Tecnologías basadas en Slogan GaN
SLOGAN es un proyecto internacional de investigación cofinanciado por el Séptimo Programa Marco de la Unión Europea. El proyecto Space Qualification of High-Power SSPA basado en la tecnología GaN (SLOGAN) está destinado al diseño, desarrollo e implementación de un modelo de cualificación de ingeniería (EQM) GaN SSPA para la próxima generación de satélites Galileo.
El desarrollo del proyecto SLOGAN permitirá no solo mostrar la viabilidad de implementar un GaN SSPA de alto rendimiento para la aplicación Galileo, sino que también abrirá la puerta a una amplia variedad de aplicaciones, como difusión por radio, módulos Tx/Rx de radares aéreos y espaciales de observación de la Tierra, donde la tecnología GaN, con su aumento de potencia y su eficiencia de masa, promete una clara ventaja con respecto a las soluciones actuales.
Demostración de la capacidad de los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) con nitrito de galio (GaN) para las comunicaciones por satélite
Los dispositivos GaN HEMT son ideales para actuar como amplificadores de alta potencia para las comunicaciones por satélite, ya que son ligeros, compactos, eficientes y capaces de ofrecer una gran potencia de salida y una ganancia uniforme con un ancho de banda amplio.
En Europa, se están haciendo esfuerzos por demostrar la capacidad de la tecnología GaN aplicada a los amplificadores de alta potencia (HPA) para los sistemas por satélite.
Aunque el rendimiento de GaN está fuera de toda duda, los dispositivos construidos a partir de este semiconductor de amplia banda vacía (bandgap) no se pueden implementar en el espacio de forma fiable hasta que la tecnología se pruebe en varias fases, comenzando por la placa de pruebas y terminando por la versión preparada para lanzarla al espacio.
Por Rocco Giofrè y Paolo Colantonio, de la Universidad de Roma TOR VERGATA, y Laura González, Francisco de Arriba y Lorena Cabria, de TTI
Cuando los sistemas electrónicos se implementan como carga útil de un satélite, hay que tener en cuenta algunos inconvenientes graves. Esto se debe, por una parte, a que el espacio es un entorno especialmente adverso y, por otra, a que es necesario incorporar la redundancia para que sea posible superar posibles fallos electrónicos.
Por ello, la robustez y la fiabilidad son esenciales para garantizar el éxito de las misiones. Sin embargo, estos requisitos no son los únicos que importan. En marcado contraste con los sistemas terrestres, los tamaños pequeños y con poca masa son los más deseables porque pueden reducir el coste necesario para poner en órbita los objetos (puede costar miles de dólares poner un kilogramo de materia en el espacio). También hay que tener en cuenta una tercera consideración clave: la eficiencia, ya que la energía disponible en una nave espacial es limitada.
Por desgracia, no es posible optimizar todas las características relevantes de forma simultánea y crear un sistema electrónico increíblemente ligero, ultraeficiente y robusto. Así que hay que hacer concesiones y tratar de identificar el punto ideal más deseable.
Por lo que respecta a la carga, los aspectos que se analizan de forma exhaustiva son la masa, el tamaño y el consumo de energía del amplificador de alta potencia (HPA), junto con la gestión térmica y mecánica. Para los HPA espaciales, hay dos opciones básicamente: amplificadores de potencia de estado sólido y amplificadores de tubo de onda progresiva (TWT).
Los tubos son la tecnología consolidada. Ofrecen una mayor madurez, junto con una excepcional eficiencia y potencia de salida, especialmente en el dominio de alta frecuencia de la banda Ka y más allá de ella. Sin embargo, presentan algunos inconvenientes significativos. Exigen voltajes muy altos de CC y ocupan un gran volumen, especialmente en las bandas de frecuencia más bajas. Es más, hay que aplicar procesos de realización caros para evitar resonancias electrónicas no deseadas, conocidas como “efecto multipactor” y también “efecto corona”, que pueden provocar la rotura del dispositivo mediante ionización del gas.
Estos puntos débiles están motivando a las comunidades industriales y a los investigadores para investigar los posibles sucesores de los tubos de onda progresiva.
Entre las alternativas estudiadas, se incluyen los dispositivos basados en GaN y los materiales relacionados, ya que pueden ofrecen mejoras significativas en el rendimiento de la energía de salida. Esta ventaja debería posibilitar que la tecnología GaN sustituya los amplificadores de tubo de onda progresiva en la próxima generación de sistemas por satélite.
