Interferometer-Grundlagen

Von H.G. Thum (DK2KA)

Will man detailreiche Bilder von astronomischen Radioquellen erstellen, werden Antennen mit hoher Winkelauflösung benötigt. Eine hohe Winkelauflösung ist nur mit großen Spiegeln erreichbar, aber da gibt es Grenzen in der mechanischen Ausführung. Die Grenze für bewegliche Spiegel liegt bei einem Durchmesser von 100 m, feststehende Spiegel sind bis 300 m aufbaubar. Will man eine höhere Winkelauflösung erreichen, so kann man dies nur durch das Zusammenschalten mehrerer Spiegel erreichen.

Der größte Spiegelabstand (Basislänge) wäre der Durchmesser der Erde. Wenn das aber nicht reicht, dann müssen Satelliten mit in die Messung einbezogen werden. Für eine gute Bilddarstellung dürfen nicht nur große Antennenabstände genommen werden, sondern auch kleine Abstände von 100 Meter. Macht man das nicht, so werden die Bilder unscharf.  Für eine Bilderstellung benötigt man die Daten von mindestens 5 Antennen und oder 7 Basislängen.

Bei allen Empfangsorten müssen die Daten frequenzstabil und mit der gleichen Taktfrequenz erfasst werden. Dies wird durch Wasserstoffmaser als Taktquelle erreicht.

 

Das alles haben wir nicht! - Aber!

Interferometer auf dem Sonnenhaus
Interferometer auf dem Stockert-Sonnenhaus

Systemdaten
Spiegelgröße: 1,2 m - Type: Offsetspiegel
Aktive Fläche: 0,85 m² - Gewinn ca. 41 dB
Antennenwinkel: 1,4° - Fingerwinkel: 0,16° @10,5 GHz
Polarisation: Horizontal und Vertikal
Anzahl der Spiegel: 2 - Basislänge: 10,4 Meter
Feste Süd-Ausrichtung, Elevationsstellbereich: 9° bis 86° (Dec. -32° bis 46°)
Einsatzbereich: 10,4 GHz bis 12,4 GHz - Referenzfrequenz: 25 MHz
Aktuelle Messfrequenz unterhalb der geostationären TV-Satelliten Kanäle (10,44 GHz)

Da wir die beiden Empfangsantennen an einem Standort haben, können wir unsere Referenzfrequenz über Koaxialkabel verteilen. Da wir lokal messen und nicht in einem Verbund gibt es keine so hohen Anforderungen an die Stabiltät des Zeitakttaktes für die Messung. Schaltet man nur zwei Spiegel zu einem Interferometer zusammen, so kann man zwar keine Bilder erzeugen, aber es wird eine Erhöhung der Empfindlichkeit erreicht. Durch dass Zusammenschalten von Antennen ergibt sich eine Überlagerung der beiden Empfangssignale.

Diese Überlagerung ist immer eine ganz spezifische Frequenz die  durch die Empfängerfrequenz, dem Antennenabstand, dem Deklinationwinkel und der Objektgeschwindigkeit vorgegeben ist. In dem Summensignals von den beiden Antennen kann diese Frequenz (Fingerfrequenz) mit einem Frequenzanalyseprogramm (FFT) im Rauschen des Gesamtsignals gesucht werden. Bei einem Deklinationswinkel (Dec) von 0 Grad ist diese Frequenz am höchsten und beträgt bei unserem Aufbau 0,025 Hz. Wird der Deklinationswinkel verändert so  verringert sich die Frequenz. Der Polarstern bei einer Dec. von +90 Grad steht still, somit ist die Frequenz 0 Hz.

Die erreichte Empfangsempfindlichkeit überstieg die Erwartungen und konnte noch durch eine Mehrfachmessung eines Objektes gesteigert werden. Eine weitere Steigerung kann durch die gleichzeitige Erfassung der Horizontalen- und Vertikalen-Polarisation erreicht werden.

Die Grundempfindlichkeit wird durch den Durchmesser der Antennen vorgegeben (Empfangsfläche). Die Winkelauflösung und Fingerfrequenz erhöht sich durch den größeren Abstand der beiden Antennen. Ein guter Kompromiss ist, wenn der Abstand der Antennen dem 10-fachen Durchmesser der Antennen entspricht.

Bei unseren 1,2 Meter großen Antennen, der verwendeten Frequenz von 10,4 GHz und einem Abstand von gut 10 Metern, ergibt sich eine Winkelauflösung von ca. einem Grad.