Ingenieros de la sección de Equipos y Tecnología de Radiofrecuencia de la Agencia Espacial Europea (ESA) probaron con éxito un nuevo concepto de formación de haz de radio, desarrollado, patentado y prototipado internamente en el Laboratorio de Microondas de la ESA. Este prototipo de formación de haz, probado en el Laboratorio de Antenas de la ESA, demuestra una nueva forma de controlar señales de radio en un conjunto de antenas para enfocar múltiples haces en las direcciones deseadas, utilizando muchos menos componentes que los sistemas tradicionales con capacidades similares actuales.
La clave del éxito de esta idea innovadora reside en un concepto relativamente simple: la simetría geométrica natural de las antenas y los haces de radio. Escuchar la radio, ver la televisión, hacer una llamada con el móvil, utilizar la navegación por satélite o pronosticar el tiempo: sin las antenas que permiten la transmisión y recepción de ondas electromagnéticas, estas actividades cotidianas serían imposibles.
Con el crecimiento imparable de la cantidad de datos, usuarios y un continuo desarrollo tecnológico, la complejidad de las antenas está aumentando enormemente. En lugar de usar una sola antena de alta potencia y orientable mecánicamente, los sistemas modernos emplean un conjunto de múltiples antenas de baja potencia que trabajan juntas para dirigir las ondas de radio en las direcciones deseadas, sin necesidad de orientar la antena. Estos conjuntos de antenas pueden contener cientos o incluso miles de elementos de antena individuales, cada uno alimentado por separado con señales generadas por un conformador de haz, con una sincronización calculada con precisión.
Hugo Debergé, ingeniero de microondas de la ESA, explica que «al modificar la fase y la amplitud de la señal de cada elemento individual de un conjunto, podemos dirigir la señal resultante en la dirección deseada. Esto no se consigue inclinando físicamente la antena, como antes, sino ajustando las señales eléctricas que alimentamos a cada elemento de la antena».
La nueva tecnología de formación de haz que estamos probando se basa en dos descubrimientos independientes, ambos patentados por la ESA. El primero es un concepto conocido desde hace más de 10 años: demostró que si un conjunto de antenas es simétrico (lo cual es probable), se pueden tratar los elementos simétricos como pares y simplificar el cálculo de señales individuales en un procesador digital. Al alimentar cada par con señales complementarias, se obtendrá la misma funcionalidad que si se controlaran como dos elementos independientes.
Si consideramos una antena como la esfera de un reloj, los elementos ubicados a las 12 y a las seis formarían una pareja, y los elementos a las tres y a las nueve formarían otra. Si trazamos el eje de simetría que atraviesa el reloj en un punto ligeramente diferente, los elementos de las 12 y las nueve formarían una pareja, y los de las tres y a las seis formarían otra.
Hugo añade que «la segunda innovación, patentada por la ESA en 2023, se centra en cómo un circuito eléctrico genera las señales eléctricas para los pares de antenas. Hemos ideado una forma de simplificar el circuito eléctrico del sistema, lo que nos permite eliminar la mitad de los componentes y mantener la misma funcionalidad. Esta es una mejora importante, que reduce drásticamente la complejidad, el peso y el consumo de energía de toda la configuración, a la vez que realiza la misma función».
Las antenas son fundamentales para todas las naves espaciales, ya que permiten la transferencia de señales de comunicación o navegación: transmitir y recibir ondas de radio de radar para observar planetas, recibir datos científicos del espacio profundo o medir la altitud durante misiones de entrada, descenso y aterrizaje.
Como ocurre con cualquier nave espacial o instrumento destinado al espacio, un prototipo como este debe probarse en un entorno que recree ciertas condiciones encontradas en el espacio lo más fielmente posible.
En el caso de las antenas, esto se realiza en cámaras anecoicas: salas blindadas diseñadas para aislar el dispositivo bajo prueba del mundo exterior, simulando el vacío infinito del espacio.
Las gruesas paredes metálicas de una cámara anecoica bloquean todas las señales externas, como las de radio, televisión, wifi y telefonía móvil. En el interior, las paredes están recubiertas de protuberancias de espuma piramidales que absorben las señales producidas por el dispositivo bajo prueba, creando un espacio sin ecos que garantiza que solo se midan las contribuciones de la antena.
La Zona de Pruebas de Antenas y Radiofrecuencias Híbridas Europeas (HERTZ), parte de las Instalaciones de Pruebas de Antenas de la ESA en ESTEC, en los Países Bajos, es una de esas cámaras. «El concepto demostrado aquí en HERTZ es muy convincente, pero esto es sólo el principio», añade Vaclav Valenta, ingeniero de microondas de la ESA y coinventor del concepto.
Ahora, este concepto patentado de formación de haz y los resultados experimentales asociados están disponibles gratuitamente para uso espacial en las industrias de los estados miembros de la ESA. Pueden integrar esta solución en un único microchip que permitirá soluciones más compactas y de bajo consumo para aplicaciones espaciales y terrestres.
Dado que el concepto despierta gran interés entre nuestros socios industriales, próximamente se iniciará un programa específico de I+D para aumentar aún más la disponibilidad tecnológica. Esto se implementará en el marco de una convocatoria de la Plataforma de Innovación en Espacio Abierto (OSIP), una herramienta para la maduración comercial de las invenciones de la ESA, concluye Vaclav.
Gracias a la colaboración de los laboratorios de Antenas y Microondas, la ESA abarca capacidades de ingeniería integrales, desde el diseño y la simulación hasta la creación de prototipos y las pruebas. Todo esto se realiza en una sola división, lo que permite a los ingenieros de la ESA demostrar rápidamente nuevos conceptos. Este conjunto de instalaciones también está disponible para industrias e institutos de investigación para sus propios fines de I+D.
