Baanbrekende innovaties op het gebied van antennetechnologie, gebaseerd op een samenwerking tussen Lockheed Martin Space en Penn State, worden nu overwogen voor gebruik in de volgende generatie GPS-satellietladingen.

Douglas Werner, John L. en Genevieve H. McCain, hoogleraar elektrotechniek, samen met zijn huidige en voormalige afgestudeerde studenten, J. Daniel Binion en Zhi Hao Jiang, respectievelijk, werkte samen met Erik Lier en Thomas H. Hand van Lockheed Martin Space om het ontwerp van de conventionele korte terugslagantenne drastisch te verbeteren door de diafragma-efficiëntie (versterking) aanzienlijk te vergroten, zonder afbreuk te doen aan het robuuste en compacte ontwerp, noch het verhogen van het gewicht.

Dit type antenne is oorspronkelijk ontwikkeld in de jaren 60 in het Air Force Research Lab. Vanaf dat moment, het is op veel terreinen gebruikt, zee- en ruimtetoepassingen, misschien vooral in de communicatie tussen NASA en het Apollo-ruimtevaartuig, en het wordt vandaag nog steeds gebruikt op antennetorens voor terrestrische communicatie. Echter, Er zijn weinig belangrijke vorderingen gemaakt met dit decennia-oude ontwerp.

"Om het te gebruiken voor de ruimte, het is belangrijk om over het algemeen de beste prestaties te hebben, omdat het veel kost om payloads te ontwikkelen en te vliegen, en je krijgt maar één kans, " zei Lier. "Onze antenne is kleiner, lichter gewicht, heeft een hoger rendement, mechanisch robuuster is dan de traditionele ontwerpen die worden gebruikt op GPS-satellieten, en is bestand tegen de moeilijke ruimteomgeving."

Werner was het daarmee eens, toevoegen, "We waren in staat om de elektromagnetische eigenschappen te ontwikkelen om te voldoen aan de strenge eisen voor radiofrequentie (RF) zonder andere operationele vereisten op te offeren die uniek zijn voor de ruimteomgeving."

Deze eigenschappen worden mogelijk gemaakt door het gebruik van metamaterialen. Vergeleken met conventionele korte backfire-antennes, de nieuwe antenne biedt een toename van één decibel in versterking (toename van 25 procent); een zeshoekige vorm in plaats van de cirkelvorm, wat resulteert in een extra toename van de versterking bij gebruik in een array-antennetoepassing; en dual-band-mogelijkheid waarmee de antenne met hoge efficiëntie kan werken op de twee frequenties die nodig zijn voor GPS-toepassingen.

Het document waarin hun onderzoek en resultaten worden beschreven, "Een metamateriaal-enabled ontwerp dat de decennia-oude korte backfire-antennetechnologie voor ruimtetoepassingen verbetert, " is onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

De samenwerking tussen Lockheed Martin en Penn State-onderzoekers was van cruciaal belang om deze visie van een verbeterde antenne te realiseren.

"Deze voortdurende samenwerking werkt uitzonderlijk goed. We gebruiken onze sterke punten - het begrijpen van de behoeften en vereisten, de ideeën en concepten, maar we kunnen het niet doen zonder de unieke vaardigheden en capaciteiten die Penn State biedt, " zei Lier. "Penn State is een wereldleider in RF-systemen met metamateriaal en de bijbehorende elektromagnetische simulatie- en optimalisatietools die nodig zijn om het ontwerp en de implementatie van ons voorgestelde concept te realiseren. We brengen Doug en zijn team de visie, en zij doen het zware rekenwerk. Ze zijn hypermodern met die dingen."

Omdat Lockheed Martin het contract won voor de volgende generatie GPS-satellieten, het ontwerp van het onderzoeksteam is misschien perfect geschikt voor toekomstige GPS-satellietladingen, een feit dat Werner en zijn afgestudeerde studenten bijzonder opwindend vinden.

"Het mooie van deze samenwerking is dat het ons een focus geeft voor dit onderzoek, ' zei Werner.