Was sind die gängigsten praktischen Designspezifikationen für Antennen im Weltraum?

Aus dem Kopf heraus sind hier eine Reihe von Dingen, die Sie "abgesehen von den elektrischen Spezifikationen" ansprechen müssten. In Wirklichkeit ist dies ein großartiger Fall für eine starke Systemtechnik in Ihrem Satelliten. Da es große Kompromisse zwischen Leistung, Ausrichtung, Masse und HF-Leistung/Durchsatz geben wird.

• Materialien. Dies ist meistens einfach, da die Antenne per Definition aus Metall sein wird und im Allgemeinen Metall im Weltraum in Ordnung ist. Wenn das Metall jedoch irgendeine Art von Beschichtung hat, müssen Sie sicherstellen, dass die Beschichtung mit dem Vakuum und der atomaren Sauerstoffumgebung kompatibel ist. Natürlich haben die Kabel , die zur Antenne führen, eine Art Isolierung, also müssen Sie sich auch darum kümmern.
• Beschichtungen. Apropos Beschichtungen: Einige Satelliten haben die Antennen speziell schwarz/weiß lackiert, um dem Satelliten einen radiometerartigen Spin zu verleihen.
• Anschlüsse. Ja, das grenzt ans Elektrische, ist aber erwähnenswert. Ein großer kräftiger N-Connector wird nicht sehr effektiv in einen kleinen CubeSat passen
• Form/Typ. Vermutlich kennen Sie bereits die Performance-Kompromisse. Aber unterschiedliche Formen/Typen werden auf dem Satelliten sehr unterschiedlich verpackt. Ein kleiner Patch, ein einfacher Dipol und eine Schüssel haben alle unterschiedliche Konfigurationen. Reflektoren haben auch das Problem, dass sie eine Art Fernspeisung benötigen. Wie willst du das installieren.
• Einsatz. Abgesehen von einer einfachen Patch-Antenne, die an der Seite Ihres Satelliten montiert ist, müssen alle anderen Antennen nach dem Start in irgendeiner Form eingesetzt werden. Wie gehen Sie mit der Bereitstellung um? Die Anzahl der Antennen wirkt sich auch auf Ihren Einsatz aus, insbesondere wenn Sie sie auf eine bestimmte Weise anordnen müssen, um das richtige Strahlmuster oder die richtige Polarisation zu erhalten.
• Vibration. Vermutlich wird Ihr Satellit auf einer lauten, vibrierenden, zitternden Rakete in die Umlaufbahn fliegen. Ihre Antenne muss in der Lage sein, diese Vibrationen in einer verstauten Konfiguration zu überstehen und sich dennoch angemessen zu entfalten und zu funktionieren.
• Thermal. Die Antenne wird im gesamten Orbit extreme Temperaturschwankungen feststellen. Sie müssen sicherstellen, dass jede thermische Verformung für die Leistung der Antenne akzeptabel ist.
• Beschattung. Die Antenne nützt nichts, wenn sie die Sonnenkollektoren des Satelliten abschattet. Sicher, vielleicht können Sie durch die Magie von Membranen und Verbundwerkstoffen eine 1-m-Schüssel von einem 3U-CubeSat aus aufstellen, aber wenn sie alle Solarpanels beschattet, dann ist das Mission Killing.
• Masse. Bei bodengestützten Anwendungen machen wir uns darüber selten Sorgen, aber im Weltraum kann die Masse Ihrer Antenne Ihr Massenbudget ausmachen oder brechen. Sicher, Sie könnten 20 dB aus einer netten, schicken Antenne herausholen, aber wenn sie die dreifache Masse Ihrer 4-dB-Antenne hat, ist das Spiel möglicherweise vorbei.
• Balkenbreite. Eine kleinere Strahlbreite erhöht Ihren Durchsatz. Aber Sie müssen das Raumschiff jetzt ausrichten, vielleicht sehr genau. Dies wirkt sich auf die Anforderungen an das Teilsystem zur Lageregelung aus und kann sich wiederum auf das Leistungsbudget auswirken.
• Bodenstationskompatibilität – Planen Sie eine dedizierte Bodenstation? Oder hoffen Sie, andere Netzwerke wie SATNOGS zu nutzen. Es kann zweitrangige "elektrische" Erwägungen wie Modulationstyp und Polarisation geben.

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• Das Band, auf dem Sie senden
• Die Art der Antenne (Ihr Cubesat wird wahrscheinlich die Auswahlmöglichkeiten, die Sie hier haben, erheblich beeinflussen, aber es gibt viele Arten von Antennen mit vielen Vor- und Nachteilen)
• Die Ausgangsleistung (wenn es sich um eine isotrope Antenne handelt, ist dies einfacher, aber wenn es sich um eine gerichtete Antenne handelt, müssen Sie die nächste Sache berücksichtigen)
• Der Antennengewinn (aufgrund des Designs und wie er durch Unvollkommenheiten/andere Dinge beeinflusst wird)
• Atmosphärische Absorption - die Atmosphäre absorbiert einige Bänder stark und ist für andere vollständig transparent. Das Band beeinflusst die Wellenlänge, die die Antennengröße und die effektive Apertur beeinflusst
• Die Größe der Bodenstation und ihre Fähigkeit, Ihr Signal zu empfangen (versuchen Sie, dieses Ding mit einer Peitschenantenne oder einem riesigen Radioteleskop aufzunehmen?)

