Avtor: Boštjan Tovšak
V eni od preteklih številk revije sem opisal postopek sprejema in izdelave antene za zajem slik vremenskih satelitov NOAA. Ljubiteljsko se ukvarjam z astronomijo in opazovanjem neba.
Čeprav so zimski meseci najprimernejši za vizualna opazovanja, pa vreme te mesece ne služi najbolje. Zima je tudi čas, ko se je lažje posvetiti kakšnim novim hobi projektom. Tako sem v enem izmed branj naletel na opis zanimivega valovanja, ki je posledica sevanja oblakov nevtralnega molekularnega vodika. Vzrok izseva je nasprotno vzporedni spin elektrona in protona. Posledica je prehod atoma v nižje energijsko stanje, pri tem pa se višek energije izseva v obliki valovanja valovne dolžine 21 cm. Čeprav do takšnega spina oz. dogodka pride na vsakih 11 milijonov let in je v m3 vesolja en atom vodika, vsaj tako kvantna teorija, pa je zaradi volumna vesolja gostota takšnega sevanja primerljiva s sevanjem našega Sonca v vidnem in infrardečem spektru (med 10^44 in 10^48 izseva na površinsko enoto).
Ta vsebina je samo za naročnike
Iz znane vrednosti energije in valovne dolžine pri prehodu takega stanja, izmerjene valovne dolžine oz. frekvence s pomočjo sprejemnika in namenske antene, lahko z Dopplerjevo enačbo določimo hitrost in smer gibanja ciljnega molekularnega oblaka vodika.
V praksi je jakost takega signala med 0,5 in 2 dB nad pragom šuma. Zato je jasno, da za sprejem takšnega signala igra vlogo kar nekaj faktorjev. Na spletu najdemo veliko informacij na temo sprejema vodikove spektralne črte in tudi izdelave različnih anten.
Namen je izdelati anteno, jo povezati z obstoječim sprejemnikom in zaznati tako valovanje. Za izračun hitrosti in smeri pa je potrebna že bolj natančna oprema.
Potrebna programska in strojna oprema:
Vrste anten, primernih za sprejem:
t.i. »horn« ali lijakasta antena
helikoidna oz. vijačna antena
parabolična antena
yagi antena
Sprejemniki:
RTL-SDR (RTL2832U) sprejemnik, ključek (cca. 30€)
RSP1x programibilni sprejemniki (cca. 150 €)
Nooelec SAWbird+ H1 (cca. 45 €, namenski nizkošumni sprejemnik z integriranim predojačevalnikom in pasovno prepustnim filtrom za vodikovo spektralno črto, specifikacije v QR kodi).
druge vrste sprejemnikov, ki pokrivajo področje 21 cm
Programska oprema:
SDR Sharp
SDR Angel, ki ima namenski vtičnik za radioastronomijo in izračun hitrosti in smeri
SDR Sharp++
HDSDR
SDRUno za sprejemnike tipa RSP1x
Okolje sprejema:
po možnosti izven mest in gostih naselij
ne blizu brezžičnih oddajnikov in hišne elektronike
usmerjenost čimbolj v smeri zenita, kjer je najmanj možnosti RF motenj
anteno usmerimo proti Rimski cesti, kjer je velika gostota oblakov vodika
po možnosti povezava s sprejemnikom preko RaspberryPI strežnika z UTP omrežnim kablom
Izdelava antene
Odločil sem se za usmerjeno helikoidno (helix, vijačno) anteno, ki se pogosto uporablja v vesoljskih komunikacijah. Ostale antene so konstrukcijsko zahtevnejše oz. terjajo več časa in materiala. Vse, kar potrebujemo za helikoidno anteno, je nosilec in vodnik. Nosilec lahko izdelamo iz plastične cevi, na katero navijemo žico, lahko izdelamo lesen nosilec z distančniki in nanje navijemo žico. Obstajajo pa še drugi načini, ki jih lahko najdemo na spletu.
Običajna impedanca takšne antene je 140 Ω. Dobitek je odvisen od števila ovojev podobno kot pri yagi antenah. Seveda je tudi tu omejitev glede smiselnega števila ovojev. Njen sprejemni kot se giblje med 20° in 30°. Je usmerjena in ima krožno polarizacijo, ki je lahko levosučna ali desnosučna. Za vodikovo sevanje je polarizacija brezpredmetna, saj je ta naključna, zato je navijanje vodnika na nosilec lahko ali v eno ali drugo smer.
