Sat-IP

Das SAT-IP-System adressiert im Allgemeinen die Satellitenkommunikationstechnik. Im Speziellen wird eine Zwei-Wege-Satelliten-Flachantenne entwickelt, die im mobilen Einsatz auf Land- und Wasserfahrzeugen gegenüber den bisher gebräuchlichen Parabolantennen funktionell und monetär deutlich überlegen ist. Diese Planarantenne mit integrierter Sende- und Empfangseinheit kann sowohl auf Binnengewässern als auch in der Hochsee eingesetzt werden.

Das System ist Teil einer geschlossenen Satellitenverbindung, welche im Wesentlichen aus drei Einheiten besteht: der Funkstelle (Boden- bzw. Uplinkstation), dem Satelliten und einer Satellitenantenne am Schiff (Satcom-Terminal).

In der Bodenstation (Hub) werden die Daten zuerst durch Codierer und Modulator bearbeitet und an alle Teilnehmer, die den Satellitenterminal besitzen, gesendet. Jeder bekommt durch seine IP-Adresse seine zugehörigen Daten. Diese Daten werden mit Hilfe eines DVB-S2-Receivers (ETSI-Standard) wiedergewonnen. Das ist der Vorwärtskanal (rosaroter Pfeil).

Da das Modem des Endgerätes im SAT-IP-System multimediafähig sein soll, empfiehlt es sich, den DVB-S2-Standard als Übertragungsverfahren zu verwenden. Momentan ist dies das leistungsfähigste Satellitenstandardübertragungsverfahren.

Für den Rückkanal (grüner Pfeil) wird das TDMA-Verfahren als Multiplex-Zugriffverfahren oder DVB-RCS (ETSI-Standard) verwendet.

Die Gesamtspezifikation sowie die Teilparameter des SAT-IP-Systems in diesem Arbeitspaket wurden in enger Zusammenarbeit mit der TU Berlin festgelegt.

Um die Ausmaße der Antennengröße (Aperturgröße) des SAT-IP-Terminals zu bestimmen, wurde eine Link-Analyse zwischen Satellit und Bodenstation vorgenommen.

Die von Satelliten ausgestrahlten Signale können nur in vorher festgelegten Gebieten den sogenannten Ausleuchtzonen oder Footprints – empfangen werden. Fast alle in deutscher Sprache ausgestrahlten Programme sind über die Satellitensysteme ASTRA und EUTELSAT empfangbar.

Es handelt sich dabei um den geografischen Bereich, in dem ein Fernseh- oder Rundfunkprogramm mit einer bestimmten Übertragungsleistung ausgestrahlt wird. Die Ausleuchtzone ist durch die Umrandung der geografischen Fläche mit einer angegebenen Strahlungsleistung (dBW) begrenzt. Häufig wird angegeben, welche Parabolantennengröße in der Ausleuchtzone erforderlich ist. Große Ausleuchtzonen mit relativ geringer Strahlungsleistung werden als Global-Beam, kleine Ausleuchtzonen mit großer Strahlungsleistung als Spot-Beam bezeichnet.

Wie bereits oben erwähnt, haben wir uns für die Satellitengruppen Astra und Eutelsat-Hot-Bird entschieden. Für die Bestimmung der zur Verfügung stehenden Strahlungsleistung wurden daher die Ausleuchtzonen dieser beiden europäischen Satelliten (Abbildung 2 und 3) untersucht und verglichen. Die Zentimeterangaben in Abbildung 2 zeigen an, welche Antennengröße in der jeweiligen Ausleuchtzone erforderlich ist.

Man kann in beide Richtungen berechnen: Entweder geht man vom Durchmesserwert aus oder man nimmt den dBW-Wert, um den entsprechenden Durchmesser zu ermitteln. Wie folgt im Beispiel:

Spiegel- Ø 120 cm entspricht EIRP = 45 dBW

Spiegel-Ø 75/90 cm entspricht EIRP = 47 dBW

Spiegel-Ø 75 cm entspricht EIRP = 48 dBW

Spiegel-Ø 60 cm entspricht EIRP = 50 dBW

Folglich umfassen die Footprints der ASTRA- und EUTELSAT-Satelliten weite Teile Europas. Daher werden wir einen Parabolspiegel mit dem Durchmesser von 75 cm und einem EIRP-Wert von 48 dBW wählen. Nach der Bestimmung der EIRP-Werte von beiden Satelliten und dem Durchmesser des Parabolspiegels wurde der Antennenparameter des SAT-IP-Systems – wie Gewinn, Band- und Keulenbreite, usw. für Senden und Empfang berechnet. Da die SAT-IP-Antenne in zwei Richtungen strahlt, müssen wir die Antennengrößen in beide Richtungen bestimmen.

Downlink zum SAT-IP-Terminal (Vorwärtskanal)

Nachdem der Durchmesser der Parabolantenne festgelegt wurde, wurde der Antennengewinn ermittelt. Unter der Annahme einer üblichen Wirkflächeneffizienz von 70% bzw. 0,7 kann man den Gewinn einer solchen Antenne für den Ku-Band-Downlink wie folgt ermitteln.

