Die Eigenschaften moderner Satellitenkommunikationssysteme können durch den Einsatz gerichteter Antennen mit adaptiver Strahlformung und -steuerung auf der Satelliten- und Terminalseite deutlich verbessert werden. Beeinträchtigungen des Empfangs durch Mehrwegeausbreitung und andere Störeinflüsse lassen sich durch eine begrenzte Breite der Strahlungskeule, gezielte Nebenkeulenabsenkung und Nullstellengenerierung stark reduzieren. All diese Maßnahmen führen zu einer besseren Qualität der Dienste (Quality of Service, QoS). Die Erzeugung mehrerer voneinander unabhängiger Strahlungskeulen ermöglicht einen räumlichen Mehrfachzugriff (SDMA) und damit eine Erhöhung der Kapazität des Kommunikationssystems. Die Begrenzung der Keulenbreite entspricht einem Gewinn, der das Signal-Rauschverhältnis verbessert. Satellitennutzlast und Terminal können dadurch mit geringeren HF-Leistungspegeln arbeiten.
Kommunikationssysteme mit nicht-geostationären Satelliten (LEO, MEO, HEO) bieten nur einen zeitlich begrenzten Sichtkontakt zu bestimmten Satelliten. Für LEO-Satelliten liegen die Sichtbarkeitsdauern unter 15 min. Die Strahlungskeule der Terminalantenne muss daher der Bahn des Satelliten folgen und dabei auch etwaige Bewegungen eines mobilen Terminals berücksichtigen. Letzteres muss in jedem Fall auch bei geostationären Satelliten (GEO) erfolgen.
Die Strahlformung und -steuerung einer adaptiven Antenne kann auf analoger oder auf digitaler Ebene durchgeführt werden. Die konventionellen phasen- und amplitudengesteuerten Antennen (phased arrays) nutzen elektronische Phasenschieber und regelbare Verstärker (Abbildung 1). Eine mehrkeulenfähige Architektur ist möglich, aber sehr aufwändig.
Eine zukunftsweisende Technik zur Realisierung einer mehrkeulenfähigen adaptiven Antenne ist die digitale Strahlformung (digital beamforming, DBF). In Kombination mit planaren Strahlern bietet sich hier die Möglichkeit der Integration mit aktiven Elementen zum Aufbau kompletter Sende- und Empfangsmodule (Abbildung 2). Durch ihre flache oder auch konforme Bauweise lassen sich diese Antennen besonders gut in die Oberfläche von Fahrzeugen oder Flugzeugen integrieren. Im Gegensatz zu konventionellen Phased-Array-Konfigurationen, die aufwendige Multibeam-Architekturen erfordern, werden hierbei gesteuerte elektronische Komponenten auf der HF-Ebene vermieden. Durch die Verlagerung der Strahlformung in den digitalen Prozessor wird zudem eine enorme Steigerung der Flexibilität erzielt. Die Genauigkeit lässt sich durch Kalibrierung und den Einsatz geeigneter Algorithmen zur Fehlerkorrektur noch deutlich erhöhen und weitgehend unabhängig von äußeren physikalischen Einflüssen halten.
In den letzten Jahren sind die Anforderungen an die von niedrig fliegenden Satelliten (LEO) zur Erdbeobachtung übertragenen Datenmengen enorm gestiegen. Daher stellt die vergleichsweise kurze Zeitspanne (ca. 10 min), während der eine Bodenstation den Kontakt zu einem vorüber ziehenden LEO Satelliten halten kann, um die gesammelten Daten herunterzuladen einen zunehmend enger werdenden Flaschenhals dar. Ein eleganter Weg, diesen Flachenhals zu umgehen ist die Nutzung eines geostationären Satelliten als Relaisstation, um die Signale der LEO-Satelliten mit hoher Datenrate an eine Bodenstation zu senden (Abbildung 3). Auf diese Weise können selbst bei einer einzigen Bodenstation lange Kontaktzeiten erreicht werden, da die meisten LEO-Satelliten während mindestens 50 % ihrer Umlaufzeit für den GEO sichtbar sind. Für diesen Zweck werden neuartige Empfangsantennen mit mehreren individuell elektronisch nachführbaren Beams benötigt. Rein mechanisch gesteuerte Antennen sind hierzu nicht geeignet.
Eine mögliche Antennenarchitektur, die den für hochratige Datenübertragung bei ca. 26 GHz erforderlichen Gewinn ermöglicht, besteht aus einem starren Antennenreflektor, der mit einem elektronisch gesteuerten Antennenarray als Feed kombiniert wird (Abbildung 4). Auf diese Weise können mehrere Beams erzeugt werden und die Antenne kann LEO-Satelliten unabhängig voneinander verfolgen, indem zwischen verschiedenen Subarrays geschaltet wird. Eine rekonfigurierbare Matrix verbindet die Ausgänge der Subarrays, die sich jeweils im Fokus des einfallenden Signals befinden, mit den Frontends und der Signalverarbeitungselektronik. Zusätzlich können die generierten Beams mit Hilfe der digitalen Strahlformung in einem gewissen Bereich geschwenkt werden, um über den gesamten Winkelbereich optimale Empfangsbedingungen zu erhalten. In der Fachgruppe Antennen wird, in enger Zusammenarbeit mit Universitäten und Unternehmen aus der Raumfahrtindustrie, eine neuartige elektronisch steuerbare Multibeam-Antenne mit digitaler Strahlformung entwickelt. Ihr Funktionsprinzip und ihre Eignung für den vorgesehenen Einsatz werden im Rahmen einer Labordemonstration validiert. Kritische Komponenten der Antenne werden Raumfahrttauglichkeitstests unterzogen.