Technik - USKA
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Technik Deep-Space Antennen (2) sichtigt werden. Die optische Analogie zu einer Richtantenne ist das Fernrohr. Von den Astronomen wissen wir nun, dass man es tunlichst vermeiden sollte, das Fernrohr auf die Sonne auszurichten. Das lässt sich bei Satellitenverbindungen aber nicht immer vermeiden. Bei geostationären Satelliten steht die Sonne an zwei Tagen im Jahr für kurze Zeit genau hinter den Satelliten. Während dieser Zeit kann der Empfang durch den Einfluss der Sonne unterbrochen werden. Auch bei den Deep-Space Antennen kann der Rauschbeitrag durch die Sonne, durch Planeten oder durch andere kosmische Rauschquellen erheblich sein. Bei der laufenden Mission "Venus-Express" und bei der geplanten Mission "BepiColombo" zum Merkur ist der Winkelabstand zwischen der Antennen-Hauptstrahlrichtung und der Sonne oft sehr klein. Über die Seitenkeulen wird dann ein relevanter Anteil vom Sonnenrauschen aufgenommen. Abb. 2: Strahlungsdiagramm eines Dipols 0,1λ (l.) und über realem Grund mit der Fischaugen-Analogie aus der Optik (Foto: Gerd Holler StAV) Abb. 3: Einflüsse auf eine Satellitenverbindung Der Rauschbeitrag der atmosphärischen Gase ist für Richtantennen abhängig vom Elevationswinkel. Bei tiefen Elevationswinkeln wird der Weg durch die Atmosphäre immer länger, was höhere Dämpfung und damit höheres thermisches Rauschen zur Folge hat. Dieser Effekt ist in Abb. 4 mit den roten J-Kurven für drei Elevationswinkel dargestellt. Bei den sehr empfindlichen Deep-Space Antennen hat auch das Echo vom Urknall mit 2.6K Hintergrundstrahlung (Fa = -20.5 dB) eine Bedeutung. ESA Tracking Station Network ESTRACK ESTRACK ist ein weltweites System von 10 Bodenstationen für die Verbindungen zwischen den Raumsonden und dem Europäischen Raumflugkontrollzentrum ESOC in Darmstadt. Die drei grössten 35m Deep Space Antennen DSA1, DSA2 (Abb. 6) und DSA3 sind in einem Winkelabstand von ungefähr 120° angeordnet. So können unterbruchsfreie Verbindungen zu den Raumsonden interplanetarer Missionen gewährleistet werden. Die DSA1 steht in New Norcia in Australien, die DSA2 in Cebreros in Spanien und die neuste Antenne DSA3 in Malargüe in Argentinien. Abb. 5 zeigt die Standorte der drei 35m Deep Space Antennen. Mit diesem Netzwerk werden die Raumsonden gesteuert und überwacht. Die wichtigste Aufgabe ist natürlich der fehlerund unterbruchsfreie Empfang der wertvollen wissenschaftlichen Daten. Bei Raumsonden ist die verfügbare Energie sehr begrenzt. Der grösste Teil der verfügbaren Energie sollte möglichst für die wissenschaftliche Nutzlast einsetzbar sein. Vergleichbare Einschränkungen gelten auch für das Gewicht und das nutzbare Volumen einer Raumsonde. Aus diesem Grund wird möglichst viel der Kommunikationsinfrastruktur in den Bodenstationen konzentriert. Das führt zu höchsten technischen Anforderungen. Die Antennen müssen kleinste Signale fehlerfrei empfangen und Kommandos für die Steuerung der Raumsonden mit sehr hoher Sendeleistung mit höchst möglicher Zuverlässigkeit zu den Sonden übertragen. Die Antennen müssen eine möglichst grosse Richtwirkung (hoher Antennengewinn) haben und müssen im Empfangsfall so empfindlich wie möglich sein. Internationales Teamwork für die Realisierung einer der weltbesten Satelliten-Tracking-Antenne Die Deep-Space Bodenstationen mit den 35m Antennen wurden von der Europäischen Weltrauorganisation ESA konzipiert, spezifiziert und beauftragt. Die soeben fertig gestellte DSA3 Antenne ist eine Weiterentwicklung der DSA1 und DSA2 Antennen. Als Generalunternehmer war die kanadische Firma SED Systems Ltd. für die gesamte Bodenstation verantwortlich. Die 35m Antenne wurde von der deutschen Firma Vertex Antennentechnik GmbH konstruiert und gebaut. Zwei kleine Schweizer Firmen, die Mirad Microwave AG und die Mini Antenna GmbH, haben als Unterlieferanten im Auftrag der Firma Vertex Antennentechnik das mikrowellenoptische Reflektordesign, Entwicklung und Herstellung frequenzselektiver Spiegel und Entwicklung und Herstellung der Feedsysteme zu diesem interessanten und anspruchsvollen Projekt beigetragen. Für diese Antenne der Spitzenklasse haben noch viele andere Firmen hoch spezialisierte Produkte und Dienstleistungen geliefert. Antennenkonzept Ein weitverbreitetes Antennenkonzept für Bodenstationsantennen ist die Cassegrain-Konfiguration mit einem parabolischen Hauptreflektor und 30 HBradio 6/2012
