Banbrytande innovationer inom antennteknik, baserat på ett samarbete mellan Lockheed Martin Space och Penn State, övervägs nu för användning i nästa generation av GPS-satellitnyttolaster.

Douglas Werner, John L. och Genevieve H. McCain ordförande professor i elektroteknik, tillsammans med sina nuvarande och tidigare doktorander, J. Daniel Binion och Zhi Hao Jiang, respektive, arbetade tillsammans med Erik Lier och Thomas H. Hand från Lockheed Martin Space för att dramatiskt förbättra designen av den konventionella korta bakslagsantennen genom att avsevärt öka dess bländareffektivitet (förstärkning), utan att påverka dess robusta och kompakta design, inte heller öka dess vikt.

Denna typ av antenn utvecklades ursprungligen på 1960-talet vid Air Force Research Lab. Sedan dess, den har använts på många håll, havs- och rymdapplikationer, kanske mest anmärkningsvärt i kommunikationen mellan NASA och rymdfarkosten Apollo, och den används fortfarande på markbundna kommunikationsantenntorn idag. Dock, få betydande framsteg har gjorts för denna årtionden gamla design.

"För att använda det för utrymme, det är viktigt att ha den övergripande bästa prestandan eftersom det kostar mycket att utveckla och flyga nyttolaster, och du får bara en chans, sa Lier. Vår antenn är mindre, lättare vikt, har högre effektivitet, är mer mekaniskt robust än de arvsdesigner som används på GPS-satelliter, och tål den tuffa rymdmiljön."

Werner höll med, lägga till, "Vi kunde konstruera de elektromagnetiska egenskaperna för att möta de stränga radiofrekvenskraven (RF) utan att offra andra operativa krav som är unika för rymdmiljön."

Dessa egenskaper möjliggörs genom användning av metamaterial. Jämfört med konventionella korta bakslagsantenner, den nya antennen ger en ökning med en decibel i förstärkning (25 procents ökning); en hexagonal form istället för den cirkulära formen, vilket resulterar i en ytterligare förstärkningsökning när den används i en gruppantennapplikation; och dubbelbandskapacitet som gör att antennen kan arbeta med hög effektivitet vid de två frekvenser som krävs för GPS-tillämpningar.

Uppsatsen som beskriver deras forskning och resultat, "En metamaterialaktiverad design som förbättrar decennier gammal antennteknik för kort bakslag för rymdtillämpningar, "publicerades nyligen i Naturkommunikation .

Partnerskapet mellan Lockheed Martin och Penn State -forskare var avgörande för att denna vision om en förbättrad antenn skulle bli verklighet.

"Det här pågående samarbetet fungerar exceptionellt bra. Vi använder våra styrkor – förståelsen för behovet och kraven, idéerna och koncepten – men vi kan inte göra det utan de unika färdigheter och förmågor som Penn State erbjuder, " sa Lier. "Penn State är världsledande inom metamaterial-aktiverade RF-system och de tillhörande elektromagnetiska simulerings- och optimeringsverktyg som krävs för att förverkliga designen och implementeringen av vårt föreslagna koncept. Vi ger Doug och hans team visionen, och de gör det tunga beräkningslyftet. De är i framkant med dessa saker."

Eftersom Lockheed Martin vann kontraktet för nästa generation av GPS-satelliter, forskargruppens design kan vara en perfekt passform för framtida GPS-satellitnyttolaster, ett faktum som Werner och hans doktorander tycker är särskilt spännande.

"Vad som är bra med detta samarbete är att det ger oss fokus för denna forskning, sa Werner.