Как работает экспериментальный пассивный радиолокационный отражатель SpaceBEE?

Первоначальные 4 спутника были кубическими 0,25U (как показано на рисунке в вопросе), а более новые - 1U (кубическими). Больший размер новых спутников обеспечивает место для отражателей Ван Атта на четырех гранях куба ¹ . Вот мое понимание ² того, как работают отражатели:

В своей основной форме отражатели Ван Атта представляют собой полностью пассивные ретрорефлекторы с фазированной решеткой , плоские и тонкие. Они состоят из симметричного массива патч-антенн с противоположными парами, соединенными волноводами. Когда сигнал принимается антенной, он проходит по волноводу и повторно передается парной антенной. Длина каждого волновода такова, что повторно передаваемый сигнал в частотной области ³ и по всей решетке будет идентичен принятому сигналу, за исключением того, что повторно переданный сигнал сдвинут по фазе на 180° с принятым сигналом. Благодаря интерференции ретранслируемых сигналов фронт волны совокупного сигнала будет направлен обратно к исходному (активному) передатчику.

Каждый сигнал ^4, посылаемый через рефлектор, должен быть достаточно длинным, чтобы ретранслируемые (запаздывающие) волны могли интерферировать. Кроме того, задержки волноводов настраиваются на определенную частоту, при этом длина каждого волновода напрямую связана с желаемой рабочей частотой ⁵ . Если эти условия не соблюдены, отражатель не будет работать правильно. Заметим, однако, что нет требования, чтобы исходящие мешающие волны исходили из одного и того же входящего импульса ⁶ .

Пример компоновки рефлектора Ван Атта (цифры обозначают спаренные антенны):

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

Две части конструкции чувствительны к частоте: размер антенн и длина волноводов. Для оптимальной работы ширина и высота каждой антенны должны быть целым числом, кратным расчетной длине волны (или наоборот); если этого не сделать, то антенна все равно будет работать, но с гораздо меньшей эффективностью. Кроме того, я считаю, что расстояние между активными элементами и наземной пластиной также должно иметь такое же отношение к целевой длине волны. Как упоминалось выше, волноводные задержки напрямую связаны с рабочей частотой; если задержки выключены, то фазирование будет неправильным и формирование луча отраженного сигнала будет неправильным.

Типичная патч-антенна:

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

Заземляющий слой представляет собой сплошную проводящую поверхность позади и электрически изолированную от активного (запитанного) элемента.

Такие патч-антенны часто изготавливаются с использованием стандартных технологий производства печатных плат с активными элементами, выгравированными на передней части платы, и твердой заземляющей пластиной на задней части. Сама печатная плата действует как диэлектрическая прокладка. Волноводы обычно представляют собой провода или просто вытравленные дорожки на печатной плате (полосковые/микрополосковые). Будучи полностью плоскими поверхностями, массивы Van Atta на печатных платах могут занимать гораздо меньший объем и вес, чем, например, уголковый отражатель с аналогичными характеристиками. Кроме того, рефлекторы Van Atta имеют гораздо меньшие потери при малых углах, чем рефлекторы других конструкций.

С добавлением некоторых активных схем сообщение может быть модулировано по амплитуде на обратном сигнале. Это можно сделать, например, поместив PIN-диоды в линию с каждым волноводом. Переключая диоды между низкоимпедансным и высокоимпедансным ВЧ, можно изменять силу возвращаемого сигнала; это позволяет возвращать сообщение с относительно низкой пропускной способностью (<1 МГц). Обратите внимание, что полоса пропускания обратного сигнала дополнительно ограничивается длиной линий задержки, которая должна быть достаточно длинной, чтобы передаваемый сигнал мог создавать собственные помехи. Известно, что более новые SpaceBEE возвращают свои координаты GPS по запросу; метод, описанный выше, может быть использованным методом.

Я еще раз взгляну на этот ответ через некоторое время, так как я уверен, что есть вещи, которые можно было бы изложить немного более четко.

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

² У меня нет формального образования в области EE или RFE, поэтому исправления приветствуются.

³ Но обычно не во временной области. Единственный раз, когда передаваемый сигнал будет одинаковым в обеих областях, это когда он будет получен точно перпендикулярно плоскости антенны. (в этом я могу ошибаться)

⁴ Сигнал, определяемый (мной) как несколько непрерывных циклов волны с точки зрения исходного передатчика.

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

Обратите внимание, что это предполагает, что волна проходит через волновод на$C$. В действительности волна, скорее всего, будет проходить через волновод с меньшей скоростью, и при проектировании необходимо это учитывать.

⁶ Импульс определяется (мной) как один полный непрерывный цикл переданной волны с точки зрения исходного передатчика.

Оригинальный патент и некоторые документы по теме (спасибо uhoh за указание на них):

• Электромагнитный отражатель [US2908002A] ( PDF )
  Патент США 1959 г. на отражатель Ван Атта.

• Проектирование и изготовление низкопрофильного ретрорефлектора радара
  Обсуждаются плюсы и минусы различных конструкций ретрорефлекторов.

• Рефлектор типа Ван Атта с пассивным перенаправлением
  Объясняет, как работают рефлекторы Ван Атта и как можно направлять ретранслируемый луч.

• Усовершенствованные методы распознавания для радиолокационных идентификационных меток на металле.
  Докторская диссертация, в которой обсуждаются методы адаптации отражателей Ван Атта для использования в загроможденной среде, а также методы кодирования данных в отраженном сигнале.

Новый дизайн (SpaceBEE 5-8; 9-11 аналогичны):

^{Источник: Swarm Technologies через Эрика Кулу, базу данных Nanosatellite & CubeSat, www.nanosats.eu}
Рефлекторы Ван Атта, вероятно, расположены за большими квадратными глухими панелями в нижней части спутника.

обновление: с января 2019 года: Swarm хочет отправить на орбиту сотни крошечных CubeSat; Печально известный стартап просит у FCC разрешения на запуск группировки из 150 небольших IoT-спутников.

Во-вторых, спутники будут нести радиолокационные ретрорефлекторы, разработанные в федеральном Центре космических и военно-морских систем в Сан-Диего, чтобы улучшить их видимость для наземных станций. Подобные отражатели, установленные на незаконно запущенных SpaceBEE, показали, что они, по крайней мере, так же видны, как и некоторые более крупные спутники 1/2U и 1U на аналогичных орбитах.

Исследование , проведенное фирмой по отслеживанию космоса LeoLabs (оплаченное Swarm), показало, что SpaceBEE могут быть обнаружены в среднем более одного раза в день, что лучше, чем у некоторых более крупных спутников. Swarm также заключила контракт с LeoLabs на отслеживание своего нового созвездия и предоставление второго источника орбитальных данных в дополнение к сети космического наблюдения правительства США . Чип GPS также будет регулярно передавать положение спутника в штаб-квартиру Swarm.