Das Projekt konzentrierte sich auf die Entwicklung und Validierung einer Radar-Sounder-Antenne für die JUICE-Mission zu den Eismonden des Jupiters. Die wichtigste wissenschaftliche Aufgabe war die Erstellung eines detaillierten elektromagnetischen Simulationsmodells, das das Verhalten der RIME-Dipolantenne reproduzieren konnte, einschließlich ihres schichtweisen Aufbaus aus 250 µm kohlenstofffaserverstärktem Polymer (CFK) und einer 50 µm dicken Silberhaut. Da die vollständige Mehrschichtgeometrie rechenintensiv ist, hat das Team eine homogene Hohlzylinder-Näherung eingeführt. Durch Abstimmung der effektiven Leitfähigkeit auf 581 kS m-¹ stimmten Impedanz und Reaktanz des vereinfachten Modells mit dem vollständigen Modell innerhalb akzeptabler Grenzen für das Betriebsband 7,5-10,5 MHz überein, obwohl eine perfekte Übereinstimmung von Betrag und Phase nicht erreicht werden konnte. Der Impedanzvergleich zeigte, dass der Realteil des Antennenwiderstands zwischen 7,5 und 10,5 MHz variierte, während der Imaginärteil das erwartete Resonanzverhalten zeigte.
Ein zweiter wichtiger technischer Beitrag war die systematische Untersuchung des Einflusses der Koaxialkabellängen zwischen dem Leistungsverstärker, dem zentralen Anpassungsnetzwerk, dem Endanpassungsnetzwerk und der Antenne. Vier Kabelabschnitte wurden auf minimale, nominale und maximale Längen untersucht und die daraus resultierenden Reflexionsfaktoren und die empfangene Leistung wurden gegen die Frequenz aufgetragen. Die Analyse zeigte, dass Variationen in der Kabellänge eine vernachlässigbare Auswirkung auf die Gesamtleistung hatten. Diese Erkenntnis wurde der ESA und dem JPL mitgeteilt, um Toleranzgrenzen für die endgültige Hardware festzulegen. Parallel dazu wurden die Oberwellen des übertragenen Signals vom nominalen Bereich von 7,5-10,5 MHz auf 6-50 MHz erweitert, um elektromagnetische Interferenzen zu bewerten. Die erweiterten Impedanzdaten wurden dem JPL für weitere EMI-Studien zur Verfügung gestellt, die bestätigten, dass die zweite und dritte Harmonische unter den kritischen Schwellenwerten blieben.
Das Anpassungsnetzwerk (APN) wurde vom JPL entwickelt und vom Hochfrequenzlabor der Universität bewertet. Zu den wichtigsten Leistungskennzahlen gehörten die an die Antennenanschlüsse gelieferte Leistung und die Phasenstabilität über das gesamte Band. Bei der Entwicklung wurde eine Phasendifferenz von 180° zwischen den beiden Antennenanschlüssen angestrebt, und die Simulationen bestätigten, dass die gewählten reaktiven Komponenten diese Bedingung über den gesamten Frequenzbereich aufrechterhalten. Ein Python-Skript wurde entwickelt, um die Analyse verschiedener APN-Topologien zu beschleunigen und eine schnelle Iteration während der Designphase zu ermöglichen. Weitere Untersuchungen befassten sich mit der Wirkung einer Graphenbeschichtung auf der Antennenoberfläche, der Toleranz gegenüber Amplituden- und Phasenungleichheit und den Auswirkungen einer gekippten Feed-Port-Konfiguration.
Die experimentelle Validierung erfolgte in mehreren Schritten. Ein Modell des Raumfahrzeugs im Maßstab 1:18 wurde vermessen, um das De-Embedding-Verfahren des Antennensimulators zu überprüfen. In der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig wurden Feldtests durchgeführt, bei denen die Antenne in Originalgröße realistischen Umweltbedingungen ausgesetzt wurde. Die gemessenen Strahlungsdiagramme und die empfangene Leistung bei einem Sendepegel von 0 dBW wurden mit den Simulationsergebnissen verglichen und zeigten eine gute Übereinstimmung. Die System-Simulator- und STI-Leistungstests wurden ebenfalls abgeschlossen und bestätigten, dass das integrierte Radarsuchgerät die Anforderungen der Mission hinsichtlich Signal-Rausch-Verhältnis und Bandbreite erfüllt.
Die Zusammenarbeit war institutionenübergreifend. Das Projekt wurde vom Institut für Nachrichtentechnik der Universität Stuttgart geleitet, zu den wichtigsten Partnern gehörten die Europäische Weltraumorganisation (ESA), das Jet Propulsion Laboratory (JPL) und Airbus Defence and Space. Das deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung stellte unter der Förderungsnummer 50 QJ 1901 Mittel zur Verfügung. Das Projekt erstreckte sich von Anfang 2022 bis zur Vorlage des Abschlussberichts am 22. Januar 2024 und umfasste die Bereiche Design, Simulation, Labortests und Feldvalidierung. Die gemeinsamen Bemühungen lieferten ein validiertes Antennenmodell, ein robustes Anpassungsnetzwerk und einen umfassenden Satz von Leistungsdaten, die den erfolgreichen Einsatz des JUICE-Radarsounders unterstützen.