AntennenHochintegrierte
AntennenHochintegrierte Multibeamformersbieten SWaP-VorteileAnalog Devices hat eine Familie von Multibeam-Beamforming-ICs auf den Markt gebracht,die Nutzlast-Beamforming-Anwendungen mit geringer Leistung und hoher Funktionalität unterstützenund sich an die Missionsanforderungen anpassen lassen.wieder verschwinden. Die Nutzlaststellt eine besondere Herausforderungdar, da sie in einerUmgebung mit begrenzter Leistungbetrieben wird, in der dieVerlustleistung von Gleichstromkritisch ist. Darüber hinaus istein hohes Maß an Funktionalitäterforderlich, wie z.B. Multibeam-Fähigkeit,Beam-Hopping,Beam Memory und die Möglichkeit,die Anzahl der Strahlen zuskalieren, um alle Missionsanforderungenzu erfüllen.Bild 1: ADAR3000/ADAR3001-BlockdiagrammAutoren:Qui LuuSenior Manager,John WiseehemaligerCatalog Modules ManagerAnalog Deviceswww.analog.comDer Bedarf an hohen Datenratenund allgegenwärtiger terrestrischerKonnektivität hat zuenormen Investitionen in Konstellationssystememit niedrigerErdumlaufbahn (Low EarthOrbit, LEO) geführt.Ein LEO-Satellit senkt die StartundAusrüstungskosten erheblich,verringert die Latenzzeitim Vergleich zu geostationären(GEO) Verbindungen um das20-fache und verwaltet Bandbreite,Nutzerinnen und Nutzereffizienter. LEO-Satellitenkommunikationsdiensteversprecheneine weltweite Abdeckung amBoden, auf dem Meer und imFlugzeug.Damit dies Wirklichkeit werdenkann, sind elektronisch gesteuerteArrays an beiden Enden derVerbindung unerlässlich, um daskontinuierliche, unabhängigeund schnelle Scannen mehrererStrahlen und die regelmäßigenÜbergaben zu unterstützen, wennSatelliten in Sicht kommen undEinleitungDie meisten herkömmlichenSatellitenkommunikationssystemebasierten ursprünglichauf GEO-Satelliten, die lediglichdrei Satelliten für eine globaleAbdeckung benötigten. Dabeihandelt es sich um große Satelliten(>1000 kg), bei denen in derRegel ein einzelner Satellit aufeiner Trägerrakete sitzt. DieseArt der Bereitstellung war zwarfür Rundfunk- und Fernsehanwendungenvon Vorteil, hattejedoch auch ihre Grenzen. Einedavon ist die Latenz, die alleindurch die große Entfernungzwischen dem Benutzer oderder Benutzerin und dem Satellitenentsteht und etwa 400 msbeträgt. Dies entspricht in etwadem Zehnfachen von Punkt-zu-Punkt-Glasfaserverbindungenin den Vereinigten Staaten.Zudem deckt der GEO-Satellitzwar einen Großteil der Erde ab,kann aber den Nord- oder Südpolnicht effektiv bedienen. DieGlobal-Xpress-GEO-Satellitenvon Inmarsat erfassen beispielsweiseeinen Bereich von ±75°abseits des Äquators.Um eine echte globale Abdeckungzu erreichen, werden kleinere(<500 kg) LEO-Satelliteneingesetzt. Manche verwendengeneigte Umlaufbahnen und18 hf-praxis 6/2025
AntennenBild 2: Skalierbarkeit des ADAR3000/ADAR3001 für eine höhere Strahlanzahl. Man muss beachten, dass PA und Filter nicht am Element angezeigt werden.können so städtische und ländlicheGebiete abdecken, anderenutzen polare Umlaufbahnen,um die Pole zu erreichen. DieseKonstellationen variieren vonmehreren hundert bis zu mehrerentausend Satelliten. Für alldiese Satelliten werden Beamforming-Antennenbenötigt, dasie mit 27.000 km/h in einerHöhe von 600 bis 1200 km umdie Erde kreisen. Dies führt zueiner Reduzierung der Ende-zu-Ende-Latenz auf etwa 50 ms.Viele Satelliten werden beijeder Bereitstellung in einereinzigen Trägerrakete transportiert,sodass Größe und Gewichtdieser LEO-Satelliten von entscheidenderBedeutung sind.Außerdem sollen diese SatellitenHochgeschwindigkeitsdatenzur Verfügung zu stellen,sodass der Frequenzplan wichtigist. Traditionell wurde das Ku-Band (10,7 bis 12,7 GHz Downlink/13,75bis 14,5 GHz Uplink)verwendet. Es gibt jedoch einenTrend zu höheren Frequenzen,die größere Bandbreiten undhöhere Datenraten unterstützenkönnen. Das K/Ka-Band wirdaktiv