Wie funktioniert der experimentelle passive Radarreflektor der SpaceBEEs?

Die ursprünglichen 4 Satelliten waren 0,25U-CubeSats (wie auf dem Bild in der Frage gezeigt), während die neueren 1U (kubisch) sind. Die größere Größe der neueren Sats bietet Platz für Van-Atta-Reflektoren auf vier Seiten des Würfels ¹ . Hier ist mein Verständnis ² , wie die Reflektoren funktionieren:

In ihrer einfachsten Form sind Van-Atta-Reflektoren vollständig passive Phased-Array- Retroreflektoren, die flach und dünn sind. Sie bestehen aus einer symmetrischen Anordnung von Patch-Antennen mit gegenüberliegenden Paaren, die durch Wellenleiter verbunden sind. Wenn ein Signal von einer Antenne empfangen wird, wandert es entlang des Wellenleiters und wird von der gepaarten Antenne erneut übertragen. Die Länge jedes Wellenleiters ist derart, dass das erneut übertragene Signal im Frequenzbereich ³ und über das gesamte Array identisch mit dem empfangenen Signal ist, außer dass das erneut übertragene Signal gegenüber dem empfangenen Signal um 180° phasenverschoben ist. Dank der Interferenz der zurückgesendeten Signale wird die Wellenfront des Gesamtsignals zurück zum ursprünglichen (aktiven) Sender gerichtet.

Jedes durch den Reflektor gesendete Signal ⁴ muss lang genug sein, damit die zurückgesendeten (verzögerten) Wellen interferieren können. Außerdem werden die Verzögerungen der Wellenleiter auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt, wobei die Länge jedes Wellenleiters direkt mit der gewünschten Arbeitsfrequenz ⁵ in Beziehung steht . Wenn diese Bedingungen nicht erfüllt sind, funktioniert der Reflektor nicht richtig. Beachten Sie jedoch, dass es nicht erforderlich ist, dass ausgehende Störwellen von demselben eingehenden Impuls stammen ⁶ .

Beispielanordnung eines Van-Atta-Reflektors (Zahlen geben gepaarte Antennen an):

.-------------------------.
| .---. .---. .---. .---. |
| | 1 | | 2 | | 3 | | 4 | |
| '---' '---' '---' '---' |
| .---. .---. .---. .---. |
| | 5 | | 6 | | 7 | | 8 | |
| '---' '---' '---' '---' |
| .---. .---. .---. .---. |
| | 8 | | 7 | | 6 | | 5 | |
| '---' '---' '---' '---' |
| .---. .---. .---. .---. |
| | 4 | | 3 | | 2 | | 1 | |
| '---' '---' '---' '---' |
'-------------------------'

Zwei Teile des Designs sind frequenzempfindlich: die Größe der Antennen und die Länge der Wellenleiter. Für eine optimale Leistung sollten Breite und Höhe jeder Antenne ein ganzzahliges Vielfaches der Designwellenlänge sein (oder umgekehrt); Wenn dies nicht getan wird, funktioniert die Antenne immer noch, aber mit einem viel geringeren Wirkungsgrad. Außerdem glaube ich, dass der Abstand zwischen den aktiven Elementen und der Masseebene auch ein ähnliches Verhältnis zur Zielwellenlänge haben sollte. Wie oben erwähnt, stehen die Wellenleiterverzögerungen in direktem Zusammenhang mit der Arbeitsfrequenz; Wenn die Verzögerungen ausgeschaltet sind, ist die Phasenlage falsch und die Strahlformung des reflektierten Signals ist nicht korrekt.

Typische Patchantenne:

       +-----------+
       |           |
       |   +---+   |
feed ------|   |   |--- ground
       |   +---+   |
       |           |
       +-----------+

Die Erdungsebene ist eine durchgehende leitende Oberfläche hinter dem aktiven (gespeisten) Element und von diesem elektrisch isoliert.

Solche Patch-Antennen werden oft unter Verwendung von Standard-Herstellungstechniken für PC-Platinen konstruiert, wobei die aktiven Elemente auf der Vorderseite der Platine und der festen Grundplatte auf der Rückseite geätzt sind. Die Leiterplatte selbst fungiert als dielektrischer Abstandshalter. Die Wellenleiter sind typischerweise Drähte oder einfach geätzte Spuren auf der Leiterplatte (Streifenleitung/Mikrostreifen). Da es sich um vollständig flache Oberflächen handelt, können Van Atta-Arrays auf Leiterplatten so hergestellt werden, dass sie viel weniger Volumen und Gewicht einnehmen als beispielsweise ein Eckreflektor mit ähnlicher Leistung. Darüber hinaus haben Van-Atta-Reflektoren viel geringere Verluste bei flachen Winkeln als andere Reflektordesigns.

