Prototipo de receptor radioastronómico de nueva generación en la

Transcripción

Ciencias de la Tierra y el Espacio, 2009, Vol.10, pp. 87--94, ISSN 1729-3790
Prototipo de receptor radioastronómico de nueva generación en la banda ku
del espectro electromagnético.
Pablo Sierra Figueredo (1), Samuel Vázquez Hernández (1).
(1)
Instituto de Geofísica y Astronomía. Calle 212 No.2906, La Lisa, C. Habana, CP 11600, Cuba.
Recibido: enero-octubre, 2009
Aceptado: noviembre, 2009
Resumen
La Radioastronomía, al igual que las demás ramas de las ciencias aplicadas, está sometida a la continua asimilación
de las nuevas tecnologías aparecidas en nuestro planeta y muy en particular en la investigación espacial.
La tecnología satelital en general, ha proporcionado la obtención de nuevos materiales semiconductores con
propiedades hasta ahora limitadas en cuanto a figura de ruido, amplificación, cortos transcientes, entre otras, así
como novedosos procedimientos en el procesamiento de la información.
En particular los dispositivos conocidos como: LNT, LNA y LNB, de sus siglas en inglés (Low Noise Transistor,
Low Noise Amplifier, Low Noise Block, respectivamente) ya son de uso tan cotidiano que pueden ser adquiridos,
a muy bajo costo, en el mercado de medios técnicos para la televisión, empleándose para captar con excelente
calidad, las señales televisivas procedentes de los satélites comerciales. Tales dispositivos son utilizados
actualmente para implementar pequeños radiotelescopios capaces de ofrecer muy buenos registros de fuentes
estelares de radio tales como el Sol, Júpiter y otras radiofuentes con potencia suficiente para ser detectadas con
pequeñas antenas.
Presentamos en este trabajo un prototipo de Radiómetro de Potencia Total, implementado experimentalmente por
los autores, con un LNB sintonizado en la banda Ku del espectro electromagnético. Se presentan, como primeros
resultados, algunos registros comparativos obtenidos con el mismo desde la Estación Radioastronómica de La
Habana. La mayor relevancia del trabajo que presentamos es que con ello logramos la actualización tecnológica
de nuestro instrumental radioastronómico, único en el país, sin causar gastos de importación para su adquisición.
Palabras clave: Astronomía, ondas de radio
Abstract
Radioastronomy, as any other applied science, is subject to the continuous assimilation of our planet new
technologies, more particularly on spatial research.
Spatial technology in general has provided the procurement of new semiconductor materials with so far limited
properties regarding noise features, amplification, short transients, among others, as long as new procedures on
information processing.
In particular, devices known as LNT, LNA and LNB (from Low Noise Transistor, Low Noise Amplifier, Low
Noise Block, respectively) are so frequently used that can be acquired, at low costs on television technical stores.
They can be employed to catch with excellent quality TV signals from commercial satellites. Such devices are
currently used to assembly small radiotelescopes capable of offering very good stellar source records, such as the
Sun, Jupiter and other radio sources with enough power to be detected with small antennas.
This work presents a prototype of Total Power Radiometer, experimentally assembled by its authors, with a LNB
tuned on Ku band of the electromagnetic spectrum. It is shown as former results, some comparative records
gathered with the prototype from the Radioastronomical Station in La Habana. The greatest significance of this
work is that the authors achieved a technological update of our radioastronomical instruments, unique in our
country, without incurring on importation costs.
Key words: Astronomy, radio waves.
Prototipo de receptor radioastronómico de nueva generación en la banda ku del espectro electromagnético
Introducción
Las primeras investigaciones sobre ondas de radio de origen extraterrestre, fueron realizadas por Karl Jansky,
ingeniero del laboratorio de la Bell Telephone, en el año 1932, al estudiar el origen de ciertas interferencias que,
hasta ese momento, se le atribuía a algún tipo de "estática", término que utilizaban los ingenieros para definir los
ruidos producidos por radiación de RF no modulada.