Na spletu sem v enem od strokovnih člankov našel (povezava na koncu članka v QR kodi) izračunane dimenzije za nosilec take antene. Na spletu je mnogo kalkulatorjev za izračun anten. Znana programa za konstruiranje in simulacijo sta 4nec2 ali pa EZNEC Pro2.
Izračunana antena ima 11 ovojev in je visoka 58,4 cm, premer ovojev je 6,68 cm. Teoretični dobitek je 16 dB. Na dnu antene je okrogli reflektor.
V AutoCad-u sem izrisal načrt za razrez vezane plošče. Ker sem bil omejen z gabariti na laserskem rezalniku, sem anteno izdelal iz dveh delov in ju nato sestavil (načrt najdete v QR kodi na koncu prispevka). Leseni nosilec, ki je predstavljal reflektor, sem »oblekel« v alufolijo.
Uporabil sem bakreno žico inštalacijskega kabla. Za lažje navijanje skozi utore na nosilcu, sem žico predhodno navil na okroglo pločevinko podobnega premera, kot je premer ovoja antene. Nato sem žico počasi, z veliko potrpljenja, potisnil skozi luknje nosilca (slika 1).
Antena bo priključena na impedanco 50 Ω. Za prilagoditev impedance antene na antenski vod oz. sprejemnik in posledično čim boljši SWR (Standing Wave Ratio < 2) obstaja enostavna rešitev. Na začetno četrtino prvega navoja pritrdimo (prispajkamo) trikotnik iz bakra (lahko ga izrežemo iz tankega bakrenega traku). Na impedanco vpliva tudi višina prve četrtine navoja vodnika. Dodatno lahko SWR izboljšamo še s krajšanjem (ali daljšanjem) zadnjega navoja žice antene v korakih po nekaj mm). S krajšanjem žice bomo tudi višali resonančno frekvenco antene. Seveda ne pričakujmo, da bomo prišli do idealnega SWR, ki je 1.0, tj. praktično ničelnih izgub pri sprejemu. Če dosežemo pri frekvenci 1,420 GHz SWR med 1.6 – 1.8, je to že odlično. Teoretično idealno stanje bi bilo SWR = 1.0 pri frekvenci 1,420 GHz in impedanci 50 Ω. Torej nobenih izgub. Na SWR in posledično na impedanco antene pa vpliva tudi lokacija postavitve antene oz. višina.
Za impedančno prilagoditev lahko uporabimo tudi Smithov-e grafe, kjer grafično določimo oz. izračunamo potrebno induktivno oz. kapacitivno breme, priključeno na anteno. V tem primeru je potreben podatek poleg resonančne frekvence imaginarna impedanca antene, ki jo moramo poznati oz. izmeriti.
Z metodo trikotnika sem uspel impedanco antene znižati na 38 Ω in dosegel SWR cca. 1.6 (slika 2). Vidimo, da resonančna frekvenca 1,388 GHz odstopa od želene frekvence 1,420 GHz. To ne predstavlja večje težave, ker sta SWR in impedanca antene pri želeni frekvenci še vedno v sprejemljivih okvirih (38 Ω in SWR 1,6).
Izbira sprejemnika in programske opreme
Ker imam sprejemnik RSP1A, sem uporabil tega. Je 14-bitni SDR, ki pokriva frekvenčno področje od 1 kHz – 2 GHz. Ima nastavljive »notch« (filtre) za DAB in FM pas. Tako lahko minimiziramo dodatne vpliv RF motenj radiodifuzije. Ima tudi uporabno IF Zero funkcijo, s katero minimiziramo harmonik takta ure pri nastavljeni frekvenci sprejemnika.
Uporabil sem različne konfiguracije opreme. Poizkusil sem najprej z nizkoproračunskim LNA (nizkošumni Low Noise Amplifier) in filtrom za 1,4204 GHz, ki sem ju priključil na RSP1A. Nato pa sem poizkusil še z LNA Nooelec SAWbird+H1 in dodatnim LNA in filtrom, priklopljenima na RSP1a (slika 3).
