Ingenieurs van de afdeling Radio Frequency Equipment and Technology van de Europese Ruimtevaartorganisatie ESA hebben met succes een nieuw concept voor radiobundelvorming getest – in eigen huis ontwikkeld, gepatenteerd en geprototypeerd in het microgolflaboratorium van ESA.
Dit beamforming-prototype, getest in ESA’s antennelaboratorium, demonstreert een nieuwe manier om radiosignalen in een antenne-array te controleren om meerdere bundels in de gewenste richting te focussen, met veel minder componenten dan traditionele systemen met vergelijkbare mogelijkheden vandaag de dag doen.
De sleutel tot het succes van dit innovatieve idee ligt in een relatief eenvoudig concept: natuurlijke geometrische symmetrie van antennes en radiostralen.
Naar de radio luisteren, tv kijken, een mobiel telefoongesprek voeren, satellietnavigatie gebruiken of het weer voorspellen – zonder antennes die transmissie en ontvangst van elektromagnetische golven mogelijk maken, zouden deze dagelijkse activiteiten onmogelijk zijn.
Met de onstuitbare groei van de hoeveelheid data, gebruikers en een continue technologische ontwikkeling neemt de complexiteit van antennes enorm toe.
In plaats van een enkele krachtige, mechanisch bestuurbare antenne te gebruiken, maken moderne systemen gebruik van een reeks meerdere, energiezuinige antennes die samenwerken om de radiogolven in de gewenste richting te sturen – zonder de antenne zelf te richten. Dergelijke ‘antenne-arrays’ kunnen honderden of zelfs duizenden individuele antenne-elementen bevatten – elk afzonderlijk gevoed met signalen die worden gegenereerd door een ‘beamformer’, met een nauwkeurig berekende timing.
Hugo Debergé, microgolfingenieur bij ESA, legt uit: “Door de fase en amplitude van het signaal voor elk afzonderlijk element in een array te veranderen, kunnen we het resulterende signaal in de gewenste richting sturen. We doen dit niet door de antenne fysiek te kantelen, zoals we vroeger deden, maar door de elektrische signalen aan te passen die we in individuele antenne-elementen voeren.
“De nieuwe beamforming-technologie die we testen, bouwt voort op twee afzonderlijke ontdekkingen, beide gepatenteerd door ESA. De eerste is een concept dat al meer dan 10 jaar bekend is – het toonde aan dat als uw antenne-array symmetrisch is (wat waarschijnlijk het geval is), u symmetrische elementen als koppels kunt behandelen en de berekening van individuele signalen in een digitale processor kunt vereenvoudigen. Door elk koppel te voeden met signalen die complementair aan elkaar zijn, heb je dezelfde functionaliteit alsof je ze als twee onafhankelijke elementen bestuurt.”
Als je een antenne ziet als een wijzerplaat, dan zouden de elementen op 12 en 6 uur een paar vormen, en de elementen op 3 en 9 uur zouden een ander vormen. Als we de symmetrielijn die over de klok loopt op een iets andere plaats trekken, zouden de elementen van 12 en 9 uur een paar vormen, en de elementen van 3 en 6 uur zouden een ander paar vormen.
Hugo voegt eraan toe: “De tweede innovatie, gepatenteerd door ESA in 2023, richt zich op de manier waarop de elektrische signalen voor antennekoppels worden gecreëerd door een elektrisch circuit. We hebben een manier bedacht om het elektrische circuit in het systeem te vereenvoudigen, zodat we de helft van de componenten kunnen verwijderen en toch dezelfde functionaliteit kunnen behouden – dit is een grote verbetering, waardoor de algehele complexiteit, massa en stroomverbruik van de hele opstelling drastisch worden verminderd, terwijl we exact hetzelfde werk doen.”
Antennes zijn van fundamenteel belang voor elk ruimtevaartuig, omdat ze de overdracht van communicatie- of navigatiesignalen mogelijk maken – het verzenden en ontvangen van radarradiogolven om planeten te observeren, het ontvangen van wetenschappelijke gegevens uit de diepe ruimte of het meten van hoogte tijdens afdalings- en landingsmissies.
Zoals met elk ruimtevaartuig of instrument dat bestemd is voor de ruimte, moet een prototype als dit worden getest in een omgeving die bepaalde omstandigheden in de ruimte zo goed mogelijk nabootst.
Voor antennes wordt dit gedaan in echovrije kamers – afgeschermde kamers die zijn ontworpen om het te testen apparaat te isoleren van de buitenwereld, waardoor de eindeloze leegte van de ruimte wordt gesimuleerd.
De dikke metalen wanden van een echovrije kamer blokkeren alle signalen van buitenaf, zoals radio, tv-uitzendingen, Wi-Fi en mobiel netwerk. Aan de binnenkant zijn de wanden bedekt met piramidevormige schuimuitsteeksels die alle signalen absorberen die door het te testen apparaat worden geproduceerd, waardoor een ruimte zonder echo’s ontstaat om ervoor te zorgen dat alleen de bijdragen van de antenne worden gemeten.