En sus inicios de la investigación, y al no ser el mismo un astrónomo, supuso una relación entre las ondas que
captaba, con el movimiento giratorio de la tierra.
Mas tarde, descubre el trabajo que realizaba Grote Reber, estudiante que vivía en Illinois, sobre la captación
de ondas radiales producidas por el Sol y entonces continúa su trabajo con la idea de formar un mapa de radio
emisión de la galaxia, cosa que logra más tarde.
Desde ese momento y hasta la fecha, la radioastronomía ha tomado un camino de continuo avance, dado que
con ella es posible realizar infinidad de investigaciones sobre objetos y el medio estelares, teniendo al
radiotelescopio como instrumento fundamental para lograr tales propósitos.
En nuestro país desde hace ya cuarenta años se realizan observaciones solares en ondas de radio, habiendo
acumulado ya un gran número de publicaciones internacionales y en cuya área de trabajo se han formado también
varios doctores y especialistas de alto nivel.
La Estación Radioastronómica de La Habana (ERH) cuenta en la actualidad con cuatro receptores, dos en banda
métrica (235 y 280 MHz) y dos en banda centimétrica (6700-9500 MHz). Dichos dispositivos llevan ya muchos
años de operación y con una tecnología obsoleta, lo que nos planteó desde hace algún tiempo buscar alternativas
que permitieran, en primer lugar acceder a las nuevas tecnologías, para posteriormente y de forma gradual sustituir
nuestro viejo aunque aun funcional equipamiento.
En Radioastronomía es muy usual el empleo de receptores superheterodinos. En ellos se combina la señal
entrante (se heterodina, mezcla o multiplica), con otra proveniente de un oscilador local, que puede ser fijo o
variable, para dar como resultado una banda de frecuencias, fija, llamada "frecuencia intermedia (FI)". En esta
banda es más fácil realizar procesos de amplificación, control y selección de la señal. (Fig. 1).
Generalmente la frecuencia intermedia se elige de un valor convenientemente bajo donde es más fácil tener
buena amplificación, estabilidad y selectividad, pero por diversas razones pueden elegirse valores de FI mayores
que los de la señal recibida, esta práctica es usual hoy en día, pues se consigue gran selectividad en frecuencias
muy altas mediante filtros especiales.
Figura 1. Esquema simplificado de receptor tipo superheterodino
Dentro de este grupo de receptores superheterodinos se encuentran los LNB.
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Materiales y métodos
¿Qué es un LNB?
Las siglas LNB provienen del inglés Low Noise Block, aunque quizás sería más correcto llamarlos LNC, Low
Noise Converter, pues no es más que eso, un conversor de frecuencias. (Fig. 2).
Figura. 2 Algunos tipos de LNB entre la gran variedad de modelos que se fabrican en la actualidad.
Los LNB son receptores superheterodinos diseñados para frecuencias en las bandas, S, C o Ku, construidos
con tecnología de punta, por lo cual sus parámetros de ruido, amplificación, sensibilidad, entre otros, son de alta
calidad. En cuanto a Figura de Ruido casi compiten con los receptores clásicos enfriados con gases líquidos. Son
construidos fundamentalmente para la recepción de señales satelitales de TV.
Como expresamos con anterioridad, uno de nuestros objetivos inmediatos es crear las condiciones para sustituir
progresivamente a los viejos receptores que aún tenemos funcionando, por otros modernos, diseñados con
tecnología actual. Optamos por diseñar y someter a prueba un prototipo en la frecuencia más alta, en este caso
entre 12 y 13 GHz. Para esta primera etapa utilizamos el LNB mostrado, modelo California con dos salidas y con
posibilidad de observar en polarizaciones ortogonales (Fig. 3),
Figura 3. LNB empleado y su diagrama en bloques simplificado.
Principales características técnicas del LNB empleado:
• Modelo DTV32D+
• I/P Frecuencia 12.2-12.7 GHz
• O/P Frecuencia 950-1450 MHz
• LO Frecuencia 11.25 GHz
• LO Inicial ± 1MHz @ 25° C
• Estabilidad (-35°C to +52°C) ± 2.0 MHz
• Figura de Ruido (-35°C to +52°C) 1.1 dB (max.)
