de climatización y enfriamiento que los magnetrones; pero siempre muy inferior a lo que demandan los transmisores SSPA para esa misma potencia promedio. El prototipo de Radar Meteorológico Cubano consume menos de 1.4 kW y si el local está correctamente hermetizado y climatizado, la demanda de energía en 24 horas por la climatización en muy baja. El Radar Meteorológico Cubano puede ser fácilmente alimentado por paneles solares con baterías para el horario nocturno.
Fabricantes e implementaciones
Fabricantes de radares
Los transmisores a estado sólido son ya el presente e incuestionablemente el futuro de los radares. Los grandes fabricantes de radares (EEC, Leonardo, antes SELEX-ES, antes Gematronik, VAISALA) tienen ya sus modelos usando trasmisores SSPA. Aquí les resumo. EEC: Meteor 1000 C (Banda S, 10 kW, GaN), Meteor 1500S (Banda S, 15 kW, GaN), Meteor 600X (Banda X, 500 W, GaN). LEONARDO (SELEX-GEMATRONIK): RRM-20 (Banda S, 20 kW, escalable GaN); METEOR-800S (Banda S, 8 kW, GaN); METEOR 60AC (Banda C, 260 W, Si LDMOS) VAISALA: WRM-200 (Banda X, 200 W, GaN). Otros fabricantes de menos ventas y mercados más específicos también disponen de modelos SSPA. La tendencia: 1) Dominio de GaN, 2) Modularidad, 3) Uso de Chillers líquidos para más de 5 kW.
Fabricantes de transistores para SSPA
Entre los fabricantes de transistores (y de módulos completos para transmisores) de Nitruro de Galio (GaN) están Wolfspeed (EE.UU.), Qorvo (EE.UU.), RFHIC (Corea del Sur), United Monolithic Semiconductors (Francia). Entre los fabricantes de transistores Si LDMOS (y de módulos completos) están: NXP Semiconductors, Ampleon, ambas de Países Bajos, herederas ambas de Philips Semiconductors. Mitsubishi Electric fabrica módulos con ambas tecnologías (GaN y Si LDMOS). Cernex (Suecia): Combinadores y divisores de potencia para SSPA. API Technologies (EE.UU.): Fuentes de alimentación de alto voltaje para GaN. Custom MMIC (EE.UU.): Amplificadores MMIC para etapas iniciales de SSPA. Rusia tiene capacidad limitada en transistores para SSPA, especialmente en GaN de alta potencia. Sus fabricantes (Mikron, NIIMA) están enfocados en aplicaciones militares, pero dependen de tecnologías extranjeras (China) para componentes críticos.
SSPA en los radares NEXRAD
A partir del año 2010 en que se comenzó la modernización de los radares WSR-88D para polarización dual y se comenzó también la modernización llamada Super Resolution, se inició un programa para sustituir los klistrones por SSPA. Actualmente cerca del 65 % de los 159 radares WSR-88DP ya disponen de transmisores SSPA. No se ha completado aún porque es caro, cerca de 2 millones USD por cada transmisor. Los transmisores SSPA de los radares WSR-88DP son de dos tipos, inicialmente se implementaron los SPA-6 y una versión mejorada y definitiva es el SPA-1B. Permiten pulsos de 10-32 kW de potencia. Los radares NEXRAD con transmisores SSPA NO USAN COMPRESIÓN DE PULSOS. Mantienen las duraciones originales de 1.57 microsegundos para pulsos cortos y 4.0-4.5 microsegundos para pulsos largos. Indudablemente, si los pulsos mantienen la misma duración y la potencia bajó de 750 kW a 32 kW, si se mantiene el alcance de 460 km original, habría una degradación en la capacidad de detección de estos radares en la larga distancia en aproximadamente -13.7 dB por efecto de la disminución de la potencia pico. Para compensar esta pérdida, los nuevos radares WSR-88DP SPA emplean un complejo procesamiento de las señal que permite extraer señales útiles por debajo del umbral de ruido al integrar de forma coherente mayor número de pulsos (64 versus 10), y esto trae una mejora de +6 dB. Al mejorar el ruido de fase del transmisor de -80 dBc/Hz del klistrón a -90 dBc/Hz del GaN, se obtiene una mejora de +3 dB. La polarimetría dual mejora en +2 dB el procesamiento. El acoplamiento entre SSPA y guías de onda es 1 dB mejor que entre klistrón y guía de onda. La reflexión en los duplexores es 0.5 dB mejor en el SSPA. El ORPG (Open Radar Product Generator) aplica algoritmos adaptativos para suprimir interferencias y algoritmos de compensación de la atenuación, en conjunto ORPG mejora en +2 dB en los blancos lejanos. Como resultado de esto el WSR-88DP SPA tiene una señal mínima discernible de -30 dBZ a 460 km, en tanto, el WSR-88D tenía -28 dBZ a esa misma distancia. Debo aclarar que no se pueden procesar 64 pulsos cuando hay tormentas convectivas que varían muy rápido y hay que rotar la antena más rápido, por tanto no es una comparación muy justa. Lo que quiero decir es que el WSR-88DP SPA para lograr el mismo desempeño requiere rotar la antena más despacio, lo que no siempre es posible cuando hay convección profunda.
Radares experimentales
En el año 2000 visité los radares S-POL de NCAR y CHILL de CSU. En ese momento sus transmisores eran a klistrón. En el año 2008 fueron mejorados a transmisores SSPA de GaN. Las duraciones de pulso de 1 microsegundos se mantuvieron y se mantuvo también la potencia pico de 1 MW en el pulso. NO USAN COMPRESIÓN DE PULSOS. Esta modernización resultó muy cara (alrededor de 12-15 millones USD) y costosa en su mantenimiento (0.5-1 millón USD al año). Semejantes niveles de potencia requieren sistemas de enfriamiento especiales, costosos y demandantes de gran mantenimiento.
Radar TOSHIBA en Taiwán
En el año 2022, tres ingenieros de LADETEC se encargaron del ensamblaje del radar TMR-20, comprado por el Taiwan Weather Bureau a GECI Española. Esto les dio la oportunidad de trabajar con un radar polarimétrico con transmisores SSPA de 10 kW de potencia en los pulsos y que usa Compresión de Pulsos. Una experiencia simplemente invaluable como entrenamiento, que los dirigentes del CITMA no supieron apreciar. Hoy esto es una fortaleza de LADETEC como empresa privada y el CITMA no tiene especialistas preparados en estas tecnologías de radar.
Recomendaciones para Cuba
El Radar Meteorológico Cubano (Doppler y de Doble Polaridad o de Doble Longitud de Onda) fue concebido para trabajar con magnetrones convencionales, magnetrones coaxiales o klistrones; pero recomendamos mantener el uso de los magnetrones convencionales mientras haya disponibilidad comercial de ellos. No recomendamos los transmisores SSPA porque requieren un sistema de enfriamiento especial, costoso y muy difícil de mantener. En Cuba el servicio de reparación y mantenimiento de sistemas de climatización y aire acondicionado convencional, brindado por las empresas estatales dedicadas a esto, es simplemente pésimo. Lamentablemente, esa es la experiencia de 41 años dirigiendo el servicio técnico a los radares cubanos. Los chiller para transmisores SSPA en Cuba no son sostenibles, los transmisores no sobrevivirían a las roturas de los chiller. Las prestaciones Doppler y Polarimétricas del Radar Meteorológico Cubano con magnetrones convencionales son suficientemente buenas para captar los fenómenos peligrosos para nuestro archipiélago. El performance del radar RD-200SX, prototipo de Radar Meteorológico Cubano, al paso de Irma lo demostró.
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