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: 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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