• Selección de Polarización RHCP 10.5 - 14.0 VDC
• LHCP 15.0 – 21 VDC
• Impedancia de Salida 75 ohms, F-female
• Salida VSWR 2.0 : 1
• Corriente Max. 180 mA
• Puertos de salida 2
• Operation Temperature -35°C to +52°C
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Dada las facilidades de adaptación mecánicas de uno de nuestros Radiotelescopios decidimos montar nuestro
LNB en una caja metálica con aislamiento térmico, en el foco principal de la parábola de 3 metros, detrás del
espejo secundario del receptor de 6,7 GHz. (Fig. 4)
Figura 4. Ubicación del LNB en el foco principal de una de nuestras antenas
El diseño de todo el sistema no sólo contempló el empleo del LNB. Además de este fue necesario un buscador
satelital, un amplificador de DC, cables y conectores adecuados a las impedancias exigidas y una fuente de
alimentación. (Fig. 5)
Figura 5. Diseño del Sistema.
Buscador Satelital
Originalmente fue concebido sólo para facilitar la orientación de la antena hacia el satélite a utilizar. En nuestro
caso y luego de algunas modificaciones, acorde a nuestros requerimientos técnicos, fue convertido en la segunda
etapa para el procesamiento de la señal útil. Para nuestra aplicación se traduce en que lo utilizamos como
amplificador de FI (frecuencia intermedia) y como detector para obtener a su salida un nivel adecuado de señal
rectificada (DC) que es enviada a la siguiente etapa, consistente de un amplificador, atenuador e integrador de
corriente directa. Adicionalmente nos resulta útil para ayudar a localizar al Sol o cualquier radiofuente estelar
objeto de estudio.
Amplificador de DC
Se diseñó y construyó, a partir de un esquema tomado de la literatura, con medios propios recuperados, un
amplificador de DC con la característica de tener tres pasos de atenuación de la señal a manera de evitar
saturaciones en el sistema de registro final cuando se observan fuentes potentes como el Sol, tres tiempos de
integración para adecuar y eliminar fluctuaciones no deseadas en la señal y un offset para ajustar el nivel de cero
de la señal. (Fig. 6)
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Figura 6. Diagrama principal del amplificador de DC
Fuente de Alimentación
Se empleó una fuente de alimentación de una antigua PC, adecuada a los niveles de voltajes y corriente
requeridos para el correcto funcionamiento del amplificador de DC, el buscador satelital y el LNB.
Resultados y discusión
La señal a la salida del amplificador de DC fue insertada a nuestro sistema de registro “Astrodata”, donde es
sometida a todo el proceso de conversión análogo-digital y adquisición con dicho sistema. Se muestra (Fig. 7) el
registro simultáneo de otras dos frecuencias en las que se observa el Sol (6,7 y 9,5 GHz), comparadas en tiempo
real con la registrada con nuestro nuevo receptor. En la misma se puede apreciar claramente la buena correlación
existente entre las distintas frecuencias, en correspondencia con las características propias de cada una de ellas. Es
notable la mejoría obtenida en cuanto a Relación Señal/Ruido lograda con el nuevo receptor, lo cual es muy
importante en cuanto a que se logra una mejor sensibilidad con el empleo de esta tecnología, comparado con los
antiguos receptores, lo que está en correspondencia con la baja Figura de Ruido que ofrecen estos componentes.
Figura 7. Registro simultáneo del Sol utilizando dos de los antiguos receptores (6,7 y 9,5 GHz y el prototipo de 12,5
GHz).
Se cuenta en la ERH con registro de señal del Sol a flujo total en 12,5 GHz (LNB) de aproximadamente un año
donde se puede apreciar claramente lo antes expuesto, incluyendo observaciones de eventos ocurridos en el Sol en
distintas frecuencias. (Fig. 8)
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Figura 8. Evento Solar, ocurrido el 3 de marzo del 2008 vistos en registros comparativos de 6 700 y 12 500 MHz.
