¿Por qué gira el reflector de esta antena de ondas milimétricas?

Question

El vídeo de WIRED en YouTube La búsqueda de Facebook para transportar Internet a través de un dron solar y el artículo Los primeros esfuerzos de Facebook por hacer llover Internet desde el cielo muestran una antena parabólica (a partir de 02:00) con lo que parece un reflector secundario Cassegrain. El contexto del vídeo y del artículo sugiere que se trata de una prueba de enlace ascendente/descendente de datos en banda E de ondas milimétricas con un avión (entre 60 y 90 GHz, según el artículo, o entre 5 y 3 milímetros de longitud de onda).

Me he dado cuenta de que el espejo secundario está girando. Observando el bamboleo y comprobando fotogramas individuales, parece estar girando al menos a 4 revoluciones por segundo. Podría ser mucho más rápido y el aliasing hace que parezca tan lento.

No se me ocurre ninguna razón por la que esto estaría girando. Está girando sobre el eje óptico, por lo que no está cambiando entre las ubicaciones del cuerno primario y secundario.

¿Por qué gira el reflector de esta antena de ondas milimétricas?

arriba: GIF realizado a partir de fotogramas extraídos y recortados de este Vídeo de WIRED en YouTube .

arriba: Haga clic con el botón derecho del ratón para ampliar la imagen; Estación terrestre para el enlace de datos de ondas milimétricas con aviones, de WIRED . Fotografía de Damon Casarez.

Answer 1

Por lo que veo es una antena de exploración cónica. Según mis limitados conocimientos, permite apuntar con precisión con un haz más amplio.

Fuente de la imagen Wikimedia Commons

Answer 2

Gracias a @GrantTrebbin's gran respuesta por resolver el misterio, y la de @Russell McMahon explicación perspicaz y contexto En este caso, añadiré un poco de información complementaria.

Ahora que me he enterado de cómo se llama y para qué sirve, he seguido leyendo. En el caso de la NASA Red de Espacio Profundo El escaneo cónico, o CONSCAN, como lo llaman, tiene una larga historia, que comenzó en los años 70, cuando se planificaban y lanzaban las sondas del espacio profundo.

Desde Red de Espacio Profundo; 302, Posicionamiento de Antenas :

2.6.1 CONSCAN

CONSCAN está disponible en todas las antenas de 70 m y 34 m. Consiste en realizar un barrido circular (como se ve mirando a la nave espacial) con el centro en la posición prevista de la fuente y un radio que reduce el nivel de la señal recibida en una pequeña cantidad, normalmente 0,1 dB...

Para una antena de 34 metros en banda X, este valor es de 6 mdeg y para una antena de 70 metros en banda X es de 3 mdeg.

y mdeg significa mili-grados.

A continuación se muestran fotos de uno de los 70 metros Red de Espacio Profundo telescopios para hablar con las naves espaciales del espacio profundo. Éste se encuentra en el complejo Goldstone. Por los tamaños relativos en la imagen, el espejo secundario tiene cerca de 8 metros de diámetro. Teniendo en cuenta el tamaño y la masa del secundario ( esas son escaleras para humanos en cada pierna y las líneas rojas en el plato son "caminos seguros para caminar") se han desarrollado otras técnicas más avanzadas para escanear electrónicamente, pero el concepto es el mismo.

arriba: Crédito de la foto JPMajor , creative commons CC BY-NC-SA 2.0.

arriba: Desde commons.wikimedia.org .

Answer 3

Las otras respuestas son buenas para indicar para qué sirve el sistema y qué consigue en términos generales, pero ninguna explica cómo funciona. Aunque esto puede ser intuitivo para algunos, probablemente no sea obvio para todos.

La explicación se da en el Escaneo cónico de Wikipedia página que citó Keity McClary - lo resumiré aquí.

En esta imagen GIF que publicó Grant Trebbin, el objetivo está fuera del eje y el "espejo" giratorio sirve para barrer el punto de enfoque de la antena parabólica principal a través de la señal recibida de forma máxima en un punto determinado de su rotación. El ángulo de rotación del espejo giratorio en el máximo de la señal da una indicación directa de la dirección del objetivo fuera del eje. A continuación, la antena parabólica se desplaza mediante servomecanismos para centrar la señal recibida de forma que ésta se encuentre en un máximo continuo.

La anchura de la imagen escaneada suele ser de unos 2 grados de arco y el mecanismo de corrección de errores habilitado por el proceso anterior permite una alineación de 0,1 grados de arco.

Es interesante que Facebook utilice esta técnica, ya que es una técnica muy antigua que, en la mayoría de los casos, ha sido sustituida por sistemas electrónicos de dirección del haz y de formación de lóbulos.

