I+D en las Universidades Españolas. Nuevos circuitos pasivos de microondas de alta potencia para aplicaciones espaciales

Un circuito pasivo de microondas manipula señales de microondas sin requerir una fuente de energía externa. Pueden ser de distintos tipos (atenuadores, divisores/combinadores, filtros, líneas de transmisión, acopladores direccionales, etc.) y son de gran relevancia porque enrutan o limpian las señales de interferencias, por ejemplo, en un satélite.

España cuenta con numerosos grupos de investigación que han hecho relevantes aportaciones internacionales en este ámbito. En este artículo se resumen algunas de ellas, centrándose en dispositivos que son capaces de manejar alta potencia en satélites de gran capacidad. La gestión de altas potencias en plataformas espaciales, tales como en satélites de alta capacidad que agregan un número elevado de canales en ciertos puntos, puede inducir en esos puntos fenómenos no lineales como los efectos corona y multipactor. Dichos fenómenos tienen el potencial de distorsionar la señal transmitida y, en casos graves, comprometer significativamente tanto la operatividad como la durabilidad de los satélites.

La Universidad Miguel Hernández (UMH) de Elche y la Universidad de Alicante (UA), por ejemplo, han desarrollado distintos componentes (especialmente filtros y diplexores) con prestaciones mejoradas en cuanto a efectos de ‘autocalentamiento’ y de descarga eléctrica por fenómenos como corona y/o ‘multipactor’.

En la UMH, en colaboración con investigadores de la Universitat de València (UV) y la Universitat Politècnica de València (UPV), se han desarrollado simuladores del efecto multipactor en condiciones de vacío ‘ultra-alto’, incluyendo también materiales dieléctricos, que permiten predecir el nivel de potencia umbral de multipactor en los dispositivos diseñados.

Cuando se excita, el multipactor afecta gravemente a la señal que se propaga por el dispositivo y puede incluso destruirlo. Dichos simuladores han sido validados mediante medidas realizadas en el Laboratorio Europeo de Alta Potencia en Radiofrecuencia del ValSpace Consortium (VSC, https://www.val-space.com), ubicado en Valencia y que es parte de los laboratorios oficiales altamente especializados de la Agencia Europea del Espacio (ESA).

Más recientemente, se está trabajando en la mejora del manejo de potencia mediante la inserción de superficies micro-corrugadas en el componente. Precisamente, el diseño de componentes de superficies no planas ha sido uno de los temas desarrollados en la Universidad Pública de Navarra (UPNA) a través de técnicas basadas en Inverse Scattering (algunos de ellos a bordo de misiones comerciales de empresas europeas como TESAT GmbH).

España cuenta con numerosos grupos de investigación que han hecho relevantes aportaciones internacionales en este ámbito. En este artículo se resumen algunas de ellas

En algunos casos, se permite aumentar tanto el umbral de multipactor que, en la práctica, dichos componentes son inmunes a este fenómeno. La idea fue desarrollada a lo largo de varios proyectos con la ESA y se realizaron también validaciones experimentales en el VSC. La UPNA está desarrollando ahora componentes de alta potencia orientados a su fabricación con impresión 3D.

En la UA, en colaboración con la UPV, se ha trabajado en el estudio de la capacidad en potencia de dispositivos planares de microondas en tecnología PCB, especialmente filtros que, debido a su capacidad de magnificación de voltaje, pueden llegar a ser el subsistema limitante en las etapas intermedias de los transceptores.

El estudio no solo se ha focalizado en analizar su capacidad de autocalentamiento (limitada por la potencia media que soportan) sino también en el efecto de descarga por corona, relacionado con la potencia de pico aplicada. Esto es especialmente importante cuando se usan señales moduladas y con múltiples portadoras.

Del mismo modo, recientemente se ha estudiado la capacidad en potencia de la novedosa tecnología Groove Gap Waveguide (GGW), mediante técnicas de diseño para aumentar su resistencia ante descargas por corona, y realizando validaciones experimentales en VSC.

Laboratorio Europeo de Alta Potencia en Radiofrecuencia

En la UPV se han desarrollado técnicas de análisis y síntesis, así como métodos de diseño optimizado, de componentes pasivos, para organismos internacionales (ESA) y las principales industrias del sector espacial (entre ellas Thales Alenia Space, AIRBUS, SENER Aeroespacial, COM DEV y Apollo Microwaves).

Desde 2010, el Grupo de Aplicaciones de las Microondas -GAM- (representando a la UPV en el VSC) gestiona (junto con la ESA) el Laboratorio Europeo de Alta Potencia en Radiofrecuencia, donde desarrolla nuevos métodos de medida y predicción de efectos de descarga (multipactor, corona) y de intermodulación pasiva (PIM) para aplicaciones espaciales.