Die Keulenbreite der Parabolantenne kann man aus der Gleichung unter Voraussetzung einer symmetrischen Keule bestimmen:

Das Satellitensignal auf seinem Weg zur Erde unterliegt vielen Störeinflüssen:

Die Leistungsverhältnisse auf der Downlink-Strecke vom Satelliten bis zum SAT-IP-System werden von den folgenden Faktoren bestimmt:

• abgestrahlte Leistungsdichte des Satelliten
• Freiraumdämpfung auf der Strecke Satellit-Erdantenne
• Atmosphärische Dämpfung
• Regendämpfung

Diese Faktoren wollen wir nicht im Detail berechnen, sondern uns geht es um die Rauschquellen direkt am SAT-IP-System, die im Einzelnen bestimmt werden müssen. Diese relevanten Rauschquellen am System werden über entsprechende äquivalente Rauschtemperaturen zu einer Rauschquelle am Fußpunkt der Antenne zusammengefasst. Diese Rauschquelle wird Gesamtsystem – Rauschtemperatur (T_system) genannt. Die Rauschtemperatur in der Terminal-Station setzt sich dabei wie folgt zusammen:

Gegeben:

G_Ant = 37.7 dBi

T_A = T_Sky + T_Boden = 28 K

Verlust im Feed (TX/RX) L_Feed = 0.5 dB

Positionierungsfehler = 0.5 dB

T_F = 290 K

T_R = 60 K

T_Erdstation = T_A / L_Feed + T_F (1 – 1 / L_Feed) + T_R = 116.4 K = 20.66 dB;

Die Güte des Empfangs am SAT-IP-Terminal hängt von dem Verhältnis von dem Antennengewinn zur Gesamtrauschtemperatur ab. Dieses Verhältnis ist bekannt als G/T-Wert und ist das Maß für die Leistungsfähigkeit des Empfangssystems unter Einschluss der Umgebungseinflüsse, der Antenne und des Empfängers. Das bedeutet: je größer der Gewinn und geringer die Temperatur, desto besser das Ergebnis. Mehr Signalstärke zu weniger Rauschen = größere Zahl = bessere Lösung.

Zur Bestimmung des G/T- Wertes müssen bei der Berechnung weitere Verluste (wie L_R und L_FRX u.a.) berücksichtigt werden.

Ein guter Ausgangspunkt ist die Ableitung der Systemrauschtemperatur in seinen zusammengesetzten Temperaturen ausgedrückt, die in einem Satellitensystem gefunden werden. Hierfür ist zunächst eine Bestimmung der einzelnen im System befindlichen Rauschquellen erforderlich. Diese werden anschließend zu einer das gesamte System charakterisierenden Rauschquelle, um den Gewinn zum Temperaturverhältnis (G/T) abzuleiten. Die Rauschtemperatur des Gesamtsystems T_Sys soll zuerst bestimmt werden.

T_Sys = (1 / L_R)Erdstation (1 / L_Feed)_Erdstation (1 / T)_Erdstation = 0.5 dB+0.5 dB+20.66 dB = 21.66 K

Und dann erfolgt die Berechnung des G/T-Wertes:

Uplink an SAT-IP-Terminal (Rückkanal)

Die folgenden zwei Abbildungen und die Tabelle 1 wurden dem Buch „VSAT Networks Second Edition“ entnommen. Aus der unteren Abbildung kann man für die Frequenzen 4 bis 14 GHz die Antennen – Gewinn – Berechnungen ablesen:

In Abbildung 6 sind die Uplink- und Downlinkwerte des Gain bei 0,7m Antennendurchmesser ablesbar: Sie liegen zwischen 36 und 39 dB.

Aus oben gezeigter Abbildung lassen sich die gesuchten EIRP- Uplinkwerte erkennen. Sie sind wiederum bei 0,7m Antennendurchmesser ablesbar. In der folgenden Tabelle werden bereits erprobte allgemein übliche Werte des Ku-Bandes (14 GHz) dargestellt. Dabei sind die VSAT-Werte für 1,2 Meter Antennendurchmesser für vorliegendes Projekt von besonderem Interesse.

Zur Berechnung der maximalen Ausgangsleistung EIRPmax, die von der SAT-IP-Antenne möglich ist, benutzen wir hier die Werte Maximum EIRP und Aktuell EIRP. Die dabei errechnete EIRP_max sollte innerhalb der in der Tabelle angegebenen Werte liegen. Wir berechnen wie folgt:

EIRP_max = P_out G_max / L_Feed;

mit

P_out = Maximale Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers

G_max = Maximaler Antennengewinn

L_Feed = Verlust zwischen PA und Feedhorn

Wir gehen von einem P_out = 2 Watt und von G_max = 39 dB und einem Verlust L_Feed = 1 dB aus.

