Mikroelektronik für den Weltraum | Über Hochfrequenztechnologien, die Satellitenkommunikation möglich macht 

Ein wesentlicher Schwerpunkt liegt bei uns auf der mHEMT-Technologie, also auf metamorphic High Electron Mobility Transistors. Das sind spezielle Hochfrequenz-Transistoren, die unter anderem für Anwendungen in der Satellitenkommunikation eingesetzt werden. Die Hochfrequenzelektronik, die wir dafür entwickeln, bewegt sich typischerweise in einem Frequenzbereich von etwa 60 bis 100 Gigahertz (GHz). Desweitern forschen wir an und entwickeln Schaltungen bis hin in den Sub-Terahertzbereich (Sub-THz). Für spezielle Tieftemperaturanwendungen, etwa in der Ausleseelektronik für Quantencomputer, entwickeln wir auch Verstärker im Bereich von etwa 5 Gigahertz. Insgesamt reicht das Spektrum unserer Hochfrequenzelektronik von etwa 5 GHz bis in den Sub-THz.

Die Mikroelektronik, speziell auch die von uns am Fraunhofer IAF entwickelte, sorgt dafür, dass die in der Kommunikation übertragenen Daten überhaupt den Weg von einer Bodenstation auf der Erde in den Weltraum und zurückfinden. Dafür werden Signale verstärkt und verarbeitet, etwa indem ihre Frequenzen verschoben werden, bevor die eigentliche Signalverarbeitung erfolgt.
Die Chips sind für diese Verstärkung zuständig, damit die ganzen Signale den Weg sozusagen überleben. Ohne Verstärker wäre das aufgrund der großen Distanz nicht möglich. Immerhin reden wir hier je nach Orbit von 400 km bis hin zu geostationären 36.000 km. Und da werden die Signale natürlich gedämpft. Stellen Sie sich vor, Sie stünden auf einem großen Platz, sprechen und wollten jemanden mit Ihren Worten erreichen, der weit entfernt ist. Ohne einen Verstärker wie das Megafon ist das kaum möglich. Das ist in der Hochfrequenzelektronik letztendlich das gleiche Prinzip. Daneben gibt es dann noch die Frequenzumsetzung, diese dient der Erleichterung bei der Signalverarbeitung.

Die Herausforderungen sind zum einen mechanischer und thermischer Art, zum anderen durch die Strahlung im All bedingt. Hinsichtlich der Mechanik ist das Wichtigste erst einmal, dass die Elektronikkomponenten den Raketenstart überhaupt überleben, denn dabei sind die Komponenten starken Vibrationen und Erschütterungen ausgesetzt. Dort, wo die Nutzlast, also der eigentliche Satellit, in der Rakete sitzt, ist es zwar nicht unbedingt besonders heiß – die höchsten Temperaturen treten eher in der Nähe des Triebwerks auf – aber die Vibrationen sind extrem. Wenn beim Aufstieg die Abdeckung der Rakete, unter der der Satellit sitzt, abgesprengt wird, entsteht zudem ein starker Schock. Das heißt, es gibt extreme Vibrations- und Schockbelastungen, die der Satellit aushalten muss. Das gilt auch für die Verbindungen und die Chips.
Dann kommen die thermischen Bedingungen hinzu. Wenn der Satellit im Orbit fliegt, liegen die Temperaturen für die Mikroelektronik ungefähr zwischen minus 30 und plus 60 Grad Celsius. Bei anderen Komponenten, etwa bei Antennenanschlüssen, die aus dem Satelliten herausführen, kann die Temperatur unter Umständen von unter minus 100 bis über plus 200 Grad Celsius reichen. Das ist thermisch eine sehr große Bandbreite.
Eine weitere Herausforderung ist die Strahlung. Im Weltraum sind die Komponenten Teilchenstrahlung ausgesetzt, deren Intensität unter anderem von der Position des Satelliten abhängt. Deshalb müssen die Komponenten unter Strahlung getestet werden, um sicherzustellen, dass sie diese Belastung aushalten und keine Fehler auftreten. Das sind extreme Bedingungen, und die Komponenten werden entsprechend auf Herz und Nieren geprüft.
Und dann darf natürlich nicht vergessen werden, dass es im Weltraum keine Atmosphäre gibt. Deshalb muss die gesamte Elektronik unter Vakuumbedingungen funktionieren können.

