Darstellung möglicher Nutzer der mobilen SatellitenkommunikationAktive Terminalantenne zur Satellitenkommunikation
Breitband-Satellitensysteme eröffnen neue Möglichkeiten in der Anbindung ortsfester als auch mobiler Nutzer an schnelle Datennetze. Hauptanwendungen für Breitband-Satellitensysteme sind in der mobilen Kommunikation an Bord von Flugzeugen, Schiffen und Automobilen zu erwarten. Um die nötigen Bandbreiten im Frequenzbereich zu bekommen, muss verstärkt das Ka-Band genutzt werden. Im Gegensatz zu ortsfesten Satellitendiensten mit konventionellen Reflektorantennen erhöhen mobile Breitbandanwendungen den Bedarf an neuen Antennen. Im Vorhaben SANTANA (Smart Antenna Terminal) wird der technologische Grundstein für eine voll ausgebaute aktive Terminal-Antenne zur Satellitenkommunikation im Ka-Band gelegt. Ein hochintegriertes Modul mit einer gewissen Anzahl von Antennenelementen inklusive der zugehörigen Sende- und Empfängerschaltungen und der digitalen Signalverarbeitung wird aufgebaut und getestet. Mit dem Verfahren der digitalen Strahlformung lassen sich gleichzeitig über Software mehrere Antennekeulen ausbilden, formen und schwenken.Die Entwicklung der empfangsseitig benötigten Terminalantenne ist in Zusammenarbeit mit dem DLR entstanden.
Der Bedarf an breitbandiger Datenkommunikation wird in den nächsten Jahren stark ansteigen. Breitband-Satellitensysteme eröffnen neue Möglichkeiten in der Anbindung ortsfester als auch mobiler Nutzer an schnelle Datennetze. Hauptanwendungen für Breitband-Satellitensysteme sind der in der mobilen Kommunikation für professionelle Nutzer an Bord von Flugzeugen, Schiffen und Automobilen zu erwarten. Darüber hinaus ermöglichen Satelliten auch die Versorgung dünn besiedelter Regionen mit relativ geringem Aufwand.
Ein besonderer Schwerpunkt sollte in das Know-how im Bereich "Breitband-Satellitensysteme im Ka-Band" gelegt werden. Wichtig ist hierbei, nicht nur die Technologie für das Raumsegment zu betrachten, sondern auch die Technologieentwicklung für die Endgeräte voranzutreiben.
Um die nötigen Bandbreiten im Frequenzbereich zu bekommen, müssen in der Zukunft verstärkt das Ka-Band oder sogar noch höhere Frequenzbänder genutzt werden (Abb. 2). Dabei ist von Vorteil, dass bei diesen hohen Frequenzen die Antennengrößen reduziert werden können, andererseits aber höhere atmosphärische Dämpfungen auftreten. Für die Bewältigung der hohen Datenraten werden Terminal-Antennen mit hoher Direktivität benötigt. Des weiteren ist eine schnelle Ausrichtung und Nachführung der Antennenkeule auf den Satelliten erforderlich, eventuell sogar die Fähigkeit, mit mehreren Satelliten gleichzeitig eine Verbindung aufzunehmen. Diese Anforderungen können durch eine aktive Terminal-Antenne mit digitaler Strahlformung (DBF, digital beamforming) erfüllt werden (Abb. 3). Die Realisierung eines DBF-Satellitenterminals für breitbandige Satellitenkommunikation im Ka-Band erfordert einen sehr kompakten Aufbau (kurze Wellenlängen) unter Anwendung neuer Integrationstechnologien. Die digitale Signalverarbeitung muss auf die großen Signalbreiten und auf die schnelle Strahlformung abgestimmt werden. Die Bandbreiten und weiten Schwenkbereiche stellen hohe Anforderungen an das Antennendesign.
In der jetzt begonnenen Realisierungsphase werden die erprobten Schaltungen in ein Modul (siehe Abb. 3) integriert, das einen Baustein einer DBF-Terminalantenne bildet und als Technologiedemonstrator dient (siehe Abb. 4). Dieses hochintegrierte Modul soll eine Anzahl von Antennenelementen (z.B. 3x3 oder 5x5) enthalten, sowie die zugehörigen Sender- bzw. Empfängerschaltungen und die digitale Signalverarbeitung. Dazu wird auf etablierte Verbindungstechnologien und auf dem Markt verfügbare Komponenten zurückgegriffen.
Das Vorhaben wird mit der Inbetriebnahme und Vermessung des fertigen Technologiedemonstrators abgeschlossen. Dieser Technologiedemonstrator vereint als Sub-Einheit eines Terminals viele der technischen Eigenschaften, die eine Terminalantenne auszeichnet. Ziel ist es, später einen funktionsfähigen Systemdemonstrator einschließlich der Datenverarbeitung zu realisieren.
Empfangsseitiges Antennenarray
Die Empfangs- und Sendeantennen im Projekt SANTANA sind in modularer Bauweise konzipiert. Ein einzelnes Modul (Abb. 5) besteht aus 4.4=16 Strahlern (Abb. 6) mit den zugehörigen analogen Empfängern und Transmittern bis hin zu den AD/DA-Wandlern. Der modulare Aufbau ermöglicht es später, defekte Module auszutauschen. Zudem muss die Antennengröße in der Entwicklungsphase nicht endgültig festgelegt werden, da zur Erzielung eines größeren Gewinns der Antenne einfach weitere Module hinzugefügt werden können.
Der Antennenteil selbst, der sich vor der eigentlichen Empfängerschaltung befindet, ist eine Kombination aus Wellenleiter und Schlitzantenne. Der Grund hierfür liegt in der außerordentlichen Wärmeentwicklung bei kleiner Packungsdichte der aktiven Elemente. Zur Kühlung wurde daher eine dicke Grundplatte vorgesehen. Der Übergang von der HF- zur Antennenseite wird mittels eines mit Keramik gefüllten Hohlleiters realisiert.
Die im System benötigte zirkulare Polarisation bei Verwenden von linear polarisierten Einzelstrahlern wird durch das Verfahren der sequentiellen Rotation erreicht . Eine wiederholte Rotation der 2x2-Gruppen und eine Vertauschung der um 180° und 270° gedrehten Elemente vermindert Grating-Lobes, die sonst in der kreuzpolaren Komponente bei großen Schwenkwinkeln auftreten würden (siehe Abb. 7 bzw. Abb. 8).
Die Projektkoordination liegt beim Institut für Hochfrequenztechnik der Technischen Universität Braunschweig. Das Institut für Kommunikation und Navigation des DLR in Oberpfaffenhofen erhält im Rahmen dieses Vorhabens einen Unterauftrag der TU Braunschweig, ebenso die astrium GmbH. Beide Unterauftragnehmer bringen ihre technischen Kompetenzen auf diese Weise in das Vorhaben ein. Als Projektpartner fungieren des weiteren die ViCon Engineering GmbH und die IMST GmbH. Beide Firmen bringen Spezialwissen und umfangreiche Erfahrungen in das Projekt ein. Um die direkte Nutzung der Ergebnisse zu gewährleisten, werden geeignete Industriepartner für die Resultate interessiert und sollen für spätere Projektphasen aquiriert werden.
Am 9. Oktober 2002 fand beim DLR Bonn-Oberkassel die Zwischenpräsentation des Vorhabens statt. Daran haben zahlreiche Industrievertreter teilgenommen und damit das große Interesse der Industrie an diesem Projekt unterstrichen. Die Vorträge der Zwischenpräsentation können hier aufgerufen werden.