Warum waren die Antennen auf der sphärischen Oberfläche einiger früher Satelliten spiralförmig?

Das sind Spiralantennen .

Spiralantennen gehören zur Klasse der frequenzunabhängigen Antennen, die über einen weiten Frequenzbereich arbeiten. Polarisation, Strahlungsmuster und Impedanz solcher Antennen bleiben über große Bandbreiten unverändert.[3] ... Spiralantennen sind Antennen mit reduzierter Größe, die durch ihre Wicklungen eine extrem kleine Struktur bilden.

Also eine Antenne, die in einem großen Frequenzbereich mit gut vorhersehbarer Leistung und geringem Platzbedarf betrieben werden kann. Alles wünschenswerte Qualitäten für eine Antenne, die in einem Raumfahrzeug verwendet werden soll.

Bei den Transit-Navigationssatelliten muss ich raten. Die frühen Transits wurden auf Scout-Raketen gestartet, was strenge Einschränkungen in Bezug auf Größe und Gewicht bedeutete. Das macht eine Antenne, die auf die Außenfläche des Satelliten gemalt werden kann, zu einer attraktiven Option. Ihre Funktion scheint keinen großen Frequenzbereich vorzuschreiben: Es wird auf zwei festen Frequenzen gesendet.

Die Antwort von @Hobbes ist in Bezug auf das Was richtig , aber nicht in Bezug auf das Warum .

Radiowellen sind – genau wie Licht – elektromagnetische Wellen. Da es sich um Transversalwellen der elektrischen und magnetischen Felder handelt, können sie polarisiert werden. Es gibt zwei Möglichkeiten (*1), EM-Wellen zu polarisieren: lineare Polarisation und zirkulare Polarisation.

Lineare Polarisation

• Das elektrische Feld schwingt in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, jedoch mit periodisch schwankender Amplitude.
• Lichtbeispiel: polarisierte Sonnenbrille
• Funkbeispiele: Dipolantennen; Fernseher, Radio, WLAN, Apollo High-Gain-Antenne

Zirkulare Polarisation

• Das elektrische Feld behält eine konstante Amplitude bei, aber die Richtung ändert sich, wenn sich die Welle ausbreitet.
• Lichtbeispiel: polarisierte 3-D-Kinobrille
• Funkbeispiele: Spiralantennen, Wendelantennen, Apollo Scimitar-Antenne

Wenn EM-Wellen von glatten Oberflächen reflektiert werden, können sie linear polarisiert werden. Das beste Beispiel dafür ist Blendung , also Licht, das von einer Straße, Schnee oder Boden reflektiert wird. In diesem Fall wird das elektrische Feld senkrecht zur Oberfläche durch destruktive Interferenz reduziert, sodass wir sagen, dass das reflektierte Licht parallel zur Oberfläche polarisiert ist. Durch das Tragen einer polarisierten Sonnenbrille , die vertikal polarisiert ist, können Sie die Blendung blockieren und dennoch das Umgebungslicht sehen.

Die gleiche destruktive Interferenz durch Reflexion kann auch bei Funkwellen auftreten. Fernsehen, Radio und WLAN werden von Dipolantennen übertragen, die eine in Richtung der Antenne polarisierte Radiowelle erzeugen (bei Fernsehen und Radio vertikal). Wenn das Signal jedoch von bestimmten geografischen Merkmalen reflektiert wird, kann es zu einer Auslöschung des linear polarisierten Signals kommen. Aus diesem Grund ist es an einigen Orten schwierig, Fernseh- oder Radiosignale zu empfangen. Bei zirkular polarisierten Signalen tritt dieses Problem jedoch nicht auf .

Ein weiteres Problem bei der linearen Polarisation besteht darin, dass sich die Amplitude des Signals ändert, wenn Sie den Sender (oder Empfänger) drehen. Wenn Sie Ihren Kopf neigen, während Sie eine polarisierte Sonnenbrille tragen, beginnt die Blendung zu erscheinen. Sie könnten einen 3-D-Film mit einer linear polarisierten Brille machen (ein Auge horizontal und das andere Auge vertikal polarisiert), aber Sie würden Doppelbilder sehen, wenn Sie Ihren Kopf neigen. Aus diesem Grund kann auch die Antenne Ihres WLAN-Routers in verschiedene Richtungen gedreht werden. Dies ist ein weiteres Problem, das bei zirkular polarisierten Signalen nicht auftritt . Daher verwenden 3-D-Filmbrillen Zirkularpolarisation.

