HF-Technik GaN-Technologie verändert das Frontend- Design von Sat-Empfängern Festkörpertechnologien wie Galliumnitrid (GaN) spielen in der Satellitenkommunikation (Satcom) mittlerweile eine große Rolle. Warum? Die Vorteile von GaN sind hohe HF-Leistung, geringer Gleichstromverbrauch, hohe Zuverlässigkeit und geringere Größe, was sich auch positiv auf das Systemgewicht auswirkt. Diese Technologie eröffnet damit neue Märkte und revolutioniert auch das RF-Frontend (RFFE) in Satcom-Anwendungen. Interessante Entwicklung Für viele Jahre waren der Wanderwellen-Röhrenverstärker (TWTA) und Galliumarsenid (GaAs) die erste Wahl für RFFE- Technologien zur Leistungsverstärkung in Satcom-Anwendungen. TWTAs ermöglichten Hochleistungsanwendungen und GaAs-Technologie geringeren Stromverbrauch als Vortreiber. Aber die Situation hat sich in den letzten Jahren aufgrund von rasanten Fortschritte im GaN- Bereich deutlich verändert. Jetzt werden GaN- und GaAs- Halbleitertechnologien zu den bevorzugten Lösungen. GaN hat TWTAs aufgrund seiner hohen Leistung und Zuverlässigkeit in Kombination mit einem kleinen Formfaktor ersetzt. GaN und GaAs ermöglichen eine Vielzahl von kommerziellen und militärischen Satcom-Anwendungen wie 5G-Backhaul und Ultra-HD-TV-Übertragung, Satcom-on-the-Move, Internetzugang für Flugzeugpassagiere und Manpack-Terminals (tragbar). Satcom-Trends Satcom-Geräte spielen eine wichtige Rolle im globalen Kommunikationsökosystem und im täglichen Leben der Menschen. Sie unterstützen eine breite und wachsende Vielfalt von Anwendungen in den Bereichen Telekommunikation, Wetterüberwachung, Luftfahrtkommunikation, maritime Projekte, militärische Zwecke und Navigation (s. Bild 1). Gemäß Prognosen der Markforschung wird der Satcom-Equipment- Markt mit etwa 8,5% pro Jahr wachsen und zwar auf ein Volumen von 30 Mrd. US-Dollar bis 2022. Strategische Analysten prognostizieren Ausgaben für globale militärische Kommunikationssysteme und -dienste bis 2026 auf über 36,7 Mrd. USD, was einer jährlichen Wachstumsrate von 3,5% entspricht. Mehrere allgemeine Trends schaffen neue und anspruchsvollere Anforderungen an die RFFEs in Satcom-Geräten. Die zunehmende Verwendung kleinerer Satelliten und tragbarer mobiler Satcom-Geräte führt zu einem Bedarf an kompakten, leichten Komponenten mit geringerem Stromverbrauch. Darüber hinaus müssen diese Komponenten viel mehr Bandbreite und Datendurchsatz zur Unterstützung von Fortschritten wie 5G und Ultra-HD-TV ununterbrochen und sicher ermöglichen. Es besteht auch der Druck, die Entwicklungskosten zu senken und die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Diese Trends treiben den Übergang von TWTAs zu Solid-State- Geräten voran, die einen höheren Datendurchsatz unterstützen und kleinere Formfaktoren aufwei- Quelle: How GaN is Changing the Satcom RF Front-End, by David Schnaufer, Technical Marketing Manager, Corporate Marketing Dean White, Director of Aerospace & Defense Market Strategy, Infrastructure & Defense Products Quovo, März 2019 übersetzt von FS Bild 1: Globale Märkte von Satcom 40 hf-praxis 7/2020
