Indledning
Når en satellit først er opsendt, er der kun én mulig form for kontakt med Jorden – nemlig radiokommunikation. Den skal sikre, at alle kommandoer fra Jorden overføres til satellitten, og at alle oplysninger fra satellitten overføres til Jorden. Hvis radiokommunikationen svigter er satellitten tabt – uanset om satellitten i øvrigt fungerer – og de instrumenter, som varetager radiokommunikationen, er særdeles kritiske for enhver satellitmissions succes.

Ét centralt instrument er satellitantennen, hvis udvikling kræver stor omhu med både omfattende teoretiske beregninger og omfattende eksperimentelle målinger. I denne artikel beskrives kort nogle satellitantenne-aktiviteter ved Institut for Elektromagnetiske Systemer på Danmarks Tekniske Universitet, som udføres i samarbejde med bl.a. det danske småsatellit-program DSSP og Europen Space Agency ESA.

Figur 1. Ørsted-satellitten under integration. Kryds-dipol antennen er placeret i øvre venstre hjørne af satellittens bundplade. Senere monteredes en tilsvarende antenne i nedre højre hjørne. Foto: Olav Breinbjerg, DTU.

Småsatellitantenner - i samarbejde med DSSP
Institut for Elektromagnetiske Systemer stod for udviklingen af antennesystemet til Ørsted-satellitten, som blev opsendt i februar 1999, og arbejder nu med antennesystemet til den kommende Rømer-satellit, som planlægges opsendt i 2003. I begge tilfælde har studerende ved Instituttet i stort omfang deltaget i udviklingen som led i civilingeniørstudiet, og det har været særdeles motiverende at arbejde med projekter af denne specielle karakter. De to missioner har vidt forskellige videnskabelige formål og kredsløb i rummet, hvilket har haft afgørende betydning for de to antenne- systemer, som beskrevet i det følgende.

Ørsted-satellitten
Ørsted-satellitten er i kredsløb i en bane, hvis højde over Jorden varierer mellem 620 og 850km, og satellitten er retningsstabiliseret, således at samme side altid vender mod Jorden. Denne side udgør derfor en naturlig placering for antennen. Faktisk er der to antenner, fordi satellitten indeholder to helt ens, men helt uafhængige, kommunikationssystemer, hvoraf det ene har rollen som reservesystem for det andet.

Antennen har en tilpasning, der sikrer, at mindst 96% af energien i signalet fra senderen omsættes til radiobølger i rummet. Den har en retningsafhængighed, så den udsender radiobølger i en bred vifte af retninger - og tilsvarende modtager radiobølger fra samme brede vifte af retninger. Dette sikrer, at der kan kommunikeres med jordstationen (placeret på Meteorologisk Institut i København) fra det øjeblik satellitten i dens kredsløb dukker frem bag den ene horisont til den forsvinder bag den anden horisont. Endelig har antennen en båndbredde, som sikrer, at den kan varetage både up-link kommunikationen (fra Jorden til satellitten) på 2040MHz og down-link kommunikationen (fra satellit til Jorden) på 2215MHz.

Antennen, som er vist på Figur 1, er en såkaldt kryds-dipol antenne. Den er i sig selv en forholdsvis simpel antenne mht. til både dens mekaniske konstruktion og dens virkemåde. Men dens placering tæt på den metalliske satellitstruktur gør, at satellitten også kommer til at virke som en antenne, og kombinationen af en kryds-dipol og Ørsted-satellitten er en forholdsvis kompliceret antenne.

Figur 2. Rømer-satellittens slids-kavitet antenne. Prototypen her består af en aluminiums- kavitet og messing-topplade med to vinkelrette slidser afsluttet i cirkulære huller. Foto: Lasse Rusborg, DTU

Indflydelsen af satellitten kan forklares på følgende vis: Kryds-dipol antennen udsender radiobølger i to retninger, dels væk fra satellitten -det kaldes den direkte bølge - og dels ind mod satellitten. Radiobølgen der udsendes imod satellitten reflekteres af dennes metalliske overflade - det kaldes den reflekterede bølge - og kombineres med den direkte bølge. Kombinationen af den direkte og den reflekterede bølge kaldes den totale bølge, og det er dén, som modtages ved jordstationen. I nogle tilfælde kan den reflekterede bølge forstærke den direkte bølge, i andre tilfælde kan den svække den direkte bølge -og i nogle tilfælde helt udslukke den direkte bølge, hvilket umuliggør radiokommunikation. Hvad der sker afhænger på meget kompliceret vis af radiobølgens frekvens og antennens samt satellittens udformninger og deres indbyrdes placering.