Teilweise. Vakuumbedingungen und Strahlungstests können wir hier am Institut beispielsweise nicht abbilden, Temperaturtests dagegen schon. Tests, welche wir nicht selbst durchführen können, führen wir in Zusammenarbeit mit unseren Partnern durch.

Da sind wir aktuell im sogenannten E-Band, also im Bereich von etwa 71 bis 86 GHz. Die Forschung geht aber bereits in die Richtung von über 100 GHz. Denn grundsätzlich gilt: Je höher die Frequenz, desto mehr Bandbreite steht zur Verfügung und desto mehr Daten können übertragen werden. Wenn höhere Datenübertragungsraten erreicht werden sollen, ist daher eine größere Bandbreite erforderlich, die sich durch die Nutzung höherer Frequenzbereiche erschließen lässt.

Bei den hohen Frequenzen, um die es hier geht, erreichen Bauelemente auf Siliziumbasis nicht die Leistungsfähigkeit, die mit bestimmten Verbindungshalbleitern möglich ist. Unsere Indiumgalliumarsenid-mHEMTs zeichnen sich beispielsweise durch sehr gute Rauscheigenschaften aus, das heißt, sie erzeugen bei der Verstärkung nur sehr wenig zusätzliches Rauschen. Galliumnitrid wiederum ermöglicht hohe Leistungen bei höheren Frequenzen. Das sind wichtige Vorteile der Verbindungshalbleiter.

Bei den III-V-Halbleitern, die bei uns am Institut entwickelt werden, handelt es sich hauptsächlich um Verstärkerschaltungen und Mischer, also um Chips zur Frequenzumsetzung, im Gegensatz zu den Logik- und Signalverarbeitungsschaltungen auf Silizium.

Das ist ein Verstärkermodul. Es handelt sich dabei allerdings nicht um einen Leistungsverstärker, sondern um einen Empfangsverstärker, einen sogenannten Low Noise Amplifier. Er empfängt ein Signal, verstärkt es und fügt selbst möglichst wenig Rauschen hinzu.
Grundsätzlich stellen wir in unserem Geschäftsfeld Hochfrequenzelektronik sowohl integrierte Schaltungen, sogenannte MMICs (Monolithic Microwave Integrated Circuits), als auch fertige Module her, die aus diesen MMICs aufgebaut werden und anschließend in Satelliten integriert werden können. Und dies ist, wie gesagt, so ein Modul.
Schauen wir uns das gern einmal genauer an. Jeder Verstärker benötigt zunächst eine Stromversorgung, ähnlich wie ein Gerät, das man zu Hause an eine Steckdose anschließt. Das sind die vier Pins, im Hintergrund am unteren Ende des kompletten Moduls zu sehen, über welche die entsprechenden Spannungen, von einigen Volt angelegt werden. Die geöffnete Version des Moduls im Vordergrund zeigt die kleine rechteckige Nut, den Eingang des Moduls (IN), dort wird ein Signal über eine Antenne eingekoppelt. Auf der anderen Seite (OUT) kommt das verstärkte Signal wieder heraus.

Tatsächlich gibt es mehrere unterschiedliche solcher Module in diesem Anwendungsfall. Die einzelnen Module arbeiten jeweils im Frequenzbereich 54 GHz, 89 GHz und 170 GHz.
Dabei muss ein solcher Verstärker über die gesamte Lebensdauer des Satelliten zuverlässig funktionieren. Die liegt typischerweise bei fünf bis neun Jahren, und in dieser Zeit kann die Elektronik natürlich nicht gewartet werden. Deshalb müssen die Komponenten entsprechend getestet werden, indem die Alterung des Bauteils simuliert bzw. beschleunigt wird. Mithilfe einer bestimmten Formel lässt sich aus diesen Stresstests ableiten, wie lange das Bauteil unter normalen Bedingungen voraussichtlich funktioniert.
Dieser konkrete Verstärker hat im Übrigen nichts mit der Kommunikation zu tun, sondern wird für Wettervorhersagen im Projekt Arctic Weather Satellite (AWS) eingesetzt. Er dient dazu, die Mikrowellenstrahlung in der Atmosphäre zu verstärken und zu messen, um Rückschlüsse auf Temperatur und Luftfeuchtigkeit zu erhalten. Wie gesagt, es handelt sich hier um einen Empfänger. Es wird also kein Signal ausgesendet, sondern das aufgenommen, was an Mikrowellenstrahlung aus der Atmosphäre vorhanden ist.

