Antena Rezonatorowa z Metapowierzchnią
Antena Rezonatorowa z Metapowierzchnią CanSat NeXT to zewnętrzny moduł antenowy, który można używać po stronie stacji naziemnej, aby zwiększyć zasięg komunikacji i uczynić ją bardziej niezawodną.
Antena zestawu CanSat NeXT była używana do pomyślnego przeprowadzania misji CanSat, gdzie CanSat był wystrzeliwany na wysokość 1 kilometra. Jednak na tych odległościach antena monopolarna zaczyna znajdować się na granicy zasięgu operacyjnego i czasami może tracić sygnał z powodu błędów polaryzacji wynikających z liniowej polaryzacji anteny monopolarnej. Zestaw antenowy z metapowierzchnią został zaprojektowany, aby umożliwić bardziej niezawodną pracę w takich ekstremalnych warunkach, a także umożliwić działanie na znacznie większych odległościach.
Antena rezonatorowa z metapowierzchnią składa się z dwóch płytek. Główna antena znajduje się na płytce radiatora, gdzie w PCB została wytrawiona antena szczelinowa. Sama ta płytka zapewnia zysk rzędu 3 dBi i charakteryzuje się polaryzacją kołową, co w praktyce oznacza, że siła sygnału nie zależy już od orientacji anteny satelitarnej. Ta płytka może być zatem używana jako sama antena, jeśli pożądana jest szersza szerokość wiązki.
Druga płytka, od której antena bierze swoją nazwę, jest specjalną cechą tego zestawu antenowego. Powinna być umieszczona 10-15 mm od pierwszej płytki i zawiera szereg elementów rezonatorowych. Elementy te są zasilane przez antenę szczelinową pod nimi, co z kolei sprawia, że antena staje się bardziej kierunkowa. Dzięki temu dodatkowemu elementowi zysk podwaja się do 6 dBi.
Poniższy obraz pokazuje współczynnik odbicia anteny mierzony za pomocą wektorowego analizatora sieci (VNA). Wykres pokazuje częstotliwości, na których antena jest w stanie transmitować energię. Chociaż antena ma całkiem dobrą wydajność szerokopasmową, wykres pokazuje dobre dopasowanie impedancji w zakresie częstotliwości operacyjnych 2400-2490 MHz. Oznacza to, że przy tych częstotliwościach większość mocy jest transmitowana jako fale radiowe, a nie odbijana z powrotem. Najniższe wartości odbicia w centrum pasma wynoszą około -18,2 dB, co oznacza, że tylko 1,51 % mocy zostało odbite z powrotem od anteny. Chociaż trudniejsze do zmierzenia, symulacje sugerują, że dodatkowe 3 % mocy transmisji jest przekształcane w ciepło w samej antenie, ale pozostałe 95,5 % - efektywność promieniowania anteny - jest emitowane jako promieniowanie elektromagnetyczne.
Jak wspomniano wcześniej, zysk anteny wynosi około 6 dBi. Można go jeszcze zwiększyć, stosując reflektor za anteną, który odbija fale radiowe z powrotem do anteny, poprawiając kierunkowość. Chociaż idealnym reflektorem byłby paraboliczny dysk, nawet płaska metalowa płaszczyzna może być bardzo pomocna w zwiększaniu wydajności anteny. Według symulacji i testów terenowych, metalowa płaszczyzna - taka jak kawałek blachy stalowej - umieszczona 50-60 mm za anteną zwiększa zysk do około 10 dBi. Płaszczyzna metalowa powinna mieć co najmniej 200 x 200 mm - większe płaszczyzny powinny być lepsze, ale tylko marginalnie. Jednak nie powinna być znacznie mniejsza niż ta. Płaszczyzna powinna być idealnie z litego metalu, takiego jak blacha stalowa, ale nawet siatka druciana będzie działać, o ile otwory mają mniej niż 1/10 długości fali (~1,2 cm).