REDSAT ASICs para la Antena Electrónicamente Orientable (ELSA), el primer proyecto de microelectrónica espacial adjudicado a ARQUIMEA

IMAGEN: 28 de enero de 2017. Lanzamiento del satélite Small-GEO H36W-1 de Hispasat desde Kourou.

EL PROYECTO

Parte del programa de la ESA para la Investigación Avanzada en Sistemas de Telecomunicaciones (ARTES-11, por sus siglas en inglés) para el desarrollo de una pequeña plataforma geoestacionaria de uso general para satélites, la H36W-1, lleva incorporado REDSAT, una carga útil regenerativa avanzada que consiste en una novedosa Antena Orientable Electrónicamente (ELSA, por sus siglas en inglés) activa de haces reconfigurables que, junto con el procesador de a bordo, mejora la eficiencia y las prestaciones que ofrece el satélite. La antena puede controlarse electrónicamente desde la Tierra y reorientarse en cualquier momento de la vida del satélite, dotándola de flexibilidad para adaptar su cobertura a los cambios que se puedan producir en la misión después del lanzamiento mientras siga en órbita. La contribución de ARQUIMEA consistió en el desarrollo de un conjunto configurable de ASIC (Circuitos Integrados para Aplicaciones Específicas) para dotar a la antena ELSA de capacidades de control y gestión de los subsistemas de radiofrecuencia (RF) para la configuración versátil de haces, así como para mantener las telemetrías de los elementos activos.

El conjunto de ASIC, compuesto por un ASIC analógico ARQ-RSA02 y al menos dos ASIC digitales ARQ-RSB01, está interconectado con la Unidad de Control de la Antena a través de un SPI y permite la comunicación interna entre los elementos que lo componen con una disposición en cadena tipo margarita configurable para proporcionar a las antenas coeficientes (atenuación y desplazamiento de fase), control de alta tensión de amplificadores de potencia y telemetrías de corriente y voltaje. El ARQ-RSA01 es un dispositivo CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico) que incluye características de alta tensión y está diseñado por ARQUIMEA con la tecnología ON Semi I3T80 350nm. El ARQ-RSB02 es un dispositivo CMOS completo diseñado a partir de la biblioteca de celdas estándar resistente a la radiación DARE180 perteneciente al centro universitario IMEC y basado en la tecnología de 180nm de UMC.

Una cadena de suministro internacional coordinada por ARQUIMEA y compuesta por el IMEC para el soporte o back-end digital y los servicios de fundición, Fraunhofer IMS para el sondeo de obleas y acondicionamiento de los dados y HIREX para los ensayos de calificación permitió la adquisición de miles de dados calificados para su integración en un módulo de chips múltiples ensamblado por INDRA.

 

RETO

El proyecto del conjunto ASIC-REDSAT fue el primer proyecto de microelectrónica espacial adjudicado a ARQUIMEA que se basa en el diseño de dos circuitos integrados complejos para una misión de vuelo real consistente en un satélite de comunicaciones comerciales GEO operado por la empresa española Hispasat. Los chips formaban parte de un nuevo concepto de antena (ELSA) integrado en un nuevo bus de satélite, la plataforma Small-GEO desarrollada por OHB.

 

SOLUCIÓN

El equipo del proyecto es un factor clave a la hora de afrontar desafíos importantes. En este sentido, requiere un equilibrio perfecto entre los recursos, los responsables y los ingenieros para garantizar, por un lado, el cumplimiento de los requisitos previstos y el rendimiento esperado bajo estrictos protocolos de PA/QA (control de calidad y de producto) y, por otro, para cumplir los objetivos teniendo en cuenta las limitaciones de planificación y presupuesto, junto con los posibles riesgos. Cualquier desarrollo de un ASIC espacial deberá seguir una estricta metodología de trabajo para garantizar el éxito del proyecto. En el caso de los ASIC-REDSAT, se consideraron algunas soluciones complementarias que incluían componentes externos resistentes a la radiación en caso de comportamiento inesperado de los bloques analógicos integrados esenciales.

DISEÑO

El conjunto de ASIC compuesto por un ASIC analógico ARQ-RSA02 y al menos dos ASIC digitales ARQ-RSB01 está diseñado para operar con una cadena tipo margarita configurable y ofrece:

• Control de antena activa
• Canales nominales y redundantes
• Control de la entrada o salida digital para la configuración de los MMIC (circuitos integrados monolíticos de microondas) de RF de la antena activa
• Telemetrías de corriente y voltaje de los elementos de la antena activa (resolución de 8 bits)
• MOSFET de alto voltaje para el control del Amplificador de Potencia con gestión de alarmas y desconexión automática de la corriente.

El conjunto de ASIC adquiridos en forma de dado según la norma ESCC-Q-ST-60-05C para circuitos híbridos se ensambló en un módulo MCCM.

 

IMPLEMENTACIÓN Y ACEPTACIÓN

La fabricación de las obleas se llevó a cabo mediante el método de máscara completa conforme a la tecnología 180L de UMC. El Ensayo de Aceptación en la Oblea (WAT, por sus siglas en inglés), que incluye el Microscopio Electrónico de Barrido, la Clasificación Eléctrica de los Dados, el corte en dados y la inspección visual de estos basada en la norma MIL-STD-883 TM2010, permitió la selección de los Modelos de Vuelo.

En paralelo, la empresa de ensayos subcontratada realizó una Prueba de Aceptación del Lote por parte del usuario (user-LAT, por sus siglas en inglés) o una calificación del dado y del proceso de montaje asociado para garantizar que el margen de defectos fuera aceptable y validar las cifras de fiabilidad definidas por el cliente. Se obtuvieron mediante la caracterización de la radiación y los ensayos de resistencia, ambientales y mecánicos.

 

RESULTADOS

Tanto la caracterización de la radiación como la calificación fueron un éxito. Se seleccionaron miles de modelos de vuelo del ensayo WAT y se entregaron al cliente.

En 2015 y 2020, Airbus adquirió nuevos lotes para el satélite QUANTUM (operado por Eutelsat) y otro satélite de comunicaciones, respectivamente.