Antenna per l’Emissione a 21 cm dell’Idrogeno Neutro

Abstract : Van de Hulst predisse l’esistenza dell’emissione radio dell’idrogeno neutro a 21 cm e nel 1951 Ewen e Purcell riuscirono a rilevare questa emissione con l’antenna a corno mostrata sopra. In questo post vogliamo descrivere il design e la costruzione di un’antenna a corno a basso costo con l’obiettivo di rilevare e misurare questa emissione proveniente dalla nostra Via Lattea.

Introduzione

La linea di emissione dell’idrogeno, a 21 centimetri, è la linea spettrale della radiazione elettromagnetica creata da un cambiamento nello stato energetico degli atomi di idrogeno neutri. Questa radiazione elettromagnetica è alla frequenza precisa di 1420,4 MHz, che equivale alla lunghezza d’onda di 21,1 cm nello spazio libero. Questa lunghezza d’onda rientra nella regione a microonde dello spettro elettromagnetico ed è osservata frequentemente in radioastronomia, poiché tali onde radio possono penetrare nelle grandi nuvole di polvere cosmica interstellare che sono invece opache alla luce visibile. Lo studio di questa emissione radio può aiutarci a valutare la presenza di idrogeno nelle nuvole interstellari e a comprendere la struttura della nostra Via Lattea.

Progettazione

L’idrogeno neutro irradia a 1420,4 MHz e vari studi hanno dimostrato che si possono osservare spostamenti verso il rosso e verso il blu fino a 2 MHz. Pertanto, il nostro obiettivo è progettare un’antenna adatta a ricevere segnali nell’intervallo di 1420,4 ± 2 MHz. L’antenna è in pratica solo uno spezzone di un filo di rame di lunghezza l = 5,25 cm, circa un quarto della lunghezza d’onda λ = 21,1 cm corrispondente a 1420,4 MHz. Con questi numeri in mente, dobbiamo progettare una guida d’onda ed un corno per dirigere in modo efficiente le frequenze desiderate verso l’antenna (il filo di rame).
Una guida d’onda aperta non costituisce un efficace radiatore di energia (e similmente un efficace ricevitore) a causa del disadattamento di impedenza alla bocca. Le cose migliorano allargando le pareti della guida a forma di tromba, accoppiando in questo modo l’impedenza tra la guida d’onda  e quella intrinseca dello spazio libero.

Guida d’onda

Il primo componente del sistema è la guida d’onda. Come sappiamo, la guida d’onda è un tubo metallico cavo utilizzato per trasportare le onde radio. Le onde elettromagnetiche in una guida d’onda (tubo metallico) possono essere immaginate mentre viaggiano lungo la guida in un percorso a zig-zag, riflettendosi ripetutamente tra le pareti opposte della guida. Per il caso particolare della guida d’onda rettangolare, è possibile fare un’analisi esatta e ricavare i modi di propagazione e la frequenza di taglio.
I disegni sottostanti mostrano una guida d’onda rettangolare con i campi elettrico e magnetico del modo di propagazione principale (TE₁₀). La direzione dell’antenna determina la direzione di polarizzazione dell’onda che viene captata, il campo elettrico è quindi polarizzato verticalmente, parallelo all’antenna, l’intensità è nulla sulla superficie della guida d’onda metallica e l’intensità massima viene raggiunta all’interno della guida d’onda in una posizione dipendente dalla lunghezza d’onda della radiazione. Il modello della modalità di propagazione è caratterizzato inoltre da una lunghezza d’onda della guida d’onda λ_G.

La lunghezza d’onda di taglio – la lunghezza d’onda massima che può propagarsi nella guida d’onda nella direzione del lato “a” – è λ = 2a. Ciò equivale a dire che la guida d’onda funge da filtro passa-alto con frequenza di taglio di ν = c/λ. Il seguente disegno può aiutare a comprendere questo comportamento della guida d’onda. Al fine di ridurre al minimo la dispersione di velocità lungo la guida d’onda nell’intervallo di interesse, è necessario utilizzare una guida d’onda per frequenze superiori a 1,25*ν. Inoltre, al fine di sopprimere le modalità di ordine superiore, dovrebbero essere utilizzate per frequenze inferiori a 1,9*ν.

Ora abbiamo tutti i dati per progettare la nostra guida d’onda. Fortunatamento possiamo utilizzare per questo scopo  una normale latta da 5lt (ad esempio lattina per olio). Le misure di questo contenitore rettangolare sono le seguenti: a = 146 mm, b = 117 mm. Verifichiamo, facendo riferimento al disegno seguente, che tutte le condizioni sono verificate e procediamo ai calcoli per il posizionamento della antenna.