Der Nachteil von Spiralantennen ist, dass sie ineffizient sind. Sie neigen dazu, ihr Signal in einem breiten Strahl zu verbreiten, was bedeutet, dass ein Großteil der Energie der Funkübertragung in die falsche Richtung gesendet wird. Wie @Hobbes feststellt, können sie auf einer großen Bandbreite übertragen; Sie möchten dies nicht tun, da dies mehr Sendeleistung erfordert.

Das Anbringen einer Spiral- oder Spiralantenne an umlaufenden Raumfahrzeugen ist eine kluge Idee. Es erzeugt zirkular polarisierte Radiowellen, was bedeutet, dass die Ausrichtung der Antennen keine Rolle spielt. Das ist wichtig für ein umlaufendes Raumschiff, das ständig seine Ausrichtung relativ zu Positionen auf der Erde ändert. Es besteht auch der Vorteil, dass zirkular polarisierte Wellen weniger anfällig für Störungen durch Reflexion sind. In meiner Antwort sehen Sie hier ein Bild einer Wendelantenne auf einer Bodenverfolgungsstation .

Im Gegensatz dazu haben Raumfahrzeuge außerhalb des Orbits – denken Sie an Apollo oder Voyager – ziemlich stabile Orientierungen und verwenden daher effizientere linear polarisierte Antennen. Aus diesem Grund hatte Apollo so viele Dang-Antennen: einige für stabile Orientierung (*2) und andere für wechselnde Orientierung (*3).

(*1) Elliptische Polarisation ist ein dritter Weg, EM-Wellen zu polarisieren, aber sie fügen dieser Diskussion nichts hinzu.

(*2) CSM to Earth (Reise zwischen Erde und Mond); LEM zur Erde (auf dem Mond); die S-IVB ("dritte Stufe") zur Erde; und die zurückgelassenen ALSEP- Experimente.

(*3) CSM zur Erde (Erd- oder Mondumlaufbahn); LEM zu CSM; LEM zur Erde (aufsteigend/absteigend); Mondrover zu CSM.

Aus dieser verwandten Antwort :

Siehe Eine sphärische Breitband-Satellitenantenne (Paywalled)

tl;dr:

Wie bereits in der Antwort von @Hobbes erwähnt :

• Breiter Frequenzbereich, da es sich um eine reine Winkelform ohne charakteristische Länge handelt
• isotrop ohne starke Nullen, schlimmster Fall ist -10 dB.

Einige der kugelförmigen Satelliten mit Spiralmustern, von: Artificial Earth Satellites, Designed and Fabricated by The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

Satellite                      Transmitters
   1-A     17-Sep-1959      54/108 MHz, 162/216 MHz, 108 MHz (TM).
   1-B     13-Apr-1960     162/216 MHz,  54/324 MHz
   2-A     22-Jun-1960     162/216 MHz,  54/324 MHz, 108 MHz (TM), and NOTS infrared scanner on 107.9 MHz
   3-A     30-Nov-1960     162/216 MHz,  54/324 MHz, 108 MHz (TM)
   3-B     21-Feb-1961     162/216 MHz,  54/324 MHz, 136 MHz (TM), and 224/421/448 MHz (SECOR)

Danach änderte das Raumschiff seine Form und die Spiralen wurden nicht verwendet. Laut Spacecraft Design Innovations in der APL Space Department (Johns Hopkins APL Technical Digesl. Volume 13. Number 1 (1992)):

