Ein Meßempfänger für solares Rauschen auf 11,2GHz

Wie bereits ausführlich beschrieben, interessiere ich mich seit geraumer Zeit für diejenige Strahlung der Sonne, welche im nicht-sichtbaren Bereich stattfindet. Die Sonne ist ein starker und kontinuierlicher Radio-Strahler auf allen höheren Frequenzen. Nachdem ich mit dem hier früher vorgestellten Projekt "Solares Rauschen im 6m-Band" nicht recht weiterkam - es gab zu viele Störquellen von Motorsteuerungen, Wandlern, LED-Leuchten und, und und... - habe ich die sehr kleinen Wellenlängen aufgesucht: Nämlich den Bereich um 3cm Wellenlänge, entsprechend einer Frequenz von rund 11 Gigahertz. Vor 20 Jahren noch hätte die Beschaffung der dazu erforderlichen Gerätschaften einen sehr erheblichen Aufwand bedeutet: Diese Frequenzen wurden seinerzeit nur zu Ortungs (Radar) und militärischen Nachrichtenübermittlungszwecken genutzt. Und ja, ein paar verrückte Amateurfunker dazwischen...

Mittlerweile ist dieser Wellenbereich jedoch Allgemeingut geworden - er dient dem "Satellitenfernsehen"; die zum Empfang erforderlichen "Schüsseln" hängen an jeder Hauswand, sie und die Verbindungskomponenten sind als preiswerte Massenware in jedem Heimwerker- oder Elektronikmarkt erhältlich.

Uns Radioastronomie-Amateure interessiert allerdings nur das Maß des Rauschens, eine weitergehende Aufbereitung des informationslosen Signals ist weder erforderlich noch sinnvoll. Auch die für den Empfang von Satellitenfernsehen wesentlichen Parameter Bandbreite und Polarisation spielen allenfalls insoweit eine Rolle, als sich so externe Störungen durch technische Quellen in der Umgebung vermeiden oder reduzieren lassen. Weiterhin ist es im Gegensatz zu fernseh-geeigneten handelsüblichen Empfängern höchst unerwünscht, eine automatische Verstärkungsregelung zu haben, da gerade die unverfälschte Stärke des Rauschsignals mit seinen originalen Variationen interessiert.
Nach alledem ist es klar, daß ein spezieller Empfänger erforderlich ist, der gewiß nicht aus dem Regal vom Elektronikmarkt gezogen werden kann.

Nun gibt es spezielle Empfänger zu durchaus noch erschwinglichen Preisen, die ausschließlich auf die speziellen Anforderungen der radioastronomischen Sonnenanbeter zugeschnitten sind und anschlußfertig geliefert werden. Aus dem schmalen Angebot habe ich mich für ein Produkt der Fa. Radioastrolab in Ancona/Italien entschieden, den RAL10 AP. Wer sich dafür interessiert, der findet alle technischen Angaben und Anwendungsvorschläge auf der informativen Homepage des Herstellers in englischer Sprache:

http://www.radioastrolab.com/products/our-products-for-radio-astronomy

Meine Empfangsstelle ist jetzt so aufgebaut:


Die 80 cm Parabolantenne mit no-name offset LNB (60dB Verstärkung bei 0,5dB Eigenrauschen lt. Datenblatt) ist auf eine ältere parallaktisch montierte Gabelmontierung gesetzt, die früher mal ein C8 getragen hat. Hier kommt dann auch die Eigenschaft der Gabelmontierung, daß sie nach dem Meridiandurchgang nicht "umgeschlagen" werden muß, sehr vorteilhaft zum Tragen - im buchstäblichen Sinne...

Das LNB ist über normales Satkabel 75Ohm mit dem Eingang des RAL 10AP Empfängers verbunden. Die Länge des Kabels beträgt bei mir knapp 10m, die Dämpfungsverluste sind im Rahmen und ich habe daher davon abgesehen, noch einen Leitungsverstärker (LNA) einzuschleifen.
Die Stromversorgung des LNB wird ebenso wie die Steuersignale für das Umschalten der Polarisation (wenn überhaupt nötig...) vom Empfänger bereitgestellt, sehr praktisch.

