Почему антенна TESS с высоким коэффициентом усиления сделана из волнистой ЧЕРНОЙ ткани, а не из металла?

Ооо, я прыгну в глубокий конец и попробую это, так как вы ждали ответа 2 месяца, безусловно, есть люди более квалифицированные, чем я, чтобы ответить на этот вопрос, поскольку я ограничил свои усилия тем, что мог придумать за несколько часов. Улучшение правок приветствуется.

Ткань — это просто средство для хранения чего-то вроде CoBlasted Solarblack (они могут использовать другую марку). Это теплозащитный состав, прозрачный для радиоволн (в отличие от углеродного волокна); в сочетании с тканью он обеспечивает легкую жесткость и тепловую защиту расположенному под ним металлическому тарельчатому отражателю в виде сот.

Основываясь на ваших комментариях, ваш вопрос не столько в том, «Почему антенна TESS с высоким коэффициентом усиления сделана из волнистой ЧЕРНОЙ ткани, а не из металла?» и еще о том, почему поверхность рифленая . Они также производят SolarWhite , который является электропроводным.

Солнечный черный (который вы написали заглавными буквами) был выбран вместо солнечного белого, потому что гофрированная поверхность должна выдерживать точные допуски, а белое покрытие является проводящим, поэтому оно будет отражателем, а не металлом точной формы под ним.

---

Q: Почему это не гладко?

Это гофрированная поверхность Флоке: http://www.academia.edu/13976543/Periodic_Structures_and_Floquets_Theorem или http://www.chebfun.org/examples/ode-linear/Floquet.html .

Действительно простой способ продемонстрировать это без сложной математики — показать фото из простого эксперимента.

Вам понадобится фонарик, линза Френеля (например, «увеличительный лист», используемый для увеличения мелкого шрифта), зеркало и стена.

• 1. Просто посветите фонариком на стену. Обратите внимание, что есть более яркое центральное пятно, но фонарик также освещает область вокруг центрального пятна, это боковые лепестки.
• 2. Поместите увеличительный лист на зеркало, держите его отражающей поверхностью к стене. Теперь направьте на себя фонарик, направленный в центр линзы Френеля.

• Сравните 1 и 2, обратите внимание, как сильно уменьшились боковые лепестки, а центральное пятно намного ярче. Центральное черное пятно на правой фотографии вызвано блокировкой луча фонариком. Для обеих фотографий использовались одни и те же настройки камеры.

Поверхность Фоке на параболической тарелке похожа (не то же самое, что) на первое поверхностное зеркало на линзе Френеля.

---

Интересные факты и другая информация: https://tess.gsfc.nasa.gov/overview.html

ТЭСС Твиттер: https://mobile.twitter.com/tessatmit

Планируется, что миссия продлится 2 года, но орбита была спроектирована так, чтобы оставаться стабильной в течение десятилетий с небольшими корректировками курса: https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/t/tess .

TESS по-прежнему должен использовать свои гидразиновые двигатели для разгрузки углового момента, вызванного давлением солнечного излучения, но не требует двигательной установки для удержания станции.

Полезная нагрузка состоит из четырех малошумящих и маломощных детекторов MIT/LL CCID-80 ​​с разрешением 20,4 см^2, 16,8 мегапикселей.

Четыре массива ПЗС (устройств с зарядовой связью) прикреплены к космическому кораблю таким образом, что их поля зрения выстраиваются в линию, образуя на небе прямоугольник размером 24º x 96º.

Они захватывают спектр от 600 нм до 1000 нм через 4 линзы с семью оптическими элементами 10,5 см f/1,4 в каждой.

С такой полезной нагрузкой вам понадобится первоклассное средство для передачи данных: https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/t/tess#spacecraft

---

---

Отвечать:

Изготовление спутниковой антенны Ka-диапазона из гладкого углеродного волокна не представляет особой сложности. Композиты, прозрачные для электромагнитных полей, доступны от таких компаний, как TenCate , и используются в обтекателях. Они хотели выжать лучшую производительность из относительно небольшой тарелки.

