19.12.2022

Extreme Datenraten im All

W-Band-Verstärkermodule sollen die Satellitenkommunikation bei höheren Frequenzen voranbringen.

Um dem weltweit rasant wachsenden Datenkonsum und dem steigenden Band­breiten­bedarf gerecht zu werden, weicht die Satelliten­kommunikation auf höhere Frequenzen aus. Das W-Band (75 bis 110 Gigahertz) eignet sich gut für die Nutzung im Weltraum, doch bislang fehlt es an technischen Komponenten. Aus diesem Grund hat das Fraunhofer IAF das Projekt „Beacon“ gestartet: Gemeinsam mit Forschern von RPG-Radiometer Physics soll im Rahmen des ESA-Programms ARTES ein neuartiges W-Band-Empfangs­modul realisiert werden. Das Ziel besteht darin, eine Technologie zu entwickeln, die rauschärmer ist als alle bisherigen W-Band-Verstärker­module und damit den Transfer extrem hoher Daten­raten durch den Weltraum ermöglicht.

 

Abb.: Das W-Band-Empfangs­modul soll zukünftig eine rausch­arme...
Abb.: Das W-Band-Empfangs­modul soll zukünftig eine rausch­arme Satelliten­kommuni­kation ermöglichen – wie in dem abgebildeten Nano­satelliten W-Cube. (Bild: Fh.-IAF)

Aufgrund der begrenzten Bandbreite wird es zunehmend schwieriger, die steigende Nachfrage nach höheren Datenraten in Satellitensystemen mit sehr hohem Daten­durchsatz zu befriedigen. Um dem Bedarf gerecht zu werden, wird die Nutzung höherer Frequenzen angestrebt. Das W-Band ist für Anwendungen im Bereich der Satelliten­kommunikation gut geeignet: Es bietet nicht nur einen hohen Datendurchsatz bei der Nutzung in großen Höhen und im Weltraum, sondern man geht auch davon aus, dass dadurch die System­kapazität erheblich gesteigert, die Zahl der Gateway-Boden­stationen verringert und damit die Gesamt­kosten des Systems reduziert werden können. Allerdings mangelt es bislang an geeigneter Technologie und Hardware für Anwendungen im W-Band-Frequenzbereich.

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Fest­körper­physik IAF hat sich gemeinsam mit der RPG-Radiometer Physics GmbH dieser Herausforderung im Projekt „Beacon – W-band Integrated Active Receive Front-End“ angenommen. Darin entwickeln die Projektpartner ein integriertes aktives W-Band-Empfangs­modul mit einer Betriebs­frequenz von 81 bis 86 GHz, das extrem hohe Daten­raten beziehungsweise eine Daten­übertragung über eine große Entfernung mit geringem Stromverbrauch ermöglichen soll.

Das Empfangsmodul basiert auf der extrem rauscharmen MMIC-Technologie des Fraunhofer IAF (MMIC – Monolithic Microwave Integrated Circuit, Monolithisch integrierte Mikrowellenschaltung). „Das Fraunhofer-IAF hat in den letzten Jahren enorme Entwicklungsarbeit im mHEMT-Prozess geleistet und sich eine Kernkompetenz darin erworben, Verstärker mit dem weltweit geringsten Rauschen zu entwickeln. Auf dieser Grundlage wird im Projekt eine Reduzierung der Rausch­zahl auf unter 3,5 Dezibel und damit eine erhebliche Verbesserung des State of the Art angestrebt“, erklärt Philipp Neininger, Projekt­koordinator und Forscher am Fraunhofer IAF. Zudem ist das Empfangs­modul so konzipiert, dass es die linke und die rechte zirkuläre Polarisation trennt und in zwei getrennten Kanälen (LHCP und RHCP) verstärkt, was einer effektiven Verdoppelung des Daten­durchsatzes dient.

Eine große Herausforderung im Beacon-Projekt stellt die neuartige Anordnung der Komponenten auf der sehr geringen Modulfläche dar. Der neue Ansatz sieht die Integration einer Vielzahl von Funktionen innerhalb einer sehr kleinen Grundfläche vor: Dazu gehören der Polarisator, die Hohlleiter­übergänge zu zwei einzelnen Verstärkern, zwei koaxiale Ausgangs­anschlüsse und die zugehörige DC-Schaltung. „Die Kombination dieser Merkmale – extrem geringes Rauschen, zwei unterschiedliche Polarisationen und ein innovatives Array – bringt einen enormen technologischen Fortschritt im Bereich der W-Band-Komponenten“, fasst Neininger das Projekt­vorhaben zusammen.

Erst vergangenes Jahr wurden zum ersten Mal Satellitensignale im W-Band-Frequenz­bereich aus dem Weltraum empfangen. Der Nanosatellit W-Cube begann im Sommer 2021 seine Reise an Bord einer Falcon-9-Rakete zum polaren Orbit und sendet seitdem erfolgreich Satellitensignale bei 75 Gigahertz aus 500 Kilometern Höhe zur Erde. Das Fraunhofer IAF hatte für diese Mission bereits das Sendermodul des Satelliten sowie das Empfänger­modul der korrespondierenden Boden­station entwickelt.

Fh.-IAF / DE

 

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