Technik F a versus Frequency (0.1 to 100 GHz) 40 30 20 E H D: galactic noise (toward the galactic centre with narrow beamwidth) E: median city area man-made noise F: galactic noise G: black body (cosmic background) 2.7K H: quiet Sun (½° beamwidth directed at Sun) J: sky noise due to oxygen and water vapour (narrow beam antenna) F a [dB] 10 0 D -10 F J 5° EL J 30° EL -20 G J 90° EL -30 0.1 1 10 100 Frequency [GHz] Abb. 4: Frequenzabhängige Rauschpegel im Mikrowellenbereich einem hyperbolischen Subreflektor. Diese geometrisch-optischen Reflektor-Konturen werden zur Steigerung des Wirkungsgrades und zur Minimierung der Seitenkeulen im Bereich der Subreflektorüberstrahlung modifiziert und optimiert. Die Deep-Space Antennen arbeiten im X-Band (7.145- 7.235 GHz TX und 8.4-8.5 GHz RX), im K-Band (25.5-27.0 GHz RX) und im Ka-Band (31.8-32.3 GHz RX und 34.2-34.7 GHz TX). Das von einer Deep-Space Antenne aufgenommene externe Rauschen liegt im Bereich von 14 bis 28 K (Fa = -13 bis -10dB), wenn die Antenne Richtung Zenit ausgerichtet ist. Das Rauschen, das über die Seitenkeulen von der 290K warmen Erde aufgenommen wird, ist in diesen Zahlen berücksichtigt. Mit dieser Ausgangslage lohnt sich ein hoher technischer Aufwand für die Minimierung der Verluste im Speisesystem (0.1 dB Dämpfung erzeugt 6.6K Rauschtemperatur). Die Vorverstärker werden mit flüssigem Helium auf 15K gekühlt damit die Rauschzahl so tief wie möglich gehalten werden kann. Im X-Band erfordert die sehr hohe Sendeleistung von 20 kW CW eine Wasserkühlung des gesamten Sendezweiges, inklusive Verbindungshohlleiter und Sende- Empfangsdiplexer. Um die Wege und damit die Verluste so kurz und gering wie möglich zu halten, müssen die heliumgekühlten Vorverstärker und die wassergekühlten Sendeverstärker möglichst nahe beim Feedhorn platziert werden. In einer Cassegrain-An- Abb.5: ESTRACK Deep Space Nertwork (Quelle: Mini Antenna GmbH) DSA3 DSA2 DSA1 tenne wird das Feedsystem üblicherweise im zweiten Fokuspunk vom Subreflektor platziert. Mit diesem Konzept ist es aber nicht mehr möglich, die voluminöse und schwere Send- und Empfangselektronik nahe am Feedhorn zu platzieren. Beam-Waveguide Konzept Mit Hilfe einer Beam-Waveguide Antenne kann das Problem gelöst werden. Zusätzliche Umlenkspiegel leiten das Mikrowellensignal in den sogenannten Antennengeräteraum ‚Antenna Equipment Room AER‘. In Abb. 7 ist die Drehung der Antenne um die Elevationsachse dargestellt. Der skizzierte X-Band-Beam endet bei jedem beliebigen Elevationswinkel immer im gleichen Fokuspunkt im X-Band Feed-Horn. Das Gleiche gilt für ein Drehung um die Azimutachse, dargestellt in Abb. 8. Bei beiden Drehungen wird auch die Polarisation mitgedreht, was aber für zirkular polarisierte Signale keine Bedeutung hat. Mit diesem Antennenkonzept ist es möglich Feedsysteme, gekühlten Vorverstärker und Sendeverstärker in einem geschützten Raum HBradio 6/2012 31
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<strong>Technik</strong><br />
Deep-Space Antennen (2)<br />
sichtigt werden. Die optische Analogie<br />
zu einer Richtantenne ist das<br />
Fernrohr. Von den Astronomen wissen<br />
wir nun, dass man es tunlichst<br />
vermeiden sollte, das Fernrohr auf<br />
die Sonne auszurichten. Das lässt<br />
sich bei Satellitenverbindungen aber<br />
nicht immer vermeiden. Bei geostationären<br />
Satelliten steht die Sonne<br />
an zwei Tagen im Jahr für kurze Zeit<br />
genau hinter den Satelliten. Während<br />
dieser Zeit kann der Empfang durch<br />
den Einfluss der Sonne unterbrochen<br />
werden. Auch bei den Deep-Space<br />
Antennen kann der Rauschbeitrag<br />
durch die Sonne, durch Planeten oder<br />
durch andere kosmische Rauschquellen<br />
erheblich sein. Bei der laufenden<br />
Mission "Venus-Express" und bei der<br />
geplanten Mission "BepiColombo"<br />
zum Merkur ist der Winkelabstand<br />
zwischen der Antennen-Hauptstrahlrichtung<br />
und der Sonne oft sehr klein.<br />