Антенна с высоким коэффициентом усиления (HGA) представляет собой антенну Кассегрена (2 отражателя, выпуклая вторичная) https://en.m.wikipedia.org/wiki/Cassegrain_antenna с Флоке на первичной поверхности.

Наличие второй отражающей поверхности на пути прохождения сигнала дает дополнительные возможности для настройки диаграммы направленности для достижения максимальной производительности и позволяет размещать больший облучатель вне пути прохождения сигнала. Похоже, они этого не делают, выбирая более обычную выпуклую коническую вторичную обмотку.

Боковые лепестки облучателя, которые пропускают вторичный луч, могут быть размещены не в фазе с правильно отраженными сигналами (устранение помех), а гофры Флоке уменьшают боковые лепестки на главном зеркале (концентрируя луч).

Также можно использовать структуру с модифицированной электромагнитной запрещенной зоной (M-EBG) в облучателе, чтобы обеспечить сверхширокую полосу пропускания с центральным вырезом и сориентировать лепестки облучателя, чтобы избежать опор вторичной обмотки, поскольку опор 3, а не 4. можно было бы предположить, что это тоже не делается.

Кроме того, также можно использовать гофрированный конический рупор с изогнутой апертурой: http://www.antennamagus.com/newsletter.php для дальнейшего сужения ширины луча.

Кажется, что тарелка может содержать 14 гофров на половину своего диаметра, их меньше, так как рупор занимает центральную часть.

Диаметр (0,7 метра) / (14*2) = 2,5 сантиметра от вершины к вершине. Длина волны 1,25 сантиметра = 23,98339664 гигагерца (1,00 см = 29,98 ГГц). Таким образом, расстояние от пика до пика составляет чуть менее 2,5 см.

Теорема Флоке: https://en.wikipedia.org/wiki/Floquet_theory

Вопрос Ухо: «Существуют ли оптические магнитные зеркала (ОММ), которые на самом деле отражают через взаимодействие с магнитным полем?» https://physics.stackexchange.com/questions/273422/есть-там-оптические-магнитные-зеркала-omms-которые-фактически-отражают-посредством-взаимодействия

---

---

Обновление от 19 января 2018 г.:

http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.372241

В статье Хиббинсы, Сэмблса и Лоуренса «Связь микроволнового излучения с поверхностными плазмон-поляритонами и управляемыми модами через диэлектрические решетки» они пишут:

Показано, что поглощающий диэлектрический слой, синусоидально модулированный по высоте, поверх плоской металлической подложки может быть использован для обеспечения связи между s- и p-поляризованными падающими микроволновыми фотонами и поверхностными плазмон-поляритонами, которые распространяются вдоль металлической поверхности. -диэлектрический интерфейс.".

http://ieeexplore.ieee.org/document/1548109/

В статье Федотова, Рогачевой и Желудевой "Зеркало, не изменяющее фазу отраженных волн" 2006 г. они пишут:

«Чувствительное к длине волны пропускание и отражение структурированными тонкими металлическими слоями в оптической и микроволновой частях спектра в настоящее время привлекают значительное внимание.

Такая избирательность является результатом формирования границы раздела в субволновом масштабе таким образом, что электромагнитное возбуждение взаимодействует со структурой резонансным образом.

В этом письме мы сообщаем о первом экспериментальном наблюдении свойства «магнитной стенки» новых структурированных металлических поверхностей. Магнитная стенка представляет собой зеркало, которое накладывает чрезвычайно необычные электромагнитные граничные условия, см. рис. 1б:

Он не меняет фазу электрического поля при отражении, но меняет фазу магнитного поля на противоположную. Это свойство резко контрастирует с отражением от диэлектрического интерфейса или металлического зеркала, которое меняет фазу электрического поля отраженной электромагнитной волны на противоположную и вместо этого сохраняет фазу магнитного поля ( рис. 1а).

