Antenski niz za zaštićenu satelitsku komunikaciju u orbiti

Sprječavanje protivnika da ometaju komunikacije ključno je za nacionalnu sigurnost. Taktičke satelitske komunikacije (SATCOM) usredotočene su na osiguranje pouzdanih komunikacijskih kanala protiv neprijatelja u spornim okruženjima.

Znanstveni tim iz američkog MIT Lincoln Laboratorija gradi prototip antene koju karakterizira mala veličina, težina, snaga i cijena (SWaP-C).

SWaP-C (Veličina, Težina, Snaga i Cijena) je temeljna inženjerska metodologija koja se prvenstveno koristi u zrakoplovstvu, obrani i prijenosnoj elektronici. To zahtijeva od dizajnera da kontinuirano balansiraju kompromise smanjenja fizičkog otiska uređaja uz održavanje vrhunskih performansi, produljenje vijeka trajanja baterije i održavanje pristupačne proizvodnje.

Prijetnje u spornim okruženjima, posebno u proliferiranoj niskoj Zemljinoj orbiti (pLEO), gdje sateliti moraju imati što niži SWaP zbog velikog broja prisutnih satelita - su ometanje signala i "špijuniranje" signala.

Ublažavanje tih prijetnji metodama poput promjene oblika antenskih snopova u stvarnom vremenu, kako se signali korisnika na zemlji ne bi mogli ometati i priprema za buduće napredne mogućnosti, ključni su za osiguravanje da sateliti ostanu u komunikaciji s korisnicima na zemlji.

„Gledajući prema budućim izazovima taktičke satelitske komunikacije, postoji jasna potreba za novim pristupima dizajnu radiofrekvencijskih (RF) otvora koji su skalabilni i imaju nizak SWaP-C bez žrtvovanja funkcionalnosti“, kaže Michael Craton, član tehničkog osoblja u Grupi za taktičku satelitsku komunikaciju Lincoln Laboratorija. „To jest, želimo razmisliti o načinima na koje možemo postići izvrsne performanse korištenjem jeftinijeg hardvera. Želimo predvidjeti buduće prijetnje i imati ideju o tome kako se nositi s njima prije nego što postanu problem.“

Jedan od načina rješavanja izazova proliferiranih smetnji i ometanja je korištenje adaptivnih antenskih nizova. Za razliku od antena s jednim elementom, nizovi se sastoje od više antena koje rade zajedno kako bi vodile i oblikovale energiju do i od niza.

Adaptivni nizovi mogu brzo mijenjati stanja snopa (tehnika koja se naziva adaptivno oblikovanje snopa) i mijenjati ih u stvarnom vremenu, ovisno o uvjetima, kako bi spriječili smetnje u određenim smjerovima postavljanjem nula ili signala koji ometaju druge. Međutim, adaptivni nizovi imaju visok SWaP, što ih čini teškim za rad u okruženjima s ograničenjima SWaP-a poput pLEO-a. 

Kako bi riješio ovaj problem, tim je razvio Hosted Nimble Beamforming Anti-Jam Reflectarray (HoNi BAJR), prototip skenirajuće reflektirajuće antene s površinom sastavljenom od reflektirajućih elemenata koji se mogu pojedinačno kontrolirati.

Kada signal udari u površinu reflektirajuće antene, pojedinačni elementi reflektiraju energiju s određenim faznim pomakom kako bi kontrolirali snop koji se formira tako da blokira interferenciju.

Budući da su elementi vrlo jednostavni, antena se može lako skalirati i kontrolirati. Reflektirajuće antene su slične faznim antenskim nizovima, koji se sastoje od više elemenata koji se mogu elektronički kontrolirati za brze promjene snopa, ali skenirajuće reflektirajuće antene reflektiraju signale prema zasebnoj anteni za napajanje, što eliminira velik dio složenosti dizajna u konvencionalnim antenskim nizovima.

Za razliku od faznih antenskih nizova kojima su potrebna pojačala za svaki element antene, reflektorski nizovi ne zahtijevaju pojačala jer signale prikuplja napojna antena i kombinira u slobodnom prostoru; ovaj nedostatak pojačala za svaki element u reflektorskom nizu smanjuje potreban SWaP i pomaže u skalabilnosti, jer mrežu za formiranje snopa ne treba redizajnirati svaki put kada se promijeni veličina niza.

Reflektorski niz koristi mnogo manje energije od tipičnog niza, smanjujući potrošnju energije za oko 95 posto. 

Prototip reflektorskog niza HoNi BAJR dizajniran je za komunikaciju u pLEO konstelaciji sa širokim pokrivanjem preko horizonta i može zadovoljiti potrebe korisnika s malom snagom u prisutnosti povećanog ometanja. Niz je dimenzioniran tako da stane na tipičnu malu satelitsku platformu.

Tim HoNi BAJR testirao je mogućnosti oblikovanja snopa niza u laboratorijskom objektu za testiranje RF sustava , uspješno demonstrirajući visoki kut skeniranja, što znači da niz može primati signale iz širokog područja.

Njihovo testiranje također je pokazalo da postoji mali gubitak signala pri sintezi viševršnih snopova ili dijeljenju snopa, što ukazuje na to da reflektirajući nizovi mogu prenositi signale više korisnika bez gubitka informacija.