Eingebettetes Boden-Raum 5G Terminal für automatisiertes und vernetztes Fahren (embrace5G)

Abstract

Das von der Deutschen Raumfahrt-Agentur geförderte F&E-Verbundprojekt embrace5G stellt einen bedeutenden Fortschritt bei hybriden 5G-Kommunikationstechnologien für die Automobilindustrie dar. Im Hinblick auf Serientauglichkeit lag der Fokus auf dem Funktionsnachweis mit einem kompakten Terminal, dessen Gewinn einen Wert von 15 dBi nicht überschreiten sollte. Detaillierte Berechnungen des Linkbudgets für verschiedene LEO-Satellitenkonstellationen stellen Uplink-Datenraten von 21 bzw. 7 Mbit/s in den untersuchten Frequenzbändern in Aussicht, die für zahlreiche relevante Anwendungsfälle, wie sie in Verbänden wie C2CCC oder 5GAA diskutiert werden, geeignet sind. Als Ergebnis wurde eine kompakte 3-in-1-Antenne in einer gemeinsamen Apertur entworfen, hergestellt und getestet, die sowohl terrestrische als auch satellitengestützte 5G-Netze unterstützt. Das Antennenterminal arbeitet im 2,6-GHz-Bereich für terrestrische Verbindungen, im 3,5-GHz-Bereich sowohl für TN- als auch NTN-Verbindungen und im 28-GHz-Bereich für LEO-Satellitenverbindungen. Für den TN-Betrieb wurde eine linear polarisierte 3D-Breitband antenne entwickelt, während die NTN-Konnektivität durch verschachtelte zirkular polarisierte Mikrostreifen-Patchantennen-Arrays für das S-Band (2×2-Array) und das Ka-Band (4×4-Array) erreicht wird. Sämtliche Strahlerelemente sind in einer einzigen Plattform integriert, deren Abmessungen von 93 mm × 93 mm × 15 mm für eine Integration in Fahrzeug-Kunststoffteile wie Heckspoiler geeignet sind. Der erfolgreiche Funktionstest wurde für alle drei Antennenfunktionalitäten mit ihren unterschiedlichen Frequenzbereichen und Sichtfeldern in der virtuellen Straße – Simulations- und Testumgebung (VISTA) des Thüringer Innovationszentrums Mobilität (ThIMo) durchgeführt. Datei-Upload durch TIB The academic-industrial R&D project embrace5G, funded by the German Space Agency, achieved significant progress towards hybrid 5G communication technologies for the automotive sector. In view of potential mass production for the autmobile market, the focus was on the feasibility demonstration with a compact terminal, the antenna gain of which should not exceed 15 dBi. Detailed link-budget calculations considering different LEO satellite constellations promise uplink data rates of 21 Mbit/s respectively 7 Mbit/s in the frequency ranges of interest. These values appear sufficient to address numerous relevant use case described by automotive associations like the C2CCC or the 5GAA. As a result, a compact, single-aperture 3-in-1 antenna was designed, fabricated and tested, which enables wireless connectivity in terrestrial as well as satellite-based 5G networks. The antenna terminal operates in the 2.6 GHz range for terrestrial links, in the 3.5 GHz range for TN as well as for NTN, and in the 28 GHz range for LEO satellite links. For the TN connectivity, a linearly polarised 3D broadband antenna (quadripod kettle antenna) was developed, while for the NTN connectivity nested circularly polarised microstrip patch antenna arrays were developed for operation in the S-band (2×2 array) and the Ka-band (4×4 array), respectively. All radiating elements are share the same aperture, whose dimensions of 93 mm × 93 mm × 15 mm are well suited for an integration into automotive plastic parts like rear spoilers. The successful proof of functionallity for all three antenna functionalities with their different operational frequency ranges and fieldsof-view was performed in the virtual test- and simulation area (VISTA) of the Thuringian Center of Innovation in Mobility (ThIMo).