歐空局新的北極氣象衛星配備了弗勞恩霍夫公司的放大器，旨在透過高解析度微波輻射測量徹底改變北極地區的天氣預報和氣候監測。歐洲太空總署（ESA）於2024年8月16日將北極氣象衛星（AWS）發射到距離地球600公里的極地軌道上。 北極氣象衛星上載有弗勞恩霍夫應用固態物理研究所（IAF）的四個尖端低雜訊放大器（LNA）。 它們是被動微波輻射計的重要組成部分，AWS 利用它們以前所未有的精度測量北極的溫度和濕度。

北極氣象衛星在約600 公里高度軌道上的人造影像。 圖片來源：© ESA/Mlabspace

這些數據將有助於更了解北極地區以及北極地區特別明顯的氣候變遷。 如果這次任務成功，歐空局計畫向太空發射一個由相同小型衛星組成的全球星座，以便在全球範圍內進行更精確、更短期的天氣預報（預報）和氣候觀測。

弗勞恩霍夫國際宇航聯合會為北極氣象衛星的微波輻射計提供了四個低雜訊放大器。 它們的頻率在50 至182 千兆赫之間。 圖片來源：© ESA/Mlabspace

低雜訊放大器在技術系統中的任務是提高輸入訊號的品質。 顧名思義，低噪聲放大器在放大微弱訊號的同時，盡可能減少背景噪聲，使訊號更容易被偵測和分析。 這樣，低雜訊放大器就能提高系統的靈敏度。

“低雜訊放大器的功率越大，系統收集資料的準確性和可靠性就越高。 它們在基於衛星的地球觀測中發揮著重要作用，因為到達衛星輻射計的微波輻射非常微弱，”弗勞恩霍夫國際宇航聯合會高頻電子業務部副主管Fabian Thome 博士解釋。 “我們的低噪聲放大器為更好地研究北極及其對全球氣候的影響做出了貢獻，這是對我們的極大肯定和激勵。”

由弗勞恩霍夫國際原子力研究基金會開發、製造和鑑定的適用於89 GHz 頻率範圍的AWS 微波輻射計低雜訊放大器模組。 圖片來源：© Fraunhofer IAF

AWS 微波輻射計由一個旋轉天線組成，該天線接收地球表面發射的自然微波輻射，並將其傳輸到四個饋電喇叭和四個接收器。 天線和接收器分別屬於四組中的一組，共包括19 個頻道，共同覆蓋50 至325 千兆赫的頻譜： 頻率為50 至58 千兆赫的八個頻道測量溫度，頻率為89 千兆赫的一個頻道偵測雲層，頻率為165.5 千兆赫的另一個頻道同時偵測雲層和濕度，頻率為176 至182 千兆赫的五個頻道只負責濕度，最後頻率為325 千兆赫正負1.2 至6.6 千兆赫的四個頻道測量濕度，同時偵測雲層。 有了這些技術設備，輻射計就能在各種天氣條件下繪製高解析度的垂直濕度和溫度曲線。

弗勞恩霍夫國際原子能機構為四個通道組中的三個通道組提供了共四個低噪聲放大器：一個模組用於54 千兆赫左右的頻率範圍，兩個相同的模組用於89 千兆赫，它們串聯在一起以提高整體放大率，還有一個模組用於170 千兆赫範圍。 研究人員改進了基於化合物半導體砷化鎵銦（InGaAs）的成熟技術，實現了用於單片微波積體電路（MMIC）的變質高電子遷移率電晶體（mHEMT）。

整合到對應AWS 微波輻射計低雜訊放大器模組中的89 GHz 低雜訊放大器MMIC 特寫。 圖片來源：© Fraunhofer IAF

“弗勞恩霍夫國際宇航聯合會在為衛星輻射測量系統開發晶體管和電路方面處於世界領先地位。我們的模組確定了許多性能領域的技術水平，”Thome 強調。 這一點在AWS 輻射計模組中也得到了體現： 在測試中，54 千兆赫左右頻率範圍的低噪聲放大器的噪聲係數為1.0 至1.2 分貝，增益為31 至28 分貝，從而顯著提高了技術水平。 其他AWS LNA 在23-25 dB 增益（89 GHz）時的噪音係數為1.9-2.3 dB，在25-30 dB 增益時的噪音係數為3.3-4.1 dB，正好在目前技術水準的範圍內（John 等人，2023）。

在開發模組的過程中，研究人員與直接客戶瑞典ACC Omnisys 公司（AAC 克萊德航太公司）密切合作，該公司為瑞典OHB 公司和歐空局建造了輻射計系統。 在模組的開發和生產過程中，弗勞恩霍夫國際宇航聯合會能夠利用其研究基礎設施及其員工在整個價值鏈中的專業知識： 來自微電子、外延、技術和精密機械領域的團隊密切合作，完成了從電路設計到材料生長、加工和測量的所有關鍵步驟，以及從製程技術、分離、組裝技術到模組製造和整合的所有關鍵步驟，直到LNA 模組可以投入使用。 在將硬體移交接收器整合之前，還在研究所對模組進行了用於太空的初步鑑定。

北極氣象衛星將透過創建精確的濕度和溫度曲線，首次實現北極地區的短期天氣預報和氣候觀測。 圖片來源：© ESA/Mlabspace

AWS 的任務是首次在北極地區收集更精確的天氣預報數據，從而能夠對極地地區進行短期預報，包括所謂的Nowcasting，即未來幾小時的預報。 由於北極地區對全球天氣有很大影響，這些數據也有助於更好地進行全球天氣預報。 這也適用於氣候：北極地區的氣候變遷比世界其他地區進展得更快。 同時，由於反饋效應，北極的變化對全球氣候也有影響。

歐洲氣象衛星應用組織極地系統–斯特納（EPS-Sterna）如果成功，將由一整套相同的小型衛星組成。 按照計劃，將有六顆衛星同時在三個不同的軌道上運行，以收集極地地區的長期氣象資料。 這套衛星將更新三次，因此在飛行任務期間總共將使用18 顆衛星。 計畫更換兩顆衛星。 六顆EPS-Sterna 衛星中的第一顆將於2029 年發射。

透過該項目，歐空局首次採用了新空間方法。 “新空間”的特點是在盡可能短的時間內以顯著減少的資源開展專案。 以總重量僅150 公斤的AWS 為例，從計畫啟動到火箭發射僅花了三年時間，其間產生的費用僅為以往計畫的一小部分。 新空間”的其他優點還包括：星群的復原力更強–網路中的衛星出現故障時，可以快速、廉價地進行補償或更換；任務具有靈活性，必要時可以延長或縮短任務時間，而無需消耗大量資源。

編譯自/ SciTechDaily