Uma equipe do Laboratório Lincoln do MIT construiu e demonstrou o radar de propagação seletiva de banda larga (WiSPR), um sistema capaz de detectar distâncias variadas em frequências de ondas milimétricas (mmWave ou MMW). Normalmente, essas altas frequências, que variam de 30 a 300 gigahertz (GHz), são empregadas apenas para operações de curto alcance. Utilizando matrizes de transmissão e recepção digitalizadas eletronicamente, cada uma com vários elementos de antena, o WiSPR produz feixes estreitos capazes de varrer rapidamente uma área para detectar objetos de interesse. Os feixes estreitos também podem ser manipulados em feixes mais amplos para comunicações.

"Construir um sistema com sensibilidade suficiente para operar em longas distâncias nessas frequências para funções de radar e comunicação é um desafio", afirma Greg Lyons, membro sênior da equipe do Grupo de Sistemas e Técnicas de Radar Aerotransportado , parte da área de P&D de Sistemas e Tecnologia ISR do Laboratório Lincoln . "Temos muitos especialistas em radar em nosso grupo, e todos nós debatemos se tal sistema seria mesmo viável. Muitas inovações estão acontecendo no setor comercial, e aproveitamos esses avanços para desenvolver este sistema multifuncional."

A alta largura de banda de sinal disponível em mmWave torna essas frequências atraentes. As frequências licenciadas disponíveis estão rapidamente ficando sobrecarregadas, e o aproveitamento das frequências mmWave libera largura de banda considerável e reduz a interferência entre sistemas. Uma alta largura de banda de sinal é útil em um sistema de comunicação para transmitir mais informações e, em um sistema de radar, para melhorar a resolução de alcance (ou seja, a capacidade do radar de distinguir entre objetos na mesma direção angular, mas a distâncias diferentes do radar).

Em 2019, a equipe do laboratório decidiu avaliar a viabilidade do seu conceito de radar de ondas milimétricas. Utilizando circuitos integrados de radiofrequência (RFICs) prontos para uso, que são chips que enviam e recebem ondas de rádio, eles construíram um sistema de feixe fixo (capaz apenas de olhar em uma direção, sem varredura) com antenas do tipo corneta. Durante uma demonstração em um dia de neblina na Base Conjunta de Cape Cod, o sistema de prova de conceito detectou com sucesso objetos de calibração em alcances sem precedentes.  

"Como construir um protótipo para o que eventualmente será um sistema muito complexo?", pergunta o gerente de programa Christopher Serino, líder assistente do Grupo de Sistemas e Técnicas de Radar Aerotransportado. "A partir desses testes de viabilidade, demonstramos que tal sistema poderia realmente funcionar e identificamos os desafios tecnológicos. Sabíamos que esses desafios exigiriam soluções inovadoras, então foi nisso que concentramos nossos esforços iniciais."

O WiSPR é baseado em conjuntos de antenas de múltiplos elementos. Seja para funções de radar ou comunicação, os conjuntos são faseados, o que significa que a fase entre cada elemento da antena é ajustada. Esse ajuste garante que todas as fases se somem para direcionar os feixes estreitos na direção desejada. Com essa configuração de múltiplos elementos faseados, a antena se torna mais diretriz no envio e recebimento de energia para um local. (Esses conjuntos faseados estão se tornando onipresentes em tecnologias como smartphones 5G, estações rádio-base e satélites.)

Para permitir que os pequenos feixes rastreiem objetos continuamente, a equipe construiu RFICs personalizados usando tecnologia de semicondutores de última geração e adicionou recursos digitais aos chips. Ao controlar o comportamento desses chips com firmware e software personalizados, o sistema pode procurar um objeto e, após encontrá-lo, mantê-lo "rastreado" enquanto a busca por objetos adicionais continua — tudo isso sem mover antenas fisicamente ou depender de um operador para dizer ao sistema o que fazer em seguida.

"Aumentar elementos em uma matriz para obter ganho em uma direção específica é uma prática padrão", explica o gerente adjunto do programa, David Conway, membro sênior da equipe do Grupo de RF e Fotônica Integrada . "O que não é padrão é ter tantos elementos com RF em comprimentos de onda milimétricos ainda trabalhando juntos, somando sua energia na transmissão e na recepção, e capazes de varrer rapidamente em ângulos muito amplos."

Para a função de comunicação, a equipe desenvolveu um novo procedimento de alinhamento de feixe.

"Ser capaz de combinar vários elementos de antena para que um radar alcance além dos alcances operacionais típicos de MMW — isso é novidade", diz Serino. "Ser capaz de escanear eletronicamente os feixes ao redor como um radar com latência praticamente zero entre os feixes nessas frequências — isso é novidade. Ampliar alguns desses feixes para que você não precise readquirir e redirecionar constantemente durante as comunicações — isso também é novidade."

Outra inovação fundamental para o desenvolvimento do WiSPR é um arranjo de resfriamento que remove a grande quantidade de calor dissipado em uma pequena área atrás dos elementos de transmissão, cada um com seu próprio amplificador de potência.

No ano passado, a equipe demonstrou seu protótipo do sistema WiSPR no Campo de Provas de Aberdeen, no Exército dos EUA, em Maryland, em colaboração com o Escritório de Capacidades Rápidas e Tecnologias Críticas do Exército dos EUA e o Comando de Teste e Avaliação do Exército dos EUA. Desde então, a tecnologia WiSPR foi transferida para um fornecedor para produção. Ao adotar o WiSPR, as unidades do Exército poderão conduzir suas missões com mais eficácia.

"Esperamos que este sistema seja usado em um futuro não muito distante", diz Lyons. "Nosso trabalho impulsionou o estado da arte em radares MMW e sistemas de comunicação para aplicações militares e comerciais."

"Esse é exatamente o tipo de trabalho do qual o Lincoln Laboratory se orgulha: ficar de olho no setor comercial e alavancar investimentos de bilhões de dólares para desenvolver novas tecnologias, em vez de começar do zero", diz o diretor assistente do Lincoln Laboratory, Marc Viera.

Este esforço apoiou o Escritório de Capacidades Rápidas e Tecnologias Críticas do Exército dos EUA. A equipe é composta por membros adicionais dos grupos de Sistemas e Técnicas de Radar Aerotransportado, RF Integrada e Fotônica, Engenharia Mecânica , Capacidades e Sistemas Avançados , Sistemas de Proteção Nacional e Segurança e Resiliência em Transportes do laboratório.