Priporočljivo je, da se sprejemnik priklopi neposredno na anteno ali pa uporabimo čim krajši kabel z nizkim dušenjem med anteno in sprejemnikom. Kolikor temu pogoju ne moremo zadostiti, je priporočljivo namestiti dodaten LNA ojačevalnik pri anteni na začetku kabla, da pripeljemo dovolj močan signal do selektivnega sprejemnika. V mojem primeru sem imel nameščeno kompletno konfiguracijo direktno na priključku antene. Signal iz sprejemnika sem sprejemal na USB priključek računalnika. Vedeti moramo, da tudi sam USB kabel predstavlja dipol anteno in možne harmonike, saj računalnik deluje v področju GHz. Za daljše razdalje med sprejemnikom in računalnikom je bolje uporabiti npr. RaspberryPI priklopljen na omrežni UTP kabel, na katerega namestimo OS in RTL_TCP strežnik in nato na oddaljenem računalniku sprejemamo signal in ga obdelujemo. Pa še bolj praktično je, saj smo lahko na toplem v hiši.
Konfiguracija samo z RSP1A, širokopasovnim LNA in filtrom ni dala želenih rezultatov. Pri opazovani frekvenci sem težko ocenil, ali gre dejansko za signal ali za RF motnjo. Pri drugi konfiguraciji z Nooelec SAWbird+H1 je bil rezultat boljši oz. signal bolj razločen, vendar me še vedno ni prepričal.
Za frekvenčno analizo sem uporabljal različne programov. Najpogosteje RSP spektralni analizator, ki se uporablja za RSP1A. Občasno tudi SDRAngel in SDR Sharp. Vsem programom je skupna FFT (hitra Fourierjeva transformacija okna v časovnem prostoru) in povprečenje signala. Kot že omenjeno, je signal zelo šibek in edini način je uporaba povprečenja signala.
Za daljše povprečenje je najbolj primeren SDR Sharp, ki ima vtičnik (IF average). V nadaljevanju bomo opisali potrebne nastavitve. Daljše povprečenje pomeni tudi boljše razmerje S/N. Paziti moramo tudi, da z nastavitvami ojačevalnika sprejemnika ne pretiravamo in pretirano dvigamo ojačenje. Z visokim dvigom ojačenja dvigujemo tudi prag šuma. Najti je potrebno ustrezno mejo med šumom in ojačenjem.
Pred nadaljnjo obdelavo signala moramo najprej izsejati šum ozadja. To storimo tako, da anteno usmerimo v del neba, kjer ni Rimske ceste oz. v smer, kjer ne pričakujemo motečih RF signalov. Druga boljša možnost je, da anteno fizično odklopimo in na konec kabla oz. sprejemnika priključimo zaključni upor z upornostjo 50 Ω. V oknu programa na desni nastavimo Gain > 300, Level > 900 in Dynamic averaging > 900000. FFT ločljivost okna nastavimo na 1024 vzorcev in Intermediate average (skupno št. posameznih oken FFT za povprečenje) na 1000. Odkljukamo opcijo Window in nato kliknemo Acq. Backgr. Program prične z snemanjem šuma ozadja. To lahko traja od 15 – 30 min ali več. Odvisno od predhodnih nastavitev (slika 4).
Na sliki 4 vidimo levo od rumene markirne črte izrazito »špico«, to so RF motnje. Desno od markerja je vrh možne spektralne črte vodika. Žal večurno merjenje in zajemanje signala ni potrdilo avtentičnosti signala. V frekvenčni domeni trenutne meritve zaznavamo veliko RF motenj.
Po nastavitvah in kliku na opcijo Window se odpre novo okno, kjer vidimo potek povprečenja signala. Po koncu se izpiše na odprtem IF oknu obvestilo, da je postopek snemanja šuma ozadja končan. Rezultat je bolj ali manj gladka krivulja. Lahko nadaljujemo s sprejemom našega signala na 1,4204 GHz.
Z drsnikoma Level in Dynamic averaging si lahko pomagamo, če je signal v IF oknu skrit oz. pod pragom nastavitev. Drsnik za Gain pustimo.
