Next generation SATCOM phased array antennas
- Reference number
- ID22-0006
- Project leader
- Maaskant, Rob
- Start and end dates
- 230101-261231
- Amount granted
- 2 500 000 SEK
- Administrative organization
- Chalmers University of Technology
- Research area
- Information, Communication and Systems Technology
Summary
Cars, trucks and buses are predicted to be electrified and autonomous in the future, which will lead to improved sustainability and road safety. This requires that the vehicle is connected to uninterrupted broadband internet, but 4G/5G along the road network is sparse and low-speed. The only option is satellite communication (SATCOM), which is why $250 billion has been invested in the last decade to launch 100 000 new satellites to provide global fiber-like connectivity. However, state of the art vehicle SATCOM antennas are not advanced enough to realise the required robustness. We intend to solve this by developing the next generation SATCOM phased array antenna. Current solutions primarly suffer from high scan losses that leads to antennas that are 5x larger/costlier/power hungry than necessary. This issue arise because current antennas 1) fail to account for changes in active scan impedance, and 2) suffer from self-interference. We intend to develop a novel multi-objective, multi-platform optimization software framework that makes it computationally feasible to incorporate both of these aspects in the design flow. Using this framework, we expect to develop a antenna which is 50% smaller/cheaper/power hungry, has more bandwidth, and has >20 degrees larger scan range with 3 dB better off-axis gain. In addition, our novel beamforming algorithm and distributed filtering is expected to reduce self-interference by 100 dB, leading to a signficantly more robust connection.
Popular science description
Projekt SERENA ämnar utveckla nästa generations antenner som är kapabla att leverera oavbrutet bredbandsinternet till bilar, bussar och lastbilar i rörelse via hundratusentals lågflygande LEO satelliter (se t.ex. Starlink, https://www.starlink.com/). Framtidens fordon kommer vara elektrifierade och självkörande, vilket kräver att fordonet är konstant uppkopplat till högpresterande internet. Då det vanliga bredbandsnätet (4G/5G) inte täcker stora delar av vägnätet krävs därför mycket avancerad teknik för att istället koppla upp fordonet via satellit. Ett typiskt användningsområde som förklarar behovet är en förarlös lastbil som kontrolleras från en kommandocentral. När lastbilen kör utanför storstadsområdena eller hamnar i radioskugga bakom en byggnad eller en kulle riskerar den att tappa 4G/5G täckning, vilket innebär att operatören förlorar kontakten och kontrollen över fordonet med stor risk för människoliv som resultat. Genom att ha en redundant uppkoppling via satellit minska den här risken dramatiskt. Genom att utveckla banbrytande algortimer för signalbehandling möjliggör SERENA dramatiskt bättre antennprestanda relative befintliga lösningar, utan att behöva byta ut någon elektronik eller öka kostnaden. Mer specifikt innebär algoritmerna att störsignaler kan filtreras bort mer effektivt, vilket gör att avsevärt mindre data förloras på vägen mellan användaren och internet. Utöver detta kommer SERENA utveckla en avancerat mjukvaruplattform som möjliggör flera storleksordningar snabbare simuleringar och optimering vid utveckling av hårdvaran. Befintliga plattformar är inte kraftfulla nog för att kunna optimera både antennen och algoritmerna samtidigt, vilket leder till att de två delarna optimeras var för sig. Resultatet av detta är stora prestandaförluster, då den kombinerade slutprodukten inte tar hänsyn till komplexa korseffekter. Med hjälp av SERENAs avancerade verktyg kan konsortiet alltså för första gången optimera båda sidorna parallellt. SERENA kommer därför utveckla nydanande antennhårdvara som är 50% mindre, 50% billigare och drar 50% mindre ström än befintlig hårdvara. Genom att kombinera den förbättrade hårdvaran med de nya optimerade algoritmerna förbättras prestandan ytterligare, framförallt i det komplicerade fallet när satelliten är långt borta längs horisonten. Med befintlig teknik innebär denna satellitposition att så mycket som 80% av signalstyrkan går förlorad, men med SERENAs antenn halveras den siffran till 40%.