Quelle: Fraunhofer IAF 16. September 2024.

16. September 2024 – Das hochmoderne Mikrowellenradiometer an Bord des Satelliten enthält vier rauscharme Verstärker des Fraunhofer IAF mit weltweit führender InGaAs-mHEMT-Technologie. Auf der EuMW 2024 in Paris präsentiert das Freiburger Institut vom 24. bis zum 26. September Ausstellungsexemplare der im AWS verbauten Verstärker ebenso wie weitere Hochfrequenzelektronik aus den Anwendungsbereichen Satellitenkommunikation, Mobilfunk oder Tieftemperatur-Messtechnik.

Der Arctic Weather Satellite (AWS) der Europäischen Raumfahrtorganisation (European Space Agency, ESA) wurde am 16. August 2024 auf die Reise zu seiner polaren Umlaufbahn in 600 km Höhe über der Erde geschickt. Mit an Bord: Vier rauscharme Verstärker (low-noise amplifiers, LNAs) des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF aus Freiburg. Sie bilden wesentliche Bestandteile des passiven Mikrowellenradiometers, mit dem der AWS Temperatur und Feuchtigkeit in der Arktis so präzise wie nie zuvor misst. Dies soll dazu beitragen, sowohl die Arktis als auch den Klimawandel, der in ihr besonders sichtbar wird, besser zu verstehen. Ist die Mission erfolgreich, plant die ESA eine weltumspannende Konstellation aus baugleichen Kleinsatelliten in das Weltall zu bringen, um im globalen Maßstab präzisere und kurzfristigere Wettervorhersagen (›Nowcasting‹) sowie Klimabeobachtungen zu ermöglichen.

Die Aufgabe von LNAs in technischen Systemen besteht darin, die Qualität eingehender Signale zu verbessern. Wie ihr Name schon sagt, verstärken sie schwache Signale und verursachen dabei möglichst geringe störende Hintergrundgeräusche (Rauschen), damit Signale leichter erkannt und analysiert werden können. Auf diese Weise erhöhen LNAs die Empfindlichkeit von Systemen.

»Je leistungsfähiger ein rauscharmer Verstärker ist, desto genauer und zuverlässiger kann ein System Daten erheben. Bei der satellitenbasierten Erdbeobachtung spielen sie eine große Rolle, da die Mikrowellenstrahlung, die das Satellitenradiometer erreicht, sehr schwach ist«, erläutert Dr. Fabian Thome, Stellvertretender Geschäftsfeldleiter Hochfrequenzelektronik am Fraunhofer IAF. »Es ist eine großartige Bestätigung und Motivation, dass wir mit unseren LNAs zur besseren Erforschung der Arktis und ihrer Auswirkungen auf das Weltklima beitragen können.«

Fraunhofer IAF trägt LNAs für Frequenzbereiche um 54, 89 und 170 GHz zum AWS-Radiometer bei
Das Mikrowellenradiometer des AWS besteht aus einer Drehantenne, die die von der Erdoberfläche ausgehende natürliche Mikrowellenstrahlung aufnimmt und an vier Hornantennen sowie vier Empfänger weiterleitet. Antenne und Empfänger gehören jeweils zu einer von vier Gruppen aus insgesamt 19 Kanälen, die zusammen ein Frequenzspektrum von 50 bis 325 GHz abdecken: Acht Kanäle mit Frequenzen von 50 bis 58 GHz messen die Temperatur, ein Kanal mit 89 GHz erkennt Wolken, ein weiterer bei 165,5 GHz sowohl Wolken als auch Feuchtigkeit, fünf Kanäle zwischen 176 und 182 GHz sind nur für die Feuchtigkeit zuständig, während zuletzt vier Kanäle bei 325 GHz plus/minus 1,2 bis 6,6 GHz Feuchtigkeit messen sowie ebenfalls Wolken erfassen. Mit dieser technischen Ausstattung ist es dem Radiometer möglich, hochauflösende vertikale Feuchtigkeits- und Temperaturprofile unter allen Wetterbedingungen zu erstellen.