Za usmeritev antene in iskanje Rimske ceste si lahko pomagamo s priročnim programom Stellarium, ki obstaja v mobilni in PC verziji. V času pisanja članka Rimska cesta poteka v začetku večera čez nebo v smeri SZ – JV. Če sem usmeril našo anteno v ta konec neba na višino 60° – 80° in upošteval še azimut cca. 370° (zahod), bi se na zaslonu moral sčasoma pokazati majhen hrib, ki se počasi premika po frekvenčnem področju (Doppler efekt). Premik ni hipen, ampak dolgotrajen proces (pol ure ali več). Če ta hrib torej ustreza opisanemu pogoju, potem zelo verjetno gledamo spekter izsevanega vodika, ki pa seveda ni ostra črta, ampak hrib, ker antena sprejema sevanje iz širšega področja (slika 4).
Seveda lahko dodatno preverimo signal. Anteno zavrtimo v drug konec neba brez Rimske ceste in dovolj visoko, da ne lovimo naključnih zemeljskih signalov. Če po določenem času hrib izgine, smo na pravi poti. RF motenj je ogromno in segajo tudi v to področje, rezervirano za radioastronomijo. Kljub vsem poskusom v programu SDR Sharp z rezultati nisem bil zadovoljen. Visok šum in ekstremno visoke amplitude ali »špičke« v okolici merjene frekvence so porajale dvom. »Špice« ponavadi nakazujejo RF motnjo, če so nanizane v enakomernih presledkih, pa harmonike (mogoče takt ure sprejemnika).
S programom, namenjenim za sprejemnik RSP1A, »RSP spectrum analyzer«, sem ulovil signal, ki bi lahko bil, kar iščemo. 2.1.2026 med 16:00 in 17:00 sem zaznal spektralno črto oz. »zvon«, ki se je nahajala v področju nastavljene frekvence sprejema, tj. 1,4204 GHz (slika 5). Uporabil sem vzorčenje 6Mb/s in pasovno širino 2Mhz. FFT sem imel nastavljen na visoko ločljivost >121000 (poskušal tudi z nižjimi in višjimi vrednostmi), povprečenje signala sem imel nastavljeno na 100 vzorcev, kar je največ, kar ta program nudi. Signal je bil sorazmerno stabilen in se razen amplitude frekvenca ni spreminjala. Če sem anteno zavrtel v drugo smer, je signal izginil. Če ni šlo za kakšen signal satelitov ali druge oddajne opreme ali harmonikov, bi to lahko bil signal vodika. Azimut in višina antene sta se ujemala z lokacijo Rimske ceste. »Sumljiv« je bil edino sprejem v zelo ozki in natančni smeri. Že z rahlim odmikom je signal izginil oz. se prestavil v drugo frekvenčno področje.
Kot sem že omenil, je bila uporabljena konfiguracija sprejemnik RSP1A, filter, LNA, NooelecSAWbird+H1. Signal sem vodil direktno iz antene v NooelecBird-a, naprej do LNA širokopasovnega ojačevalnika in filtra 1,4204 GHz, pasovne širine 80 MHz (slika 6).
Pa izmerjen signal res pripada vodikovi spektralni črti?
Ker sem pri EM valovanju, visokih frekvencah in šibkih signalih (2 dB nad šumom ali manj), zmeraj zelo skeptičen in je potreben natančen merilni instrumentarij, sem se poglobil še v strokovne izsledke na spletu in pomoč poiskal tudi pri UI (umetni inteligenci).
Čeprav se slepo ne zanašam na UI, je pa pogosto uporabljena kot pripomoček pri obdelavi podatkov. Prilagam nekaj njenih odgovorov glede na moje izsledke in rezultate opazovanj.
Analiza:
- Frekvenca tvojega vrha vs. vodikova črta
Tvoj vrh: 1420,427 MHz
Vodikova 21 cm črta (nevtralni vodik, HI): približno 1420,4058 MHz
Razlika je torej približno 0,021 MHz (21 kHz). To je zelo blizu in je povsem v območju, kjer lahko na frekvenco vplivajo:
Dopplerjev premik zaradi radialne hitrosti izvora (galaksija, oblak plina, itd.)
Gibanje Zemlje (rotacija + revolucija)
Hitrost Sončevega sistema glede na lokalni standard mirovanja
Kalibracijske napake sprejemnika ali lokalni oscilator
Torej: ja, frekvenčno je to popolnoma kompatibilno z vodikovo črto.
