¿Cómo funciona el reflector de radar pasivo experimental de SpaceBEE?

Los 4 satélites originales eran cubesats de 0.25U (como se muestra en la imagen de la pregunta), mientras que los más nuevos son de 1U (cúbicos). El tamaño más grande de los satélites más nuevos proporciona espacio para los reflectores Van Atta en cuatro de las caras del cubo ¹ . Aquí está mi comprensión ² de cómo funcionan los reflectores:

En su forma más básica, los reflectores Van Atta son retrorreflectores de matriz en fase completamente pasivos que son planos y delgados. Consisten en un conjunto simétrico de antenas de parche con pares opuestos conectados por guías de ondas. Cuando una antena recibe una señal, viaja a lo largo de la guía de ondas y es retransmitida por la antena emparejada. La longitud de cada guía de ondas es tal que la señal retransmitida, en el dominio de frecuencia ³ y en todo el arreglo, será idéntica a la señal recibida excepto que la señal retransmitida está desfasada 180° con respecto a la señal recibida. Gracias a la interferencia de las señales retransmitidas, el frente de onda de la señal agregada volverá a apuntar al transmisor original (activo).

Cada señal ⁴ enviada a través del reflector debe ser lo suficientemente larga como para que las ondas retransmitidas (retardadas) puedan interferir. Además, los retrasos de las guías de onda se sintonizan a una frecuencia específica con la longitud de cada guía de onda directamente relacionada con la frecuencia de trabajo deseada ⁵ . Si no se cumplen estas condiciones, el reflector no funcionará correctamente. Tenga en cuenta, sin embargo, que no existe ningún requisito de que las ondas de interferencia de salida provengan del mismo pulso de entrada ⁶ .

Ejemplo de diseño de un reflector Van Atta (los números indican antenas emparejadas):

.-------------------------.
| .---. .---. .---. .---. |
| | 1 | | 2 | | 3 | | 4 | |
| '---' '---' '---' '---' |
| .---. .---. .---. .---. |
| | 5 | | 6 | | 7 | | 8 | |
| '---' '---' '---' '---' |
| .---. .---. .---. .---. |
| | 8 | | 7 | | 6 | | 5 | |
| '---' '---' '---' '---' |
| .---. .---. .---. .---. |
| | 4 | | 3 | | 2 | | 1 | |
| '---' '---' '---' '---' |
'-------------------------'

Dos partes del diseño son sensibles a la frecuencia: el tamaño de las antenas y las longitudes de las guías de ondas. Para un rendimiento óptimo, el ancho y la altura de cada antena deben ser un múltiplo entero de la longitud de onda de diseño (o viceversa); si esto no se hace, la antena seguirá funcionando pero con una eficiencia mucho menor. Además, creo que el espacio entre los elementos activos y el plano de tierra también debería tener una relación similar con la longitud de onda objetivo. Como se mencionó anteriormente, los retrasos de la guía de ondas están directamente relacionados con la frecuencia de trabajo; si los retardos están desactivados, la fase será incorrecta y la formación de haces de la señal reflejada no será correcta.

Antena de parche típica:

       +-----------+
       |           |
       |   +---+   |
feed ------|   |   |--- ground
       |   +---+   |
       |           |
       +-----------+

El plano de tierra es una superficie conductora continua detrás y aislada eléctricamente del elemento activo (alimentado).

Dichas antenas de parche a menudo se construyen utilizando técnicas de fabricación de placas de PC estándar con los elementos activos grabados en la parte frontal de la placa y el plano de tierra sólido en la parte posterior. La placa de PC en sí misma actúa como espaciador dieléctrico. Las guías de ondas suelen ser cables o simplemente trazas grabadas en la placa de circuito impreso (stripline/microstrip). Al ser superficies completamente planas, las matrices de Van Atta en placas de PC pueden fabricarse para ocupar mucho menos volumen y peso que, por ejemplo, un reflector de esquina de rendimiento similar. Además, los reflectores Van Atta tienen pérdidas mucho menores en ángulos poco profundos que otros diseños de reflectores.