Das Fraunhofer IAF hat insgesamt vier LNAs für drei der vier Kanalgruppen bereitgestellt: ein Modul für den Frequenzbereich um 54 GHz, zwei identische Module für 89 GHz, die für eine größere Gesamtverstärkung in Reihe geschaltet wurden, und ein Modul für den 170-GHz-Bereich. Die Forschenden haben bewährte Technologien auf Basis des Verbindungshalbleiters Indiumgalliumarsenid (InGaAs) weiterentwickelt und auf ihrer Grundlage metamorphe Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (metamorphic high-electron-mobility transistors, mHEMTs) für monolithisch integrierte Mikrowellenschaltungen (monolithic microwave integrated circuits, MMICs) realisiert.

Weltweit führende InGaAs-mHEMT-Technologie für LNA-MMICs
»Bei der Entwicklung von Transistoren und Schaltungen für satellitengestützte Radiometrie-Systeme ist das Fraunhofer IAF weltweit führend. Unsere Module definieren in vielen Leistungsbereichen den aktuellen Stand der Technik«, betont Thome. Dies zeigt sich auch am Beispiel der Module für das AWS-Radiometer: In Tests hat der LNA für den Frequenzbereich um 54 GHz bei einer Verstärkung von 31 bis 28 dB eine Rauschzahl von 1,0 bis 1,2 dB erreicht und verbessert damit deutlich den Stand der Technik. Die anderen AWS-LNAs bewegen sich mit Rauschzahlen von 1,9–2,3 dB bei 23–25 dB Verstärkung (89 GHz) und 3,3–4,1 dB bei 25–30 dB Verstärkung genau im Bereich des aktuellen Stands der Technik (John et al. 2023).

Bei der Entwicklung der Module arbeiteten die Forschenden eng mit dem direkten Auftraggeber ACC Omnisys (AAC Clyde Space) aus Schweden zusammen, der das Radiometersystem für OHB Sweden und die ESA gebaut hat. Bei der Entwicklung und Fertigung der Module konnte das Fraunhofer IAF seine Forschungsinfrastruktur und das Know-how seiner Mitarbeitenden entlang der gesamten Wertschöpfungskette zum Einsatz bringen: Teams aus den Bereichen Mikroelektronik, Epitaxie, Technologie und Feinmechanik haben eng zusammengearbeitet und vom Schaltungsentwurf über Materialwachstum, -bearbeitung und -messung sowie Prozessierung, Vereinzelung, Aufbautechnik bis hin zum Modulbau und der -integration alle wesentlichen Schritte bis zum einsatzbereiten LNA-Module am Fraunhofer IAF durchgeführt. Eine erste Qualifikation der Module für den Einsatz im Weltall fand ebenfalls am Institut statt, bevor die Hardware für die Receiver-Integration übergeben wurde.

AWS und EPS-Sterna: Mit New Space zu präziseren Wettervorhersagen, Nowcasting und Klimabeobachtung
Die Mission des AWS besteht darin, erstmals genauere Wetterdaten für die Arktis zu ermitteln, die kurzfristige Vorhersagen für die Polarregion ermöglichen – bis hin zum sogenannten Nowcasting, das Vorhersagen für die nächsten Stunden bezeichnet. Da die Arktis das weltweite Wetter stark beeinflusst, ermöglichen die Daten auch bessere globale Wettervorhersagen. Das gilt auch für das Klima: Der Klimawandel schreitet in der Arktis schneller voran als in anderen Regionen der Welt. Zugleich wirken sich Veränderungen in der Arktis aufgrund von Rückkopplungseffekten auf das Weltklima aus.

Im Erfolgsfall soll eine ganze Konstellation von baugleichen Kleinsatelliten dem AWS folgen: das EUMETSAT Polar System – Sterna (EPS-Sterna). Geplant ist, immer sechs Satelliten zur gleichen Zeit auf drei verschiedenen Erdumlaufbahnen langfristige Wetterdaten der Polarregionen erheben zu lassen. Das Satellitenset wird dreimal erneuert, so dass insgesamt 18 Satelliten zum Einsatz kommen. Zwei Satelliten sind als Ersatz eingeplant. 2029 soll der erste von sechs EPS-Sterna-Satelliten starten.