El Radar alemán de la Segunda Guerra Mundial Wurzburg utilizó la exploración cónica para mejorar la precisión. Los trabajos sobre el sistema se iniciaron en 1935 con un interés mínimo por parte de las autoridades. La precisión inicial del alcance en 1936, de 50 metros a 5 kilómetros, no era adecuada para el propósito (colocación de armas), pero en 1938 se había mejorado a 25 metros a 29 kilómetros. La alineación axial se realizó inicialmente mediante la maximización de la intensidad de la señal y el posicionamiento manual de la antena (!) con reflectores y haces de infrarrojos como ayuda (!!), luego un sistema de 2 lóbulos con un operador que utilizaba una pantalla de "osciloscopio" (escaneo cerebral) para determinar el cambio de alineación requerido y luego un verdadero escaneo cónico en 1941.

Espejo giratorio Wirzburg "Quirl" (batidor) 25 Hz.

Dicen:

• El Würzburg D se introdujo en 1941 y añadió un sistema de barrido cónico, utilizando un alimentador de receptores desplazado llamado Quirl (batidor en alemán) que giraba a 25 Hz. La señal resultante se desviaba ligeramente de la línea central de la antena parabólica, girando alrededor del eje y superponiéndose en el centro. Si el avión objetivo se encontraba a un lado del eje de la antena, la intensidad de la señal crecía y se desvanecía a medida que el haz lo atravesaba, lo que permitía al sistema mover la antena parabólica en la dirección de la señal máxima y así rastrear el objetivo. La resolución angular podía hacerse más pequeña que la anchura del haz de la antena, lo que permitía una precisión mucho mayor, del orden de 0,2 grados en acimut y 0,3 grados en elevación. Los ejemplos anteriores se actualizaron generalmente al modelo D sobre el terreno.

Una vez que los alemanes han hecho todo el trabajo de desarrollo los comandos británicos montaron la famois "Bruneval raid" Operación Mordida los días 27 y 28 de febrero de 1942 y se llevó un sistema completo de Wurzburg que estaba operando (de forma tonta pero necesaria) cerca de la costa en Bruneval.

El escaneo cónico también se utilizó en el avanzado sistema de escaneo de EE.UU. RADAR de seguimiento automático SCR-584 .
La característica de exploración cónica se propuso en 1940, mucho antes de la incursión de Bruneval.

El 584 utilizaba el sistema de escaneo cónico para proporcionar un seguimiento y una búsqueda y adquisición de objetivos totalmente automáticos. El despliegue estaba previsto para 1942, pero los problemas de desarrollo hicieron que no estuviera disponible hasta 1944, justo a tiempo para su uso contra los "Doodlebugs" V1 que, junto con los proyectiles RADAR fundidos por proximidad, marcaron una diferencia significativa en el resultado de los ataques V1 contra Inglaterra.

• El barrido cónico también se adoptó en 1941 para el sistema de radar de control de fuego de 10 cm de la Armada, 3 y se utilizó en el radar alemán de Würzburg en 1941. El SCR-584 desarrolló el sistema mucho más, y añadió un modo de seguimiento automático[4]. Una vez que el objetivo había sido detectado y estaba dentro del alcance, el sistema mantenía el radar apuntando al objetivo automáticamente, impulsado por motores montados en la base de la antena. Para la detección, a diferencia del seguimiento, el sistema también incluía un modo de escaneo helicoidal que le permitía buscar aviones. Este modo tenía su propia pantalla PPI para facilitar la interpretación. Cuando se utilizaba en este modo, la antena giraba mecánicamente a 4 rpm mientras era empujada hacia arriba y hacia abajo para escanear verticalmente.

  El sistema podía funcionar a cuatro frecuencias entre 2.700 y 2.800 MHz (10-11 cm de longitud de onda), enviando pulsos de 300 kW de 0,8 microsegundos de duración con una frecuencia de repetición de pulsos (PRF) de 1.707 pulsos por segundo. Podía detectar objetivos del tamaño de un bombardero a unas 40 millas de distancia, y en general era capaz de seguirlos automáticamente a unas 18 millas. La precisión dentro de este rango era de 25 yardas en el alcance, y 0,06 grados (1 mil) en el ángulo de orientación de la antena (Ver Tabla "Características Técnicas del SCR-584"). Debido a que la anchura del haz eléctrico era de 4 grados (hasta los puntos de -3db o media potencia), el objetivo se extendería a través de una porción de un cilindro, de modo que sería más amplio en la marcación que en el alcance (es decir, del orden de 4 grados, en lugar de 0,06 grados implicados por la precisión de puntería mecánica), para los objetivos distantes. La información sobre el alcance se mostraba en dos "telescopios en J", similares a la pantalla más común de la línea A, pero dispuestos en un patrón radial sincronizado con el retardo de retorno. Uno de los visores se utilizaba para el alcance grueso y el otro para el fino.

No relacionado con el barrido cónico, pero sí muy relevante para su óptima aplicación, fue el uso del magnetrón de cavidad inventado por los británicos, ampliamente utilizado por los Estados Unidos en el 584 y otros RADAR. Esto permitía utilizar niveles de potencia mucho más altos y frecuencias mucho más elevadas.