HF-Technik Bild 2: Eignung von Halbleitertechnologien für verschiedene Anwendungen sen. Obwohl GaAs und Silizium (Si) in einigen Systemen verwendet wurden, bietet GaN signifikante Vorteile für die Hochleistungsverstärkung in Satcom- Anwendungen. Dazu gehören gute Sättigungseigenschaften, hohe Durchbruchsspannung und gute Wärmeleitfähigkeit. Diese Eigenschaften führen zu einer Verbesserung der Leistungsdichte um eine Größenordnung und zu einer hohen Zuverlässigkeit auch unter Wärmebelastung. Als Ergebnis ist GaN einzigartig für die hohen Leistungsanforderungen von aktuellen und zukünftigen Satcom-Projekten mit Very Small Aperture Terminals (VSATs), Point-to-Point- Technologien (PtP) and Basisstationen geeignet, wie in Bild 2 dargestellt. Und das Potenzial von GaN für den Raumfahrt- und Satellitenkommunikationssektor beginnt sich erst zu zeigen. Beispielsweise wird erwartet, dass GaN die Gewichtsreduzierung in Satelliten- und Luftfahrtanwendungen erleichtert. Die Satcom-Industrie ist zunehmend auf höherfrequente Bänder umgestiegen, um die wachsende Nachfrage nach Bandbreite zu unterstützen einschließlich der in Tabelle 1 gezeigten X-, Ku-, K- und Ka-Bänder. GaN unterstützt problemlos einen hohen Durchsatz und eine große Bandbreite bei diesen höheren Frequenzen. Heutzutage werden viele identische Satcom-Komponenten für mehrere Militärs verwendet, ebenso für ähnliche Raumfahrtund kommerzielle Anwendungen in diesen Bändern. TWTAs durch GaN ersetzen Bis vor kurzem waren TWTAs die Hauptstütze in vielen Satcom-Anwendungen, da Festkörpergeräte nicht in der Lage waren, ähnliche Leistungen erzeugen. Leistungskombinationstechniken ermöglichen es jetzt jedoch, noch viel höhere Werte mit mit GaN-Stufen zu erzeugen, wodurch TWTAs durch zuverlässigere Festkörpergeräte ersetzt werden können. Der GaN-Leistungskombinations-Ansatz kombiniert die Ausgangsleistung mehrerer MMICs mit einem einzelnen Leistungsverstärker unter Verwendung eines vollständig isolierten Kopplungsnetzwerks. Ein Beispiel ist Qorvos Spatium, ein Kombinationsprodukt, das eine patentierte Kombinationstechnik für hohe HF-Leistung, hohe Effizienz und Breitbandbetrieb verwendet. Spatium nutzt Breitband-Fin-Line-Antennen als Übergangspunkt zum und vom Koaxialmodus, aufgeteilt in mehrere Mikrostreifen-Schaltkreise (s. Bild 3). Anschließend wird die Leistung dieser Schaltkreise nach der Verstärkung mit einem Leistungs-MMIC kombiniert. Ein typisches Spatium- Design kombiniert 16 Einheiten mit einem gesamten Verlust von 0,5 dB. Spatium wird in der Ka- Band-Satellitentechnik auf der Erde verwendet mit Stationen, die mit 100 W auf 27 bis 31 GHz arbeiten und sowohl militärische als auch kommerzielle Bänder abdecken. Innerhalb dieser Stationen wird das Design senderseitig am Antennen-Hub in Block-Up-Convertern (BUCs) eingesetzt. Dieser Solid-State-Power-Combining-Ansatz bietet gegenüber TWTAs mehrere Leistungsvorteile: • TWTAs müssen sich aufwärmen, bevor sie eine stabile HF- Leistung erreichen können. Das Erwärmen der Röhre kann einige Minuten dauern. Daher müssen Sicherungssysteme im Hot-Standby-Modus ausgeführt werden. Dies führt zu großen Energiekosten. Diese Backup-Systeme sind bei Verwendung von Spatium nicht erforderlich, da kein Aufwärmen erforderlich ist. • TWTAs erfordern Hochspannungsnetzteile, typischerweise im Multi-kV-Bereich, wodurch die Kosten steigen, da diese Netzteile nicht billig produziert werden können. Außer- Frequenzbänder Bild 3: Skizze des patentierten Spatium-Designs für die räumliche Leistungsteilung und -zusammenführung hf-praxis 7/2020 41
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