【火腿专题】搭建一款简易112 GHz射电望远镜接收银河系信号

  现代生活有其便利。通常，这些便利会导致更简单的黑客攻击。卫星电视的兴起及其对业余射电望远镜的影响就是一个很好的例子。曾经有一段时间制作蝶形天线，合适的低噪声放大器很重要。现在它们是您可以在任何地方买到的商品零件。 使用的天线米的主碟形天线。一些电视天线使用偏移馈送，但是这使得瞄准射电望远镜变得更困难。除了现成的天线和RF组件外，AirSpy软件定义无线电还接收天线的频移输出。 进行一点数学运算就可以预测该望远镜将在半功率带宽中看到约1.45度的天空。由于同轴电缆在11.2 GHz处的损耗非常大，因此转换器正好位于馈电点处，并将输入信号下移至约1.4 GHz。然后，信号通过带通滤波器，放大器，然后到达AirSpy。 随着射电望远镜的发展，尽管可以轻松看到太阳和月亮的转瞬即逝，但1.2米的尺寸天线并不是很大。通过本文介绍的方法您应该能够听到银河系，但是其他恒星无线电信号对这种的设备而言可能信号太微弱了。 这些天，我们正真看到了更多的射电望远镜项目。即使是比较小的设置也可以做一些事情。

  摘要：在这篇文章中，我们描述了一个工作在11.2 GHz频率的小型业余射电望远镜的结构。射电望远镜的制造利用了卫星电视市场的优势，这使得寻找具有相对照射板（馈电喇叭）和LNB块（低噪声放大器-频率转换器）的抛物面反射器天线变得容易和便宜。这种体量大小的仪器性能自然是相当有限的，但是它们仍旧能对某些最强烈的外太空无线电信号进行有趣的观察。

  射电天文学是一门艰巨而引人入胜的科学。它需要用笨重且昂贵的天线，需要用复杂的无线电电子技术和复杂的算法来进行信号处理。乍一看，这似乎完全超出了“业余爱好者”的能力范围。实际上，即使在业余水平上，也能够直接进行有趣的射电天文观测。

  现在，我们要尝试根据辐射计的原理制造“业余”射电望远镜。当然，这里不是提供有关射电天文学和射电望远镜的详情信息的地方（网络上和特定文本上都有大量信息），因此我们将自己限制在一些指导我们构建射电望远镜接收深空卫星信号的主要观点上。

  射电天文学通过一系列分析天空中物体发射的无线电波来研究天体：任何物体都通过种种物理过程（热和非热）发射电磁波，这些波被天线拾取并用适当的仪器做多元化的分析：捕获信号的特性与表征广谱电噪声的特性无异。射电望远镜的目的是吸收辐射并测量信号强度，这种仪器称为辐射计。准确地说，我们说的是每单位面积和每单位带宽的功率，用Jansky表示：1Jy = 10-26 W / m2 Hz。

  可用于射电天文观测的射频范围在20 MHz至约20 GHz之间：电离层吸收低于20 MHz，高于20 GHz吸收大气中存在的气体。

  为了为业余射电望远镜选择最合适的频带，我们一定要在观察可能性与成本和可行性约束之间做出折衷。无线电信号发射的频谱取决于基本的物理过程：对于“热”发射，例如太阳或月亮，强度遵循黑体定律，在高频下具有最大值（根据瑞利近似） -Jeans I ∝ 1 /λ4），而对于非热辐射（例如同步辐射），最大值位于较低频率，如下图所示，该图显示了某些无线电信号的强度与频率的关系。

  众所周知，天线的尺寸与要接收的辐射的波长有关，此外，我们的天线一定要有足够的方向性，否则实际上将毫无用处：这在某种程度上预示着要接收1 GHz以下的频率，天线m：大型天线价格昂贵且难以移动。

  要考虑的另一个方面是外部无线电干扰。以太坊，特别是在城市中，现在已经充满了来自最异类来源的传输和RF信号：无线电和电视广播，蜂窝网络，WiFi网络，电力线干扰等……。无法将射电望远镜安装在“安静”的地方，我们一定要选择一个不会受到太大干扰的频带。

  由于上述原因，选择几乎是必须的：10-12 GHz频带似乎是最适合像我们这样的业余项目的频带。在这些频率下，可重复使用为卫星电视设计的抛物面反射器天线和设备。设备的成本负担得起，天线的空间分辨率相当好，干扰很小（绝大多数都是广播卫星），很容易避免。

  以较低的频率工作将可能容易地接收更多的无线电信号，但成本却大幅度提升，更不用说干扰问题了。

  我们在二手市场上发现的天线厘米的主要聚焦盘。对于射电天文应用而言，碟形天线最好是主焦点类型：在这些天线中，将馈电喇叭放在碟形天线的焦点上。在偏心式碗碟中，进角不是放在中心，而是在侧面，这种碗具建设性的优势，但比起最初的重点，瞄准食物的难度更大。

