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SANTANASmart Antenna Terminal

Vorstellung des Projekts

A.F. JacobInstitut für Hochfrequenztechnik

Technische Universität Braunschweig

DLR workshop 27./28. März 20032

Einleitung

• Ziel des Projektes SANTANA

– Herstellung eines Submoduls einer

aktiven Terminal-Antenne mit digitaler Strahlformung

für breitbandigen Satellitenfunk im Ka-Band (20/30 GHz)

• Projektträger

– BMBF / DLR Raumfahrtmanagement

• Projektpartner

Ottobrunn Kamp-Lintfort BraunschweigWeßling


Überblick

• Satellitensystem• SANTANA Terminal

– Übersicht: Konzept und Aufbau– Antennenarray– HF-Elektronik– Aufbautechnik– Signalverarbeitung

• Zusammenfassung / Ausblick


Satellitensystem

• Zukünftige Breitband-Satellitensysteme– überwiegend im Ka-Band– zunächst geostationäre Systeme (GEO),

LEO- und MEO-Systeme unsicher

• Bandbreiten / Datenraten– ~ 500 MHz– Datenraten bis zu 64 Mbit pro Kanal

• Nutzergruppen– ortsfeste und mobile Nutzung

(zunächst für professionelle Kunden:z.B. Flugzeugbauer, Fluggesellschaften)

Downlink:ca.

20 GHzUplink:ca. 30 GHz


Digital Beamforming

• Vorteile– keine Mechanik → sehr schnelles Schwenken des Strahls– Strahlformung → adaptive Störerausblendung (nulling)– Erzeugung mehrerer unabhängiger Strahlkeulen gleichzeitig– Weitgehende Kontrolle durch Software → sehr flexibel

• Nachteile– Sehr hohe Komplexität des Systems– Hohe Integrationsdichte der Elektronik (Ka-Band)– Hohe Kosten


Modulkonzept

AntennenelementeHF + ZF (analog)

ZF + DSP (digital)

Basisplatte

KühlungStromversorgung

Modul

LO/TaktverteilungStrahlformung/-steuerung

Aufspaltung in Module

Einzelmodul als Technologie-demonstrator

(zunächst getrennteSende- undEmpfangs-teile)


Modulaufbau

ZF- und DSP-Elektronik

Abstandshalter

Abstandshalter

Signalverteilung

Elektr. Kontakt

Elektr. Kontakt

HF-Elektronik

Metallplatte

Antennen

HF-Übergang

Einzelelement schematisch


Antennenarray

• Zyklische Rotationder Elemente

– Erzeugungzirkularer Polarisationmit linear pol. Elementen

– VerbesserungPolarisationsreinheitbei zirkular pol.Elementen

d = 0.5 λ0

subarray

0° 90°

180°270°

0° 90°

180°270°

0° 90°

180°270°

0° 90°

180°270°


Elektronik

Ka-Band FrontendGaAs - MMIC (bare die)

3.4 mm

Empfänger(LNA +

Mischer)

Zwischenfrequenzteilgehäuste SMD-Bauteile

auf Multilayer-Leiterplatte

EmpfängerZF-Teil analog


Aufbau- und Verbindungstechnik

2x2EmpfängerSubmodul

Neue TechnologienMultilayer LTCC

Flipchip-Verbindung

Bewährte TechnologienSingle-Layer HF-Laminate

Drahtbond-VerbindungÄ mittlere Intregationsdichte

Ä hohe Intregationsdichte


Messtechnik

Wafer-Probing Station

Koplanar-Mess-Spitzen

Direkte Kontaktierungauf dem Chip oderüber Substrat


Strahlformung

• DigitalerStrahlformer(Empfangsfall)

Wichtung undZusammenfassungder Kanalsignaledurch Baum-Architektur→ Datenraten konstant(ressourcenschonend)


Strahlsteuerung

• Ermittlung der Empfangsrichtung


Zusammenfassung

• Digital Beamforming im Ka-Band– hohe Anforderungen an

• Antennen- und Arraydesign• Elektronik-Integration, Aufbautechnik• Signalverarbeitung (insbesondere Hardware)