Die QUADRIFILAR HELIX

Das Raumfahrtministerium musste mehrere neuartige Antennen entwickeln, um das Doppler-Signal zum Boden auszustrahlen. Die ersten Transits verwendeten eine von APL erfundene sphärische Projektion einer logarithmischen Spirale (Abb. 3). Als spätere Raumfahrzeuge von der Kugelform abwichen, wechselte das Design zu der passend benannten "Lampenschirm"-Antenne. Diese Antenne litt jedoch unter einer schlechten Polarisation und einer Null in ihrem Verstärkungsmuster am Nadir. Eine neue Antenne war eindeutig erforderlich – eine, die eine breite Strahlabdeckung mit guter zirkularer Polarisation bieten konnte und dennoch klein im Vergleich zu der 2-m-Wellenlänge und dem Raumfahrzeugkörper selbst war. Charles C. Kilgus kam diesem Bedürfnis nach, indem er die resonante quadrifilare Helix erfand, die zuerst auf Triad geflogen wurde (und in Abb. 7 zu sehen ist) ⁸

⁸ Kilgus, CC, „Resonant Quadrifilar Helix Design“, Microwave 1.13 (12), 49-54 (1970).

Aus dem US-Patent US3,034,121 vom 8. Mai 1962:

Die Anforderung an eine Breitbandantenne, die einen Frequenzbereich von mindestens vier zu eins abdeckt und Abstrahlcharakteristiken bereitstellt, die keine Nullen größer als 10 db bezüglich des Maximums in jeder Ebene und bei jedem Winkel bezüglich der Antenne innerhalb von a erzeugen würden sphärische Grenze, wurde durch die Entwicklung eines speziellen sphärischen Luftfahrzeugs erzeugt. Diese Anforderung wurde so auferlegt, dass unabhängig von der Lage des Fahrzeugs im Weltraum die Schwankung des empfangenen Signals aufgrund von Änderungen des Antennenmusters nicht größer als 10 db sein würde.

Das Design der Antenne, die die vorliegende Erfindung bildet, basiert auf den etablierten Eigenschaften der Klasse von Breitbandantennen, die gleichwinklige spiralförmige Schlitze oder Leiter verwenden. Eine solche Antenne hat die Eigenschaft, dass ihre Form vollständig durch Winkel vorgegeben ist, so dass ihre Leistung wellenlängenunabhängig ist. Ein bekanntes Beispiel für eine solche Antenne ist das unendlich doppelkonische Horn.

Die logarithmische Spirale hat die Eigenschaft, dass ein Winkel zwischen der Tangente an die Kurve und ihrem Radiusvektor konstant und größer als 90 Grad ist. Eine solche Spirale ist in Fig. 7 gezeigt. 1. Eine Spiralschlitzantenne kann konstruiert werden, indem zwei Spiralen aufgetragen werden, die im Winkel zueinander verschoben sind. einander, wie in FIG. 2. In ähnlicher Weise, wie in FIG. Wie in Fig. 3 gezeigt, kann ein Doppelspiralschlitz erzeugt werden, indem zwei Spiralen (Fig. 2) um 180 Grad zueinander versetzt aufgetragen werden. In ABB. 3 sind die Speisepunkte bei XX dargestellt.

Die vorliegende Erfindung erwägt die Anwendung einer logarithmischen Spiralantenne auf der Oberfläche einer Halbkugel statt auf einer flachen Oberfläche oder Platte, wie in der herkömmlichen Praxis. Genauer gesagt, und wie in FIG. Wie in Fig. 4 der Zeichnungen gezeigt, verwendet die vorliegende Erfindung ein Paar konzentrischer logarithmischer Spiralantennen, die Rücken an Rücken angebracht sind. Die Kugel ist bei 10 gezeigt und auf einem geeigneten Träger 12 montiert, der auch die später zu beschreibende Speiseleitung trägt. verläuft durch den Äquator der Kugel, der mit 14 bezeichnet ist, und ist somit senkrecht zur Polachse der Kugel positioniert. An jeder Hälfte der Kugel ist in geeigneter Weise ein Paar Elemente 16 und 18 einer konzentrischen, spiralförmigen, logarithmischen Antenne befestigt oder ausgebildet durch Dielektrikum gefüllt in Fig. 3.

Es fährt fort und sagt später:

Wenn die beiden Spiralen, die an den Polen unabhängig gespeist werden, in Phase durch gleich lange Leitungen von einem gemeinsamen Punkt gespeist werden und die Strahlungskomponenten rund um den Äquator in Phase sind, ist das Strahlungsmuster eine Rotationsfigur um die Polachse.