Forskning i metamaterialer transformerer satellitkommunikation

Banebrydende innovationer inden for antenneteknologi, baseret på et samarbejde mellem Lockheed Martin Space og Penn State, er nu under overvejelse til brug i den næste generation af GPS-satellitnyttelast.

Douglas Werner, John L. og Genevieve H. McCain professor i elektroteknik, sammen med sine nuværende og tidligere kandidatstuderende, J. Daniel Binion og Zhi Hao Jiang, henholdsvis, arbejdet sammen med Erik Lier og Thomas H. Hand fra Lockheed Martin Space for dramatisk at forbedre designet af den konventionelle korte bagtændingsantenne ved betydeligt at øge dens blændeeffektivitet (forstærkning), uden at påvirke dets robuste og kompakte design, heller ikke at øge dens vægt.

Denne type antenne blev oprindeligt udviklet i 1960'erne på Air Force Research Lab. Siden da, det har været brugt i mange områder, hav- og rumapplikationer, måske mest bemærkelsesværdigt i kommunikationen mellem NASA og Apollo-rumfartøjet, og den er stadig i brug på jordbaserede kommunikationsantennetårne ​​i dag. Imidlertid, få væsentlige fremskridt er blevet gjort til dette årtier gamle design.

"For at bruge det til plads, det er vigtigt at have den overordnede bedste ydeevne, fordi det koster meget at udvikle og flyve nyttelast, og du får kun én chance " sagde Lier. "Vores antenne er mindre, lettere vægt, har højere effektivitet, er mere mekanisk robust end de gamle designs, der bruges på GPS-satellitter, og kan modstå det hårde rummiljø."

Werner var enig, tilføjer, "Vi var i stand til at konstruere de elektromagnetiske egenskaber til at opfylde de strenge radiofrekvenskrav (RF) uden at ofre andre driftskrav, der er unikke for rummiljøet."

Disse egenskaber er muliggjort ved brug af metamaterialer. Sammenlignet med konventionelle korte bagudslagsantenner, den nye antenne tilbyder en stigning på én decibel i forstærkning (25 procent stigning); en sekskantet form i stedet for den cirkulære form, hvilket resulterer i en yderligere forstærkningsstigning, når den bruges i en array-antenneapplikation; og dobbeltbåndskapacitet, der gør det muligt for antennen at fungere med høj effektivitet ved de to frekvenser, der kræves til GPS-applikationer.

Papiret, der beskriver deres forskning og resultater, "Et metamateriale-aktiveret design, der forbedrer årtier gammel kort backfire-antenneteknologi til rumapplikationer, " blev for nylig offentliggjort i Naturkommunikation .

Partnerskabet mellem Lockheed Martin og Penn State forskere var afgørende for at gøre denne vision om en forbedret antenne til virkelighed.

"Dette igangværende samarbejde fungerer usædvanligt godt. Vi bruger vores styrker – forståelsen af ​​behovet og kravene, ideerne og koncepterne – men vi kan ikke gøre det uden de unikke færdigheder og evner, som Penn State tilbyder, " sagde Lier. "Penn State er en af ​​verdens førende inden for metamateriale-aktiverede RF-systemer og de tilhørende elektromagnetiske simulerings- og optimeringsværktøjer, der er nødvendige for at realisere designet og implementeringen af ​​vores foreslåede koncept. Vi bringer Doug og hans team visionen, og de gør de tunge beregningsmæssige løft. De er på forkant med de ting."

Fordi Lockheed Martin vandt kontrakten for den næste generation af GPS-satellitter, forskerholdets design kan passe perfekt til fremtidige GPS-satellitnyttelaster, et faktum, som Werner og hans kandidatstuderende finder særligt spændende.

"Det, der er fantastisk ved dette samarbejde, er, at det giver os et fokus for denne forskning, sagde Werner.