12-GHz-Test am 10-Meter-Radioteleskop

Von H.G. Thum (DK2KA)

Am kleineren 10-Meter-Spiegel wird unter anderem Erde-Mond-Erde-Funkverkehr („EME“) durchgeführt. Aber es sollen auch weitergehende radioastronomische Messungen möglich sein. Mit der 10-GHz-EME-Installation wird durch den Sende- und Empfangsaufbau nicht die volle Empfindlichkeit im Empfänger erreicht. Die Sende-/Empfangsumschaltung reduziert die Empfindlichkeit, dennoch ist das thermische Rauschen der Mond-Oberfläche immer mit einem Signalanstieg von mindestens 2,5 Dezibel (dB) messbar. Auch wenn die Antenne zum Boden gerichtet wird, ist das Erdrauschen mit über 3 dB messbar. Will man aber andere Radioquellen empfangen, so fehlt dazu die nötige Empfindlichkeit.
Die starke Radioquelle Cassiopeia-A ("Cas-A"), ein ca. 10.000 Lichtjahre entfernter Überrest einer Supernova in der Milchstraße, kann durch Anpeilen gerade so erahnt werden.

Um die Empfindlichkeit zu verbessern, haben wir ein neu konzipiertes Empfangsteil für den Bereich von 12 GHz direkt am Horn angebaut. Es handelt sich um einen guten Satelliten-Fernseh-LNB (Low Noise Block - rauscharmer Signalumsetzer), der so verändert wurde, dass er kompatibel ist und auf den speziellen „Stockert-Flansch“ passt. Die Komponenten sind so aufgebaut, dass innerhalb von einer halben Stunde die Anlage umgerüstet werden kann.
Die ersten Messungen sind zufriedenstellend: Zum ersten Mal war Cas-A eindeutig mit 0,2 dB nachzuweisen. Durch eine Kontinuum-Messung ließ sich der Antennenwinkel ermitteln: Er beträgt 0,17 Grad - wir nutzen somit die Antennen-Fläche gut aus.


Abb.1: Frequenzverlauf der Cassiopeia-A-Suche

Die höhere Empfindlichkeit der Empfangsanlage macht sich besonders bei den schwachen Signalen bemerkbar. Das Mond- und Erdrauschen ist um ca. 1dB angestiegen. Bei der starken Sonnenstrahlung ist die Steigerung kaum messbar. Auffällig ist aber nun, dass die Signalschwankungen durch Wolken und Luftfeuchtigkeit stärker geworden sind.

Die Systemtemperatur (Tsys) der Anlage wurde mit verschiedenen Bezugspunkten ermittelt und beträgt bei normaler Atmosphärendämpfung:

10-Ghz-EME-Aufbau Tsys = 110 K
12-GHz-Aufbau Tsys = 70 K
Positionsberechnung

Da Signale von Punktquellen jetzt besser messbar sind, können wir nun die Referenzpunkte für die Antennenposition bestimmen. Hier zeigt sich, dass nicht alle Programme zur Antennensteuerung genau genug rechnen. Teilweise wird der Lokalpunkt nicht mit eingerechnet. Erstaunlicherweise zeigen einige Programme diese Schwäche nur bei den Reklinations- (Rec) und Deklinations- (Dec) Werten, dagegen sind bei Berechnungen von Azimut und Elevation die Ergebnisse gut. Nur diese werden für die Motorsteuerung zur Verfügung gestellt.

Mechanische Toleranzen

Da die Antenne eine hohe Richtschärfe hat, wurde ihre Position am 24.11.2012 zum Test zwischen zwei geostationären Satelliten ausgerichtet. In dieser Nacht kam jedoch Sturm auf, was sich in folgender Weise auswirkte:


Abb.2: Signal-Änderung über die Zeit

Um 3 Uhr Nachts nahm die Windstärke zu und entwickelte sich zum Sturm bis in die Morgenstunden. Während des Sturms konnte keine Bewegung in der Dec–Anzeige festgestellt werden, aber die Rec–Achse schwankte bis zu 0,1 Grad. Ist es Zahnradspiel? Eine lockere Bremse? Der Grund dafür muss noch untersucht werden.

Motorensteuerung

Bei der Dec-Achse ist ein feinfühliges Einstellen und schnelles Fahren möglich. Bei der Rec-Achse gibt es ein Problem mit dem Drehstrommotor, aber es zeichnet sich dazu eine Lösung ab.
Ist die richtige Position gefunden, so kann mit dem Synchronmotor die Position gehalten werden. Der Unterschied zwischen der Sonnen- und der Stern-Zeit macht sich bei einer Messdauer von 20 Minuten nicht bemerkbar und kann mit dem zuschaltbaren Gleichstrommotor korrigiert werden.

Eingesetzte HF-Datentechnik
Spiegelkammer

Hier ist ein LNB der neusten Bauart im Einsatz, mit einem angegebenem Rauschen von 0,1 dB. Er hat ca. 55 dB Verstärkung und zwei Zwischenfrequenz(ZF)-Ausgänge, die auf H-(Horizontal) oder V(Vertikal)-Polarisation einstellbar sind.
Die Oszillatorfrequenz ist umschaltbar auf 9,75 GHz oder 10,6 GHz, diese Frequenz kann mit 25 MHz diszipliniert werden.
Zur Begrenzung der typischen Zwischenfrequenz von 900 MHz bis 2200 MHz ist ein Filter mit anschließendem Verstärker eingesetzt. Die Filterfrequenz beträgt ca. 1.580 MHz, die Bandbreite 40 MHz, die Verstärkung 20 dB.

Kabel

Die Kabel, die zwischen der Spiegelkammer und dem Messraum liegen, haben bei 1.580 MHz gut 20 dB Dämpfung.

Mess-Raum

Um Messungen auf den üblichen Zwischenfrequenzen 144 MHz oder 180 MHz durchzuführen, wird zur Zeit ein Mischer mit 15 dB Verstärkung eingesetzt. Die erforderliche Oszillatorfrequenz von 1.436 MHz (-10 dBm bis 0 dBm) wird mit einem USB-Modul erzeugt.

Rechenbeispiel

Die Empfangsfrequenz von 12,18 GHz wird mit zwei Mischstufen auf 144 MHz umgesetzt:

12,18 GHz – 10,6 GHz = 1,58 GHz erste Zwischenfrequenz
1.580 MHz – 1436 MHz = 144 MHz zweite Zwischenfrequenz

Im Bereich von 130 MHz bis 190 MHz arbeiten verschiedene radioastronomische Messgeräte, die wir auf dem Stockert einsetzen.