• Laufendes Projekt:Herstellung und Test eines Moduls– 16-kanaliger Technologiedemonstrator (4x4 Elemente)

als Baustein eines DBF Terminals


Ausblick

• Geplante Weiterführung– Weiterentwicklung und Optimierung – Aufbau mehrerer Module– Tests am Boden und in der Luft (Flugzeug)

• Konzeptuntersuchung Satelliten-Experiment– Kommunikation Boden-Satellit– Abschätzung der Machbarkeit und Kosten– im Erfolgsfall: Planung und Durchführung

• Parallel geplant: KERAMIS LTCC-Projekt– zukünftige Technologie


Satellitensystem

• Euroskyway

– GEO-System– auch für mobile

Anwender– Europa und

Mittelmeerraum– Start 2004

(1. Satellit)

G/T = 13 dB/K

EIRP = 54,2 dBW (EOC)

Downlink:f = 19,95 GHzB = 0,5 GHz

Uplink:f = 29,75 GHzB = 0,5 GHz

Terminal:min. EIRP = 40 dBWmin. G/T = 9,5 dB/K


Antennenelemente

• Quadratische Patch-Antennen für Empfänger– einfaches Design– Symmetrie für zirkulare Polarisation– relativ hohe Bandbreite

• „Truncated-corners“ Patch-Antennen für Sender– Bessere Unterdrückung der kreuzpolaren

Komponenten– Bandbreite ausreichend hoch


Antennenspeisung

• Interface Antenne-Elektronik

– Schlitz-gekoppelter Rundhohlleitermit keramischem Füllmaterialin Metallplatte

• mechanische Stabilität• Träger für die Elektronik• Wärmeleiter

– direkte oder indirekteSpeisung des Patches


Schaltung Sender

• Digitale Modulation & Aufwärtsmischung


Schaltung Empfänger

• Heterodynempfänger + Bandpass sampling


MMIC

• Typische Daten verfügbarer Ka-Band MMIC

Funktion Parameter Wert

Low NoiseAmplifier(LNA)

RauschzahlVerstärkungVersorgungChipfläche

2 dB25 dB30..60 mA @ 3..5 V1,5 x 2,5 mm²

MinMaxTypTyp

PowerAmplifier(PA)

LeistungVersorgungChipfläche

20 dBm300..500 mA @ 3..5 V1,5 x 2,5 mm²

TypTypMin

Mischer* LO Verst.* subharm.

Konv.-VerlusteLO-LeistungIP 3. OrdnungChipfläche

8..10 dB15 / 0* dB18 / 8* dBm1,5 x 1,5 mm²

TypTypTypTyp


Synchronisation

• Verteilung zentral erzeugter LO-Signalean die Module / Elemente


Kalibrierung

• Passives Konzept für den Empfänger20 GHz Receiver DDC

DBF

AD

20 GHz Receiver DDCA

D


D


D

Equalizer

Ausnutzung von empfangenenSatellitensignalenzur Kalibrierung


Kalibrierung

• Aktives Konzept für den Sendermit Kalibrierempfängern am Rande der Antenne


Kühlkonzept

• Wärmefluß von 0,4 W / cm2 (Empfänger) bzw. 2,6 W / cm2 (Sender)

• Abfuhr der Wärme durch:– Luftzirkulation (Empfänger)– Wasserkreislauf durch integrierte Kühlkanäle (Sender)


Fuzz-Buttons

• Fuzz-Button Verbinder

+ Lötfrei - lösbar

+ relativ niedrige Kosten

+ zuverlässig

+ Ausrichtung unkritisch

+ mittlere bis hohe I/O-Dichte

+ geeignet für

Frequenzen bis ca. 20 GHz

Leiterplatte

Leiterplatte

Abstands-halter

Fuzz ButtonsVias


Fuzz-Buttons

• Fuzz-Button Übergang

– Übergang:3-Drahtleitungaus 4 mmFuzz-Buttonsin PTFE

5 10 15 20 25-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Frequenz [GHz]

S11

, S21

[dB

]

S21

S11

SimulationMessung

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