Développement d’un module de réception en bande W pour la transmission de données à très faible bruit dans les communications par satellite

Pour répondre à la croissance rapide de la consommation de données dans le monde et aux besoins croissants en bande passante, les communications par satellite passent à des fréquences plus élevées. La bande W (75–110 GHz) est bien adaptée à une utilisation dans l’espace, mais les composants techniques faisaient défaut jusqu’à présent.

Pour cette raison, Fraunhofer IAF a lancé le projet BEACON : En collaboration avec des chercheurs de RPG-Radiometer Physics, un nouveau module frontal de réception en bande W doit être réalisé dans le cadre du programme ESA ARTES. L’objectif est de développer une technologie moins bruyante que n’importe quel module d’amplificateur en bande W précédent et permettant ainsi le transfert de débits de données extrêmement élevés dans l’espace.

En raison de la bande passante limitée, il devient de plus en plus difficile de répondre au besoin croissant de débits de données plus élevés dans les systèmes satellitaires à très haut débit de données. L’utilisation de fréquences plus élevées peut aider à répondre à cette demande croissante. La bande W (75-110 GHz) est bien adaptée aux applications de communication par satellite : non seulement elle offre un débit de données élevé lorsqu’elle est utilisée à haute altitude et dans l’espace, mais elle est également susceptible d’augmenter considérablement la capacité du système, de réduire le nombre de stations terriennes passerelles, et ainsi réduire les coûts globaux du système. Cependant, il y a eu à ce jour un manque de technologie et de matériel adaptés pour les applications dans la gamme de fréquences de la bande W.

Le Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF, en collaboration avec RPG Radiometer Physics GmbH, a relevé ce défi dans le projet “BEACON—W-band Integrated Active Receive Front-End” : les partenaires du projet développent une bande W active intégrée réception frontale avec une fréquence de fonctionnement de 81 à 86 GHz qui permettra des débits de données extrêmement élevés ou une transmission de données longue distance avec une faible consommation d’énergie.

Bruit minimal à haut débit de données

Le module de réception est basé sur la technologie MMIC à très faible bruit de Fraunhofer IAF (MMIC – circuit intégré hyperfréquence monolithique). “Fraunhofer IAF a réalisé un travail de développement considérable dans le processus mHEMT au cours des dernières années et a acquis une compétence de base dans le développement d’amplificateurs avec le bruit le plus faible au monde. Sur cette base, le projet vise à réduire le chiffre de bruit en dessous de 3,5 dB et donc de manière significative améliorer l’état de l’art », explique le Dr Philipp Neininger, coordinateur du projet et chercheur au Fraunhofer IAF.

De plus, le module de réception est conçu pour isoler la polarisation circulaire gauche de la droite et les amplifier avec deux canaux séparés (LHCP et RHCP), ce qui permet de doubler efficacement le débit de données.

Un défi majeur du projet BEACON est la nouvelle disposition des composants sur la très petite surface du module. La nouvelle approche implique l’intégration d’un grand nombre de fonctions dans un très faible encombrement : il s’agit notamment du polariseur, des transitions de guide d’ondes vers deux amplificateurs individuels, de deux connecteurs de sortie coaxiaux et des circuits CC associés. “La combinaison de ces caractéristiques – un bruit extrêmement faible, deux polarisations différentes et un réseau innovant – apporte une énorme avancée technologique dans le domaine des composants en bande W”, résume Neininger la proposition de projet.

La transmission de données en bande W depuis l’espace a déjà été testée avec succès

L’année dernière seulement, des signaux satellites dans la gamme de fréquences de la bande W ont été reçus de l’espace pour la première fois. Le nanosatellite W-Cube a commencé son voyage en orbite polaire à bord d’une fusée Falcon 9 à l’été 2021 et transmet depuis avec succès des signaux satellites vers la Terre à 75 GHz depuis une altitude de 500 kilomètres. Pour cette mission, Fraunhofer IAF avait déjà développé le module émetteur du satellite ainsi que le module récepteur de la station au sol correspondante.

Fourni par Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF