Physikalische und technische Grundlagen

 

Das Auflösungsvermögen des Empfangssystems:

 

Im Radiobereich kann genähert angenommen werden, dass sich der Öffnungswinkel einer Richtantenne verhält wie:   


                                            1.2 x (D/f) .


Allerdings ist aufgrund der Richt- und Phasencharakteristik des Antennenfeeds, sprich der sogenannten Ausleuchtung des Reflektors, der effektive "Durchmesser" besser gesagt die effektive Fläche des Hauptspiegels:   


                                      Deff << D  bzw.   Aeff << A


Für die Antennenapertur gilt:


                                    Aeff x OmegaA = Lambda-e2.


Bei semiprofessionellen Versuchsaufbauten ist die Antennenapertur aus Gründen der Handhabung und nicht zuletzt aus baurechtlichen Gründen in den meisten Fällen auf maximal 3 bis 5 Meter Refektordurchmesser eingeschränkt. Dadurch wird die maximal erzielbare räumliche Auflösung einer Einzelantenne bei zum Beispiel 1420 MHz sicher im Bereich von 5° bis 2° bleiben. Viele kosmische Radioquellen haben jedoch am Himmel viel geringere räumliche Ausdehnungen.


 

Minimal detektierbares Signal  (MDS):


Die Empfindlichkeit eines handelsüblichen VHF-Empfängers liegt bei etwa 0,25uV. In einem 50 Ohm System sind das etwa -115dBm. Dorthin reichen zum Beispiel auch kommerzielle Spektrumanalyser. Die gesuchten, sehr schwachen Signale befinden sich allerdings nicht selten zwischen -190dBm und -260dBm.  

Die Sonne ist der stärkste auf der Erde zu empfangende Radiostrahler. Ihre Radiostrahlung ist ohne großen Aufwand im gesamten Bereich von 30 MHz bis über 10 GHz nachzuweisen. 

Andere Quellen warten mit deutlich weniger Signalleistung auf. Eine umfangreiche Auflistung von kosmischen Radiostrahler gibt es zum Beispiel hier: 

http://webviz.u-strasbg.fr/viz-bin/VizieR  



Rauschleistung:


Die schwache, inkoheränte Radiostrahlung, also das kosmische Rauschen, muß im Empfangssystem  ordentlich verstärkt  und nach  dem Empfängerzug

eindeutig identifiziert werden können. Dabei gilt es den Anteil der Eigenrauschleistung des Empfangsystems von der Gesamtrauschleistung des verarbeiteten Signals eindeutig zu tennen. Zu diesm Zweck muß die Eigenrauschleistung des Empfangssystems sehr genau bekannt sein. Nun gilt in einem Verstärkerzug, dass die erste Verstärkerstufe den größten Anteil am Eigenrauschen des Systems produziert. Die Rauschleistung läßt sich nach Nyquist so ausdrücken:


Widerstandsrauschleist. = Bolzmannkonst. x Temperatur x Frequenzintervall

 

Der Vorverstärker muss demnach unmittelbar am Antennenfußpunkt angebracht sein und eine äußerst geringe NF (Noise Figure) aufweisen.  Sehr wichtig ist auch, dass der Vorverstärker praktisch keinen Temperaturgang aufweisen darf, weil nach obiger Gleichung Temperaturänderungen im Frontend ein Signal vortäuschen. Der Vorverstärker muss auf ein sehr geringes Eigenrauschen bei maximaler Verstärkung optimiert sein. Die Profis kühlen deshalb ihre Frontends auf sehr tiefe Temperaturen herunter.  Für meine Anforderungen ist eine Kühlung des Vorverstärkers nicht nötig. Es genügt durchaus den Vorverstärker für die Zeit der Messung (wenige Minuten bis viele Stunden) auf exakt ein und derselben Temperatur zu halten. Das ist bei wechselhaftem Wetter nicht immer einfach, da es zwischen Tag und Nacht zu Temperaturschwankungen im Bereich von 10 oder 20 Grad Celsius  kommen kann. Entscheidend ist neben einem rauscharmen Vorverstärker der mechnaische Aufbau des Frontends mit Kühlung, Wetter- und Sonnenschutz.  



Sky noise:


Der gesamte Himmel leuchtet im Radiolicht, so könnte man die Situation umschreiben, die wir bei der Himmelsbeobachtung mit Radiowellen vorfinden. Tatsächlich blickt ein Empfangssystem das auf den Himmel gerichtet ist immer auf eine mehr oder weniger "warme" Stelle am Firmament. Alleine die kosmische Hintergrundstrahlung, die überall am Himmel vorhanden ist trägt etwa 3K zum Hintergrundrauschen (Sky noise) bei.


Je nach Ausrichtung einer Antenne in Elevation und Azimuth sind bei verschiedenen Empfangsfrequenzen unterschiedliche Intensitäten des allgegenwärtigen Strahlungsgemisches aus Punktquellen und flächig verteilten Quellen zu erkennen. Gleichzeitig verändert die Erddrehung ihrerseits laufend die  Blickrichtung der Antenne auf diesen Hintergrund, so dass bei einem Transit täglich abwechselnd immer wieder radiolaute und radioleise Bereiche zu empfangen sind. Eine radioleise, also kalte Stelle am Nordhimmel ist beispielsweise der Bereich um das Sternbild Löwe. Dieser ruhige Fleck kann zum Beispiel als eine Art "Eichquelle" oder Referenz für die Gesamtempfindlichkeit des Empfngssystems genutzt werden. 


Im Bereich oberhalb von 1 GHz kann von einer Temperatur Tsky von etwa 10K ausgegangen werden. Zu niedrigeren Frequenzen hin nimmt diese Temperatur zu.

 

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