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.