Los amplificadores de potencia (PA) de estado sólido basados en GaN presentan ventajas con respecto a los amplificadores de tubo de onda progresiva en diversos aspectos. Son más pequeños y ligeros, funcionan con un menor voltaje, son menos sensibles a los fenómenos de electrones calientes y no generan problemas relacionados con los tiempos de calentamiento. Además, estos dispositivos se degradan poco a poco a lo largo del tiempo y ofrecen un nivel mucho más alto de capacidad de reconfiguración, lo que permite obtener distintos niveles de energía combinando un número diverso de módulos básicos.
En Europa, se están haciendo esfuerzos por demostrar la capacidad de la tecnología GaN aplicada a los amplificadores de alta potencia (HPA) para los sistemas por satélite. Aunque el rendimiento de GaN está fuera de toda duda, los dispositivos construidos a partir de este semiconductor de amplia banda vacía (bandgap) no se pueden implementar en el espacio de forma fiable hasta que la tecnología se pruebe en varias fases, comenzando por la placa de pruebas y terminando por la versión preparada para lanzarla al espacio.
Uno de los proyectos que se han realizado en Europa y que están haciendo frente a estos retos es SLOGAN: Space quaLification Of high-power solid-state power- amplifier based on GAllium Nitride technology. El objetivo de este esfuerzo, que comenzó en septiembre de 2013, se extendió hasta agosto y contó con un respaldo de 2,4 millones de euros procedentes del programa 7th Framework Programme de la Unión Europea, es evaluar y aplicar la tecnología europea basada en GaN proporcionada por United Monolithic Semiconductor. En concreto, el principal objetivo del proyecto es la realización de un amplificador de potencia de estado sólido GaN para la próxima generación de satélites Galileo con un nivel de madurez tecnológica (TRL) igual a 6, lo que equivale a la demostración de la tecnología en un entorno relevante.
Los resultados con SLOGAN están ya demostrando la viabilidad de implementar un amplificador de potencia GaN PA con una gran potencia de salida para Galileo, que es un conjunto de satélites cada vez mayor que ofrece a los europeos un sistema de navegación con una precisión horizontal y vertical de 1 m. Hay que tener en cuenta, sin embargo, que el éxito con GaN ya ha demostrado que esta tecnología puede servir para muchas otras aplicaciones, incluidas las comunicaciones por radio y los módulos de transmisión/recepción para la observación de la Tierra y los radares aéreos.
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Figura 1. El amplificador de potencia de estado sólido de SLOGAN incluye un controlador de potencia electrónico (EPC), una unidad de suministro de energía (PSU) y un controlador de temperatura (TC).
El enorme progreso de SLOGAN se puede atribuir al liderazgo de TTI Norte (España) y a las grandes contribuciones de otros cinco asociados: Alter Technology (España), UMS (Francia), Universidad de Roma Tor Vergata (Italia), OHB System AG (Alemania) y Active Space Technologies (Países Bajos). Cada colaborador tiene experiencia en una tecnología clave y desempeña un papel distinto en el proyecto: UMS impulsa el desarrollo y la fabricación de tecnología GaN. Alter Technology se ocupó de la caracterización medioambiental de los sistemas espaciales; y OHB System del desarrollo de satélites, su construcción y lanzamiento.
La primera tarea del proyecto fue identificar la posible adopción y los requisitos correspondientes de los HPA Galileo de próxima generación.
Como OHB Systems se encarga de la integración de los satélites Galileo, también determina el modelo de cualificación de ingeniería para el funcionamiento de PA en la banda E1 a bordo de la sonda espacial Galileo (consulte la tabla de la página 35 para ver una lista de los requisitos eléctricos, mecánicos, térmicos y ambientales).
Los bloques de construcción para desarrollar los módulos de potencia RF son GaN HEMT con 0,5 mm de longitud de puerta. Creados con un proceso UMS GH-50, estos transistores ofrecen 3,2 W/mm con una tensión de 50 V.
Se construyeron dos barras de potencia con estos HEMT. El más pequeño, un dispositivo de 12 mm, ya se había incluido en la lista de componentes preferidos de la Agencia Espacial Europea al principio del proyecto. El más largo, con 25,6 mm de longitud, se ha incorporado recientemente a esta lista tras la evaluación en el proyecto SLOGAN.