Отличие от обсуждаемого параболика заключается в форме узора. Это доказывает, что синусоидальный узор может влиять на электромагнитную волну, хотя его ориентация повернута по отношению к тому, что используется в отражателе TESS.

http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-1056/21/1/017301/meta

В статье Ляна, Цзинь-Сяна, Инь-Чанга и Цзяня «Аномальное микроволновое отражение от металлической поверхности, вызванное поддельным поверхностным плазмоном» они пишут:

«…металлические субволновые структуры стали одним из основных направлений исследований, в том числе в исследованиях микроволнового режима и терагерцовых частот.

В диапазоне длин волн микроволнового диапазона электромагнитные поверхностные моды называются ложными поверхностными плазмонами, используя язык, заимствованный из оптических технологий.

Как известно, металлические поверхности являются прекрасными отражателями падающих электромагнитных волн. Однако, если ПП запускаются в определенном диапазоне длин волн на границе металл-диэлектрик, энергия падающих электромагнитных волн будет преобразовываться в энергию ПП, вызывая минимум отражения. В этом исследовании изучалось влияние ложных ПП на отражение микроволнового излучения от поверхности металлического алюминия (Al).

Ложные ПП на поверхности Al возбуждались путем нанесения на поверхность металла периодических гофрированных канавок, т. е. для формирования поверхностного решетчатого ответвителя. При успешном возбуждении ложных ПП наблюдалось чрезвычайное затухание микроволнового отражения от периодической гофрированной поверхности Al. Этот метод связи с решеткой для возбуждения ПП для уменьшения отражения микроволн также недавно использовался в экспериментах, проводимых со сверхплотной плазмой.

Решетки с канавками явно действуют как резонаторы , и экспериментальное явление похоже на известные аномалии дифракции от металлических решеток (аномалия Вуда) в оптическом режиме».

https://arxiv.org/abs/1610.04780

В статье «Плоские инженерные многоканальные отражатели» Асадчи, Диас-Рубио, Цветкова, Квон, Эльсакка, Албуе и Третьяков пишут:

«Здесь мы вводим концепцию многоканальных функциональных метаповерхностей, которые способны контролировать входящие и исходящие волны одновременно в нескольких направлениях распространения. В частности, мы раскрываем возможность проектирования многоканальных отражателей.

В предположении взаимности и сохранения энергии мы обнаруживаем, что существуют три основные функции таких отражателей: зеркальное, аномальное и ретро-отражение. Многоканальный отклик обычного плоского рефлектора можно описать комбинацией этих функций.

Чтобы продемонстрировать потенциал представленной концепции, мы проектируем и экспериментально тестируем три различных многоканальных рефлектора: трехканальные и пятиканальные ретрорефлекторы и трехканальный делитель мощности. Кроме того, расширив концепцию на отражатели, поддерживающие гармоники Флоке более высокого порядка , мы прогнозируем появление других многоканальных плоских устройств, таких как изолирующие зеркала, сложные делители и многофункциональные решетки».

Это демонстрируется на плоской поверхности, и его необходимо повернуть вокруг центральной точки, чтобы создать круглую структуру.

http://www.inatel.br/biblioteca/artigos-cientificos/2014/7536-design-of-a-high-gain-frequency-selective-surface-antenna-system/file

Документ: «Проектирование системы поверхностных антенн с избирательной частотой с высоким коэффициентом усиления», авторы Алвес, Баррос, Молони, Джулиано Ф.; да Силва, Сикейра, Чезарео, Серкейра и Рибас имеют этот реферат:

«Идеализированный плоский бесконечный массив круглых элементов оценивается с использованием теории Флоке , основанной только на одной элементарной ячейке, для определения коэффициентов отражения и передачи в диапазоне частот от 800 МГц до 4 ГГц. Затем круглые элементы проецируются на параболическую поверхность из полиэтилена. и полное гибридное полноволновое моделирование выполняется с использованием рупорной антенны в качестве возбуждения.Предложенная методология приводит к параболическому отражателю, сделанному из круглых частотно-селективных поверхностных элементов, которые обеспечивают высокий коэффициент усиления и способны фильтровать электромагнитные волны из заданной полосы частот. Численные результаты демонстрируют улучшение усиления на 4,5 дБ по сравнению с параболическим отражателем из идеального электрического проводника для рабочей частоты 3,1 ГГц.».

