Entwurf und Umsetzung eines rekonfigurierbaren Schaltmatrix-Satelliten-Experiments zum Nachweis der Raumfahrttauglichkeit keramischer Mikrowellenschaltungstechnologie

Humbla, Stefan GND

Information and telecommunications technology is one of the driving forces of technical progress and has significantly advanced development and innovation in the last century affecting all fields of society. Especially the supply of remote locations with communication infrastructure, broadcasting services, etc. benefits from satellite based systems. In order to utilise novel technologies in future aerospace applications, all components and technologies have to prove their compliance for space flight in a time and cost-intensive process. The main requirements of typical geostationary satellites are a life expectancies of 15 years and more, reliability and withstand the harsh environment in terms of ambient atmosphere, radiation, and permanent temperature cycles.The low temperature co-fired ceramics technology (LTCC) enables three-dimensional integration of passive structures, and thereby compact modules with high functional density, creating a promising foundation for space applications. In addition, the LTCC-technology allows for hermetic sealing of modules to incorporate bare dies. The manufacturing process causes a variation of metal structure geometries. Taking this variation during the design phase into account as well as the knowledge of exact material properties forms the essential requirement to achieve high yield and good agreement between simulation and measurement. As part of this thesis, the design, optimisation and qualification processes of the switch matrix experiment are discussed. The manufactured models are presented and results of environmental tests are analysed. Based on the outcome, the experiment and the assembly and integration technology are iteratively optimised and results of mechanical stress tests are validated with numerical models. The switch matrix experiment was integrated into the TET-1 (Technology Experiment Carrier) satellite as part of the KERAMIS payload. The one year on-orbit verification mission started on July 22, 2012 from Baikonur, Kazakhstan and thereby the functional demonstration. Based on available data no degradation was observed.Furthermore, different concepts for the modular utilisation of the 4 x 4 switch matrix to create more complex systems are presented. The effect of single switch errors as well as extensions of electrical functionality by exploitation of fast switching are discussed.

Die Informations- und Kommunikationstechnik ist einer der wesentlichen Grundpfeiler der technischen Entwicklung des vergangenen Jahrhunderts. Gerade für die Erschließung geografisch ausgedehnter als auch abgelegener Gebiete mit Kommunikationsinfrastruktur, Broadcasting, etc. werden satellitengestützte Systeme eingesetzt. Um aktuelle Technologien in der Raumfahrt einsetzen zu können, bedarf es dem Nachweis der Raumfahrtqualifikation aller Komponenten. Da nicht jede Technologie geeignet ist und der Qualifikationsprozess aufwendig und mit hohen Kosten verbunden ist, beträgt die zeitliche Verzögerung typischerweise mehrere Jahre oder Jahrzehnte und wird nur bei großen zu erwartenden Vorteilen durchgeführt. Die Low Temperature Co-fired Ceramics-Technologie (LTCC) ermöglicht durch die dreidimensionale Integration passiver Leitungsstrukturen kompakte Module hoher Funktionsdichte, geringer Masse und ermöglicht hermetische Gehäuse für integrierte Schaltkreise. Die Berücksichtigung prozessbedingter Geometrieabweichungen im Entwurfsprozess zusammen mit der genauen Kenntnis der elektrischen Materialparameter stellt eine wichtige Vorraussetung dar, um eine hohe Ausbeute und eine gute Übereinstimmung zwischen Messdaten und Simulationsergebnissen zu erzielen. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Entwicklungen, die Optimierung und der Qualifikationsprozess eines Schaltmatrixexperiments beschrieben. Dabei werden die aufgebauten Modelle vorgestellt, die Ergebnisse der Umwelttests ausgewertet und Optimierungen am Modul sowie an der Aufbau- und Verbindungstechnik vorgenommen. Die Ergebnisse der mechanischen Untersuchung werden mit numerischen Methoden nachvollzogen.Aufbauend auf den grundlegenden keramischen Modulen wurde ein System entworfen, welches im All selbstständig Messdaten aufnimmt und so Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit der Komponenten erlaubt. Das Schaltmatrixexperiment wurde als der Teil der KERAMIS-Nutzlast in den Testsatelliten TET-1 (Technologieerprobungsträger) integriert. Die einjährige OOV-Mission (On-Orbit Verification) begann mit dem Start der Trägerrakete am 22. Juli 2012. Anhand der verfügbaren Messdaten konnte keine Beeinflussung der Funktionsfähigkeit festgestellt werden.Darüber hinaus werden verschiedene Konzepte für den modularen Aufbau komplexerer Schaltmatrizen basierend auf dem 4x4 Schaltmatrixmodul vorgestellt und diskutiert.

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Humbla, Stefan: Entwurf und Umsetzung eines rekonfigurierbaren Schaltmatrix-Satelliten-Experiments zum Nachweis der Raumfahrttauglichkeit keramischer Mikrowellenschaltungstechnologie. 2014.

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