Über die Seitenkeulen wird dann ein<br />
relevanter Anteil vom Sonnenrauschen<br />
aufgenommen.<br />
Abb. 2: Strahlungsdiagramm eines Dipols 0,1λ (l.) und über realem Grund mit der<br />
Fischaugen-Analogie aus der Optik (Foto: Gerd Holler StAV)<br />
Abb. 3: Einflüsse auf eine Satellitenverbindung<br />
Der Rauschbeitrag der atmosphärischen<br />
Gase ist für Richtantennen<br />
abhängig vom Elevationswinkel. Bei<br />
tiefen Elevationswinkeln wird der Weg<br />
durch die Atmosphäre immer länger,<br />
was höhere Dämpfung und damit höheres<br />
thermisches Rauschen zur Folge<br />
hat. Dieser Effekt ist in Abb. 4 mit den<br />
roten J-Kurven für drei Elevationswinkel<br />
dargestellt. Bei den sehr empfindlichen<br />
Deep-Space Antennen hat auch<br />
das Echo vom Urknall mit 2.6K Hintergrundstrahlung<br />
(Fa = -20.5 dB) eine<br />
Bedeutung.<br />
ESA Tracking Station Network ESTRACK<br />
ESTRACK ist ein weltweites System<br />
von 10 Bodenstationen für die Verbindungen<br />
zwischen den Raumsonden<br />
und dem Europäischen Raumflugkontrollzentrum<br />
ESOC in Darmstadt.<br />
Die drei grössten 35m Deep<br />
Space Antennen DSA1, DSA2 (Abb.<br />
6) und DSA3 sind in einem Winkelabstand<br />
von ungefähr 120° angeordnet.<br />
So können unterbruchsfreie Verbindungen<br />
zu den Raumsonden interplanetarer<br />
Missionen gewährleistet<br />
werden.<br />
Die DSA1 steht in New Norcia in Australien,<br />
die DSA2 in Cebreros in Spanien<br />
und die neuste Antenne DSA3<br />
in Malargüe in Argentinien. Abb. 5<br />
zeigt die Standorte der drei 35m<br />
Deep Space Antennen. Mit diesem<br />
Netzwerk werden die Raumsonden<br />
gesteuert und überwacht. Die wichtigste<br />
Aufgabe ist natürlich der fehlerund<br />
unterbruchsfreie Empfang der<br />
wertvollen wissenschaftlichen Daten.<br />
Bei Raumsonden ist die verfügbare<br />
Energie sehr begrenzt. Der grösste Teil<br />
der verfügbaren Energie sollte möglichst<br />
für die wissenschaftliche Nutzlast<br />
einsetzbar sein. Vergleichbare Einschränkungen<br />
gelten auch für das Gewicht<br />
und das nutzbare Volumen einer<br />
Raumsonde. Aus diesem Grund wird<br />
möglichst viel der Kommunikationsinfrastruktur<br />
in den Bodenstationen<br />
konzentriert. Das führt zu höchsten<br />
technischen Anforderungen. Die Antennen<br />
müssen kleinste Signale fehlerfrei<br />
empfangen und Kommandos für<br />
die Steuerung der Raumsonden mit<br />
sehr hoher Sendeleistung mit höchst<br />
möglicher Zuverlässigkeit zu den Sonden<br />
übertragen. Die Antennen müssen<br />
eine möglichst grosse Richtwirkung<br />
(hoher Antennengewinn) haben<br />
und müssen im Empfangsfall so empfindlich<br />
wie möglich sein.<br />
Internationales Teamwork für die<br />
Realisierung einer der weltbesten<br />
Satelliten-Tracking-Antenne<br />
Die Deep-Space Bodenstationen mit den<br />
35m Antennen wurden von der Europäischen<br />
Weltrauorganisation ESA konzipiert,<br />
spezifiziert und beauftragt. Die<br />
soeben fertig gestellte DSA3 Antenne ist<br />
eine Weiterentwicklung der DSA1 und<br />
DSA2 Antennen. Als Generalunternehmer<br />
war die kanadische Firma SED Systems<br />
Ltd. für die gesamte Bodenstation<br />
verantwortlich. Die 35m Antenne wurde<br />
von der deutschen Firma Vertex Antennentechnik<br />
GmbH konstruiert und gebaut.<br />
Zwei kleine Schweizer Firmen, die<br />
Mirad Microwave AG und die Mini Antenna<br />
GmbH, haben als Unterlieferanten<br />
im Auftrag der Firma Vertex Antennentechnik<br />
das mikrowellenoptische Reflektordesign,<br />
Entwicklung und Herstellung<br />
frequenzselektiver Spiegel und Entwicklung<br />
und Herstellung der Feedsysteme zu<br />
diesem interessanten und anspruchsvollen<br />
Projekt beigetragen. Für diese Antenne<br />
der Spitzenklasse haben noch viele andere<br />
Firmen hoch spezialisierte Produkte<br />
und Dienstleistungen geliefert.<br />
Antennenkonzept<br />
Ein weitverbreitetes Antennenkonzept<br />
für Bodenstationsantennen ist die<br />
Cassegrain-Konfiguration mit einem<br />
parabolischen Hauptreflektor und<br />
30 HBradio 6/2012
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