Fraunhofer IAF startet ESA-Projekt zur Satellitenkommunikation im Millimeterwellenbereich

Mit der stetigen Steigerung der Datenraten in der mobilen Kommunikation wächst auch der Bedarf an leistungsfähigerer Hochfrequenz-Elektronik. Dies gilt insbesondere für satellitengestützte globale Kommunikationsnetze, die unter allen Wetterbedingungen und an jedem Ort zuverlässig und sicher in Betrieb sein müssen. Zum flächendeckenden und ausfallsicheren Betrieb von globalen Mobilfunknetzen der fünften und sechsten Generation (5G, 6G) können Kommunikationssatelliten und fliegende Antennenplattformen beitragen. Da hierfür jedoch große Teile des Millimeterwellen-Frequenzspektrums neu belegt werden müssen, sind leistungsstärkere Hochfrequenztechnologien für die Satellitenkommunikation im Ka- (27-31 GHz), Q- (37,5-42,5 GHz) und W-Band (71-76 GHz) erforderlich, die jeweils eine höhere Leistungseffizienz für mobiles Internet über Satellit (SOTM) sowie Feeder-Links und Inter-Satellite Links (ISLs) ermöglichen.

Im Auftrag der Europäischen Weltraumorganisation ESA entwickelt das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) auf Basis des Verbindungshalbleiters Galliumnitrid (GaN) Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs) und Verstärkerschaltungen für hocheffiziente Satellitenkommunikation. Diese sollen sich in erdnahen (200-2.000 km über der Erdoberfläche) und geostationären (35.786 km über dem Äquator) Umlaufbahnen bewegen. An dem Projekt sind die Unternehmen United Monolithic Semiconductors GmbH (UMS) und TESAT-Spacecom GmbH & Co. KG beteiligt. Die Projektlaufzeit ist von 2024 bis 2027 geplant.

Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer GaN-Technologie, mit der im Vergleich zum heutigen Stand der Technik eine deutlich höhere Effizienz erreichbar ist. Voraussetzung hierfür ist die Reduzierung der Gatelänge der Transistoren auf eine Größe von weniger als 100 nm. Bei sehr kleinen Strukturgrößen treten jedoch störende Kurzkanaleffekte auf. Diese wirken sich negativ auf die Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit des Bauelements aus. Aus diesem Grund konzentriert sich die Forschenden auf eine neue Technologie mit einer Grenzfrequenz von mehr als 140 GHz. Mit dieser zu entwickelnden „GaN07“-Technologie sind die Forschenden in der Lage, einen Großteil der Kurzkanaleffekte zu vermeiden und die Projektanforderungen an das Bauelement zu erfüllen.

Das zweite übergreifende Ziel des Projektes ist die Realisierung von monolithisch integrierten Mikrowellenschaltungen (MMICs) für Halbleiterleistungsverstärker (SSPAs) im Ka-, Q- und W-Band mit Hilfe der neu entwickelten GaN-HEMTs. Diese sollen kompakt, kostengünstig und widerstandsfähiger gegen kosmische Strahlung sein als derzeit verfügbare Hardware.

Das Fraunhofer IAF koordiniert das Projekt und stellt seine umfangreiche Forschungsinfrastruktur zur Verfügung. TESAT und UMS bringen ihre Expertise bei der Umsetzung und Vermarktung der neuen Satellitenkommunikationstechnologie ein. Langfristiges Ziel ist der Aufbau einer europäischen Wertschöpfungskette von der Halbleiterentwicklung bis zur Anwendung im Weltraum.

Weitere Informationen finden Sie hier: Fraunhofer IAF.