Analyse, ontwerp en realisatie van een RF-stuursysteem voor ruimtegebaseerde Acousto-Optical Tunable Filter toepassingen

ALTIUS (Atmospheric Limb Tracker for the Investigation of the Upcoming Stratosphere) is een driekanaals-ruimtegebaseerde spectrale beeldopnemer die aan boord zal geplaatst worden van een PROBA-satelliet. Het ALTIUS-project (satelliet en instrument) wordt ontwikkeld onder toezicht van de Europese ruimtevaartorganisatie (ESA). Het ALTIUS-instrument zal hyperspectrale beelden maken van de limb van de Aarde. Het zal daarvoor gebruik maken van verschillende technieken, zoals directe-limb-observatie, ster- en zonsverduisteringen. Met behulp van deze technieken zullen metingen uitgevoerd worden in het zichtbare, nabij-infrarode en ultraviolette golflengtegebied van het spectrum. In het zichtbare en nabij-infrarode kanaal zal een Acousto-Optical Tunable Filter (AOTF) worden gebruikt om de gewenste optische golflengten te selecteren. De AOTFs zullen toelaten snelle golflengtescans uit te voeren doorheen de volledige spectrale band. Een AOTF is een dubbelbrekend kristal dat aangestuurd wordt door een Radio-Frequent (RF) signaal aan te leggen aan een transducer (of omvormer). Deze converteert de RF-energie in geluidsgolven die een optisch filter effect veroorzaken in het kristal. In dit werk wordt een theoretisch transducerconcept, samen met een extern impedantie-aanpassingsnetwerk, berekend en gesimuleerd, gebaseerd op verschillende modellen uit de literatuur. Ook het verband tussen de optische diffractie-efficiëntie en de elektrische bandbreedte van het impedantie-aanpassingsnetwerk wordt onderzocht.

Afhankelijk van het optisch bereik van de AOTF (zichtbaar, nabij-infrarood of ultraviolet) moeten frequenties van 40 MHz tot 250 MHz gegenereerd worden. De huidige RF-generatortechnieken voor ruimtevaarttoepassingen zijn niet in staat om frequenties hoger dan 200 MHz te genereren. In dit werk wordt een trade-off studie uitgevoerd om een juiste selectie te maken uit de verschillende RF-generatortechnieken, rekening houdend met de technische eisen voor ALTIUS. Generatortechnieken zoals een Phase-Locked Loop (PLL) gebaseerde analoge oplossing, een Direct Digital Synthesizer (DDS) geïntegreerd in een FPGA en verscheidene andere worden besproken. De analoge PLL-gebaseerde RF-generator techniek werd weerhouden voor ALTIUS. Er zal aangetoond worden dat deze techniek de mogelijkheid biedt de hoge frequenties te genereren op een stabiele en accurate manier.

Voor het zichtbare en nabij-infrarode kanaal werden ruimtewaardige laagvermogen-sturingen ontwikkeld om deze AOTFs aan te sturen, met telkens andere specificaties voor resolutie, gevoeligheid, frequentiegebied, elektrische en optische performantie. Om de juiste optische golflengte te selecteren in het UV-kanaal, maakt men gebruik van een Fabry-Pérot systeem in plaats van een AOTF. Desalniettemin is het ontwerpen van een vluchtwaardige hoogfrequente RF-generator voor het ultraviolette kanaal interessant voor toekomstige (ruimtevaart)toepassingen, en zal dus besproken worden.

De drie RF-systemen dienen zo gebouwd te worden dat ze een verblijf van meerdere jaren in de ruimte kunnen overleven (temperatuur, straling, trillingen, EMI/EMC-vereisten). Dit vertaalt zich in een specifieke keuze van al de elektrische, elektronische en elektromechanische componenten, PCB-ontwerp volgens 'space qualified' ESA standaarden en uitvoerige testprogramma's. Na de conceptstudie en het ontwerp van de RF-sturingen voor de verschillende kanalen is er overgegaan tot prototyping en on-ground testing ter voorbereiding van de bouw van vluchtmodellen en de integratie in het instrument in een latere fase.

Het ontwerp van de drie RF-ketens is erop gericht het vermogensverbruik zo laag mogelijk te houden, zo weinig mogelijk plaats in te nemen en te kunnen overleven in de ruimte. De PLL RF-generator werd eerst onderworpen aan individuele tests en vervolgens gebruikt in geïntegreerde testen per kanaal (combinatie RF-generator, RF-amplifier en AOTF). Al deze testen worden besproken in dit werk.

De ontworpen PLL-gebaseerde RF-ketens voor ALTIUS, en in het bijzonder de UV-RF-keten, zijn ook interessant voor andere (ruimtevaart)projecten. In deze studie worden vier toepassingen besproken, waarvan er drie op relatief korte termijn omgevormd kunnen worden tot een ruimtevaartinstrument.

Het concept van een AOTF gebaseerde spectrale beeldvormer in een ruimtevaarttoepassing is vernieuwend. De ontwikkeling van gepaste RF-systemen brengt een aantal technologische uitdagingen en/of moeilijkheden met zich mee, zoals hoge frequentie, breed frequentiegebied, beperkte beschikbaarheid van vermogen, stabiliteit en kwaliteit van het signaal en temperatuurcontrole. Al deze uitdagingen zijn aangepakt en uitvoerig besproken.