Fagstoff

Antenner på nyttelast

Publisert: 27.07.2010, Oppdatert: 03.03.2017
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut

På grunn av rakettens høye fart og stadige endring i orientering stilles det store krav til antenner som skal plasseres på en rakettnyttelast. Antennen må ha en robust og kompakt fysisk utførelse for å tåle påkjenningene de vil utsettes for i løpet av flukten. Antennene må også ha en tilnærmet retningsuavhengig utstråling slik at rakettens rotasjon ikke skal fremkalle store svingninger i mottatt signalstyrke. Ved å lage antenner som sender sirkulært polariserte signaler vil en også unngå store polarisasjonstap.

 

Strålingsdiagram og polarisasjon

Antenneforsterkningen uttrykkes i dBi. Begrepet dBi betyr desibel i forhold til en tenkt, isotropisk antenne. En isotropisk antenne er en teoretisk punktformet utstråler som avgir samme effekt i alle retninger. En gitt antenne vil derfor bli karakterisert ved strålingsdiagrammer som angir avvik fra en isotropisk antenne.
Strålingsdiagram for senderantenneStrålingsdiagram for senderantenne
Opphavsmann: Narom

 

Polarisasjonsegenskapene er det også nødvendig å spesifisere. Polarisasjonen til en antenne bestemmer retningen til den elektriske feltvektor i den utsendte bølgen. Polarisasjonsegenskapene til mottakerantennen må stemme mest mulig overens med polarisasjonen til mottatte signal. Siden raketten hele tiden endrer orientering, er det ikke gunstig å bruke lineær polarisasjon. Da vil en få polarisasjonssvekking når polarisasjonsretning på rakett og antenne ikke stemmer over ens.
For å motvirke polarisasjonssvekking er rakettantenner oftest designet til å gi en sirkulær polarisasjon. E-feltvektoren i bølgen roterer da enten mot høyre eller mot venstre. Sirkulær polarisasjon betegnes derfor som høyre-, eller venstrehånds sirkulær polarisasjon.
Når en rakett for eksempel sender i høyrehånds sirkulær polarisasjon, vil denne bli mottatt som venstrehånds sirkulær polarisasjon dersom signalet har blitt reflektert. Derfor vil en antenne som er laget for sirkulær polarisasjon, ofte ta i mot både venstrehånds og høyrehånds polarisering. Dette kalles polarisasjonsdiversitet (eng.:Polarization Diversity). Detaljer på mottakersiden vil bli gjennomgått i artikler under mottakersiden.


Antennetyper

De vanligste antennetyper i rakettnyttelaster er

  • kvartbølgeantenne (1/4 λ)
  • båndantenne
  • spalteantenne


Kvartbølgeantenne

Den enkleste form for antenne er et kvartbølgeelement. For S båndet vil en kvart bølgelengde tilsvare en lengde på ca 3 cm, noe som gjør at antennen blir liten og kompakt.

Eksempel:
Sendefrekvens 2279,5 MHz tilsvarer en bølgelengde på λ = c / f = 3·108 / 2279,5·106 = 0,1316m → ¼ λ = 3,3 cm

Kvartbølgeantenne for S-båndKvartbølgeantenne for S-bånd
Opphavsmann: Narom

Kvartbølgeelementet kan utformes som vist til venstre. Utstikkeren vil ha en lengde på ca ¼ λ fra knekken og kan tilpasses ved å file ned enden.

For å oppnå en rundstrålereffekt og sirkulær polarisasjon,  er 4 kvartbølge antenneelementer plassert symmetrisk rundt instrumentlastsylinderen med 90° fysisk separasjon som vist i bildet til høyre.
Nyttelast med kvartbølgeantennerNyttelast med kvartbølgeantenner
Opphavsmann: Narom







Sirkulær polarisasjon oppnår vi ved å sette inn et 180 grader faseledd mellom de to diamentralt motstående antenneledd, og koble disse to systemene sammen med et 90 grader faseledd slik som vist i figuren under. Animasjon: Sirkulær polarisasjon med kryssede dipoler  
Antennesystem i nyttelastAntennesystem i nyttelast
Opphavsmann: Narom

 


Båndantenner

Båndantenne for rakettnyttelastBåndantenne
Opphavsmann: Narom


Båndantenner baserer seg på "stripline"-teknikken. Selve antenneelementene består av et printmønster som blir støpt inn i et bånd, som monteres utenpå den sylindriske delen av en instrumentlast. Aerodynamisk er denne typen ideell siden den kan monteres nesten flatt inntil sylinderoverflaten og representerer minimal luftfriksjon.


Strip-line-elementer i en båndantenneStrip-line-elementer i en båndantenne
Opphavsmann: Narom
Figuren under viser den indre strukturen. 8 elementer er koblet sammen og danner en sirkulær, polarisert antenne. Kabelen fra senderen er koblet direkte til enden av elementrekken.

All impedanstilpasning er gjort i
striplinerekken slik at det ikke er behov ytre faseledd slik som i det foregående eksempelet. Antennen er derfor meget enkel å tilpasse.
Grunnet bølgelengden er denne type antenner begrenset i frekvensområdet fra S-bånd og høyere frekvenser. Virkningsgraden er til dels avhengig av sylinderdiameteren. For S-båndet vil det være problem med virkningsgrad og strålingsdiagram med denne type antenner hvis diameteren er under ca. 10 cm. For en diameter på 30 cm eller mer kan denne typen også brukes på L-båndet. For lavere frekvenser, slik som det gamle P-båndet, brukes nesten alltid kvartbølge antenneelementer.


Spalteantenner (eng.:Slotantennas)

I små raketter som beveger seg med store hastigheter i de lavere luftlag er det av avgjørende betydning at ytre antenner har et minimum av aerodynamisk friksjon. I raketten Viper 3 - Dart er antennene integrert i finneseksjonen på "Dart" instrumentlasten.
Figuren nedenfor viser Viper Dart (eng.:Dart = kastepil) med spalteantenner på finnene. Viper Dart er en miniatyrrakett som kan nå opp til ca. 100 km med bare en rakettmotor. Etter utbrenning av motoren trekkes denne av "dart"-delen som fortsetter alene. Dart-delen har nemlig et mye mindre tverrsnittet enn motordelen og gir mindre luftmotstand. Dart-delen har da fått stor bevegelsesenergi og den beskjedne luftmotstanden gjør at den kan nå store høyder.
Viper Dart - finneseksjonViper Dart - finneseksjon
Opphavsmann: FFI, Narom

 

Legg merke til at det er laget en elektrisk åpning (engelsk: slot), tilpasset bølgelengden for S-båndet, i den bakre del av hver finne. Av aerodynamiske grunner, og for å oppnå materiell styrke, er åpningen fylt med et dielektrisk lavtapsmateriale. De fire finnene danner et sirkulært polarisert antennesystem som fødes med faseleledd, på samme måte som kvartbølgeantennene.