Stand: G41 (Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Allianz Space)
Hochfrequenzphysik und Radartechnik
Das Fraunhofer FHR stellt seine Kompetenzen in den Bereichen Überwachung, Aufklärung und Analyse der Weltraumlage vor. Vorgestellt wird neben unseren Weltraumradaren TIRA und GESTRA insbesondere unsere aktuelle Forschung zu kryogenen Phased-Array-Radaren.
Weitere Informationen zu unseren Forschungen erhalten Sie unter den folgenden Links und in den unten genannten Highlights:
Weltraumüberwachung mit GESTRA
Jedes DB zählt – Bessere Detektionsempfindlichkeit von PHASED-ARRAY-Radaren durch Kryotechnologie
Das Weltraumbeobachtungsradar TIRA (Tracking and Imaging Radar) ist das führende System in Europa zur Erfassung und Analyse von Weltraumobjekten. TIRA kombiniert eine hochdynamische 34 m Parabolantenne mit einem Verfolgungs- und einem Abbildungsradar.
Mit TIRA kann Missionsunterstützung in allen Phasen vom Start bis zum Wiedereintritt von Satelliten geleistet werden. Dazu zählen unter anderem die Schadenanalyse und Berechnung hochgenauer Bahnparameter zur Kollisionsvermeidung.
Satelliten im erdnahen Weltraum werden durch eine stark zunehmende Zahl von Trümmerteilchen bedroht. Um die Satelliten besser zu schützen, hat das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR einen leistungsfähigen experimentellen Radarsensor zur Weltraumbeobachtung entwickelt: GESTRA (German Experimental Space Surveillance and Tracking Radar).
Aufgebaut ist GESTRA als quasi-monostatisches gepulstes Phased-Array Radar mit einer Sende- und einer Empfangseinheit im Abstand von etwa 100 km voneinander. Sie werden in je einen Container integriert und bleiben damit für die bedarfsgerechte Weltraumbeobachtung beweglich und theoretisch modular erweiterbar.
Die mechanische und elektronische Strahlschwenkung von GESTRA ermöglicht eine exakte und trägheitslose Ausrichtung der Antennenkeulen auf das zu beobachtende Himmelsareal. Verschiedene innovative Beobachtungsmodi, wie „track-while-scan“, sowie die Möglichkeit, mit der digitalen Mehrfachkeulenbildung simultan in verschiedene Himmelsrichtungen zu blicken, bieten einzigartige Möglichkeiten zum Aufbau eines Bahndatenkatalogs möglichst aller gefährdender Objekte im Orbit. Wenn diese Bahndaten präzise bekannt sind, können Satellitenbetreiber mit Ausweichmanövern ihre Systeme vor Kollisionen schützen.
Um Trümmerteile im erdnahen Orbit zu detektieren, ist eine Überwachung mittels Radartechnik immer wichtiger.
Der Einsatz von kryogener Technik soll die Sensitivität künftiger Phased-Array-Radare steigern, um auch die Detektion von noch kleineren Teilen zu ermöglichen.
Hierzu wird durch eine technische Realisierung von effizienten Kühlmaßnahmen die System-Rauschtemperatur von Empfängern erheblich gesenkt.
- In der Radioastronomie ist die Empfängerkühlung für Parabolspiegel Feeds seit Jahrzehnten etabliert
- Für Phased-Array Systeme steht die Entwicklung noch am Anfang aufgrund der mechanischen und hochfrequenztechnischen Herausforderungen
- Der Hauptteil des Systemrauschens in einer Empfängerkette wird durch den ersten Verstärker (Low Noise Amplifier, LNA) generiert
- Kühlung der ersten Verstärkerstufe mit gasförmigem Helium auf unter 20 K (-253°C), um damit Systemtemperaturen von unter 50 K zu erreichen -> Verbesserung des SNR um ~3 dB, was bedeutet, dass Objekte mit halb so kleinem Radarrückstreuquerschnitt im Orbit detektiert werden können
- Entwicklung eines Experimentalsystems (Mess-Dewar, H: 840 mm, Durchmesser 620 mm), das eine Temperatur von 4 K (-269 °C) auf der Experimentalplattform erreichen kann
- Schaffung einer geeigneten Infrastruktur zum sicheren Umgang mit inerten Gasen (Helium, Stickstoff) und flüssigem Stickstoff
- Entwicklung einer optimierten Regelung und Überwachung der Temperatur
- Realisierung eines Hochvakuums zum Erreichen von Tiefsttemperaturen
- Die „RF Unit“ dient als Trägerkonstruktion der zu kühlenden Hochfrequenzverstärker
- Skalierbarer Aufbau, sodass ein Einsatz für ein Phased-Array-System möglich ist
- Thermische Isolation zwischen 1ster und 2ter Stufe des Kryokühlers
- Anbindung der Low Noise Verstärker an die 2te Stufe des Kryokühlers
- Erste Ergebnisse: LNAs erreichen mit dem aktuellen Messaufbau eine Rauschtemperatur von ~ 6 - 8 K bei 1 bis 2 GHz und einer Umgebungstemperatur von 12 K
Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR