Impedir que adversários interfiram nas comunicações é crucial para a segurança nacional. As comunicações táticas por satélite (SATCOM) têm como foco garantir canais de comunicação confiáveis contra adversários em ambientes contestados. Para apoiar essa missão, uma equipe do MIT Lincoln Laboratory está construindo um protótipo de antena caracterizado por tamanho, peso, consumo de energia e custo reduzidos (SWaP-C).

Em ambientes contestados — especificamente na órbita terrestre baixa proliferada (pLEO), onde os satélites precisam ter o menor tamanho, peso e potência (SWaP) possível devido ao grande volume de satélites presentes — as ameaças incluem interferência de sinal e inteligência de sinais. Mitigar essas ameaças por meio de métodos como a alteração do formato dos feixes de antena em tempo real para que os sinais do usuário em solo não sejam interferidos, e preparar-se para futuras capacidades avançadas, é fundamental para garantir que os satélites permaneçam em comunicação com os usuários em solo.

"Olhando para os desafios futuros das comunicações táticas por satélite, há uma clara necessidade de novas abordagens para projetos de aberturas de radiofrequência (RF) que sejam escaláveis e com baixo custo, tamanho, peso e potência (SWaP-C), sem sacrificar a funcionalidade", afirma Michael Craton, membro da equipe técnica do Grupo de Comunicações Táticas por Satélite do Laboratório Lincoln . "Ou seja, queremos pensar em maneiras de alcançar um desempenho excepcional usando hardware mais barato. Queremos antecipar ameaças futuras e ter uma ideia de como lidar com elas antes que se tornem um problema."

Uma maneira de lidar com o desafio da proliferação de interferências e bloqueios é por meio de arranjos de antenas adaptativas. Ao contrário das antenas de elemento único, os arranjos são compostos por múltiplas antenas que trabalham em conjunto para direcionar e moldar a energia que entra e sai do arranjo. Os arranjos adaptativos podem alterar os estados do feixe rapidamente (uma técnica chamada formação de feixe adaptativa) e alterá-los em tempo real, dependendo das condições, para evitar interferências em determinadas direções, inserindo nulos, ou seja, sinais que interferem uns com os outros. No entanto, os arranjos adaptativos têm um alto consumo de energia, tamanho e potência (SWaP), o que dificulta sua operação em ambientes com restrições de SWaP, como a órbita terrestre baixa periférica (pLEO).  

Para solucionar esse problema, a equipe desenvolveu o Hosted Nimble Beamforming Anti-Jam Reflectarray (HoNi BAJR), um protótipo de antena reflectarray de varredura com uma superfície composta por elementos refletores que podem ser controlados individualmente. Quando um sinal atinge a superfície do reflectarray, os elementos individuais refletem a energia com uma certa defasagem para controlar o feixe formado, de modo a bloquear interferências. Como os elementos são muito simples, o conjunto pode ser dimensionado e controlado facilmente. Os reflectarrays são semelhantes aos phased arrays, que consistem em múltiplos elementos que podem ser controlados eletronicamente para mudanças rápidas de feixe, mas os reflectarrays de varredura refletem os sinais em direção a uma antena de alimentação separada, o que elimina grande parte da complexidade de projeto dos conjuntos de antenas convencionais.

Ao contrário das antenas de faseamento, que requerem amplificadores para cada elemento, as antenas refletoras não necessitam de amplificadores, pois os sinais são captados pela antena de alimentação e combinados no espaço livre. Essa ausência de amplificadores para cada elemento na antena refletora reduz o tamanho, o peso e o consumo de energia (SWaP) necessários, além de contribuir para a escalabilidade, já que a rede de formação de feixe não precisa ser redesenhada a cada alteração no tamanho da antena. Uma antena refletora consome muito menos energia do que uma antena de faseamento típica, reduzindo o consumo em cerca de 95%.  

O protótipo do refletor HoNi BAJR foi projetado para comunicações em uma constelação pLEO com ampla cobertura no horizonte e pode atender usuários de baixa potência na presença de interferências generalizadas. O refletor tem dimensões que permitem sua instalação em uma plataforma típica de pequeno satélite.

A equipe HoNi BAJR testou as capacidades de formação de feixe do conjunto de antenas nas instalações de teste de sistemas de radiofrequência do laboratório , demonstrando com sucesso um alto ângulo de varredura, o que significa que o conjunto pode receber sinais de uma ampla área. Os testes também mostraram que há pouca perda de sinal ao sintetizar feixes com múltiplos picos ou ao dividir o feixe, indicando que os refletores podem enviar sinais para vários usuários sem perda de informação. 

A supressão de interferências (sinais indesejados de equipamentos como torres de telefonia celular ou dispositivos elétricos) também é crucial para garantir o funcionamento correto da antena. O trabalho da equipe HoNi BAJR nessa área se baseia em dois programas financiados por meio de um portfólio de P&D administrado internamente: o Reflectarray de Varredura Eletrônica Desdobrável (DESRa) e a Formação de Feixe Analógico de Fase  (PhAB, que utiliza o hardware do DESRa). O PhAB demonstrou a possibilidade de adaptação a pontos nulos e mitigação de interferências em tempo real. No entanto, no ambiente dinâmico de sinais do HoNi BAJR, pode não haver tempo suficiente para adaptar esses feixes com a rapidez necessária. A equipe inovou ao propor uma solução: criar regiões de supressão de interferência, em vez de direcionar pontos individuais de interferência, moldando os lóbulos laterais do feixe. A técnica apresentou algumas falhas nos testes devido à dificuldade em controlar os lóbulos laterais, já que são sensíveis a pequenas variações de sinal. No entanto, uma calibração adequada (medir os efeitos dos instrumentos e do sistema para garantir que todo o sinal recebido e transmitido pela antena seja considerado) pode ajudar.

Embora seja fundamental para garantir o funcionamento correto de um sistema, a calibração é um dos maiores desafios na operação de reflectarrays. Existem poucos precedentes para a calibração de um reflectarray de varredura, por isso a equipe está pesquisando novas abordagens. Todos os aspectos do reflectarray (por exemplo, a formação e o direcionamento dos feixes) serão aprimorados pela calibração, e o uso pleno do dispositivo exigirá uma compreensão abrangente da calibração. Outra área importante que a equipe está explorando é onde os reflectarrays podem ser melhor utilizados.

"Projetar hardware é sempre um desafio, mas descobrir como integrar a tecnologia em um sistema completo e funcional que atenda às necessidades da missão é a parte mais difícil", diz Craton. "Acreditamos que os refletores de varredura têm um grande potencial inexplorado para as missões que nos interessam, mas como eles não foram usados nesse campo antes, muitas lacunas de funcionalidade permanecem. Precisamos primeiro desenvolver as capacidades necessárias para as tarefas que precisamos realizar."

Estudos iniciais mostram que os reflectarrays podem ser usados em situações onde os feixes são programados, onde há interferência proliferada em ambientes de sinal menos dinâmicos (ou em ambientes de sinal dinâmicos, se for possível obter uma boa calibração) e em plataformas com restrições de potência. Trabalhos futuros se concentrarão em explorar ainda mais como os reflectarrays podem ser usados, aprimorar os procedimentos de calibração e refinar as capacidades de formação de feixe.