ASIC para la antena ELSA+ en el satélite QUANTUM

«Con ELSA+ estamos adentrándonos en un concepto totalmente nuevo en las telecomunicaciones por satélite; este es solo un punto de partida y una referencia para futuras misiones, estamos evolucionando constantemente esta tecnología» señaló Fernando Varela, Responsable de Airbus Space Systems en España. ELSA+ de Airbus (Antena + Orientable Electrónicamente) es una antena activa multihaz pionera para las comunicaciones comerciales por satélite con versatilidad en el desempeño del ancho de banda Ku y con ocho haces independientes reconfigurables. Además, estas funciones pueden aplicarse de forma independiente o simultánea en cada haz con la posibilidad de conmutación a varias decenas de diferentes configuraciones predefinidas por haz, también llamado salto de haz.

El proyecto QUANTUM consistió en la actualización de algunas funcionalidades del ASIC digital ARQ-RSB01, diseñado por ARQUIMEA en el marco del proyecto REDSAT para la primera antena activa ELSA, manteniendo la versatilidad de configuración con la función añadida de salto de haz. El nuevo ASIC digital ARQ-RSB02, en combinación con su compañero, el ASIC analógico ARQ-RSA02, permite controlar y gestionar los subsistemas de RF (radiofrecuencia) de la antena de matriz en fase activa ELSA+ y posibilitar un salto de haz rápido como parte del diseño del ARQ-RSB02.

El ARQ-RSB02 es un dispositivo CMOS completo diseñado por ARQUIMEA 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. La función de salto de haz se aplica con una memoria distribuida resistente a la radiación para almacenar coeficientes de la antena (atenuación y desplazamiento de fase), junto con la información de los tiempos que indica cuánto tiempo se aplicará cada conjunto de coeficientes.

Una cadena de suministro 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, dio lugar a la producción de miles de dados calificados para su integración en un módulo de chips múltiples ensamblado por INDRA.

La mejora del rendimiento necesaria para el ARQ-RSB02 supuso nuevos retos de diseño en términos de resistencia a la radiación, especialmente en lo que respecta a la SRAM integrada. Para alcanzar las cifras de fiabilidad solicitadas por el cliente, fue necesario realizar un profundo análisis de la fiabilidad y la resistencia a la radiación, completado con técnicas de mitigación adecuadas (Detección y Corrección de Errores [EDAC, por sus siglas en inglés], reconfiguración periódica o scrubbing, etc.), así como ensayos exhaustivos de validación.

La compatibilidad del nuevo ASIC con su predecesor, manteniendo el ajuste, la forma y la función (FFF, por sus siglas en inglés), fue también un gran condicionante para la fase de definición de requisitos y diseño.

Cualquier diseño de ASIC o desarrollo de microelectrónica más general, incluso los que son actualizaciones de versiones de vuelo probadas, debe seguir una metodología estricta para garantizar el éxito del proyecto y el cumplimiento de los requisitos del cliente y del espacio. La implantación de la función de salto de haz en la nueva versión del ASIC digital conllevó un análisis de viabilidad, la enumeración de los riesgos asociados y las mitigaciones correspondientes. Estas se basan en la propia experiencia de ARQUIMEA y en los datos disponibles de sus socios. En la fase inicial del proyecto, la SRAM se consideró crítica debido a la sensibilidad relativa frente a la radiación y a los elevados requisitos en cuanto a la tasa de error. El diseño se basó en la realización de las técnicas de mitigación de la radiación adecuadas, basadas en los informes y directrices disponibles sobre radiación. Esto permitió definir el mejor diseño y los métodos de ensayo correspondientes para garantizar las cifras de fiabilidad previstas.

El ASIC digital está diseñado para funcionar en cadena tipo margarita configurable con su compañero, el ASIC ARS-RSA02 analógico. Se puede configurar en dos modos para ofrecer:

• Control de antena activa
• 32 posiciones de memoria (SRAM) para aplicar la función de salto de haz
• Lectura de telemetrías de corriente y voltaje de los elementos activos de la antena
• Control de la entrada o salida digital para la configuración de los MMIC (circuitos integrados monolíticos de microondas) de RF de la antena activa
• Canales nominales y redundantes.

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.

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.

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 2020, Airbus solicitó un nuevo lote que incluía los ASIC digitales y analógicos para un nuevo satélite de comunicaciones.