Das LNB setzt ja bereits das Empfangssignal von 11,2GHz auf 1,4GHz um, die dann vom Empfänger weiter verarbeitet werden. Der Empfänger, ein handliches Kästchen mit 12V DC Anschluß bereitet das Rauschsignal intern soweit auf, daß der Signalpegel schließlich nach einem implementierten Analog-Digitalwandler über USB ausgegeben und von der mitgelieferten Software "ARIES" im Rechner ausgelesen und gespeichert werden kann. Die einzelnen Parameter, wie Nachverstärkungsfaktor, Samplingrate, Integrationsfaktor und 0-Referenz lassen sich mit der mitgelieferten Software regeln bzw. voreinstellen.

Weiter steht ein Analog-Ausgang zur Verfügung, über den das Signal etwa der Soundkarte zugeführt und von Programmen wie "spectrumlab" verarbeitet werden kann. So ist es auch möglich, diesen Signalausgang einem Datenlogger einzuspeisen und die von dem erzeugten .csv-Dateien zu bearbeiten.

Es ist auch ohne weiteres möglich, die von ARIES erzeugten Textfiles mit einem der gängigen Tabellenkalkulationsprogramme auszulesen und zu bearbeiten.

 

Hier -mit freundlicher Genehmigung der Herstellerfirma Radioastrolab Ancona/Italien- das von ihr erstellte Blockschema des Empfängers, welches dem Kundigen weiteren Aufschluß geben wird.

Der Analog-Ausgang ist derjenige mit BF Out bezeichnete.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Anmerkung dazu: Der RAL 10AP ist für eine Eingangsfrequenz von 1.415 +/- 25Mhz ausgelegt. Die kriegt er entweder als 1. Zwischenfrequenz runtergemixt vom NLB - oder er empfängt- zusätzliche Vorverstärkung vorausgesetzt - direkt. Und dann arbeitet er als Empfänger auf 1.420 MHz - das ist die berühmte 21cm-Wasserstoff-Linie. Dazu braucht es allerdings andere Antennen als einen 80cm-Offsetspiegel. In diesem Fall sind ein Wendelantennen-Array oder eine 3m-Schüssel angezeigt - und das ist dann gleich eine ganz andere Liga. Jedenfalls: Das Gerätchen hat das Potential zu "Höherem"...

 

Ein erstes Problem war mir die Positionierung der Empfangsantenne. Das Empfängerhorn -LNB- ist ja "offset", sodaß ich auf der Suche nach dem Zentralgestirn zunächst einigermaßen im Himmel herumgestochert habe. Zwar ist bei Sonnenschein der Azimut anhand des Schattenwurfs auf die Schüssel klar - sofern man unterstellt, daß Schüssel und LNB nicht "schielen". Aber die Ermittlung der Höhe erwies sich als nicht einfach.
Da meine Schüssel gebraucht vom Wertstoffhof kam, war eine Verformung möglich. Daß sie einen "Schlag" hatte, konnte ich dann mit derjenigen Anordnung ausschließen, mit der ich auch das Positionierproblem löste:

Ein Fadenkreuz, über die Halbachsen gespannt, zeigte

1. daß die Schüssel nicht verzogen war, da sich die Fäden mittig leicht berührten und

2. habe ich mir nach mehrmaligem Ausprobieren des Pegel-Maximums einige Markierungen auf die zuvor weiß angestrichene Schüssel gemacht, auf denen der Schattenwurf der Fäden zu liegen hat, wenn die Sonne bestmöglich "eingefangen" ist.

Nachdem ich dann noch dafür gesorgt habe, daß die Montierung einigermaßen zuverlässig eingenordet ist, kann ich inzwischen auch bei bedecktem Himmel nach den inzwischen recht zuverlässig justierten Teilkreisen die Sonne aufsuchen.

