ESCALAS

Das vom DLR geförderte Projekt „Enhanced Self-CALibrating Amplifier components for Space (ESCALAS)“ konzentriert sich auf die Entwicklung kostengünstiger, platzsparender und energieeffizienter HF-Module im Frequenzbereich von 15 GHz bis zu 60 GHz und darüber hinaus, die speziell auf die nächste Generation von Satellitenkommunikationssystemen mit aktiver Antennenanordnung zugeschnitten sind. Die Projektpartner sind Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR), Tesat-Spacecom GmbH (TESAT), das Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP), das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und die Universität Stuttgart.

Satelliten mit aktiven Antennengruppen enthalten zahlreiche HF-Ketten, die jeweils Verstärker, Phasenschieber und Antennen umfassen. Durch die präzise Steuerung der Verstärkung und des Phasengangs dieser HF-Ketten kann die Antennengruppe Sende- und Empfangsstrahlen in bestimmten Richtungen bilden. Diese Fähigkeit zur Strahlformung verbessert die Richtwirkung der Antenne und erhöht den Antennengewinn erheblich, was letztlich eine Datenkommunikation mit hohem Durchsatz ermöglicht. Die Vergrößerung der aktiven Antennengruppen und der Betrieb in der rauen Umgebung des Weltraums stellen zusätzliche Herausforderungen dar. Da das Energiebudget eines Satelliten streng begrenzt ist, müssen aktive Komponenten, die Gleichstrom verbrauchen, wie z. B. Phasenschieber und Verstärker, so ausgelegt sein, dass sie möglichst energieeffizient arbeiten, ohne die Missionsanforderungen zu beeinträchtigen. Außerdem erfordert die Aufrechterhaltung zuverlässiger Langstreckenverbindungen Transceiver, die eine hohe Ausgangsleistung liefern können. Daher werden Hochleistungsverstärker (HPAs) und Wanderfeldröhrenverstärker (TWTAs) eingesetzt, um diese Leistungsanforderungen zu erfüllen. Bei hohen Leistungen können die Nichtlinearitäten der Transistoren jedoch zu Intermodulationsverzerrungen und Nachbarkanalstörungen führen. Diese Effekte verschlechtern die Bitfehlerrate und verringern die erreichbaren Datenraten. Um den linearen Betriebsbereich dieser Verstärker zu erweitern, werden in der Regel analoge oder digitale Vorverzerrungstechniken eingesetzt.

Außerdem ist der Satellit auf seiner Umlaufbahn extremen Temperaturschwankungen und intensiver Strahlung ausgesetzt, die das Verhalten der HF-Komponenten verändern können. Um diese Veränderungen auszugleichen, ist ein integriertes BIST-Kalibrierungsmodul erforderlich, das die Leistung der HF-Module kontinuierlich überwacht und eine Selbstkalibrierung im Orbit durchführt. Um eine langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten, müssen die RF- und BIST-Module unter den extremen thermischen und strahlungsbedingten Bedingungen im Weltraum entwickelt und validiert werden.

Im Rahmen des ESCALAS-Projekts wurde die Implementierung von linearisierten Kanalverstärkern (LCAMPs) unter Verwendung der hochmodernen SiGe-BiCMOS-MMIC-Technologie des IHP sowohl für das K-Band (18-26 GHz) als auch das Q/V-Band (37-66 GHz) angestrebt. LCAMPs bestehen aus zwei RFIC-Modulen, einem Kanalverstärker und einem Linearisator, kombiniert mit einem integrierten BIST-Modul zur Leistungsüberwachung und Selbstkalibrierung im Orbit. Zu den wichtigsten Projektzielen gehören:

• Miniaturisierung und Kosteneffizienz: Nutzung des fortschrittlichen SiGe-BiCMOS MMIC-Prozesses zur Reduzierung von Größe und Herstellungskosten.
• Verbesserte Funktionalität: Ermöglicht die vollautomatische Selbstkalibrierung von Transceiver-Ketten an Bord.
• Breite Skalierbarkeit: Abdeckung aller für die Satellitenkommunikation relevanten Frequenzbänder im Millimeterwellenbereich.

Durch die Erforschung dieser innovativen Schaltungsparadigmen ebnet ESCALAS den Weg für die nächste Generation von New Space"-RF-Frontends.

• Channel RFIC (CRFIC) Entwicklung: Bestehend aus rauscharmen Verstärkern, Amplitudenentzerrern, Phasenschiebern, Verstärkern mit variabler Verstärkung (VGAs) und Verstärkern mittlerer Leistung (MPAs).
• Entwicklung eines Breitband-Linearisators (LRFIC): Implementierung eines analogen Vorverzerrungs-RFIC zur gezielten Erzeugung von Intermodulationsprodukten dritter Ordnung (IM3) mit präzise gesteuerter Phase und Amplitude, die eine wirksame Auslöschung der entsprechenden IM3-Verzerrungen am Ausgang eines Hochleistungsverstärkers (HPA) oder Wanderfeldröhrenverstärkers (TWTA) ermöglichen. Dieser Ansatz zielt darauf ab, den linearen Betriebsbereich des Verstärkers erheblich zu erweitern. Darüber hinaus wird der Linearisator über ein integriertes BIST-Kalibrierungsmodul verfügen, das eine autonome Selbstkalibrierung im Orbit ermöglicht. Das Institut für Robuste Leistungshalbleitersysteme (ILH) ist für die Entwicklung des Linearisators verantwortlich.
• End-to-End-LCAMP-Demonstration: Erreichen der Technologiestufe 4 durch Validierung der vollständigen RF-Kette, die die CRFIC-, LRFIC- und Selbstkalibrierungsfunktionen umfasst.
• Validierung der Strahlungshärte: Die entwickelten RFICs werden strengen Strahlungstests unterzogen, um ihre Widerstandsfähigkeit zu prüfen und ihre Eignung für den Einsatz im Weltraum sicherzustellen.

Bald verfügbar!