Kompakte Zwei-Wege-Satellitenkommunikation mit Flachantenne für portable und maritime Anwendungen

Projektidee & Ausgangslage

Konventionelle Satellitensysteme sind oft groß, teuer und schwer installierbar. Das Ziel des Projekts Sat-IP war die Entwicklung eines kompakten, vielseitig einsetzbaren Zwei-Wege-Satellitenkommunikationssystems mit integrierter Flachantenne im Ku-Band. Im Gegensatz zu herkömmlichen Parabolantennen sollte das System durch geringere Größe, einfachere Installation und niedrigere Kosten überzeugen. Die Lösung richtet sich insbesondere an maritime und portable Anwendungen, kann aber auch für landmobile Einsätze adaptiert werden. Die Antenne sollte unauffällig, robust und platzsparend sein und sich durch eine modulare Bauweise auszeichnen. Die Steuerung der Antenne erfolgte in Azimut mechanisch über die EPAK-Plattform, während die elektronische Strahlnachführung in Elevation durch Reflexionsphasenschieber der TU Berlin realisiert wurde.

Entwicklungsschritte

• Material- und Bauelementeauswahl: Auswahl geeigneter Substrate für die Antennenelemente, wobei ein Kompromiss zwischen Kosten, HF-Tauglichkeit und mechanischer Belastbarkeit gefunden wurde. Für das Gehäuse kamen glasfaserverstärkte Kunststoffe zum Einsatz, um mechanische Stabilität und gute Hochfrequenzeigenschaften zu gewährleisten.
• Antennenkonzept und Simulation: Entwicklung und Simulation eines modularen Patch-Array-Antennenkonzepts mit elektronischer Strahlführung, das hohe Bandbreite und Gewinn ermöglicht. Die Einzelpatches wurden hinsichtlich Bandbreite, Gewinn und Isolation optimiert und zu größeren Gruppen zusammengefügt.
• Integration von Empfangs- und Sendemodulen: Aufbau eines Empfangs-Sende-Moduls mit Block-Down- und Block-Up-Convertern sowie Integration eines Zwei-Wege-Satellitenmodems (z.B. iDirect X7) mit standardisierten Schnittstellen zur Antennensteuerung.
• Mechanischer Positionierer: Entwicklung eines präzisen, robusten Positioniersystems für die Azimut-Ausrichtung, das auch bei Bewegung (z.B. auf Schiffen oder Fahrzeugen) zuverlässig arbeitet. Die Elevationsachse wird elektronisch gesteuert.
• Prototypenbau und Test: Aufbau eines Funktionsmusters, Integration aller Komponenten und Durchführung von Labor- und Feldtests zur Validierung der Systemperformance. Die Steuerungsalgorithmen wurden für Tracking und Signalqualität optimiert und an neue Marktanforderungen (z.B. LEO-Konstellationen) angepasst.
• Redesign und Weiterentwicklung: Nach den ersten Tests wurden mechanische Komponenten wie die Grundplatte überarbeitet, um die Steifigkeit und Stabilität weiter zu erhöhen. Die modulare Bauweise ermöglicht eine flexible Anpassung an verschiedene Anwendungen und zukünftige Anforderungen.

Ergebnisse & Demonstratoren

Im Projekt wurde ein funktionsfähiger Demonstrator realisiert, der Internetzugang, VoIP und Datenkommunikation über Satellit ermöglicht. Die kompakte Bauform (z.B. 40 x 30 cm, <6 kg), die einfache Integration in verschiedene Plattformen und die robuste Ausführung wurden in Feldtests bestätigt. Die Steuerungselektronik erlaubt präzises elektronisches Beamforming und Tracking auch bei Bewegung. Die wichtigsten technischen Eckdaten:

• Frequenzbereich Ku-Band: Rx 10,7–12,75 GHz, Tx 13,75–14,5 GHz
• Modularer Patch-Array-Aufbau: ca. 30 dBi Gewinn pro Modul
• Elektronische Strahlführung in Elevation, mechanische Ausrichtung in Azimut
• Duale Polarisation, Temperaturbereich -20…60°C
• Steuerungsbereich: Azimut 360°, Elevation 60°
• Max. Sendeleistung: 41 dBW

Die Feldtests zeigten, dass die Anlage sowohl auf maritimen Plattformen als auch auf Fahrzeugen zuverlässig arbeitet und sich flexibel an verschiedene Einsatzszenarien anpassen lässt.

Technologische Basis

Das System basiert auf einer flachen, elektronisch steuerbaren Mehrstrahl-Antenne im Ku-Band mit modularem Patch-Array-Aufbau. Die Antenne ist so konzipiert, dass sie sowohl stationär als auch mobil eingesetzt werden kann. Die Steuerungselektronik ermöglicht präzises Tracking und Beamforming, auch bei Bewegung. Das Empfangs-Sende-Modul integriert Block-Down- und Block-Up-Converter sowie ein Satcom-Modem mit OpenAMIP-Schnittstelle zur standardisierten Anbindung an verschiedene Modems. Die mechanische Plattform erlaubt eine robuste und präzise Ausrichtung der Antenne, unterstützt durch einen Schrittmotor und eine spezielle Lagerung für hohe Belastungen und Umwelteinflüsse. Das Gehäuse (Radom) besteht aus glasfaserverstärktem Kunststoff und schützt die Elektronik zuverlässig vor Witterungseinflüssen.

Kooperation

Die Entwicklung erfolgte in enger Zusammenarbeit mit der TU Berlin, die insbesondere die elektronische Strahlnachführung und die Evaluierung der Antennenapertur verantwortete. Die EPAK GmbH entwickelte die mechanische Plattform, die Integration der Steuerungselektronik und das Gesamtsystem. Industriepartner wie Becker & Müller unterstützten bei der Auswahl und Verarbeitung geeigneter Materialien für die industrielle Fertigung. Die Zusammenarbeit mit Konstellationsbetreibern und Zulieferern ermöglichte die Anpassung an neue Marktanforderungen, insbesondere im Hinblick auf LEO-Satellitenkonstellationen. Die modulare Auslegung des Systems erlaubt zukünftige Weiterentwicklungen und eine Überführung in den industriellen Fertigungsprozess.