Mit diesem Vorhaben verfolgt die ESA erstmals den New-Space-Ansatz, der sich dadurch auszeichnet, dass Projekte in kürzester Zeit mit deutlich geringerem Ressourceneinsatz durchgeführt werden. Im Fall des AWS, dessen Gesamtmasse nur 150 kg beträgt, vergingen vom Projekt- bis zum Raketenstart nur drei Jahre, in denen ein Bruchteil der Kosten verglichen mit früheren Projekten anfiel. Weitere Vorteile von New Space bestehen in der größeren Resilienz von Konstellationen – der Ausfall eines Satelliten im Verbund kann kompensiert bzw. schnell und günstig ersetzt werden – und in der Flexibilität von Missionen, die bei Bedarf ohne großen Ressourceneinsatz verlängert oder verkürzt werden können.

Fraunhofer IAF auf der EuMW 2024
Vom 24. bis zum 26. September 2024 präsentiert das Fraunhofer IAF Ausstellungsexemplare der im AWS-Radiometer verbauten LNA-Module ebenso wie weitere Hochfrequenzelektronik aus den Anwendungsbereichen Satellitenkommunikation, Mobilfunk oder Tieftemperatur-Messtechnik auf der diesjährigen European Microwave Week (EuMW) in Paris (Stand: 202K).

Forschende sind außerdem mit folgenden Themen im Konferenzprogramm vertreten:

Sonntag, 22.9., 8:30–12:20 Uhr, WS09 EuMC, Raum 725–726
Dr. Laurenz John: »THz circuit and front-end developments based on InGaAs-channel mHEMT devices«

Montag, 23.9., 8:30 Uhr, EuMIC03, Raum E04
Dr. Axel Tessmann: »High-Gain 664 GHz Low-Noise Amplifier Modules Based on Advanced InGaAs HEMT Technologies«

Montag, 23.9., 16:50 Uhr, EuMIC14-3, Raum E02
Dr. Philipp Neininger: »mm-Wave GaN Varactors and E-/W-Band Phase Shifter«

Am Mittwoch, den 25. September, können Studierende und Berufseinsteigende aus dem Fachbereich Mikrowellentechnologie das Fraunhofer IAF zudem beim Young Professionals’ Career Event kennenlernen, das von 12 bis 15 Uhr in Halle 7.3 der Paris Expo Porte de Versailles stattfindet. Die Teilnahme ist kostenlos. Ab 19 Uhr findet im Chalet du Lac (avenue Anna Politovskaïa, 75012 Paris) die dazugehörige Career Party statt. Tickets dafür erhalten Interessierte beim Nachmittagsevent.

Über das Fraunhofer IAF
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF ist eine der weltweit führenden Forschungseinrichtungen auf den Gebieten der III/V-Halbleiter und des synthetischen Diamanten. Auf Basis dieser Materialien entwickelt das Fraunhofer IAF Bauelemente für zukunftsweisende Technologien, wie elektronische Schaltungen für innovative Kommunikations- und Mobilitätslösungen, Lasersysteme für die spektroskopische Echtzeit-Sensorik, neuartige Hardware-Komponenten für Quantencomputer sowie Quantensensoren für industrielle Anwendungen. Mit seinen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten deckt das Freiburger Forschungsinstitut die gesamte Wertschöpfungskette ab – angefangen bei der Materialforschung über Design und Prozessierung bis hin zur Realisierung von Modulen, Systemen und Demonstratoren. https://www.iaf.fraunhofer.de

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• AWS – Arctic Weather Satellite

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Quelle: DeSK 20. April 2024.

