Hohe Datenraten und miniaturisierte Benutzerterminals treiben die neueste Entwicklung der Ka‑Band Satellitenkommunikation voran. Folglich hat Punktstrahl Türen für rekonfigurierbare Satellitennetzwerke geöffnet. Eine rekonfigurierbare Schaltmatrix an Bord der Satelliten routen, schalten und Multiplexen von Spot beam in multibeam Anwendungen. Die Leistungsfähigkeit der rekonfigurierbaren Schaltmatrix wird durch Art der Implementierung (z.B. PIN Dioden, Transistoren oder mikroelektromechanische Systeme) bestimmt. Im Vergleich mit Hohlleiter oder Koaxial-Ansätzen haben elektronisch rekonfigurierbare Schaltmatrizen ein verbessertes Verhalten in Bezug auf Baugröße und Schaltgeschwindigkeit. Die Reife der Technologie wird anhand des Technology Readiness Level bewertet. Unter dem KERAMIS® Konsortium wurden mehrere Mikrowellenkomponenten (z.B. Transceiver, Synthesizer und rekonfigurierbare Schaltmatrix) basierend auf der mehrschichtiger low temperature co-fired ceramic Technologie entwickelt. Dr.‑Ing. Johannes Trabert und Dr.-Ing. Stefan Humbla qualifizierten diese Module für die Anforderungen einer Satellitenmission in der niedriger Erdumlaufbahn. Parallel dazu entwickelte Dr. -Ing. Gabor Vogt eine elementweise, modulare und effiziente Designmethode für mehrschichtige Keramikmodule. Diese Methodik ermöglichte die Berücksichtigung von Produktionsschwankungen bereits in der Designphase und die schnelle Anpassung des Schaltmatrixmoduls an unterschiedliche Keramiksubstrate. Am 22. Juli 2012 wurde der Technologie Evaluation Träger mit der rekonfigurierbaren Schaltmatrix gestartet. Während des einjährigen Betriebs wurden Daten gesammelt und verifiziert. Diese erfolgreiche Verifizierung im Orbit bestätigte die Sperrfunktionalität der Schaltmatrix, die Eignung der low temperature co-fired ceramic technology für Weltraumanwendungen sowie die Zuverlässigkeit der Verbindungen und der Montage. Damit wurde der höchste Technologiereifegrad (= 9) der low temperature co-fired ceramic für Missionen in der niedriger Erdumlaufbahn erreicht. In erster Linie beinhaltet diese Arbeit die Entwicklung eines 4×4 rekonfigurierbaren Schaltmatrixmoduls für die deutsche geostationäre Satellitenmission Heinrich Hertz mit dem Ziel die höchstmögliche Technology-readiness-level für Geostationäre Erdumlaufmissionen zu erreichen. Ähnlich wie bei vorangegangenen Modulen vertraut auch das präsentierte Modul auf eine Hybridintegration von monolithisch integrierten PIN Dioden auf einem mehrschichtigen Keramiksubstrat, jedoch mit dem Unterschied höherer Funktionsdichte. Dies wurde durch Verlagerung der Filterstruktur in die vergrabenen Schichten erreicht. Der leere Oberflächenbereich enthielt eine Vorspannungsschaltung, wodurch die zwei externen Module eliminiert wurden. Folglich reduzierte sich die Anzahl der Verbindungen erheblich, was die Leiterplatte, Montage und Integration vereinfachte und gleichzeitig die Zuverlässigkeit verbesserte. Das Modul wurde doppelseitig montiert und durch Kovar-Rahmen und Deckel auf Ober- und Unterseite hermetisch abgedichtet. Dieses Modul hatte eine kompakte Große von 25mm×25mm×1.7mm und eine Masse von nur 10 g. Um passiven transparenten Zustand herzustellen, d.h. Eins-zu-Eins-Verbindung zwischen Eingang und entsprechendem Ausgang im Falle eines On-Board-Stromausfalls, wurden vier redundante Pfade an die Außenseite angehängt dieses Moduls. Die Abmessungen des resultierenden Moduls stiegen auf 