Amplificadores criogénicos de bajo ruido para aplicaciones radioastronómicas y espaciales

Resumen

Una de las propuestas para la actualización de las grandes infraestructuras radioastronómicas es la de ampliar el campo de visión de las antenas instalando receptores multipixel. La idea fundamental detrás de este tipo de desarrollos es la de sustituir el receptor único típicamente instalado en el plano focal de estos instrumentos por una matriz bidimensional de receptores (Focal Plane Array, FPA). Este tipo de sistemas requiere simplificar la cadena de detección de cada pixel para aprovechar al máximo el espacio disponible dentro del criostato que alberga los componentes críticos del receptor, lo que implica modificar las distintas etapas involucradas incluso a expensas de un sacrificio en sensibilidad (ruido). En este contexto, uno de los elementos críticos de los receptores son los amplificadores de bajo ruido (Low Noise Amplifiers, LNAs) criogénicos cuya contribución en ruido es significativa debido a su posición al principio de la cadena de detección. La fabricación de amplificadores criogénicos requiere no solo conocer el comportamiento eléctrico de los componentes, sino también una adecuada comprensión de las características térmicas de los materiales utilizados, y la capacidad de llevar a cabo una correcta caracterización de su comportamiento con el fin de poder evaluar críticamente sus prestaciones. El trabajo presentado gira en torno a distintos aspectos del desarrollo experimental de LNAs criogénicos que se proceden a describir a continuación. Una de las aportaciones de este trabajo lo constituye la caracterización de la conductividad térmica entre 4 K y 300 K de uno de los epoxis conductores más utilizado en aplicaciones criogénicas, el EPO-TEK H20E. El comportamiento térmico de este adhesivo ha resultado ser decisivo en el correcto funcionamiento de una novedosa fuente de ruido criogénica lo que ha sido corroborado empleando la técnica de elementos finitos. Los resultados obtenidos han permitido calcular el incremento de temperatura que experimenta un transistor como consecuencia de la barrera térmica introducida por el adhesivo empleado para su montaje. Este resultado es importante a la hora de evaluar las ventajas de llevar a cabo un enfriamiento adicional de los dispositivos activos con el fin de mejorar sus prestaciones en ruido frente al incremento en la complejidad de diseño y carga térmica del criostato. Otro apartado importante de este trabajo lo constituye el desarrollo de un prototipo de LNA criogénico basado en componentes discretos para la banda de 4-12 GHz. El interés de este amplificador radica en un diseño optimizado para reducir el elevado coeficiente de reflexión de entrada normalmente asociado a los LNAs. Este tipo de amplificador será utilizado para simplificar los futuros receptores multipixel ya que permite la eliminación de los aisladores criogénicos tradicionalmente utilizados. Los resultados obtenidos han permitido establecer una medida experimental del sacrificio en ruido que implica la mejora de la reflexión de entrada. El prototipo ha sido evaluado críticamente frente a otros sistemas utilizados para afrontar la alta reflexión de entrada de LNAs para la misma banda, amplificadores balanceados y amplificadores con un aislador criogénico a su entrada. Finalmente se ha contribuido al área de la medida de ruido a temperatura criogénica mediante el desarrollo de una novedosa fuente de ruido de precisión basada en una carga de temperatura variable monolítica construida en el Fraunhofer IAF (Friburgo). Para ello se ha fabricado un módulo que permite hacer uso de la carga de temperatura variable en sistemas coaxiales y se ha realizado una completa caracterización térmica y eléctrica del mismo. Se ha demostrado el funcionamiento del módulo como parte de un sistema de medida de ruido criogénico mediante la comparación de resultados con los obtenidos por otros métodos de medida.