Dati Emissione Radio
f = 1420,4 MHz – Frequenza emissione Idrogeno Neutro
Δf = 2 MHz
f = 1420,4 ± 2 MHz
λ = 21,1 cm – Lunghezza d’onda
l = λ/4 = 5,25 cm – Antenna Quarto d’onda

Dimensioni Geometriche Guida d’Onda
a = 146 mm
b = 117 mm

Frequenza di Taglio Guida d’Onda
λc = 2*a = 29,2 cm
fc = c / λc = 1027,4 MHz
f > 1,25*fc = 1283,7 MHz – OK
f < 1,9*fc = 1951,3 MHz – OK

Posizione Antenna
λ_G = 30,57 cm – lunghezza d’onda della guida d’onda
d = λ_G/4 = 7,64 cm – posizione quarto d’onda
l = λ_G*3/4 = 22,92 cm – lunghezza guida d’onda

Corno

Un’antenna a corno (o a tromba) è un’antenna che consiste in una guida d’onda metallica svasata che forma un “corno” con il fine di guidare le onde radio in un fascio. Le trombe sono ampiamente utilizzate come antenne a frequenze UHF e microonde, superiori a 300 MHz. Un vantaggio delle antenne a tromba è che poiché non hanno elementi risonanti, possono operare su una vasta gamma di frequenze con un’ampia larghezza di banda. La nostra antenna è un “corno piramidale” : un’antenna a tromba con il corno a forma di piramide a quattro lati, con una sezione trasversale rettangolare.
Adottando le misure di progetti simili, dove è stato fatto un compromesso tra guadagno e ingombro, abbiamo scelto le misure seguenti. Inoltre la nostra antenna a corno dovrà raccordarsi con la guida d’onda rettangolare descritta più sopra.

 

A = 750 mm
B = 600 mm
R_E = 700 mm
R_H = 700 mm
a = 146 mm
b = 117 mm

 

Con una applicazione online abbiamo determinato il guadagno della antenna che risulta essere Gain = 18.16 dB ≈ 18 dB

L’ampiezza del fascio può essere calcolata dalla geometria della antenna. Ci limitiamo a riportare i valori che abbiamo ricavato da antenne costruite con geometrie similari.

● Gain : 18 dB
● Ampiezza del fascio a metà potenza : 20° H-plane, 24° E-plan

Questi dati sono comunque in accordo con la teoria generale che assegna ad una antenna una risoluzione angolare data dalla relazione :

Δθ ≅ λ/D = 21/75 = 0.28 rad = 16°

L’antenna a corno è una antenna piuttosto direttiva, le dimensioni della nostra antenna sono però limitate e questo rende l’angolo coperto piuttosto ampio. La risoluzione spaziale della nostra antenna sarà quindi di circa 16° e non ci permetterà di risolvere strutture con una spaziatura inferiore a 16°. L’estensione delle radio-sorgenti ottenute con l’antenna sarà la convoluzione della estensione reale con il diagramma di radiazione della antenna : questo significa in pratica un allargamento delle dimensioni rilevate.
Riportiamo sotto come esempio il diagramma di radiazione di una antenna a corno piramidale simile alla nostra.

Costruzione

Per la costruzione della nostra antenna abbiamo utilizzato una lattina da 5lt come base per la guida d’onda e poi abbiamo fatto tagliare e piegare a misura da una officina la lamiera di alluminio grezzo, spessore 1.2 mm, per la costruzione del corno.

Guida d’Onda

Dalla lattina è stato tagliata la parte superiore, abbiamo poi tagliato gli spigoli fino a lasciare una parte integra della lunghezza calcolata di 23 cm. Abbiamo lasciato i lembi laterali che ci serviranno per il fissaggio sulla lamiera di alluminio. Nella posizione calcolata è stato praticato il foro per un connettore a pannello di tipo N, sul quale è stato saldato uno spezzone di un sottile tubo di ottone che costituisce l’antenna vera e propria. Sul connettore a pannello, fissato con quattro viti, è collegato un adattatore N-SMA. Le immagini sotto mostrano la guida d’onda.

Corno

Il corno è stato assemblato a partire dai fogli di lamiera tagliati e piegati secondo il disegno seguente.

La guida d’onda è stata poi fissata al corno utilizzando i lembi della lattina stessa fissati con viti e nastro adesivo di alluminio. Il nastro adesivo di alluminio è stato inoltre utilizzato per coprire i giunti tra le lamiere e con la lattina in modo che l’interno del corno sia il più possibile piano ed omogeneo. Per aumentare la rigidità della struttura può essere utile incollare dei profili di alluminio, ad esempio dei quadri, sui quattro lati maggiori del corno : in questo modo si evita che le lamiere si deformino per effetto del loro stesso peso.

Supporto Antenna

Per il supporto meccanico della nostra antenna a corno abbiamo utilizzato un semplice banco in legno sul quale abbiamo incernierato una base di legno sulla quale si appoggia la guida d’onda ed il corno piramidale. L’inclinazione viene regolata semplicemente, sollevando o abbassando l’antenna ed inserendo al di sotto della base un adeguato appoggio.

Riferimenti

In rete si trovano numerosi esempi di antenne e ricevitori per l’emissione dell’idrogeno neutro a 21 cm. Al seguente link c’è la descrizione di un ottimo progetto simile : probe-the-galaxy-on-a-shoestring-with-this-diy-hydrogen-line-telescope, e questa è la relativa documentazione : Hydrogen Line Project Documentation.
Un sito molto ricco di informazioni (direi indispensabile ..) è il seguente DSPIRA

Passo Successivo

Questo progetto continua con la costruzione del ricevitore : Un Ricevitore Low-Noise SDR-Based per l’Emissione a 21cm dell’Idrogeno Neutro

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