一个简单的11.2 GHz射电望远镜（硬件）（2020）

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明器（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且便宜。相似仪器的性能自然是相当有限的，但是它们仍然可以对某些最强烈的无线电源进行有趣的观察。

射电天文学是一门困难而有趣的科学。它要求使用笨重且昂贵的天线，使用复杂的无线电电子技术和复杂的算法进行信号处理。乍一看，这似乎完全超出了“业余爱好者”的能力范围。实际上，即使是业余水平，也可以进行有趣的射电天文观测。在我们的网站上，我们已经描述了一些针对特定应用的射电天文学项目：

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细信息的地方（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卫星的主要观点上。射电望远镜。

射电天文学通过分析天空中物体发射的无线电波来研究天体：任何物体都通过各种物理过程（热和非热）发射电磁波，这些波被天线拾取并用适当的仪器进行分析：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。确切地说，我们说的是单位面积和带宽单位的功率，用Jansky表示：1Jy = 10 -26 W / m 2 Hz。

可用于射电天文观测的射频范围在20 MHz至大约20 GHz之间：在20 MHz以下，电离层有吸收，在20 GHz以上，大气中存在的气体有吸收。

为了为业余射电望远镜选择最合适的频带，我们必须在观察可能性与成本和可行性约束之间做出折衷。无线电源发射的频谱取决于潜在的物理过程：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） -牛仔裤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，如下面的图表所示，该图表显示了某些无线电源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，我们的天线必须足够定向，否则实际上将毫无用处：这意味着要接收1 GHz以下的频率，天线的尺寸应明显大于1m：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。以太网，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，我们必须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。设备的成本是可以承受的，天线的空间分辨率相当好，干扰很小（基本上是广播卫星），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源，但成本却大大增加，更不用说干扰问题了。

我们在二手市场上发现的天线是直径为120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，馈电喇叭放在碟形天线的焦点上。在偏心式碟子中，进角不是放在中央，而是在侧面，具有建设性的优势，但与主要焦点相比，瞄准源的难度更大。

对于此天线，我们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）：

其中η：效率= 0.5 D：直径= 120厘米λ：波长= 2.68厘米（相当于11.2 GHz）

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，因为系统性能很大程度上取决于它。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，因此可以使用普通同轴电缆。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，下一个滤波器消除了高频和分量，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，其作用是收集碟形天线反射的波并将其传输到波导内部。

下图显示了LNB块，其进给喇叭固定在培养皿的焦点上。

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，Airspy采集信号，然后使用GNURadio软件对其进行处理，以确定总功率。辐射计功能实际上是通过软件实现的。

我们接收机的特点：频段= 80 MHz G LNB = 55 dB; NF LNB = 0.3 dB G滤波器= 3.5 dB（插入损耗）G Ampli = 15 dB; NF Ampli = 0.75 dB增益：G LNB – G滤波器+ G Ampli = 55 -3.5 +15 = 66.5 dB噪声系数：F = F LNB +（F Ampli – 1）/ G LNB = 0.3 dB T e =（F – 1）* T 0 = 20.3°K（接收机等效温度）

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，可将朝向射频侧的直流分量过滤掉，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。

该过滤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。

技术数据：中心频率1420MHz可用带通1380-1460MHz插入损耗，1380至1460 MHz 3.5dB幅度纹波，1380至1460 MHz 1.0 dBpp VSWR，1380至1420 MHz 1.9：1拒绝参考0dB：DC至1300 MHz 28dB 1550至3000 MHz 30dB阻抗50Ω最大输入功率电平10 dBm

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过滤器。

UPUTRONICS制造的HAB-FLTNOSAW单元是一款前置放大器，设计用于在软件定义的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，可以使用任何微型USB电缆为设备供电。我们选择通过USB线为设备供电。

技术数据：在100MHz时增益24db-> 15.2db @ 1415MHz NF 0.75dB电源电压USB或Bias tee 5V

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，在接收VHF和UHF频段方面设定了新的性能水平。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，而且还与许多流行的软件定义的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。

AirSpy SDR接收器的主要功能：●连续的24 – 1700 MHz原始RX范围，通过SpyVerter选项可降低至DC（未使用）●42至1002 MHz之间的3.5 dB NF●最大+10 dBm的RF输入●跟踪RF滤波器●35dBm IIP3射频前端●12位ADC @ 20MSPS（10.4 ENOB，70dB SNR，95dB SFDR）●10MSPS IQ输出●0.5ppm高精度，低相位噪声时钟●10MHz全景频谱视图，具有高达9MHz的别名/图像免费●频谱中心无IQ失衡，DC偏移或1 / F噪声1个RF输入●4.5v软件切换的偏置T形为LNA和上/下变频器供电（未使用）●工作温度：-10°摄氏40度

在设备配置中（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。对于那些想要处理“业余”射电天文学的人来说，以下是一些特别有趣的链接：https://www.radioastrolab.it/radioastronomia/ https://www.haystack.mit.edu/haystack-memo-series/ vsrt-and-mosaic-memos / https://www.haystack.mit.edu/haystack-public-outreach/srt-the-small-radio-telescope-for-education/

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。辐射计功能，即信号强度的实际测量，将使用GNURadio框架通过软件实现：这将是下一篇文章的主题。

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