Backnang, 20. April 2024: Der Bedarf an Breitbandkommunikation ist seit Jahren ungebrochen und wächst ständig. So nehmen die aggregierten Datenraten in drahtlosen sowie drahtgebundenen Netzen exponentiell zu, vergleichbar mit dem Mooreschen Gesetz in der Mikroelektronik. Der Bedarf an Konnektivität war noch nie so offensichtlich: Dieser reicht von der globalen Nutzung durch Homeoffice über die Unterstützung der Telemedizin für medizinisches Personal bis hin zur Unterstützung von Ersthelfern bei der Ad-hoc-Koordination von Notfällen. Durch die in der 6. Generation der Mobilkommunikation (6G) angestrebte Erweiterung terrestrischer Netze um die dreidimensionale, vertikale Komponente der Satellitenkommunikation, kann erstmals Breitband-Internet an jedem Ort und zu jeder Zeit rund um den Globus erschlossen werden. Der Aufbau weltumspannender Satellitenkonstellationen im kosteneffizienten New Space-Kontext ermöglicht diese Entwicklungen.

Im Rahmen des von der Raumfahrtagentur im DLR und BMWK geförderten Vorhabens EIVE (Förderkennzeichen 50RK1960) wird an der Erschließung neuer Frequenzbereiche für die breitbandige Satellitenkommunikation und damit einhergehend an der Sicherstellung des stetig wachsenden Bedarfs an Datenraten geforscht. Die Nanosatellitenmission EIVE steht für ‚Exploratory In-Orbit Verification of an E/W-band Downlink‘. Die Universität Stuttgart koordiniert dieses innovative Vorhaben. Die Besonderheit hierbei ist, eine weltweit neuartige Gigabit-Kommunikationsstrecke mit höchsten Datenraten zwischen Weltall und Erde nachzuweisen bzw. aufzubauen.

Forschern des Instituts für Robuste Leistungshalbleitersysteme der Universität Stuttgart ist es nun gelungen, das Bodensegment mit einer eigens konzipierten und entwickelten Bodenstation für den Empfang von breitbandigen Kommunikationssignalen im W-Band in Betrieb zu nehmen. Die voll funktionsfähige Bodenstation führt mehrere Innovationen im Bereich der Satellitenkommunikation ein: Sie kombiniert eine 1,2 Meter Parabolantenne mit extrem hoher Richtwirkung und präziser Antennennachführung mit dem weltweit rauschärmsten Funkempfänger und einer neuartigen Digitalisierung mit Massenspeicher, die die Speicherung breitbandiger, digitaler Kommunikationssignale mit über 10 Gbit/s Datenrate im Radiofrequenzbereich von 71-76 GHz erlaubt. Das ermöglicht die Datenerfassung während eines kompletten Überfluges eines Satelliten im niederen Erdorbit (Low Earth Orbit). Zusätzlich verfügt der Empfänger über eine Synchronisierung digital modulierter Nutzdaten in Echtzeit, die etwa das Streaming von unkomprimierten Videos mit 4K-Auflösung ermöglicht. Für höchste Präzision der stark gerichteten Antennenkeule setzt die Antennennachführung erstmals in diesem Frequenzbereich Multi-Mode-Tracking und einen automatisierten Suchalgorithmus mit Einsatz von künstlicher Intelligenz um. Die Bodenstation enthält modernste und weltweit führende Technologien der Projektpartner Radiometer Physics GmbH (RPG) und Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF). Die Antenne wurde von der Firma RPG entwickelt und hergestellt. Das gesamte Bodenterminal ist temperaturgesteuert, so dass die Komponenten und die Signalübertragung nicht durch wechselnde Witterungsbedingungen beeinträchtigt werden.

Das Fraunhofer IAF hat die leistungsfähigen integrierten Schaltkreise auf der Grundlage seiner innovativen III/V-Halbleitertechnologien hergestellt und hochmoderne Verstärker entwickelt, mit denen die breitbandige Datenverbindung ermöglicht wird.

Die wissenschaftlichen Aktivitäten rund um das EIVE-Projekt und die Entwicklung der innovativen W-Band Bodenstation für Breitband-Internet aus dem All verkörpern einen signifikanten Meilenstein in der Weiterentwicklung der globalen Kommunikationsnetzwerke. Durch die Kombination fortschrittlicher technologischer Lösungen mit interdisziplinärer Forschung und Kooperation leisten diese Tätigkeiten einen entscheidenden Beitrag zur Realisierung der Vision eines nahtlos vernetzten Planeten, auf dem Informationen frei und schnell über geografische und digitale Grenzen hinweg fließen können.

