Weltraum

Kryogene Phased-Array Radare zur Weltraumüberwachung

Mess-Dewar für die Vermessung der elektronischen Bauteile (Höhe: 840 mm, Durchmesser: 620 mm).
© Fraunhofer FHR

Mess-Dewar für die Vermessung der elektronischen Bauteile (Höhe: 840 mm, Durchmesser: 620 mm).

Vakuumfester Flansch am Mess-Dewar mit montierten vakuumfesten, vielpoligen DC-Durchführungen.
© Fraunhofer FHR

Vakuumfester Flansch am Mess-Dewar mit montierten vakuumfesten, vielpoligen DC-Durchführungen.

Auf 4 Kelvin gekühlte Experimentalplattform, die sich innerhalb des Mess-Dewars befindet.
© Fraunhofer FHR

Auf 4 Kelvin gekühlte Experimentalplattform, die sich innerhalb des Mess-Dewars befindet.

Durch den Einsatz kryogener Technik soll in Zukunft die Sensitivität von Phased-Array-Radaren erheblich gesteigert werden. Wissenschaftler am Fraunhofer FHR stellen sich der großen Herausforderung einer technischen Realisierung von effizienten Kühlmaßnahmen zur Senkung der System-Rauschtemperatur.

Um die Position von Trümmerteilen sowie Satelliten zu bestimmen, wird es immer wichtiger, den erdnahen Weltraum mit Hilfe von Radartechnologie zu überwachen. Auf dem Gebiet der Radarüberwachung spielen dabei aktive Phased-Array-Radare eine wichtige Rolle. Die elektronisch schwenkbaren Beams ermöglichen die gleichzeitige Überwachung verschiedener Himmelspositionen, sowie eine hohe, trägheitslose Beam-Agilität und gestatten somit die schnelle und genaue Verfolgung beweglicher Ziele.

Für die Detektion von Weltraumtrümmern spielt ein hohes Signal-zu-Rauschverhältnis (SNR) eine entscheidende Rolle. Dieser Parameter hängt von der intrinsischen Rauschtemperatur der Einzelempfangskanäle ab. Ist diese zu hoch, können schwache Signale nicht mehr vom Rauschen unterschieden werden und bleiben somit undetektiert. Eine der nächsten Herausforderungen für zukünftige Phased-Array-Projekte zur Weltraumüberwachung liegt daher in der technischen Realisierung von effizienten Kühlmaßnahmen für die einzelnen Empfangskanäle. Gerade im Bereich der Detektion von Weltraumtrümmern ist die Verbesserung des SNR durch die Senkung der Systemtemperatur bei vorgegebener äquivalenter isotroper Strahlungsleistung (EIRP) essentiell für das Auffinden kleinster Teilchen im Low-Earth Orbit (LEO).

Das DLR Raumfahrtmanagement hat daher im Jahr 2017 das Fraunhofer FHR mit einer Zuwendung betraut, die sich mit der Empfängertiefkühlung für Phased-Array-Antennen im Allgemeinen und für GESTRA-ähnliche Systeme im Speziellen beschäftigt. Mit dieser Thematik erschließt sich das Fraunhofer FHR ein neues Forschungsfeld.

Stand der Technik
In der Radioastronomie ist die Empfängertiefkühlung zur Senkung der Systemtemperatur bei Single-Pixel-Detektoren wie dem 100-Meter-Parabolspiegel in Effelsberg schon seit Jahrzehnten etabliert. Aufgrund mechanischer und hochfrequenztechnischer Herausforderungen befindet sich die Technik zur Reduzierung des Empfängerrauschens bei Phased-Array Systemen ganz am Anfang der Entwicklung. Das am Fraunhofer FHR durchgeführte Forschungsthema verfolgt nun das Ziel, verschiedene Ansätze zur Tiefkühlung von Phased-Array Systemen zu entwerfen und zu optimieren. Eine Kosten-Nutzen-Analyse beleuchtet außerdem den Aspekt der Wirtschaftlichkeit.

Da der Hauptanteil der System-Rauschtemperatur durch den ersten Verstärker (Low Noise Amplifier, LNA) in einer Empfängerkette generiert wird, liegt das Hauptaugenmerk auf der effektiven Senkung des Eigenrauschens durch das Tiefkühlen der ersten Verstärkerstufe. Tiefkühlung verbessert Detektionsempfindlichkeit.

Im ungekühlten Fall befindet sich der erste Verstärker der Empfängerkette in einer Umgebung mit Raumtemperatur (290 K, entspricht 20°C). Die Zuwendung zielt nun dahin, die erste Verstärkerstufe mit gasförmigem Helium auf unter 20 K (-253°C) zu kühlen und damit Systemtemperaturen von unter 50 K (-223°C) zu erreichen. Die Radargleichung sagt dann ein um etwa 3 dB verbessertes Signal-zu-Rauschverhältnis voraus, was bedeutet, dass Objekte mit halb so kleinem Radarrückstreuquerschnitt im Orbit detektiert werden können.

Experimente bei bis zu -269°C
Ein Teil der ersten Projektaktivitäten bestand in der Schaffung einer geeigneten Infrastruktur, welche aus Institutseigenen Mitteln finanziert wurde. Hierzu wurden Messräume aufgebaut, die den sicheren Umgang mit inerten Gasen (z. B. Helium) und flüssigem Stickstoff erlauben.

Mit Hilfe von Testanordnungen soll an diesen Messplätzen unter anderem untersucht werden, welche rauscharmen Verstärker bei Tiefkühlung die beste Performance aufweisen und wie eine Optimierung der Messtechniken zur Temperaturüberwachung realisiert werden kann. Eine große Herausforderung liegt hierbei in der mechanischen Entwicklung vakuumdichter, stabiler und hochfrequenzdurchlässiger Experimentalumgebungen bei gleichzeitig bester thermischer Anbindung der Tiefkühlung an die erste Verstärkerstufe. In Zusammenarbeit mit einem führenden Unternehmen auf dem Gebiet der Tieftemperaturtechnik wurde zu diesem Zweck ein Dewar entwickelt. Dieser ermöglicht es, die herausfordernden Hochfrequenz- und Materialexperimente bei Temperaturen von bis zu 4 K (-269°C) durchzuführen.

Nach dem erfolgreichen Abschluss der ersten Phase des Vorhabens ist vorgesehen, ein höchstempfindliches Phased-Array-basiertes Weltraumüberwachungsradar zu realisieren. Die Umsetzung einer Kryo-Empfängerkühlung zur Radaranwendung wäre ein Meilenstein bei der Verbesserung der Empfängersensitivität. Diese wichtige Technologie hätte auch das Potential viele andere Forschungsfelder entscheidend voran zu bringen.