En la UPV también se han desarrollado nuevos métodos para el análisis electromagnético y el diseño eficiente (mediante síntesis de circuitos equivalentes, modelos distribuidos y algoritmos de optimización) de equipos pasivos para aplicaciones espaciales, con especial énfasis en filtros, diplexores y multiplexores en guía de ondas para satélites.

Todos estos avances han sido transferidos, junto con ESA, a la industria espacial internacional. Por ejemplo, el programa informático FEST3D® (actualmente integrado en la herramienta comercial CST Studio Suite® que distribuye la empresa europea Dassault Systèmes) incorpora las citadas contribuciones del GAM en el ámbito del electromagnetismo computacional.

Desde el año 2000, la UPV colabora con los grupos de investigación de Cartagena (UPCT), Cuenca (UCLM), Elche y Alicante (UMH y UA), habiendo coordinado un total de siete proyectos de investigación financiados en el marco de sucesivos Programas Estatales de I+D+i.

Con todos estos grupos y sus instalaciones, España es referente, sin duda, en el campo de los componentes de alta potencia para comunicaciones por satélite

Esta actividad conjunta ha generado un polo de referencia internacional en el ámbito de los circuitos pasivos de alta frecuencia para comunicaciones espaciales, especialmente para aplicaciones de alta potencia. Gracias a estas colaboraciones, se han generado soluciones más compactas para dichos circuitos en muy diversas tecnologías, tales como las basadas en cavidades resonantes 3D cargadas con postes metálicos y dieléctricos, o empleando guías planas integradas.

Para la implementación práctica de estos nuevos componentes pasivos, además de los métodos más clásicos de fabricación ‘sustractiva’ (como fresado y electroerosión), se investiga en el uso de otras alternativas más recientes como la impresión 3D (fabricación aditiva) o el sinterizado de materiales cerámicos mediante LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics). Se están realizando pruebas de cualificación para uso espacial en las instalaciones de la ESA-VSC en la UPV.

Nuevas tecnologías de implementación y fabricación

Con el objeto de atender la necesidad de reconfiguración de las futuras cargas útiles del segmento espacial (a emplear en grandes satélites de telecomunicación con múltiples haces, así como en las flotas de pequeños satélites del New Space), desde la UPV se aborda el desarrollo de nuevos equipos pasivos de microondas sintonizables.

En concreto, se estudian nuevas soluciones para filtros reconfigurables (en términos de frecuencia central y ancho de banda) empleando sintonización mecánica (tornillos metálicos y dieléctricos) y electrónica (diodos varactores, MEMs y cristal líquido).

En la UPCT se ha colaborado con Thales Alenia Space para el diseño de filtros en tecnología aditiva 3D y reconfigurables, y con la ESA para la caracterización del fenómeno multipactor en líneas microstrip.

Entre los diferentes diseños llevados a cabo en UPCT, destacan aquellos basados en tecnología guiada que permiten aumentar el umbral de potencia sin desencadenar multipactor. También se han desarrollado estructuras compactas en ‘guía evanescente’ que permiten añadir nulos de transmisión a ciertas frecuencias y, de este modo, mejorar la selectividad del filtro. Se ha utilizado la tecnología aditiva para diseñar filtros de geometrías no convencionales y también con pines metálicos en tecnología GGW.

Asimismo, se han publicado trabajos de filtros en tecnología de guía plana, guía integrada en substrato y guía vacía integrada en substrato. En colaboración con UPV, se han desarrollado técnicas eficientes basadas en ecuación integral para el análisis de dispositivos de microondas en guía de onda y en cavidad que incluyen tanto materiales conductores como dieléctricos. Las técnicas implementadas permiten el cálculo de campos electromagnéticos en el interior de las estructuras analizadas, facilitando de este modo el estudio de fenómenos como multipactor y corona.

En la UCLM se han desarrollado nuevas topologías planas de bajo peso, coste, compactas y con alto manejo de potencia para ser usadas en el diseño de circuitos pasivos para satélites. Se ha propuesto una alternativa basada en guía integrada en substrato como equivalente a las guías de onda rectangulares tradicionales de prestaciones muy competitivas.

Desde entonces, y en colaboración con UPV, se han diseñado, fabricado, medido y validado numerosos dispositivos pasivos (filtros, circuladores, acopladores, etc.), así como numerosas transiciones a otras topologías y elementos radiantes (bocinas, ranuras, parches) para diversos rangos frecuenciales. También se han desarrollado los procesos de fabricación en estas nuevas tecnologías a través de la manipulación de substratos comerciales y, por otro lado, se dispone de nuevos procesos de fabricación aditiva, tanto en plástico como en metal.

Con todos estos grupos y sus instalaciones, España es referente, sin duda, en el campo de los componentes de alta potencia para comunicaciones por satélite.