Interessierte können sich über diese und weitere moderne Entwicklungen der Satellitenkommunikation auch im Showroom des Deutschen Zentrums für Satelliten-Kommunikation e.V. (DeSK) am Standort Backnang näher informieren. Dort ist unter anderem ein 1:1-Modell des EIVE-Satelliten ausgestellt, welches interaktiv die einzelnen Funktionsweisen des Satelliten erläutert.

Weiterführende Hinweise finden Sie unter https://www.ilh.uni-stuttgart.de/forschung/mmw/EIVE/ und https://desk-sat.com/startseite.

Deutsches Zentrum für Satelliten-Kommunikation e.V. (DeSK)
Unternehmen, wissenschaftliche Einrichtungen und Hochschulen aus dem Bereich der Satellitenkommunikation haben sich im Jahr 2008 im Deutschen Zentrum für Satelliten-Kommunikation e.V. (DeSK) zusammengeschlossen.

Ziel des DeSK ist es, die Mitglieder zur Erweiterung der Geschäftsbeziehungen zusammenzuführen sowie zu einem schlagkräftigen Netzwerk zu bündeln und dabei Synergien zu erzeugen. Außerdem werden gemeinsame Aktivitäten zur Fachkräftegewinnung durchgeführt. Ferner obliegt dem DeSK der Betrieb eines Showrooms zum Thema ‚Satellitenkommunikation‘.

Als Teil der Kompetenzzentren Initiative der Region Stuttgart wird das DeSK von der Wirtschaftsförderung Region Stuttgart GmbH (WRS) gefördert.

Institut für Robuste Leistungshalbleitersysteme (ILH) der Universität Stuttgart
Seit seiner Gründung im Jahr 2013 arbeiten Wissenschaftler am ILH der Universität Stuttgart an Innovationen im Bereich mikroelektronischer Schaltungen und Systeme für Anwendungen der Leistungselektronik und der Hochfrequenzelektronik. Die Forschungsschwerpunkte am ILH liegen auf dem Einsatz moderner Halbleitertechnologien in leistungsfähigen Transceivern für die hochbitratige Funkkommunikation und in kompakten Spannungswandlern für die Elektromobilität und die Energiewende.

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• DeSK

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Quelle: Universität Stuttgart 6. Juni 2023.

6. Juni 2023 – Nach vier Jahren Entwicklung und Tests schickt ein Forschungsteam rund um die Universität Stuttgart noch in diesem Monat den Satelliten EIVE (Exploratory In-Orbit Verification of an E/W-Band Satellite Communication Link) ins Weltall. Ziel ist es, eine breitbandige Datenübertragung über größere Distanzen hinweg aufzubauen, beispielweise für eine globale, zeit- und ortsunabhängige Versorgung mit schnellem Internet. Die Forschenden statteten EIVE dafür mit Technologien aus, die es ermöglichen, in einen bislang wenig erforschten Frequenzbereich vorzudringen – das sogenannte E-Band.

EIVE ist weltweit eines der ersten Projekte, das im All eine derartige Kommunikationsstrecke mit einer Reihe von verschiedenen Modulationsarten und Datenraten im E-Band bei 71—76 Gigahertz (GHz) testet. Die gewonnenen Ergebnisse bilden die Grundlage für künftige Kommunikationssatelliten.

Technologisches Raumwunder sorgt für rasante Datenübertragung
Mit einer Größe von etwa 12 x 24 x 40 Zentimetern und 8,8 Kilogramm gehört EIVE zur Klasse der Nanosatelliten und passt bequem in einen Schuhkarton. „Wir haben EIVE mit standardisierten CubeSat-Bauelementen entworfen“, erklärt Prof. Sabine Klinkner vom Institut für Raumfahrtsysteme (IRS). „Durch die Verwendung von Standards lässt sich der Satellit mit praktisch jeder Rakete ins All transportieren.“

