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Un semplice RadioTelescopio a 11.2 GHz (Parte HW)

Abstract : In questo post descriviamo la costruzione di un piccolo radiotelescopio amatoriale operante alla frequenza di 11.2 GHz. La costruzione del radiotelescopio si avvantaggia del mercato della TV satellitare che ha reso facile ed economico il reperimento di antenne a riflettore parabolico con relativo illuminatore (feed horn) e blocco LNB (amplificatore-convertitore di frequenza a basso rumore). Le prestazioni di uno strumento simile sono naturalmente piuttosto limitate però permettono comunque di fare interessanti osservazioni di alcune fra le radio-sorgenti più intense.

Introduzione

La radioastronomia è una scienza difficile ed affascinante. Richiede l’utilizzo di antenna ingombranti e costose, fa uso di sofisticate tecnologie radio-elettroniche e sofisticati algoritmi per l’elaborazione dei segnali.  Di primo acchito sembrerebbe completamente al di fuori dalla portata di un “dilettante”. In realtà è possibile compiere interessanti osservazioni radio astronomiche anche a livello amatoriale.
In questo nostro sito abbiamo già descritto alcuni progetti radioastronomici per specifiche applicazioni :

Ora vogliamo provare a realizzare un radiotelescopio “amatoriale” basato sul principio del radiometro. Non è certo questa la sede per dare informazioni dettagliate sulla radioastronomia e sui radiotelescopi (ci sono molte informazioni in rete e testi specifici), ci limitiamo quindi a fornire alcuni cenni sui punti principali che ci hanno guidato nella realizzazione del radiotelescopio.

La radioastronomia studia i corpi celesti analizzando le onde radio emesse dagli oggetti del cielo : qualsiasi oggetto emette onde elettromagnetiche attraverso svariati processi fisici (termici e non-termici), queste onde vengono captate dall’antenna ed analizzate con opportuni strumenti : in generale le caratteristiche del segnale captato non sono diverse da quelle che caratterizzano un rumore elettrico ad ampio spettro. Lo scopo del radiotelescopio è quello di captare questa radiazione e misurare la potenza del segnale, un siffatto strumento si chiama radiometro. Per la precisione si parla di potenza per unità di superficie e per unità di banda passante e viene espressa in Jansky : 1Jy = 10-26 W/m2 Hz.

L’intervallo delle frequenze radio utili per le osservazioni radioastronomiche è compreso tra 20 MHz e circa 20 GHz : al di sotto dei 20 MHz vi è l’assorbimento da parte della ionosfera, al di sopra dei 20 GHz vi è l’assorbimento da parte dei gas presenti nella atmosfera.

Per scegliere la banda di frequenze più indicata per un radiotelescopio amatoriale dobbiamo fare un compromesso fra le possibilità di osservazione ed i vincoli di costo e di fattibilità. Lo spettro in frequenza delle emissioni delle radio-sorgenti dipende dal processo fisico alla base : per emissioni “termiche” come il sole o la luna l’intensità segue la legge del corpo nero con i massimi a frequenze elevate (secondo l’approssimazione di Rayleigh-Jeans I ∝ 1/λ4), mentre per emissioni non-termiche (ad esempio emissione da sincrotrone) i massimi sono a frequenze più basse, come si vede nel grafico riportato sotto che riporta l’intensità di alcune radio-sorgenti in funzione della frequenza.

Come sappiamo le dimensioni dell’antenna sono legate alla lunghezza d’onda della radiazione che si vuole ricevere, inoltre la nostra antenna deve essere abbastanza direttiva, altrimenti si rivelerebbe praticamente inutile : questo significa che per ricevere frequenze inferiori ad 1 GHz le dimensioni  dell’antenna dovrebbero essere significativamente maggiori di 1 m : antenne grandi sono costose e difficili da manovrare.
Un altro aspetto da tenere in considerazione sono le interferenze radio esterne. L’etere, soprattutto in ambito cittadino, è ormai saturo di trasmissioni e segnali RF dalla origine più eterogenea : trasmissioni radio e TV, reti cellulari, reti WiFi, disturbi da elettrodotti, etc …. Non avendo la possibilità di installare il radiotelescopio in luoghi “quieti” dobbiamo scegliere una banda di frequenze non troppo disturbata.

Per le ragioni descritte sopra la scelta è quasi obbligata : la banda di frequenze 10-12 GHz è quella che sembra più adatta per un progetto amatoriale come il nostro. A queste freqenze si possono ri-utilizzare antenne a riflettore parabolico e dispositivi pensati per la televisione satellitare. I costi delle apparecchiature sono accessibili, la risoluzione spaziale dell’antenna è abbastanza buona e le interferenze sono ridotte (in pratica i satelliti di broadcasting) e facilmente evitabili.
Lavorare a frequenze minori permetterebbe di ricevere agevolmente più radio-sorgenti ma con un aggravio considerevole in termini di costi, senza contare il problema delle interferenze.