Sie verwenden diese und einige andere Einschränkungen, um Ihr Link-Budget zu entwerfen, das bestimmt, wie viel Leistung Sie senden müssen, um X Leistung am Empfänger zu empfangen (unabhängig davon, ob Sie eine einzelne Antenne zum Senden/Empfangen auf dem Cubesat haben oder nicht, aber wenn nicht, müssen Sie dies zweimal tun, einmal für den Uplink und einmal für den Downlink. Es gibt verschiedene Gründe, dies auf diese Weise zu tun, und verschiedene Gründe, dies nicht zu tun).

Gestalten Sie schließlich Ihre Antenne so, dass sie andere Elektronik nicht stört und nicht zerstört wird / ihr Signal nicht durch den umgebenden Funkhintergrund verschlechtert wird.

Folgendes habe ich herausgefunden, nachdem ich speziell ein wenig über PCB-Antennen recherchiert hatte:

• Temperaturschwankung:

Wichtig für jede Diskussion über die Struktur eines kleinen Raumfahrzeugs ist das Material der Struktur selbst. Typischerweise besteht die Struktur eines Raumfahrzeugs sowohl aus metallischen als auch aus nichtmetallischen Materialien. Metalle sind im Allgemeinen homogen und isotrop, was bedeutet, dass sie an jedem Punkt und in jeder Richtung die gleichen Eigenschaften haben. Nichtmetalle wie Verbundwerkstoffe sind normalerweise weder homogen noch isotrop. Die Materialauswahl wird von der Betriebsumgebung des Raumfahrzeugs bestimmt und muss einen angemessenen Spielraum für Start- und Betriebslasten, thermisches Gleichgewicht und thermisches Stressmanagement sowie von der Empfindlichkeit der Instrumentierung und Nutzlast gegenüber Ausgasung und thermischen Verschiebungen gewährleisten. [ 1 ]

• Ausgasung:

In der Raumfahrtindustrie bezieht sich Ausgasen auf die Sublimation oder Verdampfung von Materialien, wenn diese Materialien in eine Hochvakuumumgebung wie den Weltraum gebracht werden. Das durch Ausgasen verlorene Material kann auf empfindliche Bauteile gelangen und möglicherweise den Erfolg einer Mission beeinträchtigen. [ 2 ]

CubeSat-Materialien müssen das folgende Kriterium für geringe Ausgasung erfüllen, um eine Kontamination anderer Raumfahrzeuge während der Integration, des Testens und des Starts zu verhindern. Eine Liste der von der NASA zugelassenen Materialien mit geringer Ausgasung finden Sie unter: http://outgassing.nasa.gov . [ 3 ]

• CubeSats-Materialien müssen einen Gesamtmassenverlust (TML) < 1,0 % haben
• CubeSat-Materialien müssen ein gesammeltes flüchtiges kondensierbares Material (CVCM) < 0,1 % aufweisen

• Atomarer Sauerstoff:

Atomarer Sauerstoff befindet sich in einer niedrigen Erdumlaufbahn zwischen 100 und 1000 km. Diese atomare Version von Sauerstoff entsteht durch die Wechselwirkung von UV-Licht und molekularem Sauerstoff. Diese Atome sind sehr korrosiv und oxidieren im Laufe der Zeit Metalle, insbesondere Silber und Osmium, und erodieren Polymere. [ 4 ]

• Elektrostatische Entladung:

Die grundlegende Quelle von Ladeproblemen im Weltraum ist die geladene Teilchenumgebung (CPE). Wenn diese Umgebung nicht vermieden werden kann, sind die nächsten Quellen von ESD-Bedrohungen Gegenstände, die Ladung und/oder Energie speichern und ansammeln können. Nicht geerdete (isolierte) Metalle sind gefährlich, weil sie Ladung und Energie ansammeln können. Hervorragende Dielektrika können auch Ladung und Energie ansammeln. Das Begrenzen des ladungsspeichernden Materials oder der Ladekapazität ist ein nützliches Verfahren zum Reduzieren der internen Ladungsgefahr. Dies kann erreicht werden, indem ein Ableitungspfad bereitgestellt wird, so dass sich alle plasmaverursachten Ladungen im gesamten Raumfahrzeug ausgleichen können, oder indem nur kleine Mengen an ladungsspeichernden Materialien vorhanden sind. Antennenelemente sollten normalerweise an der Struktur elektrisch geerdet werden. Die Implementierung der Antennenerdung erfordert sorgfältige Überlegungen in der anfänglichen Entwurfsphase. Alle Metalloberflächen, Ausleger, Abdeckungen und Einspeisungen sollten mit Drähten und Metallschrauben an der Struktur geerdet werden (dc short design). Alle Wellenleiterelemente sollten mit punktgeschweißten Verbindern elektrisch miteinander verbunden und an der Raumfahrzeugstruktur geerdet sein. Diese Elemente müssen an ihren Eintrittspunkten mit dem Faraday-Käfig geerdet werden. [5 ]

• Strahlung:

Das Abschirmen des Raumfahrzeugs ist häufig die einfachste Methode, um sowohl das Verhältnis der Gesamtionisierungsdosis zur Verdrängungsschadensdosis (TID/DDD) eines Raumfahrzeugs als auch die Rate, mit der SEEs auftreten, zu reduzieren, wenn es angemessen verwendet wird. Die Abschirmung umfasst zwei grundlegende Methoden: Abschirmung mit der bereits vorhandenen Masse des Raumfahrzeugs (einschließlich der Außenhaut oder des Chassis, die in jedem Fall vorhanden sind, ob gewünscht oder nicht) und Punkt-/Sektorabschirmung. [ 1 ]