En stor udfordring i arbejdet med Ørsted-satellittens antennesystem var netop at bestemme indflydelsen af satellitstrukturen. Det krævede en mængde teoretiske beregninger med metoder, som Institut for Elektromagnetiske Systemer har udviklet på grundlag af Maxwell's ligninger. Desuden blev der lavet en model af Ørsted-satellitten og antennen, så der kunne foretages eksperimentelle målinger, se Figur 4. Disse beskrives nærmere nedenfor.

Figur 3. Rømer-satellitten med to slids-kavitet antenner integreret i satellittens overflade sammen med solpanelerne. Kilde: Dansk Rumforskningsinstitut

Rømer-satellitten
Rømer-satellitten opsendes i et kredsløb, hvis højde over Jorden varierer mellem 500 og 40000km, og missionens videnskabelige formål gør, at satellitten kan have en vilkårlig orientering i forhold til Jorden, mens radiokommunikationen skal opretholdes uanset orienteringen. Mens dette tillader et antennesystem med samme tilpasning og båndbredde som Ørsted-antennen, nødvendiggør det en anden retningsafhængighed, der sikrer, at radiobølgen udsendes i alle retninger af rummet - og kan modtages fra alle retninger af rummet. Det kan bevises rent teoretisk – fra Maxwell’s ligninger – at dette er umuligt med blot én enkelt antenne. Rømer-satellittens antennesystem vil derfor bestå af to antenner, der placeres på hver sin side af satellitten og derfra dækker hver sin halvdel af rummet. Desuden skal der, som på Ørsted-satellitten, være et reserve-kommunikationssystem, så der bliver i alt fire antenner.

Selve antennen er også forskellig fra Ørsted-satellittens, idet der anvendes en såkaldt slids-kavitet antenne. Denne består af en metallisk kasse - en såkaldt kavitet - med to vinkelrette slidser i den ene side, hvorigennem radiobølgen udsendes eller modtages, se Figur 2. Fordelen ved slids-kavitet antennen er, at den kan integreres i satellittens overflade samtidig med, at den kan sikre den nødvendige retningsafhængighed. Da den ikke stikker ud fra satellitten - og dermed ikke kaster nogen skygge - vil den kunne placeres sammen med solpanelerne som vist på Figur 3.

Til gengæld er slids-kavitet antennen i sig selv en forholdsvis kompliceret antenne, og da Rømer-satellittens struktur er mere kompliceret end Ørsted-satellittens, udgør kombinationen af slids-kavitet antennen og Rømer-satelliten et yderst vanskeligt problem. Dette kræver udvikling af helt nye teoretiske metoder, anvendelse af omfattende computerberegninger samt omfattende målinger, og dette arbejde er lige nu i fuld gang ved Institut for Elektromagnetiske Systemer.

Figur 4. The DTU-ESA Spherical Near-Field Antenna Test Facility ved Institut for Elektromagnetiske Systemer på Danmarks Tekniske Universitet. Der forberedes en måling af Ørsted-satellittens antenne-system. Foto: Lasse Rusborg, DTU.

Antennemålinger - i samarbejde med ESA
Ved Institut for Elektromagnetiske Systemer har Danmarks Tekniske Universitet og European Space Agency i fællesskab oprettet et testcenter for meget nøjagtige antennemålinger kaldet The DTU-ESA Spherical Near-Field Antenna Test Facility. Uanset at avancerede teoretiske metoder i dag kan give en nøjagtighed af beregninger på op til 1 promille, er det stadigt nødvendigt af foretage eksperimentelle afprøvninger af bl.a. antennens retnings-afhængighed vha. målinger.

Da radiokommunikation altid finder sted over store afstande – dette gælder jo især for satellitantenner - er det retningsafhængigheden i det såkaldte fjernfelt af antennen, som er af interesse. Afstanden fra antennen til starten af dens fjernfelt afhænger udelukkende af antennens størrelse og radiobølgens frekvens; for Rømer-satellittens antennesystem er fjernfeltsafstanden ca. 30m. En direkte måling af antennens retningsafhængighed i fjernfeltet kræver derfor en måleafstand på disse 30m og derfor en udendørs antennemålingsfacilitet. En udendørs facilitet lider dog af mange ulemper - i Danmark ikke mindst klimaet - og indendørs faciliteter er derfor at foretrække. Her kan man imidlertid kun måle antennens retningsafhængighed i dens såkaldte nærfelt, og det er derfor nødvendigt, at man efterfølgende kan beregne fjernfeltet på grundlag af det målte nærfelt.

Det teoretiske grundlag for denne beregning, som naturligt kaldes en nærfelt-til-fjernfelt-transformation, blev udviklet ved Instituttet og dannede grundlag for oprettelsen af den nuværende facilitet, se Figur 4. Billedet viser forberedelsen af en måling af Ørsted-satellittens antennesystem. En satellitmodel med antennen monteres i det såkaldte antennetårn, hvorfra der udsendes radiobølger; mens en modtagerantenne -kaldet en probe - monteres i det såkaldte probetårn. Satellitmodellen kan roteres omkring både en lodret og en vandret akse, hvilket også svarer til at bevæge proben rundet på en kugle (sfærisk flade) omkring satellitten, og dér måle radiobølgen i en række punkter.

Figur 5. Offset-reflektorantenne udviklet ved Institut for Elektromagnetiske Systemer. Antennen anvendes som reference-antenne ved kvalitetsgodkendelse af antennemålings-faciliteter i Europa. Foto: Lasse Rusborg, DTU

Rummet, som indeholder de to tårne, har størrelsen 16x14x12m, og det kaldes et radiodødt rum. Dels fordi at det er indkapslet i en metallisk skærm, som udelukker alle forstyrrende radiobølger udefra, og dels fordi det indvendigt er beklædt med et radiobølge-absorberende materiale, der udelukker alle uønskede refleksioner fra gulv, vægge og loft. Fordi målingerne foretages i alle retninger fra antennen, kan der i en sfærisk nærfeltsfacilitet opnås en meget stor nøjagtighed – typisk 1% - som overgår udendørs faciliteter og andre typer af indendørs faciliteter. Systemet kan i dag foretage målinger fra 500MHz til 40000MHz, og der planlægges en udvidelse til 60000MHz.

Ved indvielsen var DTU’s facilitet den eneste sfæriske nærfeltsfacilitet i Europa; men siden er andre fulgt efter. Faciliteten er i dag et eksternt referencelaboratorium for ESA, og der foretages målinger af satellitantenner til mange forskellige formål. Der foretages i øvrigt mange andre antennemålinger – f.eks. til mobilkommunikation.

Med de mange faciliteter - sfæriske og andre - der gennem årene er etableret i Europa, er der opstået et behov for at standardisere kvalitetsgodkendelsen af disse. Til dette formål har Instituttet på vegne af ESA stået for gennemførelsen af et projekt til sammenligning af forskellige faciliteter. Til dette formål udvikledes en speciel 12000MHz referenceantenne, der som vist i Figur 5 er en offset- reflektor antenne. For at opnå en høj mekanisk stabilitet - og dermed stor stabilitet af antennens tilpasning, retningsafhængighed og båndbredde - er den udført i et meget let og stærkt materiale bestående af skum og kulfibre. I dag anvendes denne antenne over hele Europa til kvalitetsgodkendelse af nye antennemålings-faciliteter.

Yderligere oplysninger
Interesserede læsere er velkomne til at kontakte artiklens forfatter på nedenstående adresse og anbefales at besøge følgende hjemmesider: Institut for Elektromagnetiske Systemer på adressen www.emi.dtu.dk, Dansk SmåSatellit-Program på adressen www.dsri.dk, og European Space Agency på adressen www.esa.int.

Forfatteren:
Olav Breinbjerg, lektor, Institut for Elektromagnetiske Systemer, Danmarks Tekniske Universitet, 2800 Kgs. Lyngby, telefon: 4525 3800, e-mail: ob@emi.dtu.dk