Obwohl er so klein ist, birgt der Satellit jede Menge komplexe Technik: Neben dem kompakten Satellitenbus, der den Betrieb im Weltraum ermöglicht, verfügt EIVE über einen Transmitter zur Datenübertragung im E-Band. „Das ermöglicht eine zehn- bis hundertmal höhere Frequenz als wir sie bislang in der Mobilkommunikation nutzen“, sagt Prof. Ingmar Kallfass vom Institut für Robuste Leistungshalbeitersysteme (ILH). „Das entspricht einer Datenübertragungsrate von bis zu 16 Gigabit pro Sekunde.“

Sensoren und Aktuatoren sorgen dafür, dass der Transmitter für die Datenübertragung exakt auf die Bodenstation ausgerichtet ist. Mit an Bord sind außerdem besonders leistungsfähige Sendetechnologien, die das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) entwickelt hat. So lassen sich neben Testdaten auch Livevideodaten mit einer 4K-Kamera vom All zur Erde übertragen.

Für den Empfang der E-Band Transmissionen auf der Erde müssen sich Satellit und die für dieses Projekt eigens errichtete Bodenstation an der Universität Stuttgart exakt aufeinander ausrichten. Am Boden empfangen, speichern und analysieren die Forschenden die bis zu zwölf Terrabyte großen anfallenden Datenmengen pro Überflug.

Vom Start bis zur Inbetriebnahme
EIVE wird von der Vandenberg Space Force Base in Kalifornien mit SpaceX/Transporter-8 ins All starten. Etwa eine Stunde nach dem Start wird der Satellit im niedrigen Erdorbit auf etwa 520 Kilometern Höhe und in polarer Flugbahn ausgeworfen. Während der darauffolgenden Tage wird rund um die Uhr im Zweischichtbetrieb gearbeitet, um alle Systeme des Satelliten zu überprüfen und in Betrieb zu nehmen. Anschließend führen die Forscher*innen mit EIVE bis mindestens 2024 Experimente zur E-Band-Kommunikation durch.

Über das EIVE-Projekt
An der Entwicklung des Satelliten waren neben dem IRS und ILH der Universität Stuttgart, das Fraunhofer IAF sowie Partner aus der Industrie – RPG Radiometer Physics, Tesat-Spacecom und Thales Alenia Space Deutschland, AZUR SPACE sowie die Exolaunch GmbH – beteiligt. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz über das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert.

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• CubeSats

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Quelle: Fraunhofer IAF.

6. September 2021 – Im Juni 2021 begann der Nanosatellit »W-Cube« seine Reise an Bord einer Falcon 9 Rakete von Cape Canaveral zum polaren Orbit. Dort wurde er rund einen Monat später in seine Umlaufbahn in 500 Kilometer Höhe gebracht und sendet nun seit August erfolgreich Testsignale im Q- und W-Band zur Erde. Dabei sammelt er wichtige Daten für die Erschließung neuer Frequenzbereiche für zukünftige Satellitenkommunikationssysteme. Der Nanosatellit wurde im Rahmen des Verbundprojekts »ARTES« gebaut. Das Sendermodul des Satelliten sowie das Empfängermodul der korrespondierenden Bodenstation wurden vom Fraunhofer IAF entwickelt.

Der Kapazitätsbedarf zur Datenübertragung steigt zunehmend an. Weltweit wird an neuen Datenhighways für den digitalen Konsum geforscht, denn die gängigen Frequenzen sind schon heute knapp. Um in Zukunft neue, leistungsstarke Satelliten ans Internet anzubinden, arbeiten mehrere europäische Partner im Projekt »ARTES – Advanced Technology CubeSat-based W-band channel measurements« zusammen, um bislang ungenutzte Frequenzen im Q‑ und W‑Band (37,5 und 75 GHz) zu testen. Bei dem Projekt handelt es sich um die weltweit erste »Low Earth Orbit (LEO) Mission« in diesem Frequenzbereich.

Bevor der Satellit seine Reise antreten konnte, musste in der ersten Hälfte des Projekts die Hardware entwickelt und aufgebaut werden. Dabei sind die Sendermodule und extrem rauscharmen Empfängermodule Kernkomponenten, die vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF entwickelt wurden. Mit dem Start des Nanosatelliten beginnt nun eine zweijährige Messkampagne, bei der Testsignale routinemäßig am Boden empfangen und verarbeitet werden.