genutzt (17,7 bis 21,2GHz Downlink/27,5 bis 31,5GHz Uplink) und viele Anwenderuntersuchen Q/V-Bänder alsnächstes Frequenzband (37,5 bis42,5 GHz Downlink/47,2 bis51,4 GHz Uplink).Diese höheren Frequenzen stellenneue Herausforderungen andas Design und die Realisierungeiner Phased-Array-Antenne.Mit zunehmender Frequenznimmt der Gitterabstand derAntennenelemente ab, wodurchder verfügbare Platz auf der Platineminimiert wird. Traditionellwäre ein diskreter Ansatz möglichgewesen, bei dem Übertragungsleitungenfür Zeitverzögerungen,Strahlsteuerung mitPhasenschiebern/digitalen Stufendämpfungsgliedern(DigitalStep Attenuators, DSA) oderVektormodulatoren und die Einbettungder Wilkinson-Splitter/Combiner in die Leiterplatteselbst verwendet werden. Beidiesen höheren Frequenzbändernstellt jedoch die Leiterplattenflächeeine erheblicheHerausforderung dar, wodurchder Bedarf an stärkerer Integrationzur Vereinfachung desDesigns und der Herstellbarkeitsteigt. Darüber hinaus erhöht derBedarf an Multibeam-Arrays dieKomplexität.Beamforming-ICs definierenelektronisch steuerbare Phased-Arrays (Electronically SteerablePhased Arrays, ESA) und stellenden kritischsten Baustein dar.Zwischen den Beamforming-ICs befinden sich ein PowerCombiner und ein Power Splitter,welche die Signale an jedenBeamforming IC verteilen. DieKombination aus Beamforming-IC, Power Combiner/Splitter unddem Gewebe, das diese beidenKomponenten in einem Leiterplatten-Designmiteinanderverbindet, bestimmt die Leistungder ESAs.Beamforming-ICsUm die Datenrate zu maximieren,kommen in High-Throughput-Satelliten(HTS) mehrereSpot-Beams zum Einsatz, umDaten effektiv zu verteilen.Typische Nutzlasten in HTS verwendenmehrere Strahlen, dieman steuern und springen lassenkann, um die Wiederverwendungvon Platz und Frequenz zu maximieren.Die Strahlsteuerung wirddurch die Änderung der Phasedes Strahls sowie der Amplitudean jedem Element der Phased-Array-Antenne erreicht. Um dieAnzahl der erforderlichen VAP-Geräte (variable Amplitude undPhase) zu bestimmen, multipliziertman die Anzahl der Strahlenfür den Satelliten mit der Anzahlder Elemente für die Antenne.Bei einer Konfiguration von576 Elementen und 16 Strahlenbeträgt die Anzahl der VAP-Geräte beispielsweise 9216 proArray. Wenn man einen diskretenVektormodulator als VAP-Gerätverwendet, der in der Regel 3× 3 mm groß ist und etwa 0,5W verbraucht, ergibt sich eineAbmessung von 0,27 × 0,27 m,die über 4 kW Gleichstromleistungbenötigt. Zum Vergleich:Ein Array mit 576 Elementenbei 30 GHz mit einem Abstandder halben Wellenlänge hat eineGröße von 0,113 × 0,113 m. Dieszeigt, dass für Nutzlastlösungenmit Phased-Array-Antennen fürhöhere Frequenzen ein höhererIntegrationsgrad erforderlichist, ebenso wie eine Lösung mitminimalem Stromverbrauch.Einen einzigartigen Ansatz zurLösung dieses Problems hatAnalog Devices bei der Entwicklungvon ADAR3000 undADAR3001 verfolgt. DieseBeamforming-ICs sind für Satelliten-NutzlastanwendungenimK/Ka-Band vorgesehen. Siebestehen aus einer 4-Strahl/4-Element-Konfiguration, die 16VAP-Kanäle umfasst. Die Größedes resultierenden Beamformerbeträgt 7 × 12,5 mm, wasbei Verwendung eines Vektormodulatoransatzesnur einemBruchteil der Array-Größe entspricht.Um den Stromverbrauchzu senken, verwenden die VAP-Kanäle außerdem passive Strukturen.Im Fall von ADAR3000/ADAR3001 besteht der VAP-Kanal aus einem DSA und einerdigitalen Zeitverzögerungseinheit.Diese Konstruktion erzeugteinen 4-Strahl/16-Kanal-Beamformer,der weniger als 200 mWDC-Leistung verbraucht. Bild 1zeigt ein Blockdiagramm. DieseGeräte werden in einem Halbleiterprozesshergestellt, der Weltraummissionenunterstützt undfür LEO/MEO/GEO-Anwendungeneingesetzt werden kann.Die Beamformer haben Strahlungswertenvon 100 krad TIDund 80 MeV SEE standgehalten.hf-praxis 6/2025 19
