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Entwurf der Antennen für das Mars-Raumfahrzeug P5A für das S- und X-Band

Antenna Design of the Mars Spacecraft P5A in the S- and X-Band

  • Im Jahr 2009 startet die AMSAT Deutschland e.V. das Raumfahrzeug "Phase 5-A" zum Mars. Dort wird das "Archimedes"-Ballon-Landesystem der Mars Society abgesetzt, während das Raumfahrzeug in einer elliptischen Umlaufbahn um den Mars bleibt und als Relaisstation für die Kommunikation zwischen Landesystem und Bodenstation auf der Erde arbeitet. Für diese Raumfahrtmission wurde an der HTWG Konstanz im Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik eine Diplomarbeit über einen Teil der Antennen des Raumfahrzeugs angefertigt. Bodenstation und Raumfahrzeug kommunizieren durch einen Uplink im S-Band (2,45 GHz) und einen Downlink im X-Band (10,45 GHz). Im normalen Betriebsfall werden auf dem Raumfahrzeug Richtantennen eingesetzt. Sowohl für Uplink, als auch für den Downlink wird rechtszirkular polarisierte Strahlung verwendet. In bestimmten Betriebsfällen sind die Richtantennen des Raumfahrzeugs nicht zur Erde ausgerichtet. Dies ist der Fall, wenn die Triebwerke in Betrieb sind, oder im extremen Fall, wenn das Lageregelungssystem temporär oder komplett ausfällt. Für diesen Fall sind möglichst isotrop abstrahlende Notfallantennen notwendig, um zumindest eine minimale Kommunikation zur Erde zu gewährleisten. In der Diplomarbeit wurde für die Richtantenne für das X-Band ein Doppelreflektorsystem (Cassegrain-System) gewählt. Im berechneten Design wurde der Durchmesser des Hauptreflektors zu 2000 mm und der Durchmesser des Subreflektors zu 302,3 mm gewählt. Ebenfalls berechnet wurde die zugehörige Kegelhorn-Antenne als Primärstrahler, sowie ein praktikabler Zirkularpolarisator vorgeschlagen. Bei den isotropen Antennen stellt sich das Problem, dass das Raumfahrzeug sehr groß gegenüber der Wellenlänge ist und dadurch praktisch eine Hemisphäre abgeschattet wird. Deshalb wurden für die S-Band- und X-Band-Notfallantennen Antennen gesucht, die eine möglichst gute hemisphärische Abstrahlung haben. Zwei dieser hemisphärisch abstrahlenden Antennen werden jeweils auf entgegengesetzten Seiten des Raumfahrzeugs montiert und ermöglichen so eine (nahezu) isotrope Abstrahlung. Für die S-Band-Notfallantenne wurden unterschiedliche Antennentypen (Drehkreuzantenne, Eggbeater-Antenne, Lindenblad-Antenne, Quadrifilar-Helix-Antenne und Streifenleitungsantenne) hinsichtlich ihres Abstrahlungsdiagramms und der Eignung für Raumfahrtanwendung miteinander verglichen. Als Ergebnis stellt sich die Streifenleitungsantenne als am besten geeignet heraus, da dieser Antennentyp über viele Freiheitsgrade (z.B. Form, Abmessungen und Materialien) verfügt. Über die Freiheitsgrade kann das Abstrahlungsdiagramm geformt werden. Auch für die X-Band-Notfallantenne wurde ebenfalls die Streifenleitungsantenne untersucht. Dieser Antennentyp weist allerdings einige gravierende Nachteile im Sendebetrieb auf: Das gravierendste Problem sind die hohen Verluste dieses Antennentyps. Deshalb wurde für die X-Band-Notfallantenne ein offener Hohlleiter mit zusätzlichen Reflektionselementen vorgeschlagen. Ein offener Hohlleiter strahlt bereits relativ stark gebündelt ab. Die zusätzlichen Reflektionselemente weiten die Abstrahlung aus. So wird eine annähernd hemisphärische Abstrahlung möglich. Das Raumfahrzeug wird zumindest zeitweilig durch Rotation um die eigene Achse stabilisiert (Spin-Stabilisation). Sind die Antennen außerhalb der Rotationsachse montiert, so tritt ein mit der Rotationsdauer sich periodisch ändernder Doppler-Effekt auf. Problematisch wird dies, wenn die Frequenzverschiebung durch den Doppler-Effekt in die Größenordnung der Bandbreite des Nutzsignals kommt. Dadurch wird die Dekodierung des Nutzsignals erschwert.

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Metadaten
Author:Lukas Emele
Document Type:Master's Thesis
Language:German
Year of Publication:2005
Publishing Institution:HTWG Konstanz
Release Date:2005/11/23
Tag:S-Band; X-Band
S-Band; X-Band
GND Keyword:Amateurfunk; Antenne; Doppler-Effekt; Mars <Planet>; Mikrowellenantenne; Parabolantenne; Raumfahrzeug; Streifenleiterantenne
Institutes:Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik
DDC functional group:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Open Access?:Ja