Ja, wie gerade beschrieben stellt, die Wetterbeobachtung im Rahmen der Erdbeobachtung einen wichtigen Bereich dar. Daneben gibt es auch aktive Erdbeobachtung, z. B. mit Radar. Dafür können ebenfalls Empfangsverstärker bei höheren Frequenzen eingesetzt werden. Welche Frequenz dabei zum Einsatz kommt, hängt davon ab, was beobachtet beziehungsweise gemessen werden soll. Die vorwiegenden Anwendungen, außerhalb der Kommunikation in der Hochfrequenzelektronik am Fraunhofer IAF, bewegen sich im Bereich der Radiometrie zur Wetterbeobachtung.

In Bezug auf die Frequenz sieht es forschungstechnisch sehr gut aus. Klar, gibt es immer Möglichkeiten, noch weiterzugehen. Die Schaltungen könnten durch noch höhere Frequenzen größere Bandbreiten erreichen, wodurch sich grundsätzlich höhere Datenraten erzielen, lassen.
Ein aktueller Trend ist auch das Thema Heterointegration. Dabei geht es darum, unterschiedliche Technologien in einem gemeinsamen System zu integrieren. Wir haben vorhin schon kurz über das Beispiel Silizium gesprochen und festgestellt, dass jede Technologie ihre eigenen Stärken hat. Bei der Heterointegration geht es darum, diese unterschiedlichen Technologien miteinander zu einem Gesamtsystem zu kombinieren. Hierfür braucht es eine gemeinsame Substrat- oder Trägertechnologie, auf der sich die unterschiedlichen Chips integrieren und miteinander verbinden lassen – sogenannte Interposer.
Das können wir uns anhand des Weges der Signalverarbeitung bzw. Ausbreitung genauer anschauen: Habe ich einen Interposer, kann ich darauf unterschiedliche MMICs, zum Beispiel einen mHEMT für niedriges Rauschen, einen Galliumnitrid-Chip für hohe Leistung und einen CMOS- oder Silizium-Germanium-Chip für die Signalverarbeitung integrieren. Dies stellt die Heterointegration von unterschiedlichen Technologien dar.
Heterointegration kann auch bedeuten, mehrere Chips zusammenzufügen, wie dies bei aktuellen Chips für KI der Fall ist. Aber für uns geht es eher darum, mehrere Technologien zu integrieren und so ein möglichst kleines System aufzubauen. Denn baut man die einzelnen Komponenten separat auf und fügt sie anschließend zusammen, wird das System größer und benötigt mehr Platz. Bei der Heterointegration können die unterschiedlichen Funktionen dagegen in Form einzelner Chiplets auf einem gemeinsamen Substrat beziehungsweise Interposer zusammengeführt werden. Die Chiplets können jeweils auf unterschiedlichen Technologien basieren und ihre spezifischen Stärken einbringen. Genau darum geht es auch im Rahmen von APECS.

Grundsätzlich müssen wir in Europa schauen, dass wir den Spacebereich auf jeden Fall mit bedienen und dranbleiben. Denn der Weltraum wird für zukünftige Anwendungen eine immer wichtigere Rolle spielen – sei es bei Kommunikationsnetzen, bei der Erdbeobachtung oder bei Sicherheitsthemen. Dafür brauchen wir entsprechende Technologien, um diese Anwendungen bedienen zu können. Von daher ist es auf jeden Fall notwendig und sinnvoll, in diesem Bereich aktiv zu bleiben.
Gleichzeitig ist das eine riesige Herausforderung – vor allem gemessen an den hohen Summen, die sowohl die USA als auch China in diesen Bereich investieren.
Wenn wir hier den Anschluss nicht verlieren wollen, müssen wir auch in die entsprechenden Technologien investieren – insbesondere in KI und Kommunikationstechnologien.

Mich fasziniert, dass es im Space-Bereich immer darum geht, noch mehr Performance aus einer Technologie herauszuholen. Denn wenn ein Bauteil ins All geschickt wird, kann man es anschließend nicht mehr anfassen. Es muss also 150-prozentig funktionieren.
Für einen Ingenieur wie mich ist es zudem einfach spannend, an Technologien zu arbeiten, die an ihre physikalischen Grenzen stoßen. Genau das macht für mich den Reiz aus. Die III-V-Technologien arbeiten in solchen Grenzbereichen, in denen die technischen Möglichkeiten besonders weit ausgereizt werden.