Inženýři z Evropské kosmické agentury, konkrétně z jejího oddělení pro Radiofrekvenční vybavení a technologie, úspěšně otestovali nový koncept pro tzv. rádiový beamforming. Jedná se o prototyp, který byl vyvinut v Mikrovlnné laboratoři agentury ESA a nyní je již patentován. Prototyp, který byl testován v Anténní laboratoři agentury ESA, demonstruje nový způsob řízení rádiových signálů v anténní soustavě tak, aby bylo možné zaměřit více paprsků do požadovaných směrů, a to s použitím mnohem menšího počtu komponent než u tradičních systémů s podobnými schopnostmi.

Klíčem k úspěchu této inovativní myšlenky je relativně jednoduchý koncept – přirozená geometrická symetrie antén a rádiových paprsků. Poslouchání rádia, sledování televize, volání z mobilního telefonu, používání družicové navigace, nebo předpovídání počasí – bez antén, které umožňují přenos a příjem elektromagnetických vln by byly tyto činnosti všedního dne nemožné. S tím, jak extrémně narůstají objemy dat, počty uživatelů i samotný technologický vývoj, se razantně zvyšuje i komplexnost antén. Namísto používání jediné mechanicky otáčené antény o vysoké energii sází moderní systémy na soubor většího počtu nízkoenergetických antén, které společně směřují rádiové vlny požadovaným směrem, aniž by se pohybovalo anténou samotnou. Taková soustava (či anténní pole) může obsahovat stovky, či dokonce tisíce individuálních anténních elementů. Každý z nich přitom dostává vlastní signály, které vytváří tzv. beamformer s pomocí velmi přesných časových výpočtů.

Celý proces vysvětluje Hugo Debergé, mikrovlnný inženýr agentury ESA: „Změnou fáze a amplitudy signálu pro každý jednotlivý element v poli antén můžeme směrovat výsledný signál požadovaným směrem. Nedosahujeme toho fyzickým nakláněním antény, jak se to dělávalo. Namísto toho používáme úpravu elektrických signálů, které posíláme do jednotlivých anténních elementů. Nová metoda beamformingu, kterou testujeme, vychází ze dvou na sobě nezávislých objevů, přičemž oba má patentované ESA. První z nich je koncept známý přes deset let. Ten ukázal, že pokud je vaše anténní pole symetrické (což je pravděpodobný případ), můžete se symetrickými prvky zacházet jako s páry a zjednodušit výpočet jednotlivých signálů v digitálním procesoru. Tím, že budete každý pár napájet signály, které jsou navzájem komplementární, získáte stejnou funkčnost, jako kdybyste je ovládali jako dva nezávislé prvky.“

Pokud bychom si anténu představili jako hodinový ciferník, pak prvky umístěné na 12. a 6. hodině budou tvořit pár a prvky na 3. a 9. hodině budou tvořit další pár. Pokud bychom čáru symetrie vedoucí napříč hodinami nakreslili v trochu jiném místě, prvky na 12. a 9. hodině by tvořily dvojici a prvky na 3. a 6. hodině by tvořily další. Hugo Debergé doplňuje: „Druhá inovace, kterou si ESA patentovala v roce 2023, se zaměřuje na způsob, jakým jsou elektrické signály pro anténní spoje vytvářeny elektrickým obvodem. Přišli jsme na způsob, jak zjednodušit elektrický obvod v rámci systému tak, aby nám umožnil odstranit polovinu komponent a přitom zachovat stejnou funkčnost – to je zásadní zlepšení, které drasticky snižuje celkovou složitost, hmotnost a spotřebu energie celé sestavy, a přitom plní přesně stejnou funkci.“

Antény patří mezi základní složky prakticky všech družic, protože jim umožňují přenášet komunikační i navigační signály. Kromě toho ale antény slouží i k vysílání a přijímání radarových rádiových vln pro pozorování planet, příjem vědeckých dat z hlubokého vesmíru nebo měření výšky při sestupu a přistání. Stejně jako každá mise (či vědecký přístroj) mířící na oběžnou dráhu musí být i tento prototyp otestován v prostředí, které co možná nejlépe napodobuje určité podmínky panující v kosmickém prostředí. Pro antény se používají bezodrazové komory, tedy místnosti, které jsou navrženy tak, aby izolovaly testované zařízení od okolního světa, čímž simulují nekonečnou prázdnotu kosmického prostoru.

Bezodrazová komora má silné kovové zdi, které blokují všechny vnější signály – třeba rádiové a televizní vysílání, ale i Wi-Fi, či mobilní sítě. Uvnitř jsou stěny pokryty pěnovými hroty ve tvaru jehlanů, které pohlcují jakékoliv signály vytvořené testovaným zařízením. Vzniká tak prostředí bez odrazů, které zajišťuje, že citlivá měření zaznamenají pouze vliv ověřovaného systému. Jednou z takových komor je i HERTZ (Hybrid European Radio Frequency and Antenna Test Zone), která je součástí anténního testovacího oddělení v nizozemském ESTECu. „Koncept testovaný v komoře HERTZ je velmi přesvědčivý, ale tohle je jen začátek,“ uvedl Václav Valenta, mikrovlnný inženýr agentury ESA a spoluautor konceptu a dodává: „Tento patentovaný koncept beamformingu a související experimentální výsledky jsou nyní zdarma k dispozici průmyslovým podnikům v členských státech ESA pro kosmické využití. Mohou toto řešení integrovat do jediného mikročipu, který umožní kompaktnější řešení s nízkou spotřebou energie pro vesmírné i pozemní aplikace. Vzhledem k tomu, že tato koncepce přitahuje velkou pozornost našich průmyslových partnerů, bude brzy zahájen specializovaný program výzkumu a vývoje, jehož cílem je dále zvýšit technologickou připravenost. Ten bude realizován v rámci výzvy Open Space Innovation Platform (OSIP) – nástroje pro komerční zrání vynálezů ESA,“  uzavírá Václav Valenta.

Díky spolupráci anténní a mikrovlnné laboratoře pokrývá agentura ESA komplexní inženýrské schopnosti od návrhu a simulace až po výrobu prototypů a testování. To vše se děje v rámci jednoho týmu divize, což inženýrům ESA umožňuje rychle demonstrovat nové koncepty. Tento soubor zařízení je k dispozici také průmyslovým podnikům a výzkumným ústavům pro jejich vlastní účely výzkumu a vývoje.

Přeloženo z:
https://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
https://www.esa.int/…/26655005-1-eng-GB/New_ESA_invention_tested_in_a_chamber_of_no_echoes.jpg