Antenna Parabolica

L’antenna che abbiamo reperito sul mercato dell’usato è una parabola prime focus dal diametro di 120 cm. Per applicazioni di radioastronomia è meglio che la parabola sia di tipo prime focus : in queste antenne l’iluminatore viene posto nel fuoco della parabola. Nelle parabole di tipo offset l’illuminatore non è posto al centro ma di lato, questa tipologia ha vantaggi costruttivi ma è più difficile da puntare rispetto alla prime focus.

Per questa antenna possiamo calcolare il guadagno e la direttività intesa come ampiezza del fascio a metà potenza HPBW (half power band width) :

G = η*(π*D/λ) = 40 dB

HPBW = 65*λ/D = 1.45°

Dove
η : efficienza = 0.5
D : diametro = 120 cm
λ : lunghezza d’onda = 2.68 cm (corrispondono a 11.2 GHz)

Le immagini riportate sotto mostrano l’antenna e la struttura metallica usata per il puntamento manuale.

LNB

Il primo componente della catena di ricezione è il blocco convertitore-amplificatore, il cosìdetto LNB. Si tratta del componente più importante perchè da esso dipendono in gran parte le prestazioni del sistema. Il nostro sistema riceve nella banda 10-12 GHz, a queste frequenze l’utilizzo di cavi è problematico, per questo motivo il blocco LNB provvede a fare una conversione di frequenza in una banda inferiore in modo da poter utilizzare normali cavi coassiali.
L’immagine seguente mostra lo schema di principio del blocco LNB : vi è un primo stadio di amplificazione RF, seguito dal mixer che moltiplica il segnale RF con il segnale generato da un oscillatore locale (LO). Il segnale risultante contiene le frequenze somma e differenza, il successivo filtro elimina le componenti somma di alta frequenza per lasciare passare solo le frequenze nella banda di interesse, dette frequenze intermedie (IF), che sono ulteriormente amplificate da un altro stadio amplificatore. Si tratta in pratica di un meccanismo ad eterodina, in cui la frequenza dell’oscillatrore locale è fissa.

Il blocco LNB da noi utilizzato è il modello SNF-031 della Invacom che presenta basso rumore e buona stabilità dei parametri di guadagno rispetto alle variazioni della temperatura di funzionamento. L’antenna vera e propria è situata all’interno della guida d’onda che presenta all’esterno una flangia C120 alla quale viene fissato l’illuminatore (feed horn) che ha il compito di raccogliere le onde riflesse dalla parabola e convogliarle all’interno della guida d’onda.

Caratteristiche dell’LNB :

  • Banda di frequenze di funzionamento : 10.7 – 12.75 GHz
  • Frequenze intermedie (IF) : 950 – 2150 MHz, LO = 9.75 GHz
  • Cifra di rumore NF = 0.3 dB
  • Guadagno G = 50 – 60 dB

Le immagini che seguono mostrano il blocco LNB con il suo feed horn fissati al fuoco della parabola.

 

Il Ricevitore

Il ricevitore è costituito dai pochi componenti, mostrati nella immagine seguente : c’è un bias-T per l’alimentazione del blocco LNB, un filtro passa-banda centrato a 1420 MHZ, un amplificatore wide-band ed il ricevitore SDR Airspy R2. La parte “hardware” ha la funzione di limitare la banda di ricezione e di dare al segnale una seconda amplificazione dopo lo stadio LNB. Il segnale viene poi acquisito da Airspy e successivamente elaborato per la determinazione della potenza totale mediante un software GNURadio. La funzione di radiometro viene in pratica realizzata tramite software.

Caratteristiche del nostro ricevitore :
Banda = 80 MHz
GLNB = 55 dB ; NFLNB = 0.3 dB
GFilter = 3.5 dB (perdita di inserzione)
GAmpli = 15 dB ; NFAmpli = 0.75 dB
Guadagno : GLNB – GFilter + GAmpli = 55 -3.5 +15 = 66.5 dB
Cifra di Rumore : F = FLNB + (FAmpli – 1)/GLNB = 0.3 dB
Te = (F – 1) * T0 = 20.3 °K (temperatura equivalente del ricevitore)

Bias-T

Il Bias-T ha la funzione di “iniettare” la tensione di alimentazione del blocco LNB lungo il cavo coassiale. In pratica è un semplice circuito con un condensatore di accoppiamento per filtrare la componente continua verso il lato RF ed una induttanza all’ingresso DC. Reperito su eBay, può essere facilmente auto-costruito però va prestata attenzione alla qualità “RF” dei componenti ed alla schermatura.

Filtro Passa Banda a 1420 MHz

Questo filtro è dedicato ai radioastronomi dilettanti interessati alle osservazioni della linea dell’idrogeno a 21cm. Utilizza il componente SAW TA2494A e misura solo 50 x 10 mm. È dotato di bordi per una facile saldatura di uno schermo RF. La perdita per inserzione è in genere inferiore a 3,5 dB ed ha una larghezza di banda di 80 MHz.

