Mit neuen kompakten Antennendesigns die Nanosatellitenkommunikation verbessern
Nano- und Picosatelliten sind spezielle kostengünstige Klassen miniaturisierter Weltraumplattformen, die in genormten Abmessungen und Formen gebaut werden. Beide sind modular und können zu größeren Raumfahrzeugen zusammengestellt werden. Ihre Nützlichkeit im Weltraum scheint lediglich durch ihre Größe und die Vorstellungskraft in Hinsicht auf Konstruktion und Nutzung begrenzt zu sein: Private und öffentliche Sektoren stützen sich bei der Erdbeobachtung sowie bei Testflügen mit neuartiger Kommunikationstechnik immer mehr auf sie. Die von miniaturisierten Satelliten gesammelten Daten sind so gut wie das von ihnen zur Erde gesandte Signal, während das Signal so gut wie die Antenne ist, die es sendet. Antennen für Kleinsatelliten brauchen normalerweise spezielle Plätze auf dem Satellitenbus und müssen oft nach dem Start des Satelliten mechanisch ausgebracht werden. Das bedeutet zusätzliches Gewicht und beansprucht wertvollen Platz, der anderweitig genutzt werden könnte, während es durchaus auch Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit gibt. Das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierte Projekt CSA-EU hat neuartige planare Antennendesigns vorgeschlagen, welche die vorhandenen Designs in vielen Punkten verbessern. Wichtig ist, dass sie kompakter sind und kein Ausbringungsmechanismus erforderlich ist. Diese Neuerungen sind gute erste Schritte, um das Volumen und die Kosten winziger Satelliten zu verringern. In Hinsicht auf ihren Einsatz eignen sie sich gut für die Erdbeobachtung, bei der hochaufgelöste Echtzeitbildgebung hoch im Kurs steht.
Technische Lösung: Patchantennen auf Solarmoduloberflächen
In den letzten Jahren sind bei der Entwicklung von Patchantennen, die gut mit Solarmodulen zusammenarbeiten, bedeutende Fortschritte erzielt worden. Dieser Zusammenschluss spart auf der Oberfläche der Nanosatelliten Platz ein. Patchantennen sind außerdem im Vergleich zu anderen Antennentypen kostengünstiger, da sie sich leicht auf Leiterplatten unterbringen lassen. Erstmals entwickelte nun ein Projektforschungsteam eine zirkular polarisierte Dual-Feed-Antenne, die oberhalb der Nanosatelliten-Solarmodule angebracht wurde. Die Antenne wurde aus einem leitfähigen quadratischen Netz hergestellt, das auf einem transparenten Substratmaterial, einer Borosilikatglasschicht, montiert wurde. „Das transparente Material verändert nichts an der ursprünglichen Struktur der Solarzelle und beeinträchtigt daher nicht ihre Leistung. Hohe Transparenzwerte gestatten den Betrieb der Solarmodule bei hohem Wirkungsgrad“, merkt George Goussetis an, Koordinator von CSA-EU. Mithilfe zirkularer Polarisation des Signals kann die Kommunikation zwischen dem Satelliten und der Bodenstation auch dann aufrechterhalten werden, wenn sich der Satellit relativ zum Empfänger dreht. Insgesamt zeigte die Antenne eine gute Impedanzbandbreite, ein stabiles Strahlungsdiagramm und minimale Abschattungspegel. Die Forschungsergebnisse wurden von der frei zugänglichen Fachzeitschrift IEEE veröffentlicht.
Erhöhung der Richtwirkung durch Längsstrahler
Ein anderer Teil der Forschung konzentrierte sich auf das Design planarer Längsstrahler. Diese Richtantennen emittieren von einem Ende aus maximale Strahlung und verbessern somit die Richtwirkung des Signals. Das Konzept dieser neu entwickelten Antenne sah einen Parallelplatten-Wellenleiter-Starter auf Basis eines im Substrat integrierten Wellenleiters vor. Das Satellitensignal breitet sich durch den in das Substrat integrierten Wellenleiter aus, der es in ein als transversal elektromagnetisch bezeichnetes Muster bringt. Hier konnte die Forschung erstmals den transversal elektromagnetischen Modus mit planarer Wellenfrontausbreitung demonstrieren. Wieder veröffentlichte IEEE die Ergebnisse dieser wichtigen Forschungsarbeit. „Nanosatelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen bewegen sich während ihrer Erdumkreisung über den gesamten Himmel, so dass sie keine konstante Sichtlinie zur Empfangsantenne haben. Letztlich besteht das Ziel darin, hochauflösende Echtzeit-Videos und Bilder der Erde besser übertragen zu können, indem das enge Sichtfeld der Antenne optimal ausgenutzt wird. Deshalb müssen logischerweise die Richtwirkung und die Bandbreite optimiert werden“, wie Goussetis abschließend betont.
Schlüsselbegriffe
CSA-EU, Nanosatellit, Solarmodul, Patchantennen, Bandbreite, Richtwirkung, Erdbeobachtung, Längsstrahler, transversal elektromagnetisch