---

Обновление от 21 января 2018 г.:

TESS HGA был изготовлен компанией Vanguard Space Technologies Inc., которая была приобретена SolAero Technologies Corp. и работает под названием Alliance Space Systems .

«Vanguard отвечал за проектирование конструкции, изготовление, сборку и испытания антенны с высоким коэффициентом усиления (HGA) , а также за изготовление и сборку конструкции первичной шины космического корабля TESS, а также конструкции размещения камеры (CAS)».

К сожалению, ни один из этих веб-сайтов не объясняет изготовление антенны, поисковая система на сайте Альянса не выдает совпадений по запросу «TESS» (но ясно, что их поисковая система не выдает столько же совпадений, как Google).

На их веб-странице написано, что они используют ткань Astroquartz® и кевлар .

См. стр. 37: http://www.jpscm.com/jps/wp-content/uploads/2017/10/2017-Data-Book-Small-1.pdf для получения информации о http://www.jpscm.com/ астрокварц / .

Они используют бисмалеимидный полиамид http://www.huntsman.com/advanced_materials/a/Our%20Technologies/High%20Performance%20Components/Imides%20and%20Benzoxazines/Bismaleimides%20%20%20Polyimides в качестве смолы для Astroquartz. Я не вижу причин, по которым SolarBlack нельзя было бы использовать на ткани, так как она на 99% состоит из кремния.

---

Очень простое объяснение конструкции параболической антенны можно найти в Википедии. В нем упоминаются 2 момента, относящиеся к вопросу (вопросам):

• «Поскольку блестящий металлический параболический отражатель также может фокусировать солнечные лучи, а большинство тарелок могут концентрировать достаточно солнечной энергии на структуре подачи, чтобы сильно ее перегреть, если они будут направлены на солнце, твердые отражатели всегда покрываются слоем матовой краски. .".

Черный является менее отражающим цветом, чем белый.

• «Рефлектор может быть из листового металла, металлического экрана или проволочной решетки, и он может быть либо круглой «тарелкой», либо другой формы для создания лучей различной формы. Металлический экран отражает радиоволны так же, как и твердая металлическая поверхность. пока отверстия меньше одной десятой длины волны , поэтому экранные отражатели часто используются для уменьшения веса и ветровых нагрузок на тарелку.Для достижения максимального усиления необходимо, чтобы форма тарелки была точной в пределах небольшая доля длины волны , чтобы волны от разных частей антенны попадали в фокус в фазе.Большие антенны часто требуют поддерживающей ферменной конструкции позади них для обеспечения требуемой жесткости.

• Отражатель, сделанный из решетки из параллельных проволок или стержней, ориентированных в одном направлении, действует как поляризационный фильтр, а также как отражатель. Он отражает только линейно поляризованные радиоволны с электрическим полем, параллельным элементам решетки.

Тарелка отражателя могла быть сделана из проволоки, расположенной на расстоянии менее одной десятой длины волны.

Твердая тарелка, вероятно, была выбрана для обеспечения полной поддержки каждой части тарелки, ветровая нагрузка не учитывается в открытом космосе, а точная точность улучшает производительность; синусоидальная поверхность служит для увеличения производительности на одной конкретной частоте.

Отражатель из проволоки или сплошного металла, состоящий из колец (а не из параллельных проволок), отражает радиоволны с круговой поляризацией (а не волны с линейной поляризацией).

