Weltraum

Jedes DB zählt – Bessere Detektionsempfindlichkeit von PHASED-ARRAY-Radaren durch Kryotechnologie

Mit dem neuen, spannenden Forschungsthema »Kryogene Empfängerkühlung für Phased-Array-Antennen« geht das Fraunhofer FHR voran, um die Empfindlichkeit und damit die Fähigkeiten der Radare weiter zu steigern. Die technische Realisierung zur Senkung der Systemrauschtemperatur birgt ein hohes Potential für die Entwicklung zukunftsweisender Radare zur Weltraumüberwachung.

Experimente mit flüssigem Stickstoff.
© Fraunhofer FHR/Bellhäuser

Experimente mit flüssigem Stickstoff.

Blick auf einen Einzelempfangskanal eingebaut in den großen Mess-Dewar.
© Fraunhofer FHR/Bellhäuser

Blick auf einen Einzelempfangskanal eingebaut in den großen Mess-Dewar.

Einzelempfangskanal mit aufgesetzter Cavity-Backed-Stacked-Patch Antenne.
© Fraunhofer FHR/Bellhäuser

Einzelempfangskanal mit aufgesetzter Cavity-Backed-Stacked-Patch Antenne.

Nach erfolgreichem Abschluss eines ersten Forschungsprojektes im Auftrag des DLR-Raumfahrtmanagements wurden die Arbeiten auf dem Gebiet der Kryotechnologie im Jahr 2018 weiter vertieft. Dabei sind Technologien entwickelt worden, die die Rauschtemperatur von Radarempfängern senken sollen. Eine Optimierung des Signal-zu-Rauschverhältnisses (SNR) ist essentiell für die Detektion und Katalogisierung kleinster Objekte im Low Earth Orbit (LEO) und trägt damit zu einer Verbesserung der aktuellen Erfassung der Weltraumlage bei.

 

Entwicklung einer geeigneten Messumgebung

Um die Empfindlichkeit signifikant zu erhöhen, muss der Empfänger auf Temperaturen bis zu -270°C (~4°K) gekühlt werden. Zur Bestimmung der Verbesserung muss die Rauschtemperatur in einem Empfangssystem gemessen werden, was besondere Anforderungen an die Messumgebung stellt. So wurden evakuierte Edelstahlgefäße (Dewar) entwickelt, die durch das Vakuum und die thermische Abschirmung der Experimentierplattform gegenüber der Umgebung eine Kühlung auf Tiefsttemperaturen ermöglichen.

Aktuell wird ein großer Mess-Dewar (Höhe 840 mm, Durchmesser 620 mm) für verschiedenste Untersuchungen eingesetzt. Die Leistungscharakteristik des eingesetzten Kryokühlers inklusive aller Anbaukomponenten wurde vermessen und ein detailliertes Wärmelastdiagramm erstellt. Dieses dient der Ermittlung der notwendigen Anzahl von Kryokühlern für ein zukünftiges skalierbares Phased-Array System.

Zurzeit wird zusätzlich ein kleineres Vakuumgefäß (25 x 25 x 10 cm3) aufgebaut und optimiert. Dieser Dewar kann, aufgrund der geringeren Masse und der kleineren Messkammer, flexibler eingesetzt werden und bietet daher eine Plattform für kleine und schnelle Tieftemperaturexperimente. Um auf der Experimentalplattform eine Temperatur von < 20 K zu erreichen, wird ein zweistufiger Kryokühler verwendet. Auf der ersten Stufe (77 K) wird die von außen einstrahlende Wärmelast abgeführt. Auf der zweiten Stufe befindet sich die Experimentalplattform auf < 20 K. Durch die Vergoldung der Strahlungsschilder auf der ersten Stufe wird eine weitere Reduktion der Wärmelast durch die Reflexion der Wärmestrahlung erreicht.

 

Messtechnik zur Bestimmung der Rauschtemperatur – Heated Load

Die korrekte Bestimmung der Rauschtemperatur bei < 20 K erfordert ausgereifte Hochfrequenzmessetechnik, da die Material- und HF-Eigenschaften sich bei Tiefsttemperaturen stark verändern. Weiterhin muss der Wärmeeintrag von der 290 K-Raumtemperaturumgebung (z. B. durch HF-Kabel) auf die < 20 K-Experimentalplattform so gering wie möglich gehalten werden. Um dies zu realisieren, wird die notwendige Rauschquelle direkt in die Umgebung mit T < 20 K gebracht. Für eine optimierte Messung der Rauschtemperatur wird eine sogenannte »Heated-Load« entwickelt. Diese besteht aus einem 50 Ohm HF-Abschlusswiderstand, der mittels eines Heizwiderstands auf verschiedene definierte Temperaturen eingestellt werden kann. Diese Methode erlaubt eine sehr genaue Bestimmung der Rauschtemperatur. Die Herausforderung hierbei liegt darin, dass der Abschlusswiderstand einerseits thermisch vom System entkoppelt sein muss, damit das Bauteil nicht mit aufgeheizt wird, sondern thermisch stabil auf einer Temperatur gehalten werden kann. Andererseits muss der Widerstand thermisch ausreichend gut angebunden sein, um die gewünschten niedrigen Temperaturen schnell zu erreichen.

 

Der erste Prototyp eines skalierbaren Einzelempfangskanals

Um ein flexibles kryogenes Phased-Array Radar zu realisieren, sind die kryogekühlten Empfangskanäle skalierbar aufgebaut. Zunächst ist eine mechanische Stützstruktur für die ersten Verstärker notwendig, die zugleich als Strahlungsschild für die erste und zweite Stufe fungieren. Dabei muss zum einen die Struktur dem mechanischen Stress durch das Kühlen standhalten und zum anderen die unterschiedlichen Temperaturniveaus thermisch voneinander entkoppelt gehalten werden. Ein erster erfolgreicher Prototyp wurde bereits entwickelt und verschiedentlich getestet.

 

Kryotaugliche HF-Fenster

Um ein zukünftiges kryotaugliches Phased-Array-System für elektromagnetische Strahlung durchlässig und vakuumdicht zu gestalten, muss ein geeignetes Radommaterial gefunden werden. Zur ersten Untersuchung dieser »HF-Fenster« wurde ein Spezialkunststoffdeckel in Form eines Klöpperbodens für den großen Dewar konstruiert. Mit diesem HF-Fenster ist es möglich, einen kryogekühlten Empfänger aufzubauen, bei dem auch die Antenne gekühlt wird. Erste Vakuum- und Stresstests zeigen, dass der Boden die notwendige Stabilität aufweist. Die Analyse alternativer Materialen und Radomformen sowie HF-Untersuchungen wird noch durchgeführt.

Die hier gewonnen Erkenntnisse fließen in die Entwicklung eines leistungsgesteigerten kryogenen Phased-Array-Radar Systems und haben das Potential, auch andere Forschungsfelder entscheidend voran zu bringen.