Eine im Jahr 2022 aktualisierte Datenbank meldete rund 4.852 aktive Satelliten, die die Erde umkreisen. Diese Satelliten dienen vielen verschiedenen Zwecken im Weltraum, von GPS und Wetterverfolgung bis hin zu militärischen Aufklärungs- und Frühwarnsystemen. Angesichts der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Satelliten, insbesondere im erdnahen Orbit (LEO), versuchen Forscher ständig, bessere zu entwickeln. In dieser Hinsicht haben Kleinsatelliten viel Potenzial. Sie können die Startkosten senken und die Anzahl der Satelliten im Orbit erhöhen, wodurch ein besseres Netzwerk mit breiterer Abdeckung bereitgestellt wird. Aufgrund ihrer geringeren Größe haben diese Satelliten jedoch einen geringeren Strahlungsschild. Sie haben auch eine entfaltbare Membran, die am Hauptkörper für einen großen Phased-Array-Transceiver angebracht ist, was eine ungleichmäßige Strahlungsverschlechterung über den Transceiver verursacht. Dies beeinflusst die Leistung des Funkgeräts des Satelliten aufgrund der Schwankungen in der Signalstärke, die sie erfassen können – auch bekannt als Verstärkungsschwankung. Daher besteht ein Bedarf, die Strahlungsverschlechterung abzuschwächen, um kleine Satelliten lebensfähiger zu machen.
Glücklicherweise hat ein Forscherteam unter der Leitung von Associate Professor Atsushi Shirane vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) über eine neuartige Phased-Array-Empfängerstrategie berichtet, um die Auswirkungen der Strahlungsverschlechterung in diesen Satelliten zu reduzieren. Ihre Ergebnisse wurden auf der International Solid-State Circuits Conference 2023 geteilt und veröffentlicht. Dr. Shirane erklärt: „Wir schlagen eine neue Phased-Array-Empfängerstrategie vor, die auf dem Chip verteilte Strahlungssensoren und Stromteilungstechniken umfasst. Dies hilft, die Auswirkungen der Strahlungsverschlechterung auf das Funkgerät und den Stromverbrauch drastisch zu reduzieren.“
Das Forscherteam fand heraus, dass beim herkömmlichen Design des Phased-Array-Transceivers auf Kleinsatelliten das Signal der Hauptkeule aufgrund ionisierender Strahlung innerhalb eines Jahres um 3,1 dB abnahm. Um dies zu lösen, haben die Forscher einen Phased-Array-Transceiver mit verteilten Strahlungssensoren auf dem Chip entwickelt. Diese Sensoren können die Verstärkungsschwankung zwischen den Chips der Antenne erkennen. Dies wurde mit Stromteilungstechniken kombiniert, um die Verstärkungsschwankung abzuschwächen und somit die Auswirkungen von ungleichmäßiger ionisierender Strahlung auf das Funkgerät und den Stromverbrauch zu reduzieren. Beim Testen dieser neuen Strategie stellten die Forscher fest, dass sie zu weniger als 10 % der typischen Gewinnvariation führte, die bei kleinen Satelliten beobachtet wird. Die Current-Sharing-Techniken senkten auch den Stromverbrauch des Satelliten auf den niedrigsten gemeldeten Wert. Insgesamt war diese Strategie in der Lage, die Verschlechterung der Hauptkeule zu reduzieren und die Verstärkungsschwankung zu verringern, während eine minimale Menge an Energie verbraucht wurde, wodurch zwei Hauptprobleme gelöst wurden, mit denen bestehende kleine Satelliten konfrontiert sind.
„Durch die Verwendung der verteilten On-Chip-Strahlungssensoren und der Stromteilungstechniken konnten wir die Auswirkungen der Strahlungsverschlechterung drastisch reduzieren und den Phased-Array-Transceiver energieeffizienter machen. Diese Strategie“, schließt Dr. Shirane, „hat sich bewährt vergleichbar mit anderen hochmodernen Technologien bei der Verringerung der Verstärkungsschwankungen sein. Daher glauben wir, dass unsere Strategie angesichts ihrer Leistung und Effizienz zu einer noch größeren Anzahl kleiner Satelliten in der unteren Erdumlaufbahn und zu einer besser vernetzte Welt.“