Damit ergibt sich: EIRP_max = 3 dBW + 39 dB – 0.5 dB = 41.5 dBW.

Dieser Wert von EIRP entspricht ableitbar aus der obigen Tabelle einem Antennendurchmesser von ca. 1,1m – 1,2m.

Die hier errechneten Gewinn-, EIRP- und G/T-Werte sind die festgelegten Grundlagenwerte für das gesamte SAT-IP-System. Dieses Gesamtpaket wurde in Begleitung unseres Partners TU Berlin ermittelt. Die Ergebnisse wurden zusammen mit der Schaltungsarchitektur von der TU-Berlin im Pflichtenheft dokumentiert und damit ist dieses Arbeitspaket abgeschlossen.

Bei der Auswahl der Substrate für die Antennenelemente muss in der Regel ein Kompromiss zwischen Kosten, Verarbeitbarkeit und HF-Tauglichkeit eingegangen werden.

Die EANT GmbH und der Partner TU Berlin einigten sich auf ein Auswahlverfahren des Materials in zwei Arbeitsschritten: Zuerst wurden die Materialeigenschaften des Substrates FR4 geprüft. Falls die Verluste bei diesem Material bei höheren Frequenzen nicht mehr tolerierbar wären, würde das HF-Substrat Megtron 6 gewählt werden. Beide Materialien sind gut verfügbar und verhältnismäßig preiswert.

Das Gehäuse soll aus Montagegründen aus zwei Schalen gefertigt werden, die über ein strukturiertes Interface zusammengefügt und verschraubt werden müssen. Kleber können an der Stelle nicht zur Anwendung kommen, da die meisten Kleber Wasser aufnehmen und damit die Korrosion befördern würden. Gleichzeitig muss das Gehäuse den Anforderungen der elektromagnetischen Wellen gerecht werden und darf diese nur geringfügig dämpfen. Zusätzlich ist zu berücksichtigen, dass zu erwartende Alterungsprozesse des Gehäuses untersucht werden müssen. Ein klassischer Lösungsansatz besteht in der Nutzung von Teflon. Unter Berücksichtigung der vorgesehenen Abmessungen würde dies extrem teuer werden. Zudem ist die mechanische Belastbarkeit eher gering. Durch eine alternative Materialauswahl und geeigneter Verschlusskonzepte wird innerhalb des Kooperationsvorhabens versucht, diesen Herausforderungen zu begegnen und gleichzeitig eine kompakte Form umzusetzen. Radom Materialien, die sowohl die erforderlichen mechanischen als auch elektrischen Eigenschaften erfüllen, sind insbesondere glasfaserverstärkte Kunststoffe (organische Harze wie z.B. Epoxyd-Harze oder Polycarbonate).

Die EANT verfügt über eine Lieferkette von einfachen Kunststoff-Radomen, sowie von komplexeren Glasfaser-Radomen mit Schaumkern. Im Rahmen der Arbeiten am Demonstrator wurden maßgeblich Untersuchung hinsichtlich der komplexeren Glasfaser-Radome, ob ihrer besseren HF-Eigenschaften vorgenommen.

Für dieses Arbeitspaket wurden alle bekannten Speisungsarten der Patchantenne ausführlich untersucht. Im Vergleich aller Speisemöglichkeiten erweisen sich die aperturgekoppelten Patchantennen als besonders vorteilhaft.

Diese Patchantenne ist für eine Integration in eine Gruppenantenne geeignet, denn sie weist eine hohe Bandbreite und einen hohen Gain auf. Um ein flexibles Konzept zu ermöglichen, sind die aperturgekoppelten Antennenelemente in ihrer Polarisation von einem Speisenetzwerk abhängig, welches zwei Richtungen (vertikal und horizontal) erlaubt.

Unser Finalziel ist ein kompakter, kleiner Aufbau. Somit war es von höchster Priorität, Elemente sowie Speisenetzwerk möglichst flach aufzubringen. Der errechnete Gain (Gewinn) der Parabolantenne wurde auf unsere Flach-Satcom-Antenne übertragen, um die effektiven Flächenmaße der Satcom-Antenne zu bestimmen:

Dies ergab eine Fläche von 29.5×118.4 cm2. Je nach Abstand zwischen den Elementen werden die Antennenelemente für die gesamte Antenne festgelegt, z.B. wurde bei 16×64 Antennenelementen ein Abstand zwischen den Elementen von 1.85 Zentimetern bestimmt. Zuerst wurde ein Einzelelement mit den oben angegebenen Untersuchungen (aperturgekoppelte Patches) simuliert und optimiert.

Designmodell des Einzelelements

Das Modell besteht aus zwei Patches. In der Regel wird der obere Patch auf einem luftähnlichen Substrat (z.B. Schaum) aufgebracht. Da in unserem Fall dieser nicht direkt auf das Schaumsubstrat gedruckt werden kann, haben wir das Substrat FR4 (Radom) als Träger für den Patch untersucht und gewählt. Patch 2 liegt direkt auf FR4 auf.