Википедия описывает диапазон Ка как «частоты в диапазоне 26,5–40 гигагерц (ГГц), т. е. длины волн от чуть более одного сантиметра до 7,5 миллиметров».

26,5 гигагерца = длина волны 11,3129229434 миллиметра.

40 гигагерц = длина волны 7,49481145 мм.

Частоты НАСА приведены ниже.

---

Веб-страница НАСА для диапазона Ka утверждает, что технология 3-го поколения способна обеспечивать скорость 2400 Мбит/с (2,4 Гбит/с) с более высокой мощностью передачи 10 Вт.

Солнечные батареи рассчитаны на 500 Вт (EoL). В материалах, доступных от НАСА (.PDF) , поясняется, что TESS будет использовать Ka-диапазон с научным нисходящим каналом со скоростью 100 Мбит/с (примерно в 24 раза медленнее, чем это возможно на такой высокой частоте).

В дополнение к «научным данным» есть также данные управления и телеметрии (которые, я полагаю, будут меньше, чем научные данные).

Утверждается, что TESS имеет твердотельный буфер объемом 192 ГБ, который необходимо передавать каждые 13,7 дня (192 гигабайта) / (100 Мбит/с) = 4,26666667 часов, поэтому для передачи одних только научных данных потребуется 4 часа 16 минут (если буфер заполнен, но следующая ссылка на видео, следующий абзац, говорит, что они ожидают, что большинство передач продлится всего 3 часа).

Орбита TESS и немного о миссии объясняются в видео, на которое вы ссылаетесь выше (поэтому я удалил свою дублирующую ссылку здесь) — анимация крупным планом показывает антенну с гладким лицом.

• Информация о спутнике-ретрансляторе:

Спутник НАСА слежения и ретрансляции данных (TDRS) Единый доступ в Ka-диапазоне (KaSA)

KaSA Service через большие управляемые антенны в режиме автосопровождения:

– возврат (с КА) данных полета и телеметрии КА; G/T: 26,5 дБ/К; 25,25–27,5 ГГц

– Прямая (направленная) ЭИИМ управления и контроля: 63,0 дБВт; 22,55–23,55 ГГц — поле зрения +76,8°E-W; +30.5o с.ш.

Передатчик: µKaTx-300 Передатчик Ka-диапазона (.PDF)

Частота: 25,25–27,5 ГГц (частотная перестройка). Занимаемая полоса пропускания до 850 МГц при максимальной выходной мощности 5 Вт (требуется 68 Вт при 18–40 В постоянного тока) со скоростью передачи данных от 100 кбит/с до 4,0 Гбит/с.

29 гигагерц = длина волны 10,337671 миллиметра.

Это далеко не самая передовая антенная технология .

---

---

Хотя это упрощенная версия, для разработки апертурной антенны, подходящей для надежной связи, требуется гораздо больше знаний и усилий.

Рассеяние акустического шума:

Два примера, объясняющие, что часто используется трикотажная ткань, поскольку ее можно натянуть на параболическую форму (в то время как «традиционно тканая» ткань обычно растягивается только в одном направлении).

Патент США 20040113863 A1 «Отражатель антенны микроволновой частоты» (17 июня 2004 г.) http://www.google.com/patents/US20040113863 объясняет:

«Высокий уровень акустического шума, создаваемого во время запуска космического корабля, может привести к высокой структурной нагрузке на легкие конструкции отражателя антенны, и в прошлом это было серьезной проблемой.

Отверстия как в микроволновом отражающем слое, так и во втором слое трехосного тканого полотна желательны, поскольку акустические шумы, возникающие при запуске отражателя на космическом корабле в космос и при маневрах в космосе, передаются и рассеиваются через отверстия в двух слоях, не вызывая структурных повреждений или отказов, которые могли бы повлиять на способность рефлектора отражать микроволны.

Это по-прежнему будет проблемой с тонкими и легкими космическими конструкциями, имеющими большие площади неукрепленной поверхности, поскольку эта акустическая шумовая среда иногда приводит к структурным отказам отражателя и его материалов. ".