  对于此天线，我们大家可以将增益和方向性计算为功率带宽的一半HPBW（功率带宽的一半）：

  系统的第一部分是转换器放大器模块，即所谓的LNB。这是最重要的组件，因为系统性能特别大程度上取决于它。我们的系统在10-12 GHz频段接收信号，在这些频率下使用电缆是有问题的，因此LNB模块可在较低频段提供频率下变频，因此能使用普通的同轴电缆。

  下图显示了LNB块的基本方案：有一个第一RF放大级，然后是混频器，该混频器将RF信号与本地振荡器（LO）生成的信号相乘。产生的信号包含和频和差频，下一个滤波器消除高频和成分，以仅让感兴趣频带中的频率通过，称为中频（IF），该频率被另一个放大器级进一步放大。实际上，这是一种外差方案，其中本地振荡器的频率是固定的。

  我们使用的LNB模块是Invacom的SNF-031模型，该模型噪声低，并且增益参数相对于工作温度变化具有良好的稳定性。实际的天线位于波导内部，该波导在外部具有C120法兰，馈电喇叭固定在该法兰上，其作用是收集由碟形天线反射的波并将其传输到波导内部。

  接收器由几个组件组成，如下图所示：有一个用于给LNB块供电的bias-T，一个以1420 MHZ为中心的带通滤波器，一个宽带放大器和Airspy R2 SDR接收器。“硬件”部分具有限制接收频带并在LNB级之后对信号进行第二次放大的功能。然后，信号由Airspy采集，随后使用GNURadio软件进行处理，以确定总功率。辐射计功能实际上是通过软件实现的。

  Bias-T具有沿同轴电缆向LNB模块“注入”电源电压的功能。实际上，这是一个简单的电路，带有一个耦合电容器，用于将射频分量过滤到射频侧，并且在直流输入端具有一个电感。它可以在eBay上获得，可以很容易地自行构建，但是必须注意组件和屏蔽层的“ RF”质量。

  该滤波器专用于对氢线观测感兴趣的业余射电天文学家。它使用TA2494A SAW组件，尺寸仅为50 x 10mm。它具有边缘焊盘，可轻松焊接RF屏蔽层。插入损耗通常小于3.5dB，带宽为80MHz。

  在下面的图像中，我们显示了单位及其频率响应。我们在SMA母接头之间焊接了两根线，并用铝带包裹了过滤器，以屏蔽滤波器。

  UPUTRONICS制造的HAB-FLTNOSAW单元是前置放大器，设计用于在软件定义无线电接收器和天线之间移动。内部使用的LNA是MiniCircuits PSA4-5043。此特定型号的SAW滤波器已移除，以覆盖0.1MHz至4GHz。有两种为设备供电的选项：通过USB接头或通过偏置T型接头。诸如Airspy之类的设备可以启用偏置T型并为设备供电。或者，能够正常的使用任何迷你USB电缆为设备供电。我们选择通过USB线为设备供电。

  从制造商的网站获得：Airspy R2凭借其基于Rafael Micro R820T2芯片的低中频架构以及高质量的12位过采样ADC和最新状态，将其接收VHF和UHF频段的性能提高到了一个新的水平。先进的DSP。在过采样模式下，Airspy R2将模拟RF和IF滤波器应用于信号路径，并使用软件抽取将分辨率提高至16位。可以通过上变频器伴侣SpyVerter（我们不使用）将覆盖范围扩展到HF频段。Airspy R2与所有现有软件（包括SDR＃扫描标准）都100％兼容，但也与许多流行的软件定义无线电应用程序兼容，例如SDR-Radio，HDSDR，GQRX和GNU Radio。0.5ppm的本地振荡器时钟的稳定性和精度对我们的应用也很重要。

  ●4.5v软件将Bias-Tee切换为LNA和上/下转换器供电（未使用）

  在设备的配置中（通过GNU无线电中的osmocom驱动程序完成），RF增益设置为0（默认设置），而IF和BB增益分别设置为10 dB。这些非常低的增益值显示了放置在接收器上游的组件的有效性：从天线到LNA和宽带放大器。偏置-T选项也被禁用。

  互联网上有很多参考资料。对那些想要处理“业余”射电天文学的人来说，以下是一些特别有趣的链接：

  我们已经描述了一种小型且廉价的微波射电望远镜的结构。我们利用了卫星电视无线电组件的广泛可用性。使用GNURadio框架通过软件实现。

  无论频谱的模式或区域如何，DXing始终是一项挑战。对那些被DX漏洞困扰的人来说，总是面临挑战，看看能够突破极限的程度。

  频率越高，信号可以传播的距离越短。因此，即使DXing对于无线电频谱的不同部分以及在相同频谱内使用的不同模式也代表着是不同的事物。