Durch Hinzufügen einiger aktiver Schaltungen kann eine Nachricht auf das Rücksignal amplitudenmoduliert werden. Dies kann z. B. durch Platzieren von PIN-Dioden in Reihe mit jedem Wellenleiter erfolgen. Durch Umschalten der Dioden zwischen niederohmig und hochohmig auf HF kann die Stärke des zurückkommenden Signals variiert werden; Dadurch kann eine Nachricht mit relativ geringer Bandbreite (< 1 MHz) zurückgesendet werden. Beachten Sie, dass die Bandbreite des Rücksignals weiter durch die Länge der Verzögerungsleitungen eingeschränkt wird, die lang genug sein müssen, um eine Selbstinterferenz des übertragenen Signals zu ermöglichen. Die neueren SpaceBEEs sind dafür bekannt, ihre GPS-Positionen auf Anfrage zurückzugeben; die oben beschriebene Technik könnte das verwendete Verfahren sein.

Ich werde mir diese Antwort gleich noch einmal ansehen, da ich sicher bin, dass es Dinge gibt, die etwas klarer ausgedrückt werden könnten.

¹ Per https://space.skyrocket.de/doc_sdat/spacebee-5.htm

² Ich habe keine formelle Ausbildung in EE oder RFE, daher sind Korrekturen willkommen.

³ Aber normalerweise nicht der Zeitbereich. Das gesendete Signal ist in beiden Bereichen nur dann gleich, wenn es genau senkrecht zur Antennenebene empfangen wird. (da könnte ich mich irren)

⁴ Ein Signal, das (von mir) als mehrere zusammenhängende Zyklen einer Welle aus der Sicht des ursprünglichen Senders definiert wird.

⁵ $L_{waveguide} = (N + 0.5)\ \lambda : N \in \{ 0, \mathbb{Z}^+ \}, \ \lambda$= Entwurfswellenlänge

Beachten Sie, dass dies voraussetzt, dass sich die Welle durch den Wellenleiter bei bewegt$C$. In Wirklichkeit bewegt sich die Welle wahrscheinlich langsamer durch den Wellenleiter, und das Design muss dies berücksichtigen.

⁶ Ein Impuls wird (von mir) als ein vollständiger, zusammenhängender Zyklus der gesendeten Welle aus Sicht des ursprünglichen Senders definiert.

Das Originalpatent und einige Artikel zum Thema (danke an uhoh für den Hinweis):

• Elektromagnetischer Reflektor [US2908002A] ( PDF )
  Das US-Patent von 1959 für den Van-Atta-Reflektor

• Design und Herstellung eines Low-Profile-Radar-Retroreflektors
  Erörtert die Vor- und Nachteile verschiedener Retroreflektor-Designs

• Ein passiv umlenkender Van-Atta-Reflektor
  Erläutert, wie Van-Atta-Reflektoren funktionieren und wie der zurückgesendete Strahl gelenkt werden kann

• Enhanced Discrimination Techniques for Radar Based On-Metal Identification Tags
  Dissertation, die Techniken zur Anpassung von Van-Atta-Reflektoren für den Einsatz in unübersichtlichen Umgebungen sowie Methoden zur Codierung von Daten im reflektierten Signal behandelt.

Neues Design (SpaceBEE 5-8; 9-11 sind ähnlich):

^{Quelle: Swarm Technologies via Erik Kulu, Nanosatellite & CubeSat Database, www.nanosats.eu}
Die Van-Atta-Reflektoren befinden sich wahrscheinlich hinter den großen quadratischen leeren Platten im unteren Teil des Satelliten.

Update: Ab Januar 2019: Swarm will Hunderte von winzigen CubeSats in den Orbit schicken; Ein berüchtigtes Startup bittet die FCC um Erlaubnis, eine 150-köpfige Konstellation kleiner IoT-Satelliten zu starten

Zweitens werden die Satelliten Radar-Retroreflektoren tragen, die am Federal Space and Naval Warfare Systems Center in San Diego entwickelt wurden, um ihre Sichtbarkeit für bodengestützte Stationen zu verbessern. Ähnliche Reflektoren, die an den illegal gestarteten SpaceBEEs angebracht sind, haben gezeigt, dass sie mindestens so sichtbar sind wie einige größere 1/2U- und 1U-Satelliten in ähnlichen Umlaufbahnen.

Eine Studie des Weltraumverfolgungsunternehmens LeoLabs (bezahlt von Swarm) ergab, dass die SpaceBEEs im Durchschnitt mehr als einmal am Tag entdeckt werden konnten, was besser war als bei einigen größeren Satelliten. Swarm hat auch LeoLabs beauftragt, seine neue Konstellation zu verfolgen und eine zweite Quelle für orbitale Daten bereitzustellen, um das Space Surveillance Network der US-Regierung zu ergänzen . Ein GPS-Chip sendet außerdem regelmäßig die Position des Satelliten an das Swarm-Hauptquartier.