32mm×32mm×1.7mm. Aufgrund der langen Betriebslebensdauer (≥15 Jahre) wurde die Zuverlässigkeit des Moduls durch die Berücksichtigung der elektrothermischen Eigenschaften deutlich erhöht. Die Sperrschichttemperatur wurde auf nur ~40K über der Umgebungstemperatur gesenkt, indem eine reduzierte Vorspannung, zusätzliche thermische Vias und Kontaktpads verwendet wurden. Die Einfügungsdämpfung und Isolation des ersten Moduls wurden mit 8±1 dB und 65±3 dB gemessen, während das zweite Modul sowohl im Sende- als auch im passiven Zustand eine Einfügungsdämpfung von 10±1 dB aufwies, und eine Isolation von 55±3 dB bei 20 GHz. Neben der Entwicklung dieser Module demonstriert die Arbeit on-wafer Messtechniken zur breitbandigen Extraktion von Übertragungsleitungsparametern. Anhand von Messdaten wurden elektromagnetische und thermische Simulationsmodelle entwickelt, die hier vorgestellt werden. Die wichtigsten Designkriterien für Schaltmatrizen höherer Ordnung (z.B. 64×64) umfassen die statische Verlustleistung, den Übertragungsverlust, die on-to-off Isolation und die Verstärkung-Bandbreiten-Steigung. Das auf PIN Dioden basierende 4×4 Schaltmatrixmodul zeigte einen Übertragungsverlust von ~8 dB, eine Verstärkungssteilheit von -0,4 dB/GHz, eine On-to-Off Isolation von ≥50 dB, eine statische Verlustleistung von 1W und eine HF-Belastbarkeit von 1W (30 dBm). Eine große Matrix, welche dieses 4×4 Modul als Bestandteil verwendet, führt zu übermäßigen Übertragungsverlusten und statischer Verlustleistung als auch einem stärkeren Abfall der Übertragungskoeffizienten. Hochfrequenztransistoren bieten unter Einhaltung der Designkriterien eine hervorragende Alternative für komplexe, zuverlässige und skalierbare Architekturen. Aufgrund ihrer hohen Elektronenmobilität, ihrer hohen Durchbruchspannung und ihrer hohen Belastbarkeit haben high electron-mobility Transistoren das Potenzial, verlustarme, hybridintegrierte Schaltmatrixmodule für hohe Leistungen mit minimalem statischem Stromverbrauch zu realisieren. In dieser Arbeit wird eine 0,25µm Gallium-Nitrid-auf-Silizium-Karbid Technologie verwendet, um monolithisch integrierte single-pole single-throw Schalter zu implementieren. Diese basieren auf impedance-matching, travelling-wave und Resonanzkonzepten und funktionieren im Ka-band (17...22 GHz). Des Weiteren wird der Aufbau eines single-pole four-throw Schalters vorgestellt, der in seinen Zweigen unterschiedliche single-pole single-throw Schalter verwendet. Durch die Verwendung von Kombinationen solcher Schalter wurde eine alternative Implementierung von passive transparent state vorgeschlagen. Dieser Vorschlag beinhaltet einen passive transparent Pfad (für den Fall eines Bordnetzausfalls) in Schaltmatrix-Architektur, ohne dass zusätzliche Komponenten auf dem Trägersubstrat erforderlich sind. Ein solcher Ansatz vereinfacht den Aufbau und die Integration des Keramiksubstrats, ohne die Übertragung Eigenschaften zu verschlechtern. Der Vorschlag gilt sowohl für beide blocking- und non-blocking-Architekturen. Ein weiterer Vorteil der Transistor-basierten Schaltmatrix ist, dass - im Gegensatz zur PIN Dioden Losung - keine bipolare Stromtreiberschaltung erforderlich ist. Während der gesamten Arbeit wird das Entwurf durch Messungen (z.B. Kleinsignal, Großsignal, statisch und thermisch) und Simulationen (Schaltungs- oder drei-dimensionale Solver für elektromagnetische Felder) unterstutzt.
Saqib Kaleem (Mon,) studied this question.