[射电天文]RxRT射电望远镜计划(暂停/延期)
Resbi
Resbi 2019-9-23原创 无线电快乐DIY
中文摘要
基于SDR的射电望远镜制作。
Abstract
A radio telescope based on SDR.
关键词
射电望远镜天文学SDRRTL-SDR

        从小,我便一直很喜欢往天上看,后来买了台一百多的天文望远镜,虽然能看到想看的东西,却一直也不能满足。好的望远镜的价格一直让我望而却步。

后来好像是有一天,我在百度像个爬虫一样乱搜东西,突然看见一个超链接

射电天文学

还配上了一台大型抛物面望远镜的图片,我立刻被吸引住了。

后来也干了不少傻事,譬如 易拉罐底部那个凹下去的部分,就看起来很像那个天线锅,我就很多次把它剪下来做成望远镜模型。。。

初中的时候,我还幻想过做一个望远镜的跟踪系统(现在知道有现成的了)

如今上了高中,加入了学校的创客社团,看见社团活动室里面的3D打印机,我萌发了一个念头。。

造个望远镜

本人目前在电子方面知识还限于物理选修3-1,但是在制作过程中我会努力学习的。

天线的3D模型:

实物:

(已经贴了铝箔纸了)

曲面的方程 f(x)=0.1x2

反射盘的尺寸按比例放大到半径5cm,整个天线块的体积是10*10*2.5cm3

还有一个顶部,用于安装接收头,但是还没有打印出来。


初步设想是制作成类似 https://www.youtube.com/watch?v=tBXDNCaXWr8 视频里面的效果,但是制作出来的成品是真实可用的(用于探测无线电信号等),而不单只是个观赏品

底座目前还没有建模,但是已经在设计了

暂定观测目标是1420.405751MHz的氢线。

[修改于 24 天前 - 2019-09-25 21:36:24]

加载全文
来自 无线电快乐DIY
2019-10-5 22:50:38
50楼
引用 虎哥 发表于 48 楼的内容:
为了验证我的非著名理论推导,今天跑楼顶试了下。结论是,必须加滤波器。随便翻了点器材连接好以后然后,只.....

虎哥这是干啥用馈源,这么秀

折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2019-10-6 02:29:38
51楼

先写在这里,以后如果完善了,再整理成教程。半成品不要拿出去丢人,所以禁止转载。

总的来说可以基于总接收功率,也可以基于场强。前者更简洁一些。但是对于熟悉通信工程设计的人来说,后者更直观一些。所以我才把Jy换算成了场强。

那么我们就按通信工程的一般概念来考虑。

目前看来,最佳的配置依然是抛物面天线。喇叭天线也可以,但是日后想扩展就比较难,做个简单的体验一下容易,但是随着增益的升高,整个系统的成本会迅速增高,并且如果想换一下频率,几乎就得全部推翻重来。所以我们主要讨论抛物面天线。

先了解以下知识,我不是搞射电的,所以属于理论推测,可能忽略某些重要因素,仅供参考:

1、关于微波背景辐射的影响,理论上,不论多高增益的天线,受到的影响都是差不多的。微波背景辐射的影响符合增益的定义,大口径的天线能收集更大截面积的能量,但是他对应的天区会变小,两者正好抵消。所以设计时对背景辐射只用考虑其带来的噪声温度。

2、接收系统的噪声主要取决于天馈线+前放的噪声,天线本身的噪声理论上取决于天线效率。注意这里说的天线只包括馈源里面的振子。虽然名字叫抛物面天线,但抛物面以至馈源的波导都不能算天线。如果天线有1dB损失(比如因为失配和欧姆损耗),大约就有100K的噪声。前放的噪声很容易做到1dB以内。因为微波天线的损耗趋近于0,前放和天线噪声约为相加的关系。

3、但是如果天线的副瓣大,能够收到地面地面的东西,那么他收到的噪声会显著提高。因此天线的副瓣要尽量小,并且要放在电磁环境比较好的地方。

4、前放最好紧贴振子放置,减少馈线(特指天线与前放间的)的损耗。但是,如果天线的副瓣大、带宽宽,就势必需要一些滤波器来减少进入前置放大器的总功率,以改善他的工作条件。而滤波器会带来比较大的损耗,也就是轻松带来上百K的噪音。为了省去滤波器,最好使用波导形式的馈源,馈源尽量做成窄带的且副瓣小。抛物面的焦点可以稍远一些,避免馈源的发散角过大。

5、前置放大器的增益要足够大,以便让馈线(特指前放之后的)、接收机的噪音不再需要认真考虑。但是大的增益就意味着容易自激、容易受到外部干扰,所以又不能太大。一般来说要比馈线损耗+接收机的噪音系数还高10dB。例如馈线损耗6dB,接收机噪声系数20dB(这是常见的水平),那么前置放大器应该有36dB增益,至少需要两级。在两级之间可以加滤波器,这样既能改善第二级的工作条件,又避免了滤波器损耗的影响。如果可能的话,把混频器集成到馈源后面,以降低馈线传输的频率,减少馈线的损耗。同时,集成混频器还有一个好处,就是只需要增益较低的前置放大器,其它放大可以在中频上做,这就提高了抗干扰能力,避免了自激。卫星电视系统就是这样干的,他的高频头有混频器,且总增益通常能达到50dB以上。

6、但就天线本身而言,噪声很容易做到几十K,如果与波导和馈线的匹配做好一点,做到几K也不是难事。前置放大器尽量采用低噪声设计,目前的场效应管在1~10GHz范围内很容易做到0.5dB以内的噪声系数,也就是几十K的噪声温度。两者相加,能够很轻松的控制到100K以内。由于在爱好者的设计中,天线本身的噪音相对很小,在简化思考时,可以认为所有噪音都是前放贡献的。


