Om spiralantenn

Kommunikationstrolleri i rymden

Fyra radioband
Namnen på de olika radiobanden kom i samband med att man började använda radar och behövde andra namn än vhf och uhf.

S-bandet sträcker sig mellan 2 och 4 gigahertz och är tämligen fullt i dag. Det används för satellitkommunikation, mobiltelefoni och det låga wi-fi-bandet på 2,4 giga­hertz. Dessutom går alla mikro­vågsugnar där. Delar av bandet är licensfritt, för så kallad ism-apparatur.

C-bandet sträcker sig mellan 4 och 8 gigahertz och används normalt för satellitkommunikation och satellit-tv. Det är inte särskilt känsligt för regn. Notera att det höga wi-fi-bandet vid 5 giga­hertz ligger inom C-bandet, liksom flygradar och marin radar.

K-bandet är lite speciellt. Det hela började med ett enkelt k-band mellan 12–40 giga­hertz, men det visade sig inte fungera eftersom fukt­en i atmosfären absorberar radioenergi mellan 18 och 26,5 gigahertz, vilket resulterade i stor dämpning, särskilt vid regn. Därför fick man dela k-bandet i två: ku (av tysk­ans kurz-unten) på 12–18 giga­hertz, och ka (kurz-above) på 26,5–40 gigahertz. I rymd­en spelar den atmo­sfäriska dämpningen naturligtvis ingen roll, det är bara när radiostrål­en ska penetrerar atmosfären som man får se upp.

Olika sorters polarisation påverkar också mottagningen på marken. När radiostrål­en går igenom jonosfären kommer dess polarisation att vridas genom så kallad faraday-rotation, orsakad av de elektriskt laddade partiklarna i plasmat.

Effekten varierar med natt och dag och med solfläcks­cykeln. Horisontell polarisation blir vertikal och tvärtom, eller något annat, slump­mässigt. En mottagarantenn på jorden med felaktig polarisation påverkar mottagningsförhållandena kraftigt. Därför använder man företrädesvis cirkulärpolariserade radiovåg­or från satellit eftersom polarisationen då redan är vriden och bara blir ytterligare lite vriden.

Cirkulärpolariserade vågor kan åstadkommas på många sätt, både med korsade dipol­er och med spiralantenner (se bilden). Med digitalt styrbara antennmattor kan man åstadkomma en mängd olika polarisationer, däribland med- och moturs cirkulärpolarisation.

Fyra sorters antenner
Antennerna är hela hemligheten bakom en lyckad kommunikationssatellit. TDRS-11 har fyra antenner eller antenngrupper, med olika funktioner. Satelliten kan sända och ta emot data från flera klientsatelliter och markstationen samtidigt.

Det rör sig både om fysiska och syntetiska antenner, som
kan vara av typen multiple access som hanterar flera klientsatelliter åt gången, eller single access, som bara hanterar en enda satellit.

Single access antenna består av två riktbara parabolantenner som kan användas för både s-bands och ka- och ku-bands-kommunikation.

Antennerna klarar både med- och moturs cirkulär polarisation, och består av två stycken tremeters vridbara antennskålar avsedda för kontakt med satelliter vars egna antenner har låg förstärkningsfaktor (rundstrålande), eller för riktad åtkomst till en satellit som behöver hög datakapacitet.

De här antennerna används för kontakt med bemannade rymdfärder och satelliter som skapar mycket data, till exempel Hubble-teleskopet.
Utrustningen är kapabel att överföra videosamtal och stora datadumpar från vetenskapliga satelliter. Antenner och mottagare kan ta emot 300 megabit per sekund på ka- och ku-banden och 6 megabit per sekund på s-bandet.

Dessutom finns ytterligare en mottagare som klarar 800 megabit per sekund på ka-bandet. Satelliten kan sända 25 megabit per sekund på ka- och ku-banden, och 300 kilobit per sekund på s-bandet.

Multiple access-gruppen består av en matris av fasade antenn­er (phased array). Elektroniken bakom dem kan ta emot signaler från upp till fem klientsatelliter samtidigt och dessutom sända till en satellit på s-bandet.
Matrisen består av 32 mottagarantenner och 15 sändar­antenner, alla cirkulärt polariserade med en öppningsvinkel på plus/minus 13 grader. Att den kan ta emot signaler från fem satelliter samtidigt beror på att en antennmatta är en elektroniskt styrbar antenn som kan ges en eller flera riktningar samtidigt.

Man kan anpassa antennens funktion och riktning i efterhand med hjälp av matematiska algoritmer som man omsätter i praktiken genom att åsätta alla delantennerna olika faslägen i förhållande till varandra. En metod är att använda flera mottagare kopplade till samma antennmatta och ge varje delantenn flera faslägen samtidigt. Antennmattan tycks då ha flera riktningar samtidigt. En annan metod är att utvärdera den mottagna signalen matematiskt och i efterhand räkna fram valfri form på antennloben, eller flera former samtidigt om man vill.

Fasade antennmattor är ganska vanliga för militär radar i dag, vår svenska Erieye-radar är ett exempel. Andra tillämpningar är LOIS (LOFAR Outrigger in Sweden), en delantenn av den jättelika nederländska LOFAR, som används för att lyssna på kortvågsstrålningen, till exempel från Jupiter.

Space to ground-antennen sköter kommunikationen med markstationerna, på ku-bandet. Det är en 2,4 meters parabol­antenn med linjär korspolarisation.

Forward omni-antennen är en rundstrålande antenn på s-bandet avsedd för telemetri. Dess fulla beteckning är TT & C – Telemetry, Tracking and Command. Det är alltså via den här man hanterar och spårar själva tdrs-satelliten.