Amplificadores Criogénicos de Bajo Ruido

Normalmente los radioastrónomos tratan de detectar señales muy débiles emitidas por objetos muy lejos de la Tierra. Los instrumentos usados en la radioastronomía basada en tierra son grandes antenas o conjuntos de antenas equipados con los receptores más sensibles disponibles, es decir, el ruido que ellos mismos producen debe ser mínimo para evitar que se sobreponga a las señales recibidas. Dado que algunos de los dispositivos electrónicos usados para amplificar o mezclar las señales de radiofrecuencia generan menos ruido si son enfriados, generalmente los receptores de radioastronomía están refrigerados a temperaturas muy bajas.

En el rango de frecuencias de 500 MHz a 50 GHz, los componentes usados más a menudo a la entrada de estos receptores son amplificadores con transistores de alta movilidad electrónica (High Electron Mobility Transistors – HEMTs). Estos dispositivos pueden enfriarse a temperaturas criogénicas (~15 Kelvin = -258º Celsius) para conseguir el mínimo ruido posible. Una vez que la débil señal radioastronómica ha sido amplificada, es relativamente más inmune al ruido que se añade en procesos posteriores.

Para frecuencias más altas, la señal de entrada es convertida primero a una frecuencia inferior por un mezclador y posteriormente amplificada por un amplificador HEMT criogénico. En los modernos receptores heterodinos de ondas milimétricas y submilimétricas, hasta varios cientos de GHz el mezclador es típicamente una unión SIS (Superconductor-Aislante-Superconductor) enfriada a la temperatura del Helio líquido (4 Kelvin = -269º Celsius), mientras que en el rango de los THz se utilizan los denominados bolómetros de electrones calientes (Hot Electrón Bolometers – HEB) enfriados a temperaturas aún menores.

Desarrollo de amplificadores HEMT

Desde el año 1985 el OAN ha trabajado de manera continuada en el desarrollo de amplificadores HEMT criogénicos para su uso en receptores del Centro Astronómico de Yebes y en otros prestigiosos observatorios europeos y norteamericanos. Todos los receptores del CAY incorporan amplificadores criogénicos desarrollados por nuestro grupo. En los últimos años hemos construido muchas unidades (>100) para los radiotelescopios de IRAM (antena de 30 m en el Pico de Veleta e interferómetro del Plateau de Bure). Hemos suministrado amplificadores HEMT a otras instituciones, como los observatorios de Bordeaux y Meudon (Francia), el interferómetro SMA (Hawai), el radiotelescopio de Arecibo (Puerto Rico), el Cavendish Laboratory (Cambridge), el INPE (Brasil), etc.

Nuestros amplificadores han sido y son utilizados también en otros tipos de aplicaciones, como las investigaciones atmosféricas (concentración de ozono) en el marco de los proyectos europeos PRONAOS y EMCOR o el equipamiento de receptores para las grandes antenas de la ESA (New Norcia,Cebreros) utilizadas en el seguimiento de sondas espaciales de espacio profundo (Mars Express, Rosetta...).Nuestros amplificadores han sido y son utilizados también en otros tipos de aplicaciones, como las investigaciones atmosféricas (concentración de ozono) en el marco de los proyectos europeos PRONAOS y EMCOR o el equipamiento de receptores para las grandes antenas de la ESA (New Norcia,Cebreros) utilizadas en el seguimiento de sondas espaciales de espacio profundo (Mars Express, Rosetta...).

Los dispositivos activos HEMT de este tipo de amplificadores han estado basados tradicionalmente en estructuras de Arseniuro de Galio.(GaAs) En los últimos años, nuestro grupo ha colaborado con diversas foundries en Europa (1) y EEUU (2) en la aplicación de una nueva tecnología experimental basada en el Fosfuro de Indio (InP) a los amplificadores de frecuencia intermedia. Los dispositivos de InP han demostrado las mejores temperaturas de ruido a temperaturas criogénicas con bajísima disipación de potencia. El acceso al “estado del arte” en esta tecnología ha contribuido a que nuestros diseños se sitúen a la vanguardia de este campo.

Principales proyectos activos

Herschel: Uno de los 5 proyectos "piedra angular" de la ESA en su programa a largo plazo "Horizonte 2000".

Herschel

Una plataforma espacial será enviada lejos de la órbita terrestre, al oscuro y frío segundo punto de Lagrange, una zona de equilibrio gravitatorio del sistema Sol-Tierra. Desde allí, a resguardo de toda perturbación, utilizará el mayor telescopio desplegado en el espacio (3.5 m de diámetro) para estudiar el cosmos a longitudes de onda inaccesibles desde la Tierra por culpa de la opacidad atmosférica y con una sensibilidad sin precedentes.

El instrumento HIFI ("Heterodyne Instrument for the Far Infrared") procesará esta radiación como lo haría un radiotelescopio terrestre. Estará formado por 7 canales de recepción que ofrecerán una cobertura completa para frecuencias entre 480-1250 GHz y 1410-1910 GHz en dos polarizaciones.

El diseño del CAY ha sido seleccionado para amplificar la entrada de 5 de estos canales, tras la conversión de frecuencia de los mezcladores SIS.

ALMA: "Atacama Large Millimeter Array", es decir, el gran interferómetro milimétrico de Atacama. El mayor proyecto astronómico multinacional actualmente en ejecución.

ALMA

64 antenas de 15 metros de diámetro cada una se desplegarán por el más seco desierto del mundo, a más de 5000 m de altura en los Andes chilenos. Cada una irá equipada con varios receptores entre 100 GHz y 800 GHz.

El CAY es responsable del diseño y fabricación de todos amplificadores criogénicos de frecuencia intermedia de la contribución europea a ALMA.

Laboratorios

Laboratorio CAY

Los laboratorios del Centro Astronómico de Yebes están dotados del moderno equipamiento necesario para la fabricación y medida de amplificadores criogénicos. Nuestros talleres emplean fresadoras de control numérico para la preparación de los soportes. Los circuitos de microondas son grabados en sustratos blandos utilizando una fresadora CNC LPFK o mediante técnicas fotolitográficas realizadas en zonas “limpias”, en función de la precisión requerida. Tanto los soportes como los circuitos son dorados también en nuestros laboratorios. Dado que los amplificadores incorporan dispositivos HEMT no encapsulados, es necesario utilizar equipos especiales para su montaje (máquinas para “wire bonding” ultrasónico y “welding”, microscopios estereoscópicos y metalúrgicos, equipos de limpieza por plasma, etc.) y almacenamiento (armarios con atmósfera de nitrógeno).

Laboratorio CAY

Para la caracterización de amplificadores a temperaturas criogénicas se utilizan dos criostatos automáticos de fabricación propia con refrigeradores CTI 350 y 1020. La temperatura de ruido se obtiene con un medidor de figura de ruido controlado por ordenador, con software especial para obtener precisión adecuada (utilizando el método del atenuador enfriado). Para medidas de ganancia y reflexión se dispone de un analizador vectorial (hasta 50 GHz) y otro escalar (hasta 110 GHz). El analizador vectorial se emplea igualmente para realizar medidas de fluctuaciones de ganancia. Mediante un test-fixture propio es posible caracterizar los transistores a temperatura criogénica (medida de parámetros S con calibración TRL). Se utilizan analizadores de espectros y medidores de potencia para verificar la estabilidad de los amplificadores. El análisis DC de los dispositivos activos se realiza con una fuente de alimentación cuádruple controlada por ordenador.

Últimos diseños

Publicaciones

Algunas de nuestras contribuciones más recientes (a partir de 2000) a congresos internacionales.