Amplificadores de baixo ruído a bordo do Satélite Meteorológico do Ártico

O Satélite Meteorológico do Ártico (AWS) da Agência Espacial Europeia (ESA) foi enviado em sua jornada para uma órbita polar 600 km acima da Terra em 16 de agosto de 2024. A bordo: quatro amplificadores de baixo ruído (LNAs) do Instituto Fraunhofer de Física Aplicada do Estado Sólido IAF em Freiburg. Eles são componentes essenciais do radiômetro passivo de micro-ondas com o qual o AWS mede a temperatura e a umidade no Ártico com mais precisão do que nunca. Isso deve contribuir para uma melhor compreensão do Ártico e das mudanças climáticas que são particularmente visíveis nele.

Se a missão for bem-sucedida, a ESA planeja lançar uma constelação global de pequenos satélites idênticos no espaço para permitir previsões meteorológicas mais precisas e de curto prazo (nowcasting) e observações climáticas em escala global.

A tarefa dos LNAs em sistemas técnicos é melhorar a qualidade dos sinais de entrada. Como o nome sugere, eles amplificam sinais fracos enquanto causam o mínimo de ruído de fundo possível para que os sinais possam ser detectados e analisados ​​mais facilmente. Dessa forma, os LNAs aumentam a sensibilidade dos sistemas.

“Quanto mais potente for um amplificador de baixo ruído, mais precisa e confiável será a coleta de dados por um sistema. Eles desempenham um papel importante na observação da Terra por satélite, pois a radiação de micro-ondas que atinge o radiômetro do satélite é muito fraca”, explica o Dr. Fabian Thome, vice-chefe da unidade de negócios de eletrônica de alta frequência da Fraunhofer IAF.

“É uma grande confirmação e motivação que estamos contribuindo para uma melhor pesquisa sobre o Ártico e seus efeitos no clima global com nossos LNAs.”

Contribuindo com LNAs para faixas de frequência em torno de 54, 89 e 170 GHz para o radiômetro AWS

O radiômetro de micro-ondas AWS consiste em uma antena rotativa que capta a radiação natural de micro-ondas emitida pela superfície da Terra e a transmite para quatro alimentadores e quatro receptores.

A antena e o receptor pertencem a um dos quatro grupos que compreendem um total de 19 canais, que juntos cobrem um espectro de frequência de 50 a 325 GHz: oito canais com frequências de 50 a 58 GHz medem a temperatura, um canal a 89 GHz detecta nuvens, outro a 165,5 GHz detecta nuvens e umidade, cinco canais entre 176 e 182 GHz são responsáveis ​​apenas pela umidade, enquanto, finalmente, quatro canais a 325 GHz mais/menos 1,2 a 6,6 GHz medem a umidade e também detectam nuvens.

Com este equipamento técnico, o radiômetro é capaz de criar perfis verticais de umidade e temperatura de alta resolução em todas as condições climáticas.

O Fraunhofer IAF forneceu um total de quatro LNAs para três dos quatro grupos de canais: um módulo para a faixa de frequência em torno de 54 GHz, dois módulos idênticos para 89 GHz, que foram conectados em série para maior amplificação geral, e um módulo para a faixa de 170 GHz.

Os pesquisadores aprimoraram tecnologias comprovadas baseadas no semicondutor composto arsenieto de índio e gálio (InGaAs) e criaram transistores metamórficos de alta mobilidade eletrônica (mHEMTs) para circuitos integrados de micro-ondas monolíticos (MMICs).

Tecnologia InGaAs mHEMT para MMICs

“A Fraunhofer IAF é líder mundial no desenvolvimento de transistores e circuitos para sistemas de radiometria baseados em satélite. Nossos módulos definem o estado da arte em muitas áreas de desempenho”, enfatiza Thome.

Isso também pode ser visto exemplarmente nos módulos do radiômetro AWS: em testes, o LNA para a faixa de frequência em torno de 54 GHz atingiu uma figura de ruído de 1,0 a 1,2 dB com um ganho de 31 a 28 dB, melhorando significativamente o estado da arte. Com figuras de ruído de 1,9–2,3 dB com ganho de 23–25 dB (89 GHz) e 3,3–4,1 dB com ganho de 25–30 dB, os outros LNAs AWS estão exatamente na faixa do estado da arte atual.

No desenvolvimento dos módulos, os pesquisadores trabalharam em estreita colaboração com o cliente direto ACC Omnisys (AAC Clyde Space) da Suécia, que construiu o sistema de radiômetro para a OHB Suécia e a ESA.

O Fraunhofer IAF conseguiu usar sua infraestrutura de pesquisa e a expertise de seus funcionários ao longo de toda a cadeia de valor no desenvolvimento e produção dos módulos. Equipes das áreas de microeletrônica, epitaxia, tecnologia e mecânica de precisão trabalharam juntas e realizaram todas as principais etapas, desde o design do circuito até o crescimento do material, processamento e medição, bem como tecnologia de processo, separação, tecnologia de montagem até a construção e integração do módulo até que os módulos LNA estivessem prontos para uso.

Uma qualificação inicial dos módulos para uso no espaço também ocorreu no instituto antes que o hardware fosse entregue para integração do receptor.

AWS e EPS-Sterna: Novo espaço para previsões meteorológicas mais precisas, nowcasting e monitoramento climático

A missão da AWS é coletar dados meteorológicos mais precisos no Ártico pela primeira vez, o que permitirá previsões de curto prazo para a região polar, incluindo a chamada previsão a curto prazo, que se refere às previsões para as próximas horas.

Como o Ártico tem uma forte influência no clima global, os dados também permitem melhores previsões climáticas globais. Isso também se aplica ao clima: a mudança climática está progredindo mais rápido no Ártico do que em outras regiões do mundo. Ao mesmo tempo, as mudanças no Ártico têm um impacto no clima global devido aos efeitos de feedback.

Se for bem-sucedido, uma constelação inteira de pequenos satélites idênticos seguirá o AWS: o EUMETSAT Polar System—Sterna (EPS-Sterna). O plano é ter seis satélites em três órbitas diferentes ao mesmo tempo para coletar dados meteorológicos de longo prazo das regiões polares.

O conjunto de satélites será renovado três vezes, de modo que um total de 18 satélites serão usados ​​durante o tempo da missão. Dois satélites estão planejados como substitutos. O primeiro dos seis satélites EPS-Sterna deve ser lançado em 2029.

Com este projeto, a ESA está buscando a abordagem New Space pela primeira vez. O New Space é caracterizado por projetos sendo realizados no menor tempo possível com significativamente menos recursos.

No caso do AWS, cuja massa total é de apenas 150 kg, apenas três anos se passaram do início do projeto ao lançamento do foguete, durante os quais uma fração do custo foi incorrida em comparação aos projetos anteriores. Outras vantagens do New Space são a maior resiliência das constelações — a falha de um satélite na rede pode ser compensada ou substituída de forma rápida e barata — e a flexibilidade das missões, que podem ser estendidas ou encurtadas se necessário, sem consumir grandes quantidades de recursos.

De 24 a 26 de setembro de 2024, a Fraunhofer IAF apresentará exibições dos módulos LNA instalados no radiômetro AWS, bem como outros eletrônicos de alta frequência das áreas de aplicação de comunicações via satélite, comunicações móveis ou tecnologia de medição de baixa temperatura na Semana Europeia de Micro-ondas (EuMW) deste ano em Paris (estande: 202 mil).