Патент США 9685710 B1 «Отражающий и проницаемый металлизированный ламинат» (20 июня 2017 г.) http://www.google.com/patents/US9685710 поясняет:

"ТЕХНИЧЕСКАЯ ОБЛАСТЬ

Настоящее изобретение в целом относится к ламинированному материалу и, в частности, к отражателю антенны, выполненному в виде ламинированной структуры, где первый слой включает в себя акустически проницаемый нетканый мат из металлизированного волокна, а второй слой включает в себя акустически проницаемую ткань с открытым переплетением.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Правопреемник настоящего изобретения производит и развертывает космические аппараты, среди прочего, для связи и вещания с геостационарной орбиты. Во время запуска такие космические аппараты испытывают динамические нагрузки окружающей среды, в частности акустические стартовые нагрузки.

Компоненты космического корабля, в том числе, в частности, отражатели радиочастотных (РЧ) антенн, должны быть совместимы с такими стартовыми нагрузками, но после запуска они также должны соответствовать сложным эксплуатационным характеристикам в условиях значительных колебаний температуры и воздействия солнечной радиации, типичных для космическая среда. Кроме того, такие конструкции должны проектироваться с учетом жестких требований к массе и стоимости.

...

В другом варианте рефлектор антенны может включать сотовый сердечник. Сотовый заполнитель может быть расположен между многослойной конструкцией и задней обшивкой, при этом многослойная структура расположена вблизи первой поверхности сотового заполнителя, а задняя обшивка расположена вблизи второй поверхности сотового заполнителя, при этом вторая поверхность расположена напротив до первой поверхности.

В еще одной реализации волокнистый мат может включать одно или несколько углеродных волокон, углеродных композитных волокон, полиамидных волокон и стеклянных волокон.

В другом варианте реализации второй слой может включать волокно открытого переплетения с трехосным плетением. Трехосное волокно открытого переплетения может включать одно или несколько углеродных волокон, углеродных композитных волокон, полиамидных волокон и стекловолокон».

Необходимая точность:

https://en.wikipedia.org/wiki/Ruze%27s_equation

http://adsbit.harvard.edu/cgi-bin/nph-iarticle_query?bibcode=2002ASPC..278...45G&db_key=AST&page_ind=20&plate_select=NO&data_type=GIF&type=SCREEN_GIF&classic=YES

Уравнение Рузе дает часто цитируемый результат, заключающийся в том, что эффективность апертуры уменьшается на 3 дБ (в 2 раза) при среднеквадратичной поверхностной ошибке 'e', ​​равной 1/16.

http://www.cv.nrao.edu/course/astr534/2DApertures.html#SurfaceEfficiency

Поверхностная эффективность \eta_{\rm s} быстро снижается, так как среднеквадратическая ошибка в длинах волн \sigma / \lambda превышает 1/16 \приблизительно 0,06.

27,5 ГГц * 16 = 440 ГГц

440 гигагерц = допуск на ошибку 0,6813464954545 миллиметров (0,0268 дюйма).

Таким образом, если поверхность отклонена примерно на 0,7 мм (среднеквадратичное значение), мощность сигнала уменьшится на 50%.

Контролируемое смещение поверхности будет действовать как одночастотное зеркало ( https://physics.aps.org/articles/v8/20 ), за исключением того, что оно будет усиливать одну конкретную частоту, отражая другие в меньшей степени.

Ширина луча:

Угловую ширину луча по половинной мощности (HPBW) параболического отражателя можно оценить по диаметру тарелки и рабочей частоте:

Ширина углового луча (градусы) = 70 градусов/(D/лямбда)

29 гигагерц = длина волны 10,337671 миллиметра.

70/(70/10,337671) = 10,337671 градуса HPBW.

Бюджет ссылки:

[Я благоразумно оставлю этот расчет кому-то другому.]

---