¿Por qué las antenas en la superficie esférica de algunos de los primeros satélites tenían forma de espiral?

Esas son antenas espirales .

Las antenas en espiral pertenecen a la clase de antenas independientes de la frecuencia que operan en una amplia gama de frecuencias. La polarización, el patrón de radiación y la impedancia de tales antenas permanecen sin cambios en un gran ancho de banda.[3] ... Las antenas espirales son antenas de tamaño reducido con sus devanados convirtiéndolas en una estructura extremadamente pequeña.

Por lo tanto, una antena que puede operar en un amplio rango de frecuencias con un buen rendimiento predecible y con un tamaño reducido. Todas las cualidades deseables para una antena que se utilizará en una nave espacial.

Para los satélites de navegación Transit, tendré que adivinar. Los primeros Transit se lanzaron en cohetes Scout, lo que significó severas limitaciones de tamaño y peso. Eso hace que una antena que se puede pintar en la superficie exterior del satélite sea una opción atractiva. Su función no parece dictar un amplio rango de frecuencias: transmite en dos frecuencias fijas.

La respuesta de @Hobbes es correcta sobre el qué , pero no sobre el por qué .

Las ondas de radio, al igual que la luz, son ondas electromagnéticas. Por ser ondas transversales de los campos eléctrico y magnético, se pueden polarizar. Hay dos formas (*1) de polarizar las ondas EM: polarización lineal y polarización circular.

polarización lineal

• El campo eléctrico vibra en una dirección perpendicular a la dirección de propagación, pero con una amplitud que fluctúa periódicamente.
• Ejemplo de luz: gafas de sol polarizadas
• Ejemplos de radio: antenas dipolo; televisión, radio, Wifi, antena Apollo de alta ganancia

polarización circular

• El campo eléctrico mantiene una amplitud constante, pero la dirección cambia a medida que se propaga la onda.
• Ejemplo de luz: anteojos polarizados para películas en 3D
• Ejemplos de radio: antenas espirales, antenas helicoidales, antena cimitarra Apolo

Cuando las ondas EM se reflejan en superficies lisas, pueden polarizarse linealmente. El mejor ejemplo de esto es el deslumbramiento , que es la luz que se refleja en la carretera, la nieve o el suelo. En este caso, el campo eléctrico perpendicular a la superficie se reduce por la interferencia destructiva, por lo que decimos que la luz reflejada se polariza paralelamente a la superficie. Al usar anteojos de sol polarizados que están polarizados verticalmente, puede bloquear el resplandor y aún así ver la luz ambiental.

La misma interferencia destructiva por reflexión también puede ocurrir con las ondas de radio. La televisión, la radio y el wifi se transmiten mediante antenas dipolo que crean una onda de radio polarizada en la dirección de la antena (vertical en el caso de la televisión y la radio). Sin embargo, cuando la señal se refleja en ciertas características geográficas, puede obtener la cancelación de la señal polarizada linealmente. Esta es la razón por la cual algunos lugares tienen dificultades para recibir señales de radio o televisión. Sin embargo, este problema no ocurre con señales polarizadas circularmente .

Otro problema con la polarización lineal es que cuando gira el transmisor (o receptor), la amplitud de la señal cambia. Si inclina la cabeza mientras usa gafas de sol polarizadas, el resplandor comenzará a aparecer. Podrías hacer una película en 3-D con lentes polarizados linealmente (un ojo polarizado horizontalmente y el otro ojo polarizado verticalmente), pero verías imágenes dobles si inclinas la cabeza. También es por eso que la antena de su enrutador WiFi se puede girar en varias orientaciones. Este es otro problema que no ocurre con las señales polarizadas circularmente . Por lo tanto, los anteojos para películas en 3D usan polarización circular.

La desventaja de las antenas espirales es que son ineficientes. Tienden a difundir su señal en un haz amplio, lo que significa que gran parte de la energía de la transmisión de radio se transmite en la dirección equivocada. Como señala @Hobbes, pueden transmitir en un ancho de banda amplio; no desea hacer esto ya que requiere más potencia de transmisión.

Poner una antena espiral o helicoidal en una nave espacial en órbita es una buena idea. Crea ondas de radio polarizadas circularmente, lo que significa que la orientación de las antenas no importa. Eso es importante para una nave espacial en órbita, que cambia constantemente su orientación en relación con las posiciones en la Tierra. También existe la ventaja de que la onda polarizada circularmente es menos susceptible a la interferencia por reflexión. Puede ver una imagen de una antena helicoidal en una estación de seguimiento terrestre en mi respuesta aquí .

Por el contrario, las naves espaciales más allá de la órbita (piense en Apolo o Voyager) tienen orientaciones bastante estables, por lo que utilizan antenas polarizadas linealmente más eficientes. Es por eso que Apolo tenía tantas malditas antenas: algunas para cuando la orientación era estable (*2), y otras para cuando la orientación cambiaba (*3).

(*1) La polarización elíptica es una tercera forma de polarizar las ondas EM, pero no agrega nada a esta discusión.

(*2) CSM to Earth (viaje entre la Tierra y la luna); LEM a la Tierra (en la luna); el S-IVB ("tercera etapa") a la Tierra; y los experimentos ALSEP dejados atrás.

