Antennen & Entfaltungsmechanismen

Warum UHF-Antennen auf einem 5-cm-Würfel entfaltet werden müssen

Im UHF-Amateurfunksatellitenband ($435\text{–}438\text{ MHz}$, Wellenlänge $\lambda \approx 68,6\text{ cm}$) misst ein Viertelwellen-Monopol $171,5\text{ mm}$ und ein Halbwellen-Dipol $343\text{ mm}$ – das Drei- bis Siebenfache der $50\text{ mm}$ langen Kante eines $1\text{P}$-PocketQubes[1]. Eine elektrisch kleine Antenne, die bündig auf einer $50\text{-mm}$-Seitenfläche verbleibt ($ka\approx 0,23$), leidet unter einem geringen Strahlungswiderstand und einem starken reaktiven Nahfeld, wodurch sie gegenüber einem entfalteten Strahler $8\text{–}15\text{ dB}$ an Wirkungsgrad einbüßt[2]. Folglich verstaut nahezu jeder UHF-PocketQube während des Starts flexible Bandfederelemente aus Federstahl oder Berylliumkupfer (CuBe2) eng um das Gehäuse gewickelt und gibt sie erst nach der Trennung frei[3].

Thermische Schmelzdraht-Auslöser (Burn-Wire)

Pyrotechnische Trennvorrichtungen sind auf CubeSats und PocketQubes untersagt[4]. Stattdessen wird das aufgewickelte Antennenband mit einer geflochtenen Schnur aus ultrahochmolekularem Polyethylen (UHMWPE, Dyneema, Schmelzpunkt $\approx 144\text{–}152{}^{\circ }\text{C}$) oder Vectran niedergehalten, die gegen einen oberflächenmontierten Nichrom-Widerstand (NiCr) oder ein federbelastetes Heizelement gepresst wird[3]:

1. Redundante Sperrkette (Inhibit-Kette): Zwei mechanische Trennschalter auf der Bodenplatte halten das Raumfahrzeug im Inneren des Deployers stromlos. Nach dem Ausstoß wartet die Flugsoftware mindestens $30\text{ min}$, bevor sie den Schmelzstromkreis scharfschaltet.
2. Schmelzimpuls mit konstanter Leistung: Das Einspeisen von $1,5\text{–}3,0\text{ W}$ in einen oberflächenmontierten $2\text{–}4,7\text{-}\Omega$-Widerstand oder NiCr-Draht durchtrennt im Vakuum innerhalb von $1,5\text{–}5\text{ s}$ eine $0,2\text{ mm}$ starke UHMWPE-Leine. Eine federbelastete Wippe oder eine vorgespannte Schlaufe sorgt beim Erweichen des Polymers für einen gleichbleibenden Anpressdruck.
3. Massefläche und Balun: Da ein $50\text{-mm}$-Gehäuse bei $437\text{ MHz}$ weniger als $0,1\lambda$ misst, nutzt ein einzelner $\lambda /4$-Monopol die Struktur selbst als Gegengewicht, was das Richtdiagramm verkippt; symmetrische $\lambda /2$-Dipole, die über einen miniaturisierten Balun aus diskreten Bauteilen gespeist werden, vermeiden eine Verstimmung durch Mantelströme auf dem Gehäuse[1].