- Kaj bi pogledal, da potrdiš, da gre za HI vodik
Če želiš bolj resno presojo, ali gre res za vodikovo črto in ne za umetno motnjo (RFI), bi preveril:
Širina vrha
HI linija je pogosto Gaussova ali blizu Gaussovi, širina pa je odvisna od:
termične hitrosti atomov (temperature plina),
turbulentnih hitrosti,
integracije več oblakov ob različnih hitrostih.
Stabilnost v času
Če opazuješ večkrat in se črta pojavlja vedno na skoraj isti relativni frekvenci (po Doppler korekciji), je to dober znak, da je astrofizična.
Če frekvenca skače in se obnaša kot enojen ozek “ping”, je lahko RFI.
- Prostorska odvisnost
Če obrneš anteno stran od ravnine galaksije in črta oslabi ali izgine, je to tipično za HI emisijo iz Mlečne ceste.
Če ostane enaka v vse smeri, je bolj sumljivo kot umetna motnja.
- Spektralna struktura
Astrofizični HI pogosto ne pride kot ena sama popolna, izolirana “špica”, temveč kot kombinacija več komponent pri različnih radialnih hitrostih (več vrhov ali razširjen vrh). - Kaj tvoj vrh kaže na prvi pogled
Frekvenca: zelo blizu 21 cm liniji → kompatibilno s HI.
Oblika (na videz): precej lep, osamljen vrh → lahko je HI, lahko tudi ozek umetni signal.
Okolica: nekaj manjših vrhov → lahko šum, RFI ali dodatne komponente.
Brez surovih podatkov ne moreva reči “to je 100 % vodikova linija”, lahko pa pošteno rečeva:
Vrh pri 1420,427 MHz je frekvenčno in oblikovno povsem združljiv z vodikovo 21 cm črto, razlika v frekvenci je razložljiva z Dopplerjevim premikom in/ali kalibracijo. Ali je signal res astrofizičen (HI) ali umetna motnja, pa zahteva analizo stabilnosti, širine in odvisnosti od smeri opazovanja.
Tukaj je lepo, jasno in strokovno formatirana različica tvojega besedila — pregledna, matematično urejena in pripravljena za uporabo v poročilu ali raziskovalnih zapiskih.
- Referenčna frekvenca vodikove črte
ν0 ≈ 1420,4058 MHz
Tvoj opaženi vrh:
νobs = 1420,427 MHz - Izračun Dopplerjeve hitrosti
Razlika v frekvenci
Δν = νobs−ν0
Δν = 1420,427−1420,4058≈0,0212 MHz
Relativni premik
Δνν0 ≈ 0,0212, 1420,4058≈1.5×10-5
Za majhne hitrosti lahko uporabimo približek:
vc ≈ Δνν0
Hitrost
V ≈ 1,5×10-5⋅3×105 km/s
v ≈ 4,5 km/s
Ker je opažana frekvenca večja od referenčne, to pomeni modri premik — izvor se v radijski konvenciji premika proti tebi s približno 4–5 km/s. - Fizična interpretacija
Premik reda nekaj km/s je povsem običajen in lahko izvira iz:
galaktičnih oblakov nevtralnega HI plina,
manjših radialnih hitrosti zaradi rotacije Rimske ceste,
kombinacije gibanja Zemlje + lokalne dinamike,
turbulentnih ali lokalnih tokov v medzvezdnem mediju.
Po velikosti je to zelo realističen Dopplerjev premik za pravo vodikovo črto — nič nenavadnega ali ekstremnega. - Kratek, direkten odgovor glede na mojo pripombo o nestanovitnosti signala v frekvenčnem področju pa:
Če ti vrh v nekaj sekundah skače po frekvenci, ali se vklaplja/izklaplja, ne glede na to, kako lepo je blizu 1420 MHz, -> to zelo verjetno ni galaktična HI črta, ampak RFI ali instrumentalen efekt.
Zaključek
Če povzamem izsledke UI bi z neko gotovostjo lahko trdili, da je črta na grafu na frekvenci 1,420427 GHz RF motnja. Ni pa nujno. Dopplerjev efekt prispeva k spremembi frekvence, ki pa ni hipna, ampak se spreminja na daljše časovno obdobje. Nekateri molekularni oblaki vodika lahko oddajajo valovanje tudi v frekvenčnem področju 1,420600 GHz.