(*3) CSM a la Tierra (órbita terrestre o lunar); LEM a CSM; LEM a Tierra (ascendente/descendente); vehículo lunar a CSM.

De esta respuesta relacionada :

Ver una antena satelital esférica de banda ancha (paywalled)

tl; dr:

Como ya se señaló en la respuesta de @Hobbes :

• Amplio rango de frecuencias al ser una forma de solo ángulos sin longitud característica
• isotrópico sin nulos fuertes, el peor de los casos es -10 dB.

Algunos de los satélites esféricos con patrones en espiral, de: Satélites terrestres artificiales, diseñados y fabricados por el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins

Satellite                      Transmitters
   1-A     17-Sep-1959      54/108 MHz, 162/216 MHz, 108 MHz (TM).
   1-B     13-Apr-1960     162/216 MHz,  54/324 MHz
   2-A     22-Jun-1960     162/216 MHz,  54/324 MHz, 108 MHz (TM), and NOTS infrared scanner on 107.9 MHz
   3-A     30-Nov-1960     162/216 MHz,  54/324 MHz, 108 MHz (TM)
   3-B     21-Feb-1961     162/216 MHz,  54/324 MHz, 136 MHz (TM), and 224/421/448 MHz (SECOR)

Después de esto, la nave espacial cambió de forma y no se usaron las espirales. Según Spacecraft Design Innovations en el APL Space Department (Johns Hopkins APL Technical Digesl. Volumen 13. Número 1 (1992)):

LA HÉLICE CUADRIFULAR

El Departamento Espacial necesitaba desarrollar varias antenas novedosas para irradiar la señal Doppler al suelo. Los primeros Transit utilizaron una proyección esférica inventada por APL de una espiral logarítmica (Fig. 3). Cuando la nave espacial posterior se apartó de la forma esférica, el diseño cambió a la antena de "pantalla de lámpara", acertadamente nombrada. Sin embargo, esa antena sufría de una polarización deficiente y un patrón de ganancia nulo en el nadir. Era evidente que se necesitaba una nueva antena, una que pudiera proporcionar una cobertura de haz amplio con una buena polarización circular pero que fuera pequeña en comparación con la longitud de onda de 2 my el propio cuerpo de la nave espacial. Charles C. Kilgus respondió a esta necesidad al inventar la hélice cuadrifilar resonante, volada por primera vez en Triad (y visible en la Fig. 7) ⁸

⁸ Kilgus, CC, "Resonant Quadrifilar Helix Design", Microwave 1. l3 (12), 49-54 (1970).

De la patente estadounidense US3,034,121 , 8 de mayo de 1962:

El requisito de una antena de banda ancha, que cubra un rango de frecuencia de al menos cuatro a uno y proporcione características de radiación que no produzcan nulos mayores de 10 db con respecto al máximo en cualquier plano, y en cualquier ángulo con respecto a la antena dentro de un límite esférico, fue generado por el desarrollo de un vehículo aéreo esférico especial. Este requisito se impuso de tal manera que, independientemente de la posición del vehículo en el espacio, la variación de la señal recibida no sería superior a 10 db debido a cambios en el patrón de la antena.

El diseño de la antena que constituye la presente invención se basa en las propiedades establecidas de la clase de antenas de banda ancha que utilizan conductores o ranuras en espiral equiangular. Una antena de este tipo tiene la propiedad de que su forma se especifica completamente mediante ángulos, por lo que su rendimiento es independiente de la longitud de onda. Un ejemplo familiar de tal antena es la bocina bicónica infinita.

La espiral logarítmica tiene la propiedad de que un ángulo entre la tangente tangente a la curva y su radio vector es constante y mayor de 90 grados. Tal espiral se muestra en la FIG. 1. Se puede construir una antena de ranura en espiral trazando dos espirales deslizadas en ángulo con respecto a. entre sí, como se muestra en la fig. 2. De manera similar, como se muestra en la FIG. 3, se puede producir una ranura de doble espiral trazando dos espirales (FIG. 2) 180 grados entre sí. En la Fig. 3 los puntos de alimentación se muestran en XX.

La presente invención contempla la aplicación de una antena espiral logarítmica a la superficie de un hemisferio en lugar de a una superficie o lámina plana como en la práctica convencional. Más concretamente, y como se muestra en la fig. 4 de los dibujos, la presente invención utiliza un par de antenas espirales logarítmicas concéntricas aplicadas espalda con espalda. La esfera se muestra en 10 y está montada sobre un soporte adecuado 12 que también lleva la línea de alimentación, que se describirá más adelante. pasa a través del ecuador de la esfera, indicado en 14, y está "por lo tanto posicionado normal al eje polar de la esfera. Adecuadamente asegurado o formado en cada mitad de la esfera hay un par de elementos de antena logarítmica en espiral concéntricos 16 y 18 separados por relleno dieléctrico en la figura 3.

Continúa, y luego dice:

Cuando las dos espirales que se alimentan independientemente en los polos se alimentan en fase, por líneas de igual longitud, desde un punto común y los componentes de radiación están en fase alrededor del ecuador, el patrón de radiación es una figura de revolución alrededor del eje polar.