SCHOTT solutions Nr. 2/2013 > Elektronische Komponenten

ESA’s Mini-Satellit ist kleiner als ein Kubikmeter und auf großer Mission: Seine Aufgabe ist es, alle zwei Tage die Bodenbedeckung und Vegetation der Erde komplett zu kartographieren. Foto: ESA

Revolutionäre Kommunikation im All


Im Satellit „Proba-V” wird eine neue Halbleiter-Verstärkertechnologie auf Basis hermetischer Hochfrequenz-Gehäuse getestet.


Dr. Haike Frank

Proba-V, der im Mai 2013 ins All startete, ist das neuste Projekt kleinerer Missionen der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Hauptaufgabe des Mini-Satelliten ist es, die Vegetation der Erde – daher die Bezeichnung „V” für „Vegetation” – vom All aus zu beobachten. Zusätzlich ist technische Nutzlast an Bord inklusive vielversprechender europäischer Technologien, die jetzt zu einem sehr frühen Zeitpunkt unter Schwerelosigkeit getestet werden können. Eine davon ist die hochleistungsfähige Galliumnitrid-Technologie.

Das Satelliten-Kommunikationssystem ist mit einem Galliumnitrid (GaN)-Verstärker ausgestattet, der Fotos aus einer Höhe
von 800 Kilometern im x-Frequenzband bei 8 Gigahertz übermittelt. „Galliumnitrid ist ein extrem vielversprechendes Material. Es hat das Potenzial, die Kommunikation im Weltraum zu revolutionieren”, erklärt Andrew Barnes, Leiter des ESA-Projektes. „Wir erwarten eine fünf- bis zehnfache Verbesserung bei den Signalstärken und der Datenübertragung. Gespannt warten wir jetzt auf die Ergebnisse der ersten Praxistests im All.” Mit der Initiative GREAT2 (GaN Reliability Enhancement and Technology Transfer Initiative) hat die ESA ein Konsortium europäischer Firmen und Forschungsinstitute ins Leben gerufen, das damit beauftragt ist, eine Wertschöpfungskette für weltraumtaugliches Galliumnitrid zu schaffen. „GaN könnte in Zukunft effizientere Solarmodule und Spannungswandler für Satelliten ermöglichen. Doch zuerst stehen für das GREAT2 Konsortium die Kommunikationssysteme im Mittelpunkt”, so Andrew Barnes.
SCHOTT und Tesat-Spacecom haben ein neues hermetisches Gehäuse (Bild links) für den Galliumnitrid-Powerverstärker des ESa-Satelliten Proba-V (Mitte) entwickelt. Die Karthographierung (rechts) beinhaltet auch die tägliche Überwachung des Wetters, die Kontrolle von Missernten, die Dokumentation von Binnengewässern und die Beobachtung der sich kontinuierlich ausbreitenden Wüsten und der Entwaldung. Foto links: tesat-spacecom, Foto mitte: ESA, Quelle rechts: ESA
Der vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörper-physik IAF in Freiburg entwickelte MMIC-Verstärker (Monolithic Microwave Integrated Circuit) ist ein erster Prototyp. Der Verstärker-Chip entfaltet seine Leistung auf einer Fläche von wenigen Quadratmillimetern und benötigt dazu ein innovatives Gehäusekonzept, das SCHOTT Electronic Packaging und Tesat-Spacecom in einem Gemeinschaftsprojekt realisierten. „Wir standen vor zwei Herausforderungen: die Einfügedämpfung sowie die Reflexionsverluste der Hochfrequenzwellen so gering wie möglich zu halten und eine Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, indem im Gehäuse eine optimale Wärmesenke geschaffen wird”, erläutert Dr. Thomas Zetterer, Entwicklungsingenieur bei SCHOTT Electronic Packaging.

Dank des innovativen Designs des hermetisch dichten HTCC (High Temperature Cofired Ceramics)-Multilagenkeramiken-Gehäuses als Hochfrequenz-Durchführung können Hochfrequenzwellen mit geringer Dämpfung die Gehäusewand durchdringen. Ferner sind die Reflexionsverluste an der Gehäusewand minimiert. „Dank Simulationen von elektromagnetischen Wellen konnten wir optimale Geometrien und Designs für diese Spezialdurchführung in enger Abstimmung mit der Fertigungstechnologie festlegen”, so Dr. Zetterer.

Die zweite wichtige Eigenschaft des Gehäuses ist die hohe Wärmeleitfähigkeit des Gehäusebodens zur Ableitung der im
Inneren des MMIC-Verstärkers entstehenden Wärme. Um dies zu erreichen, haben die Entwicklerteams von SCHOTT und Tesat-Spacecom eine für diese Anwendung optimale Materialkomposition und Geometrie für die Wärmesenke gefunden.

Für Anwendungen mit höherer Mikrowellenleistung müssen in naher Zukunft Werkstoffe oder Materialverbindungen mit noch höherer Wärmeleitfähigkeit entwickelt und qualifiziert werden. Eberhard Möss, Gruppenleiter bei Tesat-Spacecom: „Die Zusammenarbeit mit SCHOTT ermöglicht es uns, die für künftige Galliumnitrid-Verstärker dringend benötigten hoch wärmeleitfähigen Gehäuse zu erhalten.” <

Was ist Galliumnitrid?