Die beiden Patches werden mit jeweils zwei Schlitzen (vertikal und horizontal) gekoppelt, welche wiederum durch zwei Mikrostreifenleitungen (vertikal und horizontal) angeregt werden. Beide Mikrostreifen liegen auf dem Substrat FR4 (siehe Abbildung 9).

Für den in dieser Arbeit vorgestellten Entwurf wurde das FR4 Substrat 1 mit einer Dicke von 0.5 mm und einer Dielektrizitätszahl єr = 4.4 und tan δ = 0.02 und das Substrat 2 mit einer Dicke von 1.9 mm und einer Dielektrizitätszahl єr = 1.057 und tan δ = 0.02 eingesetzt. Die dielektrische Leitfähigkeit des Schaums ist fast die gleiche wie die von Luft, so dass Verluste vermieden werden können. Der Strahlungseffekt wird dadurch optimiert. Das Substrat 3 wurde mit einer Dicke von 0.8 mm und Substrat 4 mit einer Dicke von 0.5 mm und für beide mit einer Dielektrizitätszahl єr = 4.4 und tan δ = 0.02 eingesetzt.

Somit ist auch die Mikrostreifenbreite bei einer angestrebten Impedanz von 50 Ω bestimmt: Sie beträgt 0.9 mm. Die Dicke des Kupferblechs ist 35 µm.

Ergebnisse der Simulation

Die Simulationsergebnisse zeigten sehr gut Werte. Nach der Erwartungseinschätzung sollte der Wert des Gewinns zwischen 7 und 8 dB liegen. Das Simulationsergebnis erreicht in Abbildung 10 bei einem Wirkungsgrad von 70% und einer Frequenz von 13 GHz einen Gain von 7,4 dB. Die Isolation zwischen den beiden Polarisationen (horizontal und vertikal) liegt über 40 dB. Außerdem wird in Abbildung 11 wie erwartet eine Bandbreite von mehr als 2 GHz gezeigt.

Aus diesem einzelnen Element haben wir eine Zeile der Gruppenantenne, bestehend aus einem 1×8 Modul, simuliert. Im Anschluss wurden dessen Ergebnisse nach unseren Anforderungen optimiert. Die Einspeisung der 1×8 Zeile wurde mitsamt dem Antennenmodul auf ein Substrat (Dielektrikum) gebracht. Diese attraktive Lösung spart uns ein komplettes Substrat für die Einspeisung.

Beschreibung des Designmodells

Ergebnisse der Simulation

Durch die Entkopplung der Einzelstrahler wurde eine wesentliche Verbesserung der Abstrahlungseigenschaften erreicht. Die Ergebnisse stimmen sehr gut mit den erwarteten Werten überein.

Im nächsten Schritt wurde eine Antenne bestehend aus 1×16 Elementen entwickelt (Design und Aufbau).

Beschreibung des Designmodells

Ergebnisse der Simulation

Die Simulationsergebnisse bei 1×16 Elementen zeigten ebenfalls sehr gute Werte.

Nach der Optimierung aller Parameter des Einzelelementes werden mehrere Elemente zu Gruppen zusammengefasst. Eng benachbarte Antennenelemente beeinflussen sich gegenseitig, was bedeutet, dass die Zusammenstellung der Einzelelemente großen Einfluss auf die Parameter der Gruppenantenne hat. Schrittweise werden Elemente miteinander verknüpft und weitere hinzufügt.

Anhand der Simulation wurde ein optimiertes 16×16-Elemente Antennenboard entwickelt. Das Design dafür ist in Abbildung 18 dargestellt.

Damit konnte das Antennenkonzept final ausgewählt werden.

Zusammen mit der TU-Berlin wurde ein Aufbau-Konzept entwickelt. Der Fokus in unserem Arbeitspaket lag auf den Review des Konzepts sowie die Auswahl des Block-Down Converters und Block-Up Converters.

Die Empfangs- und Sendemodule dienen zur Kommunikation mit einem Satelliten mit dem Ziel der Übertragung von Daten der Internet-Anwendungen. Diese bestehen aus drei wesentlichen Komponenten:

• Antenne mit hohem Gewinn und schmaler Richtkeule
• Block-Down Converter, kurz LNB (Ku-Band auf L-Band)
• Block-Up Converter, kurz BUC (L-Band auf Ku-Band)

Satelliten senden ihre Hochfrequenzsignale (Nutzsignale) aus dem Orbit in ca. 36000 km Höhe zu Empfangsantennen auf der Erde. Aufgrund des langen Weges zur Erde werden diese Nutzsignale stark gedämpft. Für die Nachverstärkung und die Umsetzung des Hochfrequenzsignals in den Zwischenfrequenzbereich ist ein sog. Konverter notwendig, der aus einer Reihe von Komponenten besteht. Hierfür wurde zunächst von der Arbeitsweise eines gewöhnlichen Konverters ausgegangen, wie er auch in jedem Satelliten-LNB zu finden ist. Dort besteht der Konverter aus einem rauscharmen Vorverstärker (LNA), einer Mischstufe für die Umsetzung des Signals in den Frequenzbereich (Mixer), einem Nachverstärker für die Zwischenfrequenz (IF Amplifer), zwei Lokaloszillatoren mit geringem Phasenrauschen (LO) und jeweils zwei Filter vor und nach dem Mischer.

Ein Down Converter (LNB) hat die Funktion, die von der Satellitenempfangsantenne gebündelten Signale zu verstärken und in einen tieferen Frequenzbereich umzusetzen. Das umgesetzte Signal wird über ein koaxiales Kabel zu einem DVB-S2-Receiver geführt. Das von dem Modulator kommende Signal läuft über ein weiteres Kabel zum Upconverter (inkl. Verstärker). Der Upconverter wandelt die tiefen Frequenzen in einen hohen Frequenzbereich um und verstärkt das Signal durch Leistungsverstärker (PA).

Alle eventuell für den Betrieb von BUC/LNB notwendigen Schaltfunktionen (z.B. „idle mode“ des BUC, LNB Bereichsumschaltung) müssen über den Prozessor des integrierten Modems möglich sein. Wünschenswerte BUC Funktionen sind neben der „idle“ Schaltung ein geringer Stromverbrauch, wenn nichts gesendet wird, vom Modem gesteuert.

Für die Konservierung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) werden in der Hoch- bzw. Mikrowellentechnik bevorzugt rauscharme Verstärker, sog. LNAs (Low-Noise-Amplifier), verwendet. Sie bieten die Möglichkeit, mithilfe einer entsprechenden Vorverstärkung des Signals das zusätzliche Rauschen durch verlustbehaftete Strukturen unwirksam zu machen. Bei geeigneter Auslegung des Verstärkers ist dies selbst für hohe Verluste unter sehr geringer Zunahme der Rauschzahl möglich.

Die Verwendung von LNAs ist eine alte, bewährte und sehr methodisch anwendbare Variante für die Bewahrung der Signalqualität am Eingang einer Empfängerstruktur. Im folgenden Entwurfsdokument wird ebenfalls von dieser Methode Gebrauch gemacht, um das empfangene Signal vor den Verlusten durch die Phasenschieber zu schützen.

Ohne die Vorschaltung dieser LNAs würden die Verluste in den Phasenschiebern der Phased-Array Antenne das Signal-Rausch-Verhältnis in der Höhe ihrer Verluste reduzieren. Unter der Annahme von 4dB Einfügedämpfung durch die Phasenschieber käme es folglich zu einer Reduktion des SNR um eben 4dB. Nach langjähriger Erfahrung der EANT wurde folgender Konverter gewählt: Universal-Ku-Band-LNB: NJR2842SN – 10.75 GHz – 12.7 GHz.

Das Satcom-Modem soll einen zuverlässigen digitalen Datenaustausch unter Verwendung der TDMA – Technologie gewährleisten. Als Ergebnis soll damit ein leistungsfähiger Breitband – Internetzugang mit günstigem Endkundenequipment ermöglicht werden, welches über den reinen Internetzugang hinaus noch zielgruppenkonforme Zusatzleistungen bieten soll. Zum Zeitpunkt der Bearbeitung des Arbeitspakets wurde auf die Unterstützung geostationärer Services gesetzt. Entsprechend wurde sich für das Modem iDirect X7 (Rx: 950 MHz – 2150 MHz; Tx: 950 MHz – 1700 MHz) entschiedenen, welches eine gängige und weitverbreitete Plattform darstellt.

Satelliten-Modem: iDirect X7

Link: https://www.idirect.net/products/x7-satellite-router/

Dieses Modem bietet eine OpenAMIP Schnittstelle zur Antennensteuerung, welche implementiert und getestet wurde. Dabei werden Satellitenparameter zu Orbitposition, Downlink- und Uplink-Frequenz sowie Symbolrate für den Tracking-Receiver automatisch an die Steuerungseinheit übertragen. Die Schnittstelle unterstützt dabei ein serielles Verbindungsprotokoll oder eine Ethernet-Schnittstelle. Nach umfangreichen Tests des Modems im Telenor Netzwerk mit Breitband-Services, sowie des OpenAMIP Protokolls zur Antennensteuerung wurde dieses Arbeitspaket abgeschlossen. Da die OpenAMIP Schnittstelle eine standardisierte Schnittstelle zur Antennensteuerung darstellt, sind die Ergebnisse des Arbeitspakets zudem auch auf andere SatCom-Modems übertragbar und nicht auf das hier verwendete Modell beschränkt.

Im 6. Arbeitspaket wurde das industrielle Fertigungsverfahren für die einzelnen Baugruppen entwickelt. Diese unterteilen sich in die Antennen-Apertur, den mechanischen Positionierer und das Gehäuse / Radom.