Dati Tecnici :
Frequenza Centrale 1420MHz
Banda utile 1380-1460MHz
Perdita per inserzione, 1380-1460 MHz 3.5dB
Ripple, 1380-1460 MHz 1.0 dBpp
VSWR, 1380-1420 MHz 1.9:1
Reiezione riferita a 0dB :
DC-1300 MHz 28dB
1550-3000 MHz 30dB
Impedenza 50Ω
Max Potenza di ingresso 10 dBm

Nelle immagini sottostanti mostriamo l’unità e la sua risposta in frequenza. Abbiamo saldato due fili tra i connettori femmina SMA e abbiamo avvolto il filtro con nastro di alluminio allo scopo di schermare il filtro.

Frequency (MHz) Gain (dB)
1300 -50
1420 -3.5
1500 -50

Amplificatore Wideband

Questa unità HAB-FLTNOSAW della UPUTRONICS è un preamplificatore progettato per stare tra un ricevitore SDR e l’antenna. L’LNA utilizzato all’interno è un MiniCircuits PSA4-5043. In questo particolare modello il filtro SAW è stato rimosso per coprire una banda più ampia da 0,1MHz a 4GHz. Ci sono 2 opzioni per alimentare l’unità : tramite il connettore USB o tramite bias-tee. Dispositivi come Airspy possono abilitare il bias-tee e alimentare il dispositivo. In alternativa è possibile utilizzare qualsiasi cavo mini USB per alimentare il dispositivo. Noi abbiamo scelto di alimentare l’unità tramite linea USB.

Dati Tecnici :
Gain 24db @ 100MHz -> 15.2db @ 1415MHz
NF 0.75dB
Supply Voltage USB or Bias tee 5V

Le immagini sotto mostrano l’unità nel suo contenitore di alluminio e la risposta in frequenza dell’amplificatore.

Frequency (MHz) Gain (dB)
1300 16
1420 15
1500 14

Ricevitore SDR AirSpy R2

Dal sito del produttore : Airspy R2 stabilisce un nuovo livello di prestazioni nella ricezione delle bande VHF e UHF grazie alla sua architettura low-IF basata sul chip Rafael Micro R820T2 e un ADC Oversampling a 12 bit di alta qualità e DSP all’avanguardia. In modalità Oversampling, Airspy R2 applica filtri RF e IF analogici al percorso del segnale e aumenta la risoluzione fino a 16 bit utilizzando la decimazione software. La copertura può essere estesa alle bande HF tramite l’up-converter companion SpyVerter (non utilizzato da noi). Airspy R2 è compatibile al 100% con tutto il software esistente, incluso lo standard di scansione SDR #, ma anche con una serie di popolari applicazioni radio definite dal software come SDR-Radio, HDSDR, GQRX e GNU Radio. E’ inoltre importante per la nostra applicazione la stabilità e precisione del clock per l’oscillatore locale, data a 0.5ppm.

Caratteristiche principali del ricevitore SDR AirSpy:
● Continuous 24 – 1700 MHz native RX range, down to DC with the SpyVerter option (non utilizzato)
● 3.5 dB NF between 42 and 1002 MHz
● Maximum RF input of +10 dBm
● Tracking RF filters
● 35dBm IIP3 RF front end
12bit ADC @ 20 MSPS (10.4 ENOB, 70dB SNR, 95dB SFDR)
● 10MSPS IQ output
0.5 ppm high precision, low phase noise clock
● 10 MHz panoramic spectrum view with up to 9 MHz alias/image free
No IQ imbalance, DC offset or 1/F noise at the center of the spectrum1 x RF Input
● 4.5v software switched Bias-Tee to power LNAs and up/down-converters (non utilizzato)
● Operating temperature: -10°C to 40°C

Nella configurazione dell’apparato (fatta attraverso il driver osmocom in GnuRadio) il guadagno RF viene impostato su 0 (impostazione predefinita), mentre i guadagni IF e BB sono posti ciascuno a 10 dB. Questi valori di guadagno molto bassi mostrano l’efficacia dei componenti posti a monte del ricevitore : dalla antenna agli amplificatori LNA e Wideband. Viene inoltre disabilitata l’opzione bias-T.

Riferimenti

Ci sono molti riferimenti in rete. Riportiamo solo alcuni link particolarmente interessanti per chi si vuole occupare di radioastronomia “amatoriale” :
https://www.radioastrolab.it/radioastronomia/
https://www.haystack.mit.edu/haystack-memo-series/vsrt-and-mosaic-memos/
https://www.haystack.mit.edu/haystack-public-outreach/srt-the-small-radio-telescope-for-education/

Conclusioni

Abbiamo descritto la realizzazione di un piccolo ed economico radio telescopio a microonde. Ci siamo avvantaggiati della larga disponibilità di componenti radio per la TV satellitare. La funzione di radiometro, cioè la misurazione effettiva della potenza del segnale, verrà realizzata via software usando il framework GNURadio : questo sarà l’oggetto del prossimo post.

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