Testsignale aus der erdnahen Umlaufbahn
Um in Zukunft neue Frequenzbänder für die Satellitenkommunikation nutzen zu können, bedarf es Messkampagnen, welche die spezifischen atmosphärischen Kanalausbreitungen charakterisieren. »Nicht jeder Frequenzbereich eignet sich für alle Übertragungen. Deswegen ist es wichtig, dass wir uns die Auswirkungen des Wetters auf die Frequenzen genau anschauen«, erläutert der Projektkoordinator Dipl.-Ing. Michael Schmidt von JOANNEUM RESEARCH.

Auf seiner Testmission umkreist der Nanosatellit »W-Cube« die Erde im erdnahen Orbit (LEO). Damit unterscheidet er sich zwar von zukünftigen operationellen Satelliten, die das W-Band in einer geostationären Umlaufbahn (GEO) nutzen werden, jedoch erlaubt die Nähe zur Erde bei der Messung entscheidende Zeitvorteile und der Einfluss durch Wetterlagen ändert sich kaum. Basierend auf den Messdaten wird ein statistisches Modell, das die Planung und Dimensionierung zukünftiger Satellitenstrecken in diesem Frequenzbereich ermöglichen soll, entwickelt.

Hochfrequenzelektronik ermöglicht klare Signale aus dem Orbit
Für präzise und aufschlussreiche Messungen der Kanalausbreitung zwischen Orbit und Erde wird hochempfindliche und extrem rauscharme Elektronik benötigt. Das Fraunhofer IAF besitzt umfangreiche Expertise in diesem Forschungsbereich und hat im Zuge des Projekts sowohl für den Satelliten selbst als auch für die Bodenstation Hochfrequenz-Frontends entwickelt. Die HF-Komponenten bestehen aus Frequenzvervielfachern sowie Treiber- und Leistungsverstärker für die beiden Frequenzbänder Q- und W-Band.

»Neben der Empfindlichkeit des Empfängers bestand eine der größten Herausforderungen in Bezug auf die HF-Hardware darin, ein Sendemodul mit ausreichender Ausgangsleistung bis zum W-Band zu entwickeln, um ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) auch unter nicht idealen atmosphärischen Bedingungen zu gewährleisten«, erklärt Dr.-Ing. Markus Rösch, Projektleiter seitens des Fraunhofer IAF. Dem Team um Rösch ist es gelungen, durch den Einsatz der institutseigenen Technologie Sendermodule mit der nötigen Leistung zu entwerfen. Diese wurden in Split-Block-Gehäusen aufgebaut, ebenso wie die Frequenzvervielfacher.

Über das Verbundprojekt ARTES
Die Entwicklung des »W-Cube« fand im Zuge des Verbundprojekts »ARTES – Advanced Technology CubeSat-based W-band channel measurements« statt. Das Projektkonsortium besteht aus: JOANNEUM RESEARCH, die das Projekt leiten, Fraunhofer IAF, LC Technologies (LCT), Millimetre Wave Laboratory of Finland (MilliLab), Reactor Space Lab Oy (RSL), der Universität Stuttgart und der Katholieke Universiteit Leuven. In den ersten zwei erfolgreich abgeschlossenen Projektphasen wurden der Nanosatellit und eine korrespondierende Bodenstation entwickelt und aufgebaut, die nun in der dritten Projektphase Daten für die Erschließung des Q- und W-Bands aus einer erdnahen Umlaufbahn (LEO-Orbit) sammeln. Das Fraunhofer IAF hat die Hochfrequenz-Frontends für den Satelliten und die Bodenstation entwickelt, einschließlich Medium Power Amplifiers (MPAs), Low Noise Amplifiers (LNAs), Frequenzvervielfacher und Mischer.

Das Projekt wird von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) gefördert und von den beteiligten Ländern Österreich, Finnland, Portugal und Deutschland finanziert. Auf deutscher Seite wird das Projekt durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unterstützt.

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