Antennen-Apertur und Anbindung an das RF-Frontend

Im ersten Schritt zur Fertigung eines Funktionsmusters wurden die Antennenstrukturen (Feeding, Rohazell und Patch-Array) noch separat gefertigt. Das Rohazell wird mit Epoxid – Kleber auf das Feeding Netzwerk geklebt und anschließend mit dem Patch-Array verbunden. Schematisch ist der Aufbau in Abbildung 19 sowie die Fotos für die Bestandteile in Abbildung 20 und 21.

Der gezeigte Lagenaufbau wird im Rahmen des Projekts noch von der TU-Berlin hergestellt und einzeln zusammengesetzt. Parallel wurden Gespräche mit der Firma Becker und Müller geführt, welche den industriellen Aufbau realisieren soll. Das Rohacell hat den Nachteil, dass es noch kein Standard Substrat für die Leiterplattentechnologie ist. Becker und Müller hat aber als einer der ersten Hersteller das Rohazell Material auch in Lagenaufbauten für Leiterplatten verpresst. Es ist geplant im nächsten Schritt mit den Layout – Daten für die Industrialisierung auf Becker und Müller zuzugehen, um diese prüfen zu lassen. Im Anschluss soll die weitere praktische Umsetzung des industriellen Fertigungsverfahrens mit dem Unternehmen abgestimmt werden. Die Arbeiten sollen im Anschluss an das Projekt finalisiert werden.

Mechanischer Positionierer

Nachfolgend soll die Entwicklung und der Aufbau des mechanischen Positionierers dargestellt werden. Ausgangspunkt für den Positionierer ist die Anforderung, die Antennen-Apertur im Azimut auf den Satelliten auszurichten, sowie alle mechanischen Schnittstellen für elektronische Komponenten und die Apertur bereitzustellen. Da die Antennen-Apertur die Nachführung und Ausrichtung in der Elevationsachse und im Skew elektronisch gesteuert realisiert, wurde für die Ausrichtung in Azimut-Richtung ein mechanischer Antrieb vorgesehen. Das ursprüngliche “Drehteller”-Prinzip wurde zu einem Riemenantrieb mit zusätzlicher Getriebestufe weiterentwickelt.
Azimut-Antrieb des Demonstrators

Angetrieben von einem Schrittmotor erlaubt dieser Aufbau die Positionierung im hunderstel Grad Bereich und eine ausreichend hohe Beschleunigung (> 500°/s²) sowie Geschwindigkeit (ca. 100°/s). Mit diesen Werten ist der mechanische Positionierer sowohl für den maritimen als auch den landmobilen Einsatz geeignet.

Weiterhin wurde eine 2-Kanal Drehkupplung für Hochfrequenz-Signale bis 2,5 GHz vorgesehen, sowie 2 Schleifringe für die DC Spannungsversorgung der elektronischen Komponenten. Dieser Aufbau ermöglicht eine unlimitierte Drehung und Positionierung der Anlage im Azimut und die Übertragung aller notwendigen Signale zwischen Außen- und Inneneinheit (Modem) über eine Terminal-Baugruppe, die im Gehäuse/Radom der Anlage integriert wurde.

Die mechanische Schnittstelle zur Apertur bilden 2 Frästeile, welche einen 45° Winkel zur Grundplatte des Positionierers realisieren. Durch das Anwinkeln der Apertur wird zwar das Profil der Anlage erhöht, aber gleichzeitig der Einsatzbereich des Antennensystems bei geostationären Satelliten deutlich vergrößert, da niedrigere Elevationswinkel angesteuert werden können. Im Positionierer wurden zudem mechanische Schnittstellen zur Anbringung der Antennensteuerung und einer IMU angebracht.

Nachfolgende Abbildungen zeigen das CAD Konstruktionsmodell, welches die Grundlage für alle abgeleitete Konstruktionszeichnungen und den Aufbau des Positionierers darstellt.

Gehäuse / Radom

Neben der äußeren Form kam dem generellen Aufbau und der Materialwahl bei der Radomentwicklung eine große Bedeutung zu. Die Materialkomposition bestimmt dabei die Festigkeits-, Umwelt- und Hochfrequenzeigenschaften. An jede dieser Eigenschaften müssen hohe Ansprüche gelegt werden. Das Antennensystem wird ausschließlich im Außenbereich eingesetzt und ist dort Umwelteinflüssen wie Regen, Wind, Temperaturschwankungen und UV-Strahlung ausgesetzt. Die hohen Windlasten dürfen nur in begrenztem Rahmen zu Verformungen führen und der Aufbau muss Windgeschwindigkeiten bis zu 200 km/h standhalten. Die Dämpfungswerte müssen im Empfangs- und Sendefrequenzbereich möglichst niedrig sein und das Strahlungsdiagramm soll in jeder „Blickrichtung“ der Apertur durch das Radom kaum beeinflusst werden.