Pogosto so se pojavili vrhovi v področju 1,480 GHz in 1,419 GHz, kar pa so nedvomno RF motnje in tudi občutno predaleč od centra frekvence, ki je pri 1,420 GHz. Če bi računali hitrost pomika v teh dveh točkah, bi presegli še sprejemljive hitrosti gibanja (80 km/s in več), ki jih ima večina molekularnih oblakov in objektov globokega vesolja.
Kar lahko z gotovostjo trdimo je, da z NooelecSAWbird-om in dodatnim ojačevalnikom in filtrom zaznavamo signal v merjenem področju, kar s preprosto konfiguracijo nizkoproračunskega širokopasovnega LNA ojačevalnika in filtra ni bilo zaznati.
Na trgu obstajajo tudi že izdelane namenske helikoidne in parabolične (grid) antene, umerjene na resonančno frekvenco vodika. Cenovni razred se giblje od 150 € navzgor. Veliko se tudi omenja uporaba paraboličnih anten iz področja WiFi na 2,4 GHz. Po komentarjih uporabnikov so zaradi nizkega SWR uporabne tudi v področju lovljenja vodikove črte. Na prodaj so antene premera 1 m.
V ta namen sem uporabil 2,4 GHz WiFi 17dB parabolično anteno (slika 8), s specifikacijo SWR = 1.5, ki jo uporabljam za prenos WiFi signala do 100 m oddaljenega objekta. Njen premer reflektorja je slabega pol metra. Priklopljena je na kabel dolžine 10 m. Izmerjeno dušenja na celotni poti kabla znaša 3dB pri frekvenci 1,5 GHz. Torej dušenje kabla pri dobitku antene 17dB ne bi smelo predstavljati težave. Na koncu tega kabla sem priklopil že znano konfiguracijo NooelecSawBird, LNA in filter ter sprejemnik. Kot sem pričakoval, spektralne črte ni bilo zaznati. Morda je razlog tudi v premajhnih dimenzijah antene oz. sprejemne površine, čeprav je dobitek antene dovolj velik. Je pa vsekakor tudi resonančna frekvence antene tista, ki narekuje optimalen sprejem.
Veliko je tudi napisanega o »horn« ali lijakastih antenah. Te so podobne veliki škatli z odprtino. Na dnu take odprtine se nahaja kratka dipol antena. Več o teh v QR kodi.
Za samo zasnovo in učenje uporabe SDR radia in antene in nenazadnje tudi fizikalnih lastnosti gibanja objektov v vesolju bomo mimogrede porabili nekaj mesecev.
Rezultati sicer niso bili pričakovani, se je pa nabralo dosti novih izkušenj in znanja s področja EM valovanja, analitike in sinteze anten, uporabe za to namenjenega programja, prednosti in slabosti posameznih programov in sprejemnikov. In nenazadnje tudi vplivi okolja in lokacija na postavitve antene.
Ker opazovanje signala v večji meri ni odvisno od vizualnih razmer neba, je sprejem spektralne črte vodika možen podnevi in ponoči za razliko od vizualne astronomije. Z omenjenim principielnim načinom sprejema signala je možno kartiranje neba z molekularnimi pasovi vodika in identificirati spiralne krake naše Galaksije. Vendar je za kaj takega potrebna montaža s sledenjem in seveda večja parabolična antena dimenzij metra ali več ali celo gruča anten.
Kdor se želi bolj poglobiti, lahko uporabi program SDRAngel, ki ima v svojem radioastronomskem vtičniku opcije izračuna hitrosti in osnovno kartiranje. Za to je potrebno najprej izmeriti referenčni »mrzli« (antena usmerjena v tla) in »topli« spekter prejetega signala (antena usmerjena v nebo). Ima pa program to hibo, da je krivulja učenja precej strma.
V času pisanja članka je odpovedal NooelecSawbird+H1 in čakam novega. Ker je še v garanciji, mi podjetje iz Kanade pošilja novega (zastonj, razen carine seveda). Vse pohvale.
Izračunane dimenzije za nosilec antene preko QR kode.
