Daten übertragen: Fraunhofer entwickelt Empfangsmodul für extrem hohe Datenraten

Das exponentielle Wachstum von Daten und der wachsende Datenkonsum sorgen dafür, dass der Bandbreitenbedarf immer größer wird. Die Satellitenkommunikation weicht deshalb auf höhere Frequenzen aus. Allerdings fehlen hier bislang die erforderlichen Komponenten. Das soll sich nun ändern.

Eine zentrale Rolle bei der künftigen Satellitenkommunikation soll das sogenannte W-Band (75 GHz bis 110 GHz) spielen, das gut für Anwendungen in diesem Bereich geeignet ist. Das liegt nicht nur am hohen Datendurchsatz bei der Nutzung in großen Höhen und im Weltraum. Auch die Systemkapazität soll dadurch erheblich gesteigert, die Zahl der Gateway-Bodenstationen verringert und damit die Gesamtkosten des Systems reduziert werden können. Um die Vorteile nutzen zu können, braucht es aber Technologie und Hardware für Anwendungen im W-Band-Frequenzbereich. Daran aber hapert es.

Daten über große Entfernung verschicken

Um Abhilfe zu schaffen, hat das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) das Projekt „Beacon – W-band Integrated Active Receive Front-End“ gestartet. Im Rahmen des ESA-Programms Artes (Advanced Research in Telecommunications Systems ) wollen sie zusammen mit Forschenden des Spezialunternehmens RPG-Radiometer Physics ein neuartiges W-Band-Empfangsmodul mit einer Betriebsfrequenz von 81 GHz bis 86 GHz an den Start bringen. Es soll extreme Datenraten gewährleisten und gleichzeitig eine Datenübertragung über eine große Entfernung mit geringem Stromverbrauch ermöglichen.

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Ein wichtiger Faktor bei der Übertragung von Signalen in großen Entfernungen ist ein möglichst niedriges Rauschen, damit das Nutzsignal – also die zu übertragenden Daten – nicht von unerwünschten Signalen beeinträchtigt wird und es nicht zu Kommunikationsstörungen kommen kann. Den Forschenden ist in diesem Bereich ein Durchbruch gelungen.

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“, sagt Philipp Neininger, Projektkoordinator und Forscher am Fraunhofer IAF; mHemt steht für „metamorphic high electron mobility transistor“, wobei ein Hemt ein extrem schneller und rauscharmer Feldeffekttransistor ist, der das Bauteil daher besonders gut geeignet macht für Hochfrequenzanwendungen. Beim mHemt lässt sich über eine zusätzlichen Pufferschicht im Hemt die Performance optimieren, entweder in Richtung einer möglichst hohen Verstärkung oder eines möglichst niedrigen Rauschens.

„Auf dieser Grundlage wird im Projekt eine Reduzierung der Rauschzahl auf unter 3,5 dB und damit eine erhebliche Verbesserung des State of the Art angestrebt“, so Neininger.

Massenware im Weltraum

Doppelt so viele Daten

Das Empfangsmodul wurde so gestaltet, dass es die linke und die rechte zirkuläre Polarisation trennt und in zwei getrennten Kanälen (LHCP und RHCP) verstärkt. Das dient den Entwicklern zufolge einer effektiven Verdoppelung des Datendurchsatzes.

Eine weitere Herausforderung: Die Komponenten müssen auf einer sehr kleinen Modulfläche Platz finden. Dazu zählen Funktionen wie 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“, betont Neininger.

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W-Band-Übertragung von Daten erfolgreich getestet

Im vergangenen Jahr wurden erstmals Satellitensignale im W-Band-Frequenzbereich aus dem Weltraum empfangen. Der Nanosatellit W-Cube startete im Sommer 2021 seine Reise an Bord einer Falcon-9-Rakete zum polaren Orbit. Seitdem sendet er Satellitensignale bei 75 GHz aus 500 km Höhe zur Erde. Für diese Mission hatten die Fraunhofer-Forschenden das Sendermodul des Satelliten sowie das Empfängermodul der korrespondierenden Bodenstation entwickelt.