Leider ist die Elektronik des Nachführmotors der Gabelmontierung einstweilen noch defekt, sodaß ein nachgeführter Betrieb derzeit nicht stattfinden kann.

 

 

 

 

Indessen sind mir inzwischen recht brauchbare Aufzeichnungen des Signalpegels der die nicht nachgeführte Antenne passierenden Sonne gelungen, das sieht dann so aus:




Aus den aufgezeichneten Glockenkurven läßt sich der Öffnungswinkel und damit das Auflösungsvermögen der Empfangsanlage berechnen. Von "Fußpunkt" zu "Fußpunkt" verfließen 20 Minuten, also 1.200 Sekunden. Umgerechnet ins Bogenmaß ergibt das nach der bekannten Formel fürs Gesichtsfeld = t x 15,04111 x (cos Dek), also

1.200" x 15,04111 x 0,917 (cos -23,5°) = 16.551".
16.551 / 3600(sec/h) = 4,6° Öffnungswinkel.

Lege ich - wie in der Antennentechnik üblich - den zeitlichen Abstand von 10 Minuten zwischen den 3dB-Punkten zugrunde , so ergibt sich sogar ein Öffnungswinkel von nur 2,3° .

Solange mir keine nachgeführte Antenne zur Verfügung steht, behelfe ich mich mit einer Notlösung, die aber wenigstens kontinuierliche Ergebnisse liefern kann: Ich mache täglich vormittags eine Transit-Aufzeichnung an horizontal fixierter Antenne. Es wird lediglich vertikal die wechselnde Deklination der Sonne angepaßt. Bei bedecktem Himmel wird unter Zuhilfenahme von Sternzeit und Rektaszension der Sonne mit dem Stundenkreis "gezielt". Ich hoffe so, durch Mitteln der An- und Abstiegspegel-Differenzen, einige Aussagen zum Radiopegel über längere Zeiträume gewinnen zu können.

Indessen ist die Angabe des Pegels in "counts" unbefriedigend. Sie läßt sich nicht mit Messungen Dritter vergleichen, auch ist der Vergleich mit vorgängigen eigenen Ergebnissen fragwürdig, da die Rahmenbedingungen - Temperatur, Bewölkung, Vorlaufzeit des Empfängers - differieren werden. Es müssen daher Methoden und Routinen gefunden werden, die sowohl eine Kalibrierung als auch die Ausgabe vergleichbarer Werte ermöglichen. Üblicherweise werden in der Radioastronomie Pegelwerte in °Kelvin Antennentemperatur angegeben. Was nichts mit deren tatsächlicher Temperatur -etwa 15°C- zu tun hat... Sondern ein Maß für das durch thermische Elektronenbewegung verursachte Rauschen darstellt.
Das im Einzelnen darzulegen, ist hier nicht der Ort. Zumal ich dazu wenig Eigenes vorstellen, sondern überwiegend drittes Wissen präsentieren könnte. Der Interessierte mag daher auf der Internetseite der Fa. radioastrolab
http://www.radioastrolab.com/products/our-products-for-radio-astronomy

nachsehen, wo eine praxisnahe Methode zur Kalibrierung der Empfangsanlage und zur Umrechnung der "counts" in °K Antennentemperatur vorgestellt wird.


Inzwischen habe ich eine erste Reihe von Transit-Aufzeichnungen bei "ruhiger Sonne" auswerten können. Hier die resultierende Graphik aus Januar und Februar 2019.

Der durchschnittliche Wert liegt bei 500°K, das soll nach Meinung von Leuten, die das Metier schon länger als ich betreiben, im Rahmen des zu Erwartenden liegen.

Ich werde das jetzt erstmal fortsetzen und bin gespannt, was sich bei Wieder-Erwachen solarer Aktivität mit Beginn des kommenden Zyklus ergeben wird.




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