Con la adición de algunos circuitos activos, un mensaje puede modularse en amplitud en la señal de retorno. Esto se puede hacer, por ejemplo, colocando diodos PIN en línea con cada guía de ondas. Cambiando los diodos entre baja impedancia y alta impedancia a RF, se puede variar la intensidad de la señal devuelta; esto permite que se devuelva un mensaje de ancho de banda relativamente bajo (<1 MHz). Tenga en cuenta que el ancho de banda de la señal de retorno está más limitado por la longitud de las líneas de retardo, que deben ser lo suficientemente largas como para permitir que la señal transmitida se autointerfiera. Se sabe que los SpaceBEE más nuevos devuelven sus posiciones GPS a pedido; la técnica descrita anteriormente podría ser el método utilizado.

Echaré otro vistazo a esta respuesta en un momento, ya que estoy seguro de que hay cosas que podrían establecerse un poco más claramente.

¹ Por https://space.skyrocket.de/doc_sdat/spacebee-5.htm

² No tengo formación formal en EE o RFE por lo que las correcciones son bienvenidas.

³ Pero no típicamente el dominio del tiempo. La única vez que la señal transmitida será la misma en ambos dominios es cuando se recibe exactamente perpendicular al plano de la antena. (Podría estar equivocado acerca de esto)

⁴ Una señal definida (por mí) como múltiples ciclos contiguos de una onda desde el punto de vista del transmisor original.

⁵ $L_{waveguide} = (N + 0.5)\ \lambda : N \in \{ 0, \mathbb{Z}^+ \}, \ \lambda$= longitud de onda de diseño

Tenga en cuenta que esto supone que la onda viaja a través de la guía de ondas en$C$. En realidad, es probable que la onda viaje a través de la guía de ondas a una velocidad más lenta y el diseño deberá tener esto en cuenta.

⁶ Un pulso definido (por mí) como un ciclo completo y contiguo de la onda transmitida desde el punto de vista del transmisor original.

La patente original y algunos artículos sobre el tema (gracias a uhoh por señalarlos):

• Reflector electromagnético [US2908002A] ( PDF )
  La patente estadounidense de 1959 para el reflector Van Atta

• Diseño y fabricación de un retrorreflector de radar de perfil bajo
  Analiza los pros y los contras de varios diseños de retrorreflectores

• Un reflector tipo Van Atta de redireccionamiento pasivo
  Explica cómo funcionan los reflectores Van Atta y cómo se puede dirigir el haz retransmitido

• Técnicas de Discriminación Mejoradas para Etiquetas de Identificación de Metal Basadas en Radar
  Tesis doctoral que discute técnicas para adaptar reflectores Van Atta para su uso en entornos desordenados así como métodos para codificar datos en la señal reflejada.

Nuevo diseño (SpaceBEE 5-8; 9-11 son similares):

^{Fuente: Swarm Technologies a través de Erik Kulu, Nanosatellite & CubeSat Database, www.nanosats.eu}
Los reflectores Van Atta probablemente estén ubicados detrás de los grandes paneles cuadrados en blanco en la parte inferior del satélite.

actualización: Desde enero de 2019: Swarm quiere enviar cientos de minúsculos CubeSats a órbita; Una notoria startup pide permiso a la FCC para lanzar una constelación de 150 satélites pequeños de IoT

En segundo lugar, los satélites llevarán retrorreflectores de radar, desarrollados en el Centro de Sistemas de Guerra Espacial y Naval federal , en San Diego, para aumentar su visibilidad a las estaciones terrestres. Reflectores similares instalados en los SpaceBEE lanzados ilegalmente han demostrado que son al menos tan visibles como algunos satélites 1/2U y 1U más grandes en órbitas similares.

Un estudio realizado por la empresa de seguimiento espacial LeoLabs (pagado por Swarm) descubrió que los SpaceBEE podían detectarse más de una vez al día en promedio, lo que era mejor que algunos satélites más grandes. Swarm también ha contratado a LeoLabs para rastrear su nueva constelación y proporcionar una segunda fuente de datos orbitales para complementar la Red de vigilancia espacial del gobierno de EE. UU . Un chip GPS también transmitirá regularmente la posición del satélite a Swarm HQ.