Um diese Eigenschaften bei gleichzeitigem Beibehalten eines flachen
Designs zu gewährleisten, musste eine enge Zusammenarbeit mit
potenziellen Lieferanten stattfinden, und der Konstruktionsentwurf
musste iterativ angepasst werden. Als Ergebnis konnte ein Fertigungsprozess definiert werden, der alle Anforderungen erfüllte. Geplant ist dabei ein Verbundaufbau aus Schaum- und mit Glasfaser verstärkten Harz-Schichten mit vorbestimmter Dicke.

Der finale Radom-Entwurf wurde während der Laufzeit des Sat-IP Projektes nicht zur Fertigung beauftragt. Für die Herstellung wäre einen teuren Werkzeugbau notwendig geworden, der für einen technischen Demonstrator wirtschaftlich nicht vertretbar gewesen wäre (ca. 20.000 EUR). Da für das Apertur-Konzept ein modularer Aufbau je nach Ziel-Applikation gewählt wurde, ist zudem die finale Abmessung in einer End-Anwendung noch nicht bekannt. Es wurden jedoch alle technologischen Voraussetzung für eine möglichst einfache und schnell durchführbare Anpassungsentwicklung geschaffen, um bei veränderter Apertur-Geometrie die Radom-Fertigung zu beauftragen.

Die im Rahmen von AP8 zu bearbeitenden Aufgaben umfassen Tests mit dem Funktionsmuster zur empirischen Analyse der Kennwerte und aller dafür notwendigen vorzubereitenden Arbeiten. Hier kann grundsätzlich zwischen Arbeiten und Tests am mechanischen Positionierer und solchen an der Apertur unterschieden werden. Tests am Gesamtsystem befassten sich maßgeblich mit der mechanischen Anbringung und Integration, sowie Tests an den elektronischen Schnittstellen zur Steuerung der Apertur.

Während der Vorbereitungen zu AP8 zeichnete sich eine entscheidende Änderung in der Marktsituation für die im Projekt entwickelte Technologie ab. Dies wird im Abschlussbericht detailliert ausgeführt. Entsprechend fand dieser Umstand bei der Definition der Feldtests und der durchgeführten Arbeiten Berücksichtigung und führte zu einer stärkeren Ausrichtung hin auf LEO-Konstellationen. Endgültige Parameter für Gain, Nachführbereich, Polarisation und Terminal-Kalkulation sind für diese Anwendung aber nicht vollständig bekannt und nur teilweise abschätzbar. Entsprechend wurde ein stärkerer Fokus auf die Marktanalyse und die Netzwerk-Tätigkeit gelegt, um den Einfluss auf entsprechende Parameter abzuklären.
Die EANT befindet sich bis zum Abschluss des Projektes und darüber hinaus in Gesprächen mit Konstellations-Betreibern und Partnern um diese Parameter abschließend festzulegen. So haben sich beispielsweise die Anforderungen an die Polarisation geändert, sodass nun zirkulare Polarisationen unterstützt werden müssen. Die notwendigen EIRP Pegel werden nach ersten Abschätzungen unter denen von gängigen geostationären Anwendungen bei vergleichbaren 45cm Reflektorantennen liegen. Der Frequenzbereich einiger verbreiteter Konstellationen wird im für die Apertur spezifizierten Bereich liegen.

Unter Berücksichtigung dieser Umstände wurde für das Funktionsmuster zunächst ein Einzelmodul gefertigt. Der modulare Aufbau gewährleistet dabei schon an dieser Stelle flexibel auf die geänderte Marktsituation reagieren zu können. Anhand des Einzelmoduls können zudem Parameter des Gesamtaufbaus extrapoliert werden. Aus den oben dargelegten Gründen konnten jedoch keine Feldtests mit einer Satellitenverbindung durchgeführt werden, da eine solche zum aktuellen Zeitpunkt nur über proprietäre Hardware erfolgen kann, über die die EANT noch nicht verfügt. Die Evaluierung der Performance des entwickelten Apertur-Moduls wird dabei vom Projektpartner vorgenommen und die Ergebnisse werden im Abschlussbericht der TU-Berlin besprochen. Auch unter Berücksichtigung der geänderten Anforderungen hinsichtlich der Eignung für Konstellationen wird die abschließende Evaluierung der Apertur im Anschluss an das Projekt finalisiert.

Am mechanischen Positionierer wurden statische und dynamische Tests durchgeführt. Zur Ansteuerung der Apertur wurde die bestehende Antennensteuerung um eine elektronische Schnittstelle zur Ansteuerung der Antennenapertur erweitert. Hierfür wurde eine hinsichtlich EMC und EMI geeignete Verbindung mit differenzieller Leitungsführung spezifiziert und in Absprache mit dem Projektpartner der TU Berlin integriert, sowie getestet. Neben der Auswahl der Schnittstellentreiber wurde ein Übertragungsprotokoll festgelegt mit vorgegebenen Befehlen zur Übertragung von Diagnose-Informationen und zur Apertur-Steuerung. Hier wird beispielsweise der Elevations-Zielwinkel festgelegt und der Zustand der Antennen-Apertur abgefragt.

