Innovazioni rivoluzionarie sulla tecnologia delle antenne, basato su una collaborazione tra Lockheed Martin Space e Penn State, sono ora allo studio per l'uso nella prossima generazione di payload satellitari GPS.

Douglas Werner, John L. e Genevieve H. McCain Professore cattedra di ingegneria elettrica, insieme ai suoi attuali ed ex studenti laureati, J. Daniel Binion e Zhi Hao Jiang, rispettivamente, ha lavorato in collaborazione con Erik Lier e Thomas H. Hand di Lockheed Martin Space per migliorare notevolmente il design dell'antenna convenzionale contro il ritorno di fiamma corta aumentando significativamente la sua efficienza di apertura (guadagno), senza intaccare il suo design robusto e compatto, né aumentarne il peso.

Questo tipo di antenna è stato originariamente sviluppato negli anni '60 presso l'Air Force Research Lab. Da allora, è stato usato in molti terreni, applicazioni marittime e spaziali, forse in particolare nella comunicazione tra la NASA e la navicella spaziale Apollo, ed è ancora in uso sulle torri di antenne di comunicazione terrestre oggi. Però, pochi progressi significativi sono stati fatti a questo design vecchio di decenni.

"Per usarlo per lo spazio, è importante avere le migliori prestazioni complessive perché costa molto sviluppare e far volare i payload, e hai solo una possibilità, " disse Lier. "La nostra antenna è più piccola, peso più leggero, ha una maggiore efficienza, è meccanicamente più robusto rispetto ai progetti storici utilizzati sui satelliti GPS, e può resistere al difficile ambiente spaziale."

Werner ha concordato, aggiungendo, "Siamo stati in grado di progettare le proprietà elettromagnetiche per soddisfare i severi requisiti di radiofrequenza (RF) senza sacrificare altri requisiti operativi che sono unici per l'ambiente spaziale".

Queste proprietà sono rese possibili attraverso l'uso di metamateriali. Rispetto alle antenne convenzionali a corto ritorno di fiamma, la nuova antenna offre un aumento di guadagno di un decibel (aumento del 25%); una forma esagonale invece della forma circolare, che si traduce in un ulteriore aumento del guadagno se utilizzato in un'applicazione di antenne a schiera; e capacità dual band che consente all'antenna di operare con alta efficienza alle due frequenze richieste per le applicazioni GPS.

Il documento che dettaglia la loro ricerca e i risultati, "Un design abilitato per i metamateriali che migliora la tecnologia delle antenne a ritorno di fiamma breve decennale per applicazioni spaziali, " è stato recentemente pubblicato in Comunicazioni sulla natura .

La partnership tra Lockheed Martin e i ricercatori della Penn State è stata fondamentale per trasformare in realtà questa visione di un'antenna migliorata.

"Questa collaborazione continua funziona eccezionalmente bene. Stiamo usando i nostri punti di forza:la comprensione delle necessità e dei requisiti, le idee e i concetti, ma non possiamo farlo senza le abilità e le capacità uniche offerte da Penn State, " ha affermato Lier. "Penn State è un leader mondiale nei sistemi RF abilitati per metamateriali e nella simulazione elettromagnetica associata e negli strumenti di ottimizzazione necessari per realizzare la progettazione e l'implementazione del nostro concetto proposto. Portiamo a Doug e al suo team la visione, e fanno il pesante sollevamento computazionale. Sono all'avanguardia in queste cose".

Poiché Lockheed Martin ha vinto il contratto per la prossima generazione di satelliti GPS, il design del team di ricerca potrebbe adattarsi perfettamente ai futuri payload dei satelliti GPS, un fatto che Werner e i suoi studenti trovano particolarmente eccitante.

"La cosa fantastica di questa collaborazione è che ci dà un focus per questa ricerca, " ha detto Werner.