Kommunikationssatelliten und fliegende Antennenplattformen können dazu beitragen, globale Mobilfunknetze der fünften und sechsten Generation (5G, 6G) flächendeckend und resilient zu betreiben. Da hierzu jedoch große Teile des Millimeterwellen-(mmW )Frequenzspektrums neu belegt werden müssen, bedarf es leistungsfähigerer Hochfrequenztechnologien für die Satellitenkommunikation im Ka- (27–31 GHz), Q- (37,5–42,5 GHz) und W-Band (71–76 GHz), die jeweils mehr Leistungseffizienz für mobiles Satelliteninternet (SatCom on the Move, SOTM) sowie Feeder-Links und Inter-Satellite-Links (ISLs) ermöglichen. Vor diesem Hintergrund ist 2024 das Projekt „Magellan – High Efficiency mm-Wave GaN Transistor High Power Amplifier for GEO and LEO Active Antenna Application“ gestartet.
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF arbeitet im Auftrag der Europäischen Weltraumorganisation (European Space Agency, ESA) daran, auf Basis des Wide-Bandgap-Verbindungshalbleiters Galliumnitrid (GaN) Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (High-electron Mobility Transistors, HEMTs) und Verstärkerschaltungen für hocheffiziente Satellitenkommunikation zu entwickeln. Diese sollen sich sowohl in erdnaher (Low Earth Orbit, LEO, 200–2.000 km über der Erdoberfläche) als auch geostationärer Umlaufbahn (Geostationary Earth Orbit, GEO, 35.786 km über dem Äquator) bewegen können. Als Projektpartner sind die United Monolithic Semiconductors (UMS) und die Tesat-Spacecom an „Magellan“ beteiligt. Das Projekt läuft von 2024 bis 2027.
GaN-basierte HEMTs und Hochleistungsverstärker-MMICs
„Wir wollen eine GaN-Technologie entwickeln, die gegenüber dem aktuellen Stand der Technik eine signifikant höhere Effizienz erreicht. Dafür soll die Gate-Länge der Transistoren auf eine Größe unter 100 nm sinken“, fasst Dr. Philipp Döring, Koordinator des Projekts „Magellan“ am Fraunhofer IAF, die technischen Projektziele zusammen. Sehr kleine Strukturgrößen provozieren allerdings störende Kurzkanaleffekte, die sich negativ auf Zuverlässigkeit und Leistungsvermögen des Bauelements auswirken. Daher setzt das Forschungsteam auf einen neuen Technologieknoten mit einer Grenzfrequenz von mehr als 140 GHz. Mit dieser zu entwickelnden „GaN07“-Technologie können die Forschenden einen Großteil der Kurzkanaleffekte vermeiden und trotzdem die Projektanforderungen an das Bauelement erfüllen.
Das zweite übergreifende Projektziel besteht darin, dass die Forschenden mithilfe der neuentwickelten GaN-HEMTs monolithisch integrierte Mikrowellen-Schaltungen (Monolithic Microwave Integrated Circuits, MMICs) für Halbleiterverstärker (Solid-State Power Amplifiers, SSPAs) im Ka-, Q- und W-Band realisieren. SSPAs zeichnen sich durch Kompaktheit, Robustheit und geringe Kosten aus. Die mithilfe der GaN07-HEMTs gefertigten SSPAs sollen darüber hinaus effizienter, linearer und resistenter gegenüber kosmischer Strahlung ausfallen als aktuell verfügbare Hardware. Dieses Gesamtpaket macht die GaN07-SSPAs für Anwendungen im Weltall sehr attraktiv.
Von der Technologieentwicklung zur Industrialisierung
Die Koordination des Projekts „Magellan“ hat das Fraunhofer IAF inne. Zudem nutzt das Institut seine umfangreiche Forschungsinfrastruktur, um die neue GaN07-Technologie zu entwickeln, die darauf basierenden HEMTs und MMICs zu realisieren und die gefertigte Hardware zu charakterisieren und evaluieren. Die Partner Tesat und UMS tragen ihre Expertise in der Endanwendung von MMICs in der Satellitenkommunikation und der Kommerzialisierung der Bauelemente bei. Ziel ist es, eine europäische Wertschöpfungskette von der Halbleiter-Entwicklung bis hin zur Endanwendung im All zu ermöglichen.