了解了以上知识,我们再来分解设计步骤。在我们的步骤中,由于对射电源能量的收集能力是单独考虑的,所以包含前放在内的天馈系统的噪声温度,可以一律算到接收里面,得到“接收机的总的灵敏度”,简称接收灵敏度,注意该灵敏度与天线口径无关。

比如天线+前放的噪音为30K,那么接收灵敏度大约是-184dBm/Hz。

这是一个重要数据。

首先需要考虑的是需要多大口径的抛物面天线,也就是用多大的截面积来收集能量。根据需要接收的射电源的强度,留有一定余量,即可计算得到口径。

以能收到1Jy亮度,频率为1420MHz的射电源为例。

用功率通量的方法,已知接收灵敏度是-184dBm/Hz,那么多大的面积能收集到这样多的能量呢?根据Jy的定义,1Jy相当于每平方米有-230dBm/Hz的能量,距离-184dBm/Hz还差46dB,也就是说要46dBm2的面积,这相当于约4万平方米,225米直径。当然,实际上并不需要这么大的口径,因为在数据处理中还有办法找回几十dB,在后面会提到。

用场强增益的办法就要麻烦一些,但是他符合通信工程师的习惯。根据33楼的计算,1Jy=-114.24dBu/m.Hz,接收灵敏度-184dBm/Hz,需要天线增益G=70dB。按照抛物面天线增益的经验公式: \(G = 10\log [4.5 \cdot {\left( {\frac{D}{\lambda }} \right)^2}]\) ,可以求得口径是300m,与根据功率计算的天线在面积上大约差了一倍。这是因为通信工程中选取4.5的系数更符合实际情况,因为天线收集能量总有损失(当然也不排除我算错了)。

我们继续用场强增益的概念来计算收太阳的H线需要多大的天线。

已知太阳H线的强度是1600000Jy,转换为对数,可知他比1Jy大了62dB,那么场强是-52.24dBμ/m.Hz。根据33楼公式,要用接收灵敏度为-184dBm/Hz的系统收到,天线增益需要8.47dB。这已经不需要抛物面,直接用馈源喇叭就可以了。如果要用抛物面的话,需要口径24cm。这时,口径已经和波长差不多了,显然是不行的。根据43楼的观点,当计算得到的口径小于6倍波长时,应当取6倍波长。因此,如果用抛物面天线,则最小口径为1.2m。

知道了抛物面的大小,如果能够买到成品的抛物面是最好的,在条件许可时,比计算得到的结果稍大一些为好。然后根据该抛物面的焦点位置,计算馈源的发散角,设计馈源。具体方法参考天线设计方面的图书。

前面提到,在1420MHz接收1Jy亮度的射电源,并不需要300m口径的望远镜。其中一个因素是,射电接收机并不需要“解调”信号。或者说,相当于在无限长的时间内,只传输有限bit的信息,理论上信号可以无限低于噪音(信噪比趋近于0)。射电源的“信号”并不需要比噪音大,“信号”叠加在“噪音”上之后,会导致“噪音”发生稍微的升高。只要能检测到升高,就可以检测到“信号”。检测到具体升高了多少,就能知道这个射电源有多亮。

这是通信工程的理解办法。由于我不是搞这方面的,所以不知道射电天文中怎么理解,毕竟射电信号具有噪音的特点。不过不要紧,通信工程的基础知识足够处理这个问题。

我们举个例子(不尽准确),假设没有射电源时,接收机底噪是-184.000dBm/Hz,而此时发现接收机的底噪变成了-183.999dBm/Hz,上升了0.001dB。这大约相当于变化了万分之二多一点。那么可以认为,存在一个幅度比原来底噪低36.4dB,也就是-220.4dBm/Hz的射电源,叠加在了噪声上。换句话说,如果接收机能够分辨这稍多于万分之二的差别,就能让天线截面积减小为原来的大约4000分之一。天线的口径忽然就从300米,变到只需要5米了。

因此,让接收机极为稳定,能发现万分之几甚至更小的幅度波动,是非常重要的。用这种办法会带来一个问题,那就是底噪总的来说是白噪音,会有随机波动,必须长期平均(或其它数学手段)才能得到一个稳定的值。因此,小口径天线的观测速度会很慢。这就要求接收机的长期稳定性足够好,不能自己都波动起来,而且是噪音稳定,不是大信号示数稳定。通常的接收机(比如用于无线电监测的),经过简单恒温处理,大约能做到0.1dB的长期稳定度,相当于能够找回16dB的观测灵敏度,让天线口径缩小6倍。更烂的接收机(比如电视棒),不一定比高档接收机差,因为他们电路简单,可能波动的环节少,做好恒温、稳压就可能有出色的表现。在实际观测中,必须编写软件来挖掘接收机的潜力,同时对于接收机本身的噪音,有测量的手段(这就是26楼校准源的意义所在)。

[修改于 13 天前 - 2019-10-07 02:36:50]

折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2019-10-9 17:26:28
2019-10-9 17:26:28
52楼

直观的图表来了


折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论

想参与大家的讨论?现在就 登录 或者 注册

插入资源
全部
图片
视频
音频
附件
全部
未使用
已使用
正在上传
空空如也~
上传中..{{f.progress}}%
处理中..
上传失败,点击重试
{{f.name}}
空空如也~
(视频){{r.oname}}
{{selectedResourcesId.indexOf(r.rid) + 1}}
ID:{{user.uid}}
{{user.username}}
{{user.info.certsName}}
{{user.description}}
{{format("YYYY/MM/DD", user.toc)}}注册,{{fromNow(user.tlv)}}活动
{{submitted?"":"投诉"}}
请选择违规类型:
{{reason.description}}
支持的图片格式:jpg, jpeg, png