Alle elektronischen Verbindungen und Leitungen wurden konfektioniert und anschließend elektrisch sowie wo notwendig an Hochfrequenz-Messgeräten vermessen und geprüft. Dabei wurde sichergestellt, dass bei den erreichten Reflexionsfaktoren und dem Übertragungsverhalten ein störungsfreier Betrieb gewährleistet ist.

Zur Vorbereitung der Tests wurde der mechanische Positionierer schon während des Aufbaus und der Endmontage in einzelnen Baugruppen in Betrieb genommen. Als Ergebnis zeigte sich, dass die Motorsteuerung in Verbindung mit dem mechanischen Antrieb die gewünschten Kennwerte erreicht. Bei der Ansteuerung mit hohen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten zeigten sich jedoch Schwächen in der Verwindungssteifigkeit der Grundplatte und des Untergestells der Anlage. Diese Schwächen wurden im Rahmen eines Redesigns überarbeitet und behoben.

Die Algorithmen zur Bestimmung der Antennenposition und zur Optimierung der Antennenausrichtung wurden erweitert, um eine elektronische Auslenkung in der Elevationsachse zu unterstützen. Da bei einer mechanischen Optimierung das Sensorsystem selbst ausgelenkt wird und bei der elektronischen Auslenkung nur die Hauptstrahlrichtung, aber nicht das Sensorsystem (IMU) selbst bewegt wird, mussten entsprechende Anpassungen am bereits vorhanden Nachführ-Algorithmus vorgenommen werden. Hierfür wurde einerseits das Modell des KALMAN-Filters zur Positionsschätzung in der Sensordatenfusion um entsprechende Routinen erweitert, als auch die Motorsteuerung innerhalb der Optimierungs-Routinen angepasst um stattdessen eine rein elektronische Verstellung zu erzeugen. Die Routinen zur Steuerung der Apertur und der Positionsschätzung sowie Signaloptimierung wurden in Laboraufbauten getestet und geprüft.

Auf Grundlage der geschilderten Arbeiten wurden die vordefinierten Funktionalitäten und Spezifikationen mit den realisierten Kennwerten verglichen. Nachfolgend sollen die Ergebnisse tabellarisch dargestellt werden. Dabei muss berücksichtigt werden, dass nur eine Einzel-Apertur realisiert wurde und auf ein teilweise geändertes Anforderungsprofil reagiert werden musste.

Grundlage für die Weiterentwicklung und Optimierung des Antennen-Systems bildeten einerseits die Erkenntnisse aus AP8 und andererseits die Analyse der Marktentwicklungen.

Als direkte Folge aus den Erkenntnissen der durchgeführten Funktionstests musste die Stabilität und Steifigkeit des mechanischen Positionierens für weitere Tests der Optimierungs- und Lokalisierungsalgorithmen verbessert werden. Hierfür wurde die Grundplatte und das Trägersystem überarbeitet. Die Grundplatte wurde dabei komplett als Alufrästeil mit mehreren Abkantungen hergestellt, um offene schwingungsfähige Profile zu vermeiden. Am Trägersystem wurden Ausfräsungen an Aluminiumprofilen verkleinert, um die mechanische Integrität unter allen Betriebszuständen zu gewährleisten. Die Ergebnisse wurden bei Feldtests auf einem PKW und mit Hilfe einer Rüttelplattform verifiziert. An anderen Komponenten des mechanischen Positionierers und den elektronischen Schnittstellen zwischen Antennensteuerung und der Apertur wurden keine weiteren Probleme identifiziert, sodass daran keine Anpassungen notwendig wurden.

Eine wichtige Rolle bei der Planung des Redesigns der Anlage und von Anpassungsentwicklungen an der Sat-IP Technologie generell auch über die Projektlaufzeit hinaus bildete die Analyse der Marktsituation. Hier sind wie bereits geschildert im Bereich der Satellitenkommunikation im Zuge der NewSpace Entwicklungen neue privat finanzierte Technologie-Unternehmen angetreten, den klassischen geostationären Service-Providern im maritimen „On The Move“ Markt Konkurrenz zu machen. So wird in diesem Jahr erstmalig ein entsprechender kommerzieller Service angeboten. Die Konstellations-Anbieter treten dabei mit hohen Leistungsdaten und im Vergleich zu bisherigen geostationären Angeboten extrem günstigen Verträgen an. Da Satelliten-Flachantennen von Konstellationsentwicklungen im besonderen Maße profitieren und hier die größten Wachstumschancen gesehen werden, wird sich die Weiterentwicklung und Vermarktung der Sat-IP Technologie auf diese Anwendungen konzentrieren. In Abstimmung mit der TU Berlin sollen entsprechende Arbeiten bis Dezember 2022 gemeinsam fortgeführt werden.

Zusammenfassend konnten in Zusammenarbeit mit der TU Berlin folgende Leistungsparameter für die Sat-IP Apertur erreicht werden: