Sistema di Ricezione del Radio-Scattering Meteorico

Abstract :  in questo post vogliamo descrivere un progetto di “radar-astronomia”. Sfruttando la capacità riflessione di impulsi radio da parte delle scie meteoriche è possibile studiarne le caratteristiche e la numerosità con tecniche radar. A livello amatoriale è praticamente impossibile, anche per ragioni legali, disporre in trasmissione di potenze radio adeguate, è però possibile sfruttare emittenti radio esistenti (emittenti commerciali o aeronautiche) con la tecnica radar bistatica dove trasmettitore e ricevitore sono separati da distanze di centinaia di kilometri. In questo modo è relativamente facile predisporre un apparato in grado di ricevere e registrare i radio-echi prodotti dalle meteore.

Introduzione

Le particelle meteoriche nella maggior parte hanno dimensioni veramente minuscole: sono  paragonabili ad un granello di sabbia. In alcuni casi sono più grandi, come un sassolino o anche di più, ma questo accade raramente. A dispetto della loro dimensione e grazie soprattutto alla loro elevata velocità, l’impatto con l’atmosfera genera, per attrito, temperature elevatissime in grado di vaporizzare rapidamente il meteoroide e generare una scia di gas ionizzato (plasma) lunga centinaia o migliaia di metri. La scia luminosa che vediamo noi dal suolo è proprio la traccia di questo gas ionizzato.
Come sappiamo il gas ionizzato è un ottimo conduttore elettrico ed è in grado di riflettere specularmente le onde radio incidenti. Possiamo quindi sfruttare questa caratteristica delle scie meteoriche al fine di fare la loro rilevazione con la tecnica del radar bistatico.
Il principio del radar bistatico è semplice: un elemento attivo trasmettitore invia impulsi radio che vengono riflessi da un oggetto presente in cielo ad una quota di circa 100 Km e vengono ricevuti da un elemento passivo ricevitore. La figura sotto illustra come avviene il processo.

L’elemento attivo è solitamente una potente emittente radio collocata ad una distanza di 400 – 1000 Km dal ricevitore. A questa distanza non è possibile la ricezione per onda diretta; la ricezione può avvenire soltanto attraverso una riflessione intermedia come quella provocata da una scia meteorica. Il radio-eco si manifesta come un incremento improvviso del segnale ricevuto che dura da poche frazioni di secondo fino a qualche secondo nei casi delle meteore più intense. Lo studio del segnale, nella intensità, nel tempo e nella frequenza (doppler-shift) fornisce informazioni sulla sorgente (scia meteorica) che ha provocato lo scattering.

Una emittente radio adatta ad essere utilizzata come come elemento attivo trasmittente è la stazione radar GRAVES. Il radar GRAVES è un sistema di sorveglianza dello spazio basato su di un radar francese, simile al sistema di sorveglianza spaziale dell’Aeronautica americana. Utilizzando misure radar, l’Aeronautica francese è in grado di individuare i satelliti in orbita attorno alla Terra e determinare la loro orbita. Il radar trasmette alla frequenza di 143.050 MHz con una potenza dell’ordine delle decine di KW (a lato immagine di una delle antenne trasmittenti).
Le immagini sotto mostrano la collocazione geografica del radar e l’area che viene “spazzolata” dal fascio emesso dalle antenne. Il nostro ricevitore è collocato nella regione del Trentino (Italia) e quindi siamo collocati in direzione SUD-EST, ad una distanza di circa 450 Km dalle antenne trasmittenti. La zona utile per la ricezione degli echi meteorici è quella che si colloca attorno alla linea (indicata nella mappa) che congiunge l’antenna trasmittente con quella ricevente.

Antenna

Come per ogni sistema radio che si rispetti, anche per la ricezione del radio-scattering meteorico, l’elemento principale è l’antenna. Ci troviamo però in una situazione piuttosto fortunata: la frequenza del radar Graves è di 143.050 MHz, molto vicina alla frequenza per radioamatori di 144 MHz, è abbastanza facile quindi trovare antenne, nuove o anche usate, adatte per la ricezione su questa banda. Se invece vogliamo seguire la strada della autocostruzione, si trovano in rete numerosi esempi e progetti di antenne Yagi-Uda di facile costruzione e perfettamente adatte al nostro scopo. Anche noi abbiamo optato per l’autocostruzione sciegliendo di realizzare una antenna Yagi-Uda a tre elementi.

Il progetto di un’antenna Yagi-Uda è caratterizzato da tre componenti: la parte attiva vera e propria (il dipolo) e due elementi parassiti; il riflettore sul retro ed il direttore nella parte anteriore. Le lunghezze degli elementi e le loro distanze reciproche vanno scelte attentamente perché i due elementi parassiti devono “risonare” in fase con il dipolo. Le distanze reciproche determinano il tempo di percorrenza dell’onda e le lunghezze degli elementi determinano la frequenza di risonanza. I segnali provenienti da altre direzioni saranno più o meno sfasati e sono quindi meno amplificati o addirittura attenuati.
In questo modo il segnale ricevuto viene rafforzato lungo una certa direzione e, nel caso di un’antenna a 3 elementi, amplificato di 5 dB (3x). Questo principio fu scoperto nel 1926 dai giapponesi Uda e Yagi, quest’ultimo dei quali pubblicò un articolo in inglese sull’antenna. Le antenne direzionali che funzionano secondo questo principio sono quindi solitamente chiamate antenne Yagi.

La nostra antenna è basata sui dati presenti nella tabella seguente. La direttività di una antenna a soli tre elementi è limitata, questo significa che il lobo di ricezione della antenna è piuttosto ampio ma questo è adatto al nostro scopo dato che vogliamo coprire una area grande per ricevere il maggior numero di eventi meteorici. Per aumentare la direttività, e quindi il gradagno, si può optare per antenne con un maggior numero di elementi direttori.

