Forschung -

Metamaterialien verändern die Satellitenkommunikation

Bahnbrechende Innovationen in der Antennentechnologie, die auf einer Zusammenarbeit zwischen Lockheed Martin Space und Penn State University basieren, werden nun für den Einsatz in zukünftigen GPS-Satellitennutzlasten erwogen.

Professor Douglas Werner und sein Team arbeiteten mit Experten von Lockheed Martin Space daran, das Design der konventionellen Short-Backfire-Antenne durch eine deutliche Erhöhung der Verstärkung zu verbessern, ohne die robuste und kompakte Bauweise zu beeinträchtigen - und ohne das Gewicht zu erhöhen.

Dieser Antennentyp wurde ursprünglich in den 1960er Jahren im Air Force Research Lab entwickelt. Seitdem wurde es in vielen Boden-, See- und Weltraumanwendungen eingesetzt, vor allem in der Kommunikation zwischen der NASA und der Apollo-Raumkapsel.

Und es wird auch heute noch auf terrestrischen Kommunikations-Antennenmasten eingesetzt. Allerdings wurden bei diesem jahrzehntealten Design nur wenige wesentliche Fortschritte erzielt.

"Um es für die Raumfahrt zu nutzen, ist es wichtig, die insgesamt beste Leistung zu haben, denn es kostet viel, Nutzlasten zu entwickeln und ins All zu transportieren, und man hat nur eine Chance", sagte Lier.

"Unsere Antenne ist kleiner, leichter, hat eine höhere Effizienz, ist mechanisch robuster als die bisherigen Designs für GPS-Satelliten und widersteht zudem der schwierigen Weltraumumgebung."

"Wir konnten die elektromagnetischen Eigenschaften so gestalten, dass sie den strengen HF-Anforderungen entsprechen, ohne andere Betriebsanforderungen zu beeinträchtigen, die speziell für die Weltraumumgebung zutreffen".

Möglich werden diese Eigenschaften durch den Einsatz von Metamaterialien. Im Vergleich zu herkömmlichen Short-Backfire-Antennen bietet die neue Antenne eine um ein Dezibel höhere Verstärkung (25% Erhöhung); eine hexagonale anstelle der kreisförmigen Form, die bei Verwendung in einer Array-Antennenanwendung zu einer zusätzlichen Verstärkung führt; und eine Dual-Band-Fähigkeit, mit der die Antenne bei den beiden für GPS-Anwendungen erforderlichen Frequenzen mit hoher Effizienz arbeitet.

Die Partnerschaft zwischen den Forschern von Lockheed Martin und Penn State war entscheidend, um die Vision einer verbesserten Antenne zu verwirklichen.

"Diese kontinuierliche Zusammenarbeit funktioniert außergewöhnlich gut. Wir nutzen unsere Stärken - das Verständnis für die Bedürfnisse und Anforderungen, die Ideen und Konzepte - aber wir können es nicht ohne die einzigartigen Fähigkeiten, die Penn State bietet, tun", sagte Erik Lier von Lockheed Martin Space.

"Penn State ist weltweit führend auf dem Gebiet metamaterialbasierter HF-Systeme und den dazugehörigen elektromagnetischen Simulations- und Optimierungswerkzeugen, die zur Realisierung des Designs und der Implementierung unseres vorgeschlagenen Konzepts erforderlich sind."

"Wir bringen Doug und seinem Team die Vision, und sie vollbringen die computergestützte Schwerarbeit. Sie sind mit diesen Dingern auf dem neuesten Stand."

Da Lockheed Martin den Zuschlag für die nächste Generation von GPS-Satelliten erhalten hat, könnte das Design des Forschungsteams für zukünftige GPS-Satelliten-Nutzlasten sehr gut geeignet sein. "Das Tolle an dieser Zusammenarbeit ist, dass wir uns auf diese Forschung konzentrieren können", sagte Werner.

Der Forschungsbericht, der das Projekt und dessen Ergebnisse beschreibt ("A metamaterial-enabled design enhancing decades-old short backfire antenna technology for space applications"), wurde in "Nature Communications" veröffentlicht.

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