El PA que se ha construido durante SLOGAN está formado por tres subunidades: una unidad RF, un suministro de alimentación y un acondicionador de potencia electrónico (consulte la figura 1). La función de la unidad RF es amplificar la señal de Galileo hasta 230 W en una banda de 1550,42 MHz a 1600,42 MHz, a la vez que se proporciona una ganancia mínima de 65 dB. En esta sección, hay una unidad de control de ganancia para gestionar la ganancia del amplificador de potencia general. Esto permite compensar las variaciones de temperatura, la antigüedad y las condiciones de funcionamiento. El trabajo de suministro de alimentación es convertir el voltaje del bus principal de 50 V en los valores de CC requeridos internos, que pueden ser positivos y negativos. Mientras tanto, el acondicionador de potencia electrónico está ahí para implementar las funciones de telecomandos y telemetría, así como controlar correctamente el funcionamiento de PA, a la vez que compensa la variación de vida útil y térmica y supervisa la corriente y el voltaje aplicados a las fases de alimentación de RF.
Figura 2. La arquitectura de la unidad SLOGAN RF
Para obtener el nivel de energía requerido en la salida de la unidad RF, se emplean cuatro PA idénticos en paralelo. Tienen la forma de dos barras de potencia de 25,6 mm (consulte la figura 2 para ver la arquitectura de la unidad RF y la figura 3 para ver una imagen).
Figura 3. Foto (a) y rendimiento (b) del módulo de potencia de 80 W basado en un par de barras de potencia de 25,6 mm
Para completar la cadena RF del amplificador de potencia, se pueden introducir dos etapas de driver en cascada; se puede usar la barra de potencia de 12 mm; se puede formar una unidad de control de ganancia a partir de amplificadores lineales (UMS CHA3801-99F); y se pueden usar atenuadores fijos diseñados para este proyecto y un atenuador analógico comercial (Hittite HMC346MS8G).
Entre los requisitos para el diseño mecánico de los sistemas, podemos destacar la correcta instalación de las tres subunidades y el apantallamiento de los módulos de RF. Otro requisito clave tiene que ver con la mayor disipación térmica requerida detrás de las barras de potencia de las fases finales con objeto de evitar puntos calientes. Esto se consiguió realizando un análisis térmico en la distribución térmica del amplificador de potencia. Este hecho permitió identificar un punto de referencia de temperatura adecuado para supervisar la temperatura de funcionamiento del amplificador.
A fin de determinar la mejor base para el amplificador, se realizó un análisis exhaustivo para detectar problemas térmicos y de efecto multipactor. Se hizo hincapié en la fase final de alta potencia y en la selección de tecnologías de cinta y unión para vincular las diferentes unidades o los conectores externos (SMA en la entrada y TNC en la salida).
Estos pasos también impiden que se generen los “efectos corona”. La investigación condujo a la selección de laminados Roger con bajas características de desgasificación. Los laminados Roger RT/Duroid 6035HTC se utilizaron para la sección de alta potencia.
Figura 4. El primer amplificador de potencia SLOGAN combina una unidad RF (RFU) con un sistema de control de energía eléctrica (EPC) y una unidad de suministro de energía (PSU).
Estas tres subunidades (unidad RF, suministro de energía y acondicionador de potencia electrónico) se han unido en una caja de amplificador de potencia (consulte la figura 4) para crear un sistema que ofrece un tiempo medio de 600 000 horas antes de fallar. Este nivel de fiabilidad implica una probabilidad de fallo durante una vida útil de 12 años de solo el 16,2 %. La caracterización de esta unidad revela que puede ofrecer una salida CW superior a 300 W con una eficiencia añadida de potencia próxima al 45 % (consulte la figura 5). La ganancia generada por la unidad es increíblemente plana (consulte la figura 6).
Figura 5. El amplificador de potencia integrado en el proyecto SLOGAN puede producir una salida que exceda los 300 W con una eficiencia superior al 45 %.
Los ensayos de vida también arrojan algunos resultados sorprendentes. Funcionando en el modo CW a 1575 MHz con una potencia de entrada fija de -11 dBm (que equivale a unos 2 dB de compresión), la potencia de salida es increíblemente estable. Su variación es inferior a 0,15 dBpp durante 500 horas de funcionamiento. Es más, el amplificador se ha sometido a ensayos de vacío y no se han observado fallos provocados por el efecto multipactor.
Figura 6. La ganancia del amplificador de potencia SLOGAN es increíblemente plana. Es inferior a 1,6 dB en la gama de -3 dB, +1 dB de input power back-off e inferior a 0,2 dBpp en una gama de frecuencia de 10 MHz
- El proyecto SLOGAN ha recibido financiación procedente del programa 7th Framework Programme de la Unión Europea para la investigación, el desarrollo tecnológico y la demostración.
The SLOGAN Team:
- Inmunidad conducida - 20th mayo 2019
- Ensayos de Transitorios eléctricos - 2nd mayo 2019
- Ensayo Campo de RF radiado - 2nd mayo 2019
