Nowy projekt kompaktowej anteny przygotowuje nas na spotkanie z telekomunikacją nanosatelitarną
Nanosatelity i pikosatelity to klasy zminiaturyzowanych platform kosmicznych charakteryzujące się zachowaniem norm w zakresie wymiarów i kształtów. I jedne, i drugie mają budowę modułową, dzięki czemu można je łączyć w większe obiekty. Możliwości stosowania ich w przestrzeni kosmicznej wydają się być ograniczone wyłącznie ich wymiarami i wyobraźnią projektantów oraz użytkowników. Sektory prywatny i publiczny w coraz większym stopniu polegają na nich w obszarze obserwacji Ziemi oraz w zakresie przeprowadzania testów pionierskich technologii telekomunikacyjnych. Dane zbierane przez miniaturowe satelity są warte tyle, ile sygnał, jaki obiekty te wysyłają na Ziemię, a jego jakość zależy od anteny, która go nadaje. Anteny przeznaczone do wykorzystania na bardzo małych satelitach zazwyczaj wymagają wydzielonej powierzchni na magistrali satelity i często mechanicznego rozmieszczenia już po jego wystrzeleniu. To sprawia, że całość ładunku jest cięższa i zajmuje przestrzeń, którą można by zagospodarować w inny sposób. Jednocześnie jakość ich pracy nie pozostaje bez zarzutu. W ramach działania „Maria Skłodowska-Curie” uruchomiono projekt CSA-EU, którego owocem są propozycje nowatorskich projektów anten płaskich. Mogą one ulepszyć istniejące rozwiązania na klika różnych sposobów. Przede wszystkim są niewielkie i nie korzystają z mechanizmu rozkładania – to właściwy krok w kierunku zmniejszenia objętości i kosztów produkcji maleńkich satelitów. Są one często używane do obserwacji Ziemi, gdzie wysoka rozdzielczość i obrazowanie w czasie rzeczywistym są bardzo pożądane.
Projektowanie anten łatkowych na powierzchnie paneli słonecznych
W ciągu kilku ostatnich lat poczyniono znaczne postępy w zakresie poprawienia współpracy anten łatkowych z panelami słonecznymi. To połączenie pozwala oszczędzić miejsce na powierzchni nanosatelitów. Anteny łatkowe są także tańsze w produkcji w porównaniu do anten innych rodzajów ze względu na łatwość, z jaką wykonuje się je na płytkach drukowanych. W pierwszym rzucie badacze skupieni wokół projektu opracowali antenę dwupasmową o polaryzacji kołowej, którą umieszczono nad panelami słonecznymi nanosatelity. Antena została zrobiona z przewodzącej siatki o kwadratowych oczkach, zamocowanej na przezroczystym podłożu ze szkła borokrzemowego. „Materiały przepuszczające światło nie naruszają pierwotnej struktury ogniw, przez co nie mają negatywnego wpływu na ich wydajność. Duża przepuszczalność świetlna sprawia, że panele słoneczne mogą działać z dużą sprawnością”, zauważa George Goussetis, koordynator projektu CSA-EU. Polaryzacja kołowa sygnału pozwala utrzymać łączność między powierzchnią a satelitą, nawet gdy satelita obraca się względem odbiornika. Ogólnie antenę charakteryzuje dobra impedancja pasma, równomierna charakterystyka promieniowania i minimalny poziom zacieniania. Wyniki badań przedstawiono w czasopiśmie IEEE o otwartym dostępie.
Zwiększanie kierunkowości dzięki szykowi antenowemu promieniującemu wzdłużnie
Inna część badań nad projektem koncentrowała się na zaprojektowaniu płaskich szyków antenowych promieniujących wzdłużnie. Anteny w takim szyku charakteryzują się maksimum promieniowania na jednym końcu, co znacznie poprawia kierunkowość sygnału. Koncepcja kryjąca się za nowo opracowaną anteną zakłada stosowanie wyrzutni falowodowej w postaci równoległych płaszczyzn, opartej na falowodzie zintegrowanym z podłożem. Sygnał satelity rozchodzi się w falowodzie zintegrowanym z podłożem, współosiowo, w postaci fali zwanej poprzeczną falą elektryczno-magnetyczną (TEM). To pierwszy przypadek, kiedy naukowcom udało się zademonstrować pracę w trybie TEM z propagacją czoła fali płaskiej. I tym razem IEEE opublikowała wyniki tych jakże istotnych badań. „Nanosatelity poruszają się po niskich orbitach okołoziemskim, przez co w czasie podróży przez nasze niebo, nie zawsze znajdują się w jednej linii z anteną odbiorczą. Chodzi przede wszystkim o to, by zwiększyć możliwości z zakresie strumieniowego przesyłania nagrań i obrazów o wysokiej rozdzielczości w czasie rzeczywistym na Ziemię przy wykorzystaniu wąskiego pola widzenia anteny. To w oczywisty sposób wiąże się z optymalizacją kierunkowości i szerokości pasma”, podsumowuje Goussetis.
Słowa kluczowe
CSA-EU, nanosatelita, panel słoneczny, anteny łatkowe, szerokość pasma, kierunkowość, obserwacje Ziemi, szyk antenowy promieniujący wzdłużnie, fala poprzeczna