Gli elementi della antenna sono costituiti da un tubo di alluminio diametro 8mm, tagliati a misura e fissati su di un “braccio” di legno di lunghezza opportuna. L’elemento dipolo è ovviamente costituito da due metà di uguale lunghezza. il disegno seguente (tratto da un sito internet) mostra la disposizione degli elementi sulla struttura di legno.

Per fissare gli elementi al braccio di legno si possono usare svariati metodi. Noi abbiamo praticato delle scanalature in corrispondenza alle posizioni corrette, abbiamo posizionato gli elementi, ed abbiamo fissato dei blocchetti di legno al di sopra degli elementi in modo da tenerli fissi in posizione. Il braccio in legno va forato in corrispondenza al dipolo in modo da far passare i due cavetti di collegamento. Dalla parte opposta verrà fissata una scatola elettrica a tenuta nella quale verrà inserito il balun ed il connettore BNC per il collegamento del cavo. L’antenna è stata poi fissata con un morsetto ad un palo in ferro, come si vede nella immagini sotto.

L’immagine sotto mostra l’interno della scatolina elettrica. I due cavetti, nero e rosso, sono i cavetti di collegamento con i due elementi del dipolo. All’interno della scatola è stato inserito il balun che ha la funzione di adattare l’antenna di dipolo al cavo di collegamento. L’antenna è un elemento simmetrico e bilanciato, mentre il cavo coassiale non lo è. Questo elemento circuitale serve proprio ad eliminare gli effetti “indesiderati” che si possono presentare a causa di questo sbilanciamento. In realtà i problemi maggiori si presentano quando l’antenna è utilizzata come elemento trasmittente, quando l’antenna è solo ricevente i problemi si manifestano come riduzione del guadagno, modifica della direttività e ricezione di interferenze.
Il balun viene ottenuto praticando due fori da 6 mm su entrambe le estremità di un tubo in PVC lungo 50 mm. Passare uno spezzone di cavo coassiale RG 58 attraverso la prima apertura. Avvolgere una bobina di sei spire attorno al tubo e inserire l’ultimo pezzo di cavo attraverso il secondo foro da 6 mm. La bobina del cavo coassiale RG 58 attorno a un tubo in PVC serve a sopprimere le cosiddette correnti di modo comune. Un’alternativa è un anello o un morsetto di ferrite adatto per VHF. Senza questi filtri, l’antenna funziona comunque, ma c’è la possibilità che interferenze ambientali raggiungano l’antenna attraverso l’involucro esterno del cavo coassiale.

Ricevitore

Il nostro ricevitore è basato su di un dispositivo SDR. Abbiamo adottato il ricevitore SDR della Nooelec, modello Smart, basato sui chip RTL2832U & R820T2, caratterizzato da buone prestazioni e prezzo contenuto. Ha una buona stabilità in frequenza (0.5ppm tcxo) ed è racchiuso in un contenitore di alluminio per minimizzare interferenze esterne. Tra il ricevitore e l’antenna abbiamo inserito un amplificatore a basso rumore con filtro passa banda centrato sui 145 MHz. In questo modo vogliamo attenuare tutti i segnali fuori banda (soprattutto la banda FM) ed amplificare soltanto il nostro segnale del radar Graves a 143 MHz.
Nella immagine sotto mostriamo il ricevitore SRD collegato al PC e l’amplificatore filtrato.

L’amplificatore pre-filtrato è delle Uputronics e fornisce un guadagno di 20 dB con cifra di rumore di 0.75 dB.  Il filtro SAW passa banda è centrato a 145 MHz ed ha una banda di circa 10 MHz, il segnale a 143MHz è quindi all’interno della banda passante del filtro. Le immagini sotto mostrano l’amplificatore ed un diagramma che mostra la risposta in frequenza del dispositivo.

Sistema Completo

Il nostro sistema per la ricezione dgli echi radio meteorici comprende anche il software per l’acquisizione dei dati.  Possono essere utilizzati svariati software per l’utilizzo del ricevitore SDR: uno dei programmi più diffusi è SDR#, si tratta di un programma molto completo che però rende difficile la registrazione automatica degli eventi di interesse. Una possibilità consiste nel redirigere l’uscita audio verso un programma che renda possibile la configurazione di una soglia e la registrazione degli eventi. Una alternativa è lo sviluppo di un software su piattaforma GNURadio.   Dato che si sembra inutile “reinventare la ruota” abbiamo adottato un software open già pronto: si tratta del programma multipiattaforma echoes. Si tratta di un programma molto completo grazie al quale è possibile registrare automaticamente gli eventi radio meteorici che superano una soglia configurabile di potenza. Il programma ha molti parametri di configurazione quindi consigliamo di leggere approfonditamente la documentazione (tra l’altro ben fatta).
L’immagine sotto mostra il PC collegato al ricevitore con il programma echoes in funzione.

Conclusioni

Il sistema che abbiamo descritto è veramente “low-cost” : l’antenna può essere autocostruita facilmente, il ricevitore è un dispositivo SDR dal costo molto contenuto. Anche l’amplificatore ha un costo contenuto e potrebbe, in una prima fase di prove, anche non essere utilizzato. Per finire la parte software è open. Con un impegno economico molto ridotto e con un pizzico di pazienza e volontà è possibile quindi approntare un ottimo sistema per la ricezione degli echi radio meteorici.
Nel prossimo post: Osservazione Radio degli eventi Meteorici, andremo a descrivere alcune osservazioni fatte con il nostro sistema anche in occasione del passaggio di sciami meteorici.

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