欧空局新一代卫星技术让北极的寒冷真相更加清晰
欧空局新的北极气象卫星配备了弗劳恩霍夫公司的放大器，旨在通过高分辨率微波辐射测量彻底改变北极地区的天气预报和气候监测。欧洲航天局（ESA）于2024年8月16日将北极气象卫星（AWS）发射到距离地球600公里的极地轨道上。 北极气象卫星上载有弗劳恩霍夫应用固态物理研究所（IAF）的四个尖端低噪声放大器（LNA）。 它们是被动微波辐射计的重要组成部分，AWS 利用它们以前所未有的精度测量北极的温度和湿度。
北极气象卫星在约 600 公里高度轨道上的人造图像。 图片来源：© ESA/Mlabspace
这些数据将有助于更好地了解北极地区以及北极地区特别明显的气候变化。 如果这次任务取得成功，欧空局计划向太空发射一个由相同小型卫星组成的全球星座，以便在全球范围内进行更精确、更短期的天气预报（预报）和气候观测。
弗劳恩霍夫国际宇航联合会为北极气象卫星的微波辐射计提供了四个低噪声放大器。 它们的频率在 50 至 182 千兆赫之间。 图片来源：© ESA/Mlabspace
低噪声放大器在技术系统中的任务是提高输入信号的质量。 顾名思义，低噪声放大器在放大微弱信号的同时，尽可能减少背景噪声，从而使信号更容易被检测和分析。 这样，低噪声放大器就能提高系统的灵敏度。
"低噪声放大器的功率越大，系统收集数据的准确性和可靠性就越高。 它们在基于卫星的地球观测中发挥着重要作用，因为到达卫星辐射计的微波辐射非常微弱，"弗劳恩霍夫国际宇航联合会高频电子业务部副主管 Fabian Thome 博士解释说。"我们的低噪声放大器为更好地研究北极及其对全球气候的影响做出了贡献，这是对我们的极大肯定和激励。"
弗劳恩霍夫国际原子力研究基金会开发、制造和鉴定的适用于 89 GHz 频率范围的 AWS 微波辐射计低噪声放大器模块。 图片来源：© Fraunhofer IAF
AWS 微波辐射计由一个旋转天线组成，该天线接收地球表面发射的自然微波辐射，并将其传输到四个馈电喇叭和四个接收器。 天线和接收器分别属于四组中的一组，共包括 19 个频道，共同覆盖 50 至 325 千兆赫的频谱： 频率为 50 至 58 千兆赫的八个频道测量温度，频率为 89 千兆赫的一个频道检测云层，频率为 165.5 千兆赫的另一个频道同时检测云层和湿度，频率为 176 至 182 千兆赫的五个频道只负责湿度，最后频率为 325 千兆赫正负 1.2 至 6.6 千兆赫的四个频道测量湿度，同时检测云层。 有了这些技术设备，辐射计就能在各种天气条件下绘制高分辨率的垂直湿度和温度曲线。
弗劳恩霍夫国际原子能机构为四个通道组中的三个通道组提供了共四个低噪声放大器：一个模块用于 54 千兆赫左右的频率范围，两个相同的模块用于 89 千兆赫，它们串联在一起以提高整体放大率，还有一个模块用于 170 千兆赫范围。 研究人员改进了基于化合物半导体砷化镓铟（InGaAs）的成熟技术，实现了用于单片微波集成电路（MMIC）的变质高电子迁移率晶体管（mHEMT）。
集成到相应 AWS 微波辐射计低噪声放大器模块中的 89 GHz 低噪声放大器 MMIC 特写。 图片来源：© Fraunhofer IAF
"弗劳恩霍夫国际宇航联合会在为卫星辐射测量系统开发晶体管和电路方面处于世界领先地位。 我们的模块确定了许多性能领域的技术水平，"Thome 强调说。 这一点在 AWS 辐射计模块中也得到了体现： 在测试中，54 千兆赫左右频率范围的低噪声放大器的噪声系数为 1.0 至 1.2 分贝，增益为 31 至 28 分贝，从而显著提高了技术水平。 其他 AWS LNA 在 23-25 dB 增益（89 GHz）时的噪声系数为 1.9-2.3 dB，在 25-30 dB 增益时的噪声系数为 3.3-4.1 dB，正好处于当前技术水平的范围内（John 等人，2023）。
在开发模块的过程中，研究人员与直接客户瑞典 ACC Omnisys 公司（AAC 克莱德航天公司）密切合作，该公司为瑞典 OHB 公司和欧空局建造了辐射计系统。 在模块的开发和生产过程中，弗劳恩霍夫国际宇航联合会能够利用其研究基础设施及其员工在整个价值链中的专业知识： 来自微电子、外延、技术和精密机械领域的团队密切合作，完成了从电路设计到材料生长、加工和测量的所有关键步骤，以及从工艺技术、分离、装配技术到模块制造和集成的所有关键步骤，直到 LNA 模块可以投入使用。 在将硬件移交接收器集成之前，还在研究所对模块进行了用于太空的初步鉴定。
北极气象卫星将通过创建精确的湿度和温度曲线，首次实现北极地区的短期天气预报和气候观测。 图片来源：© ESA/Mlabspace
AWS 的任务是首次在北极地区收集更精确的天气数据，从而能够对极地地区进行短期预报，包括所谓的 Nowcasting，即未来几小时的预报。 由于北极地区对全球天气有很大影响，这些数据也有助于更好地进行全球天气预报。 这同样适用于气候：北极地区的气候变化比世界其他地区进展得更快。 同时，由于反馈效应，北极的变化对全球气候也有影响。
欧洲气象卫星应用组织极地系统--斯特纳（EPS-Sterna）如果取得成功，将由一整套相同的小型卫星组成。 按照计划，将有六颗卫星同时在三个不同的轨道上运行，以收集极地地区的长期气象数据。 这套卫星将更新三次，因此在飞行任务期间总共将使用 18 颗卫星。 计划更换两颗卫星。 六颗 EPS-Sterna 卫星中的第一颗将于 2029 年发射。
通过该项目，欧空局首次采用了新空间方法。 "新空间"的特点是在尽可能短的时间内以显著减少的资源开展项目。 以总重量仅为 150 千克的 AWS 为例，从项目启动到火箭发射仅用了三年时间，其间产生的费用仅为以往项目的一小部分。 新空间"的其他优势还包括：星群的复原力更强--网络中的卫星出现故障时，可以快速、廉价地进行补偿或更换；任务具有灵活性，必要时可以延长或缩短任务时间，而无需消耗大量资源。
编译自/SciTechDaily
