Conversando com Marte


Talking to Mars—new antenna design will aid interplanetary communication - Créditos de image Phys Org

Conversando com Marte

Novo design da antena vai ajudar a comunicação interplanetária

Quando as pessoas pensam sobre antenas, que muitas vezes imaginar televisores antigos com "orelhas de coelho" - duas hastes de metal que picam acima da tela. Essencialmente, as antenas são dispositivos que permitem a transferência sem fio ou a recepção de sinais de rádio. Eles vêm em vários tamanhos e formas. Por exemplo, é a antena do seu telefone celular que permite transmitir vídeos, postar um status de mídia social, usar o GPS para encontrar um restaurante e ligar para um amigo.

Esta tecnologia sem fio abriu a porta para a exploração do espaço. A viagem de Neil Armstrong à lua foi possível porque antenas permitir a comunicação entre veículos espaciais de engenharia e Terra. É uma antena que permite que os robôs em Marte para se comunicar com a Terra por milhões de milhas de distância. Para reunir dados científicos valiosos, rovers muitas vezes tomam medidas, imagens e vídeo, em seguida, enviá-los de volta para casa através de ondas de rádio em altas freqüências, através de suas antenas.

Atualmente, os robôs em Marte se baseiam principalmente em o que é chamado de comunicações indiretas ou relé. Eles enviam seus dados a uma antena muito maior satélite, chamado Mars Reconnaissance Orbiter, que envia tudo sobre a Terra a altas taxas de transmissão. As freqüências de transmissão estão em X-band, perto de 8 GHz, que tem um comprimento de onda de rádio perto de 1,5 polegadas

O nosso grupo aqui no UCLA Antena Pesquisa, Análise e Medição Laboratório especializada na concepção de sistemas de antena avançados, incluindo antenas de naves espaciais para futuras missões espaciais. Agora, com a ajuda de engenheiros da NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL), estamos trabalhando para criar uma antena pequena, mas poderosa que pode permitir a Mars rover para se comunicar diretamente com a Terra, potencialmente cortar o intermediário.

No presente momento, o vagabundo de Marte pode transmitir informações para o Mars Reconnaissance Orbiter para apenas 15 minutos duas vezes por dia devido a orbitar condições. Permitindo que o vagabundo de Marte para se conectar diretamente com a Terra poderia oferecer um grande aumento no tempo de comunicação - muito mais dados podem ser enviados e para trás quando o rover está em linha de vista directa. Um link direto também seria uma vantagem no caso de grandes veículos orbitais de satélites não estão mais disponíveis.

O desafio é criar uma ligação atualizado que pode fazer o trabalho, mas também se encaixam na próxima próxima missão Mars rover, Mars2020.

Boa força do sinal a distâncias astronômicas

Precisamos alcançar uma boa intensidade de sinal no pequeno espaço reservado no rover para uma antena. A física das ondas de rádio nos diz que quanto maior a antena, mais poder ele pode receber. Pense como uma antena como um balde coleta de chuva. A maior abertura do balde, mais água ele pode pegar a qualquer momento. Enquanto a antena é muito maior do que o comprimento de onda, ele funciona da mesma maneira: quanto maior ela for, mais poder ele pode receber ou transmitir. Com mais potência, os dados podem ser melhor extraído das ondas de rádio que carregam imagens, vídeo e comandos. Extraindo os dados funciona de forma semelhante a sinais de televisão modernos, com áudio e vídeo realizado por ondas de rádio.

Para os futuros robôs em Marte, 40 cm x 40 cm x 5 cm, é potencialmente o volume máximo que a antena pode ocupar. Com o conjunto de área disponível, o nosso trabalho como engenheiros de antena é descobrir a melhor e mais eficiente forma de utilizar todo o espaço dado para maximizar a quantidade de energia.

Outros critérios para a antena para trabalhar em um

rover Mars 2020 incluem:

  • deve ser leve
  • devem ser executados no poder prospectiva disponível para transmissões de rádio - cerca de 100 Watts, a mesma quantidade usada por uma lâmpada incandescente brilhante
  • devem estar alinhados com a antena da Terra. Um braço de suporte robótico chamado um cardan pode posicionar a antena mecanicamente. A missão Curiosity usou um cardan semelhante a orientar a sua antena de alto ganho.


Somando-se elementos de antena em uma matriz

A grande idéia é combinar muitas pequenas antenas (muitas vezes chamado de elementos de antena) para fazer uma antena completamente maior. Você pode pensar nisso como conceito antena como um sistema do órgão. Um órgão indivíduo, tais como o coração, podem operar em si e por si. É quando ele é combinado com outros órgãos que podem manter um ser humano.

Nossos antena "órgãos" começar com uma geometria especializada que se parece com a metade da letra "E." Nós derivado lo a partir do original é em forma de E design de antena que já tinha um monte de sucesso com. Esta nova "meia-E" forma permite que a antena para transmitir e receber sinais de rádio que são polarizada circularmente. Basicamente, isto significa que a polarização das ondas de rádio pode ser orientada numa configuração especial que ajuda a reduzir os efeitos de gases atmosféricos e partículas sobre as ondas enquanto viajam. Ele também pode ajudar a certificar-se de um sinal forte é mantida mesmo que o rover ou as antenas estão se movendo.

Quando um número suficiente destes elementos de antena - 256 neste caso - são combinados apenas à direita para o que os engenheiros chamam de antena de uma matriz, o todo pode transmitir e receber muito mais poder.

A matriz completa global deveriam se encaixar dentro do volume exigido, cuja área máxima é comparável a um padrão de 12 polegadas por 12 polegadas tabuleiro de xadrez. É uma forma compacta para embalar o mesmo poder de antena em um espaço muito menor do que se contamos com maiores, mais volumosos antenas parabólicas que têm a desvantagem adicional de ser mais difícil de arrumar no rover durante o vôo.

Transformar uma idéia nova em um protótipo real

Claro, qualquer empreendimento emocionante na pesquisa de engenharia que se preze vem com uma demonstração experimental. Como um primeiro passo, projetado, construído e testado um dos menores de 4 por 4 elementos sub-matrizes. Nós usamos software de simulação para primeiro entender como a antena iria realizar em situações da vida real. Nós chamou a antena em um programa de computer-aided elaboração, que inclui todos os materiais necessários, tais como metais, cerâmicas e fios.

Depois de muito fine-tuning e verificando se a antena atenda aos requisitos acima mencionados JPL, começamos fisicamente construí-la. E nos levou várias tentativas. Começamos tomando um par de pedaços de cerâmica leve revestido com metal e usados ??fotolitografia e ataque químico para criar a geometria da antena especializado. Desde esta antena é várias camadas, tivemos de solda-los todos juntos.

Quando testamos o desempenho real da antena, estávamos satisfeito de ver o nosso protótipo comportou da maneira nossas simulações previu!

Com uma prototipagem bem sucedida do elemento de 4 por 4 sub-array, o próximo passo seria o protótipo em larga escala 16 por 16 elementos de antena. Em última análise, nós gostaríamos de testá-lo no próprio sistema Mars rover num local de ensaio NASA aqui na Terra. Esperamos que com este projeto, JPL pode potencialmente aumentar o seu sistema de comunicação de modo que o rover com êxito pode chamar de lar diretamente.

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