Klare Botschaft aus dem Orbit

Der Satellit Proba-V kartographiert die Vegetation der kompletten Erdoberfläche. Dabei bewähren sich Galliumnitrid-Leistungsverstärker in hermetischen Hochfrequenz-Gehäusen.

Der Satellit Proba-V kartographiert die Vegetation der kompletten Erdoberfläche. Dabei bewähren sich Galliumnitrid-Leistungsverstärker in hermetischen Hochfrequenz-Gehäusen.

Tägliche Überwachung von Wetter und Klimawandel, Kontrolle von Missernten, Beobachtung der Wüsten-Ausbreitung und der Entwaldung – Proba-V liefert aus 820 Kilometern Höhe einzigartige Bilddaten, die rund 10.000 registrierte Nutzer weltweit abrufen. Das V steht dabei für Vegetation und verweist auf die umweltfreundliche Mission des Minisatelliten, den die Europäische Weltraumagentur ESA 2013 in den Orbit schoss. Die Kartografie ist jedoch nicht seine einzige Aufgabe.

An Bord des kühlschrankgroßen künstlichen Erdtrabanten befinden sich auch vielversprechende Technologien auf ihrer Testreise im All. Darunter weckte das Satelliten-Kommunikationssystem mit einem Galliumnitrid (GaN)-Verstärker deutscher Herkunft größte Hoffnungen auf eine optimale Bildübertragung an die belgische Bodenstation im X-Frequenzband (8 Gigahertz). „Durch Galliumnitrid als Halbleitermaterial erwarten wir eine 5- bis 10-fache Verbesserung bei den Signalstärken und der Datenübertragung“, sagte Andrew Barnes, Leiter des ESAProjekts, im Vorfeld. Mit ihm fibeberte auch ein Konsortium europäischer Firmen und Forschungsinstitute, das dem Halbleiter GaN den Weg in den Weltraum ebnen will. Argumente dafür gibt es einige: Im Gegensatz zu Silizium- oder Galliumarsenid- basierten Halbleitern arbeitet GaN selbst bei den nötigen, erheblich höheren Spannungen und Temperaturen zuverlässig und in großer Frequenzbandbreite bis 100 Gigahertz. Zudem ermöglicht das Material die Erzeugung kleinerer und leichterer Schaltkreise, ist strahlungsresistent und eine aktive Kühlung ist nicht erforderlich.

Solche Vorzüge brachte der vom Fraunhofer- Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg entwickelte MMIC-Verstärker (Monolithic Microwave Integrated Circuit) erstmals im All zur Geltung. Dazu benötigte der wenige Quadratmillimeter große Chip ein innovatives Gehäusekonzept, das die Partner SCHOTT Electronic Packaging und Tesat-Spacecom gemeinsam realisierten. Es galt, ein Hightech-Gehäuse zum Schutz des Chips zu entwickeln, das eine besonders leistungsstarke Übertragung der Hochfrequenzwellen ermöglicht. Gleichzeitig muss das Gehäuse die im Inneren entstehende Wärme mit höchstmöglicher Effizienz nach außen leiten, um die Leistung des Chips nicht zu beeinträchtigen.

Das hierfür entwickelte Mehrlagengehäuse mit HTCC-Technologie (High Temperature Cofired Ceramics) ermöglicht die Durchführung für Hochfrequenzwellen mit geringer Dämpfung und minimiert zugleich Reflexionsverluste an der Gehäusewand. Eine Wärmesenke leitet die im Inneren entstehende Wärme effizient ab. Dafür fanden die Entwickler eine optimale Materialkomposition und Geometrie, sodass der GaN MMIC des IAF im X-Band erfolgreich eingesetzt werden konnte.

Das Satelliten-Kommunikationssystem ist mit einem Galliumnitrid-Verstärker ausgestattet, der Fotos aus einer Höhe von 800 Kilometern übermittelt.
SCHOTT und Tesat-Spacecom haben ein neues hermetisches Gehäuse entwickelt.

Ein Design, das also auch den Praxistest im Weltraum bestand: „Die Erwartungen haben sich erfüllt. GaN etabliert sich inzwischen als Halbleiter für solche gehäusten Power-Verstärker. Wir sind bereits dabei, unsere Gehäusetechnik auch für andere Satelliten zu qualifizieren“, resümiert Dr. Thomas Zetterer, Leiter Entwicklung Hybrid bei SCHOTT Electronic Packaging (EP). Im Visier steht aktuell die sogenannte Biomass-Mission der ESA. Sie soll ab 2020 vor allem die Verteilung der oberirdischen Biomasse in den Regenwäldern und deren jährliche Veränderungen messen und damit unter anderem wichtige Erkenntnisse für das Verständnis des Erdklimas liefern. Bei diesen satellitengestützten Radarbeobachtungen im PBand (um 435 Megahertz) sollen GaN-RF-Module auf Basis von GaN-Leistungshalbleitern der deutschfranzösischen Unternehmensgruppe United Monolithic Semiconductors (UMS), der Gehäusetechnik von Tesat-Spacecom (Deutschland) und SCHOTT zum Einsatz kommen. Dafür sind im letzten Jahr die allerersten GaN-RF-Leistungsmodule (15 W und 80 W) komplett nach dem ESA-Standard ESCC5010 (EEE-Bauteile) bei Tesat-Spacecom qualifiziert worden. „Ein echtes Highlight im Space-Bauelemente- Sektor, dass eine Lieferkette für GaN-RF-Module ausschließlich aus europäischen Lieferanten besteht“, so Eberhard Möss, Head of Optical Modules bei Tesat-Spacecom GmbH.

Für kommende Produktgenerationen mit höherer Mikrowellenleistung sind bereits verbesserte Technologien im Gespräch: „Wir arbeiten an noch effizienteren Wärmesenken, um die Wärmeleitfähigkeit unserer Gehäuse auf bis zu 800 W/mK zu bringen. Diese signifikante Verbesserung der Eigenschaften eröffnet einen breiten Einsatz in der Kommunikationstechnik, weil höhere Leistungsbereiche und auch eine höhere Lebensdauer ermöglicht werden“, informiert Michael Tratzky, Leiter Vertrieb Hybrid bei SCHOTT EP.

31. Juli 2018

Kontakt

Elisabeth Fey
Electronic Packaging
SCHOTT AG

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