SANTANA Smart Antenna Terminal

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1 SANTANA Smart Antenna Terminal Vorstellung des Projekts A.F. Jacob Institut für Hochfrequenztechnik Technische Universität Braunschweig

2 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 Weßling Kamp-Lintfort Braunschweig 2

3 Überblick Satellitensystem SANTANA Terminal Übersicht: Konzept und Aufbau Antennenarray HF-Elektronik Aufbautechnik Signalverarbeitung Zusammenfassung / Ausblick 3

4 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) Uplink: ca. 30 GHz Downlink: ca. 20 GHz 4

5 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 5

6 Modulkonzept Aufspaltung in Module Einzelmodul als Technologiedemonstrator (zunächst getrennte Sende- und Empfangsteile) Modul Antennenelemente HF + ZF (analog) ZF + DSP (digital) Basisplatte Kühlung Stromversorgung LO/Taktverteilung Strahlformung/-steuerung 6

7 Modulaufbau Einzelelement schematisch ZF- und DSP- Elektronik Elektr. Kontakt Abstandshalter Signalverteilung Elektr. Kontakt Abstandshalter HF-Elektronik HF-Übergang Metallplatte Antennen 7

8 Antennenarray Zyklische Rotation der Elemente subarray Erzeugung zirkularer Polarisation mit linear pol. Elementen d = 0.5 λ 0 Verbesserung Polarisationsreinheit bei zirkular pol. Elementen

9 Elektronik Ka-Band Frontend GaAs - MMIC (bare die) Empfänger (LNA + Mischer) Empfänger ZF-Teil analog Zwischenfrequenzteil gehäuste SMD-Bauteile auf Multilayer-Leiterplatte 3.4 mm 9

10 Aufbau- und Verbindungstechnik Bewährte Technologien Single-Layer HF-Laminate Drahtbond-Verbindung mittlere Intregationsdichte 2x2 Empfänger Submodul Neue Technologien Multilayer LTCC Flipchip-Verbindung hohe Intregationsdichte 10

11 Messtechnik Wafer-Probing Station Direkte Kontaktierung auf dem Chip oder über Substrat Koplanar- Mess-Spitzen 11

12 Strahlformung Digitaler Strahlformer (Empfangsfall) Wichtung und Zusammenfassung der Kanalsignale durch Baum- Architektur Datenraten konstant (ressourcenschonend) 12

13 Strahlsteuerung Ermittlung der Empfangsrichtung 13

14 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 14

15 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 15

16 Satellitensystem Euroskyway EIRP = 54,2 dbw (EOC) GEO-System auch für mobile Anwender Europa und Mittelmeerraum Start 2004 (1. Satellit) Uplink: f = 29,75 GHz B = 0,5 GHz G/T = 13 db/k Downlink: f = 19,95 GHz B = 0,5 GHz Terminal: min. EIRP = 40 dbw min. G/T = 9,5 db/k 16

17 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 17

18 Antennenspeisung Interface Antenne-Elektronik Schlitz-gekoppelter Rundhohlleiter mit keramischem Füllmaterial in Metallplatte mechanische Stabilität Träger für die Elektronik Wärmeleiter direkte oder indirekte Speisung des Patches 18

19 Schaltung Sender Digitale Modulation & Aufwärtsmischung 19

20 Schaltung Empfänger Heterodynempfänger + Bandpass sampling 20

21 MMIC Typische Daten verfügbarer Ka-Band MMIC Funktion Parameter Wert Low Noise Amplifier (LNA) Power Amplifier (PA) Mischer * LO Verst. * subharm. Rauschzahl Verstärkung Versorgung Chipfläche Leistung Versorgung Chipfläche Konv.-Verluste LO-Leistung IP 3. Ordnung Chipfläche 2 db 25 db V 1,5 x 2,5 mm² 20 dbm V 1,5 x 2,5 mm² db 15 / 0* db 18 / 8* dbm 1,5 x 1,5 mm² Min Max Typ Typ Typ Typ Min Typ Typ Typ Typ 21

22 Synchronisation Verteilung zentral erzeugter LO-Signale an die Module / Elemente 22

23 Kalibrierung Passives Konzept für den Empfänger A 20 GHz Receiver DDC D A 20 GHz Receiver DDC D A 20 GHz Receiver DDC D DBF A 20 GHz Receiver DDC D Ausnutzung von empfangenen Satellitensignalen zur Kalibrierung Equalizer 23

24 Kalibrierung Aktives Konzept für den Sender mit Kalibrierempfängern am Rande der Antenne 24

25 Kühlkonzept Wärmefluß von 0,4 W / cm 2 (Empfänger) bzw. 2,6 W / cm 2 (Sender) Abfuhr der Wärme durch: Luftzirkulation (Empfänger) Wasserkreislauf durch integrierte Kühlkanäle (Sender) 25

26 Fuzz-Buttons Fuzz-Button Verbinder Leiterplatte + Lötfrei - lösbar + relativ niedrige Kosten + zuverlässig + Ausrichtung unkritisch + mittlere bis hohe I/O-Dichte + geeignet für Frequenzen bis ca. 20 GHz Vias Fuzz Buttons Abstandshalter Leiterplatte 26

27 Fuzz-Button Übergang Fuzz-Buttons Übergang: 3-Drahtleitung aus 4 mm Fuzz-Buttons in PTFE Simulation Messung S11, S21 [db] S21 S Frequenz [GHz] 27