En la Fig. 9 se muestra el tránsito del Sol, registrado con el nuevo receptor. Con este tipo de registro es posible
valorar, entre otros parámetros, el ancho del patrón de radiación del sistema colector para la frecuencia del receptor,
así como detalles finos, tanto de la propia actividad solar como fluctuaciones del medio interplanetario y
atmosférico.
Figura 9. Registro del Tránsito del Sol (ancho del patrón: 1´: 30¨) (10 de noviembre del 2008)
Otros LNB adquiridos y en desarrollo.
También se ha adquirido un LNB en banda C del tipo BSC421 con doble polaridad lineal (vertical y horizontal)
para futura implementación y desarrollo en la ERH , junto a un LNB de la banda Ku del tipo QPH-031 con doble
polaridad lineal y circular (derecha e izquierda) lo cual permitirá incremetar las potencialidades de observación en
la ERH.
Este último receptor se encuentra en los laboratorios del el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y
Electrónica (INAOE) de México para ser adaptado y transformado a un receptor de compensación que será
instalado posteriormente en nuestra Estación.
Conclusiones
• Quedó probada la factibilidad de construir nuestros propios radiotelescopios solares a partir de la tecnología
satelital citada,
• El prototipo de receptor implementado y probado mostró, a partir de numerosos registros comparativos,
cumplir con las características básicas necesarias en cuanto a estabilidad, ganancia y sensibilidad, entre otras, que
serán especificadas una vez que sea compensado, termoregulado y calibrado con fuentes estelares.
• Los resultados obtenidos con este primer prototipo nos sugieren que la continuidad de la Radioastronomía
Solar en Cuba está garantizada, al menos en lo que a tecnología se refiere, además de brindarnos la posibilidad de
observación de otras radiofuentes estelares.
• A partir de esta idea, es posible construir pequeños y económicos radiotelescopios portátiles que permitan
llevar estos conocimientos a todos los rincones del país, a nivel docente y eventualmente a países del área que se
interesen en nuestra colaboración y en este tipo de investigación útil para conocer mejor sobre el Clima Espacial
y objetivos docentes, entre otras posibles aplicaciones.
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AGRADECIMIENTOS
Es necesario hacer reconocimiento a la permanente colaboración brindada por el Dr. Stanley Kurtz, del Centro
de Radioastronomía y Astrofísica (CRyA) de la UNAM de Morelia, quien nos ha brindado siempre su apoyo para
el logro de nuestro objetivo, también al Dr. Celso Gutiérrez de la Coordinación de Óptica del INAOE en México,
quien nos ha apoyado en la exploración e investigación de los componentes satelitales utilizados para nuestro
trabajo.
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Referencias
López Jesús M.. Técnicas de Radioastronomía, http://www.fineprint.com
Montez Rodolfo J.R. Electronic Noise Calibrator for the Small Radio Telescope. University of Texas at Austin,
Department of Astronomy, Austin, TX 78712; [email protected]
Kraus J., Radio Astronomy, 2a. edition, Cignus-Quasar Books, 1986.
Aja B. Amplificadores de Banda Ancha y Bajo Ruido Basados en Tecnología de GaAs para Aplicaciones de
Radiometría. Universidad de Cantabria, Departamento de Ingeniería de Comunicaciones. Tesis Doctoral
presentada en la Universidad de Cantabria para la obtención del título de Doctora por la Universidad de
Cantabria. Santander, Octubre de 2006
Warren F. EE406 MTU Radio Telescope Project Design and Fabrication of the Radio Receiver. Submitted by
Aaron Koslowski. To: January 13, 1999
SignalONE.com/radioastronomy/telescope/. 5.2 Meter Radio Astronomy Project for 1420 MHz. "Radio
Astronomy, Radio Telescope, Noise-Sources, RF/IF-amplifiers,VCO, Books, Receiver, Catalog".
http://www.nitehawk.com/rasmit/jml0.html
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Prototipo de receptor radioastronómico de nueva generación en la

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