En el año 2009 la Agencia Espacial Europea (ESA) lanzó la misión Planck con el propósito principal, entre otros objetivos, de caracterizar las anisotropías del Fondo Cósmico de Microondas (CMB, por sus siglas en inglés) hasta un nivel de detalle sin precedentes. El grupo de Radiofrecuencia y Microondas (GRM) participó en dicha misión con el diseño de los módulos posteriores de los canales de baja frecuencia, 30 GHz y 44 GHz. Esta participación originó en el GRM el interés y la apertura de una nueva línea de investigación centrada en el desarrollo de receptores para radio astronomía.

Dentro de estos receptores uno de los subsistemas clave en su funcionamiento es el amplificador ubicado en el módulo frontal, el cual define en gran medida la sensibilidad del instrumento. Con el objetivo de mejorar las prestaciones de estos amplificadores, y por tanto del receptor completo, estos subsistemas son enfriados criogénicamente (temperaturas alrededor de 20 K, -253°C). Por tanto, el GRM ha definido una línea específica de investigación centrada en los amplificadores criogénicos.

La andadura del GRM en la criogenia relacionada con las microondas empezó en el año 2005 con la instalación de un primer sistema criogénico en el laboratorio. Se trata de un sistema de pequeña potencia con una capacidad de enfriamiento de 2.5 W a 20 K. Este sistema permitió aprender los principales conceptos de esta nueva tecnología y realizar los primeros diseños experimentales. En el año 2007 se consiguió financiación pública para adquirir un nuevo y potente sistema criogénico, el cual tiene una capacidad de enfriamiento de 17 W a 20 K. Este sistema reduce considerablemente el tiempo necesario para realizar los test criogénicos y permite el enfriamiento de más elementos hasta la temperatura mínima. Actualmente, los sistemas criogénicos y equipos de medida disponibles en el laboratorio del GRM proporcionan la capacidad de medir la ganancia y el ruido de los amplificadores criogénicos desde DC hasta 50 GHz utilizando técnicas de medida como la técnica del “atenuador enfriado (cold attenuator)” y la técnica de la “carga fría/caliente (hot/cold load)”.

Sistemas criogénicos instalados en el Laboratorio de Microondas del Grupo de Radiofrecuencia y Microondas.

Durante estos años se han ido desarrollando, en el marco de diferentes proyectos de investigación, amplificadores criogénicos en varias bandas de frecuencia y con exigentes requisitos técnicos tanto en tecnología híbrida (MIC) como monolítica (MMIC). Algunos ejemplos de estos desarrollos son el LNA diseñado con la tecnología monolítica de OMMIC en colaboración con la Universidad de Chalmers (Suecia) y que supuso el primer diseño del GRM de un amplificador criogénico en banda Ka.

Amplificador criogénico en banda Ka con tecnología de OMMIC: vista general y resultados medidos en criogenia.

Otro hito importante en el diseño de amplificadores criogénicos dentro del GRM ha sido el desarrollo de 64 unidades en banda Ka para ser instalados en el observatorio del Teide dentro del proyecto QUIJOTE. Estas unidades constan de dos chips LNA en tecnología monolítica, el primero de ellos diseñado con la tecnología del Instituto Fraunhofer de Friburgo (IAF), gracias a una estrecha colaboración durante algunos años, y el segundo con la tecnología de la empresa OMMIC.

Amplificador criogénico diseñado para el proyecto QUIJOTE: vista interior y medida de las 64 unidades en criogenia.

Otros ejemplos de amplificadores criogénicos son los desarrollos realizados en colaboración con el IAF y el Centro Astronómico de Yebes (CAY) para cubrir las bandas 4 – 12 GHz, 25 – 34 GHz y 31 – 50 GHz. Actualmente se desarrollan 60 unidades de amplificadores criogénicos para una segunda parte del proyecto QUIJOTE, proyecto EPI, en la banda Q (35 – 47 GHz) y se está extendiendo el sistema de medida para poder caracterizar los diseños en banda W que ya han sido desarrollados.