Intervento ad Icara 2016 : UTILIZZO DI LNB PLL COMMERCIALI ECONOMICI PER UN INTERFEROMETRO AMATORIALE IN BANDA Ku

Tutto nasce da una visita fatta a Flavio Falcinelli che mi mostra due LNB PLL NORSAT semiprofessionali con frequenza di riferimento esterna per un eventuale uso come interferometro .

Nella Radioastronomia Amatoriale , lo scopo può essere quello di aumentare con due antenne separate da una certa distanza , il potere di risoluzione del radiotelescopio amatoriale .

Per esperienze precedenti sapevo che anche usando la stessa frequenza di riferimento la stabilità  di fase dei due oscillatori , nella pratica non era garantita . Le misure confermano la tesi e sono state pubblicate per esteso in tre puntate sul blog dell’ associazione AIR : http://air-radiorama.blogspot.it/ assieme ai principi di base e corredati di filmati pratici di dimostrazione

http://air-radiorama.blogspot.it/2016/03/capiamo-e-sperimentiamo-il-principio.html

http://air-radiorama.blogspot.it/2016/03/capiamo-e-sperimentiamo-il-principio_21.html

http://air-radiorama.blogspot.it/2016/03/tre-video-capiamo-e-sperimentiamo-il.html

Al di la dello sfatare un principio sul possibile accoppiamento degli LNB  PLL ritengo utile richiamare il principio secondo cui l’andamento della fase relativa dei due oscillatori è stato ricavato sommando il segnale che fuoriesce dalla bocca di ingresso degli LNB ( evitando di doverli “cannibalizzare” ) e mandandoli ad un analizzatore di spettro .

A livello amatoriale è possibile riprodurre l’esperienza senza analizzatore di spettro , facendo vedere le due bocche di ingresso degli LNB PLL ad un terzo LNB che viene usato come convertitore e poi mandato ad una chiavetta USB RTL .

Prendendo spunto da queste esperienza si è deciso di valutare altre strade che garantiscano la stabilità di fase in modo “fisico” e soprattutto con l’uso di LNB PLL che sono disponibili ora sul mercato commerciale a cifre inferiori ai 20 Eu .

Di seguito lo schema a blocchi tipico di un normale LNB Universale con illuminatore integrato .

Nel caso di LNB PLL commerciali a basso prezzo , gli OL sono agganciati ad un quarzo contenuto all’interno .

La scelta , suggerita da Andrea Dell’Immagine, è caduta su un prodotto della OCTAGON

Modello : OSLO

Frequenze : 10.70-12.75 GHz

OL : 9.75 – 10.6 GHz

Figura di rumore :0.1 dB

Guadagno : 60-65dB

Per prima cosa è  stato aperto per verificare lo “schema interno” che è stato facilmente “decodificabile” come da figura
Il materiale e' reperibile su Internet dalla ditta Campanasat a prezzi inferiori ai 20 Eu.

Lo schema a blocchi è quindi stato modificato come da figura seguente .

Il fatto di avere in oscillatore e convertitore integrato in un unico chip , ha fatto subito cadere ogni possibilità di pensare ad una soluzione con un unico OL che alimentasse i due LNB o una soluzione di “lock in” ( aggancio per iniezione ) ad un unico oscillatore locale di due oscillatori liberi .

Lo schema semplificato di questo LNB può essere visualizzato nella figura seguente

Prima di proseguire, vorrei sottolineare come una configurazione del genere , ben si presta per la realizzazione di un radiometro di Dicke . Sostituendo ad un lanciatore di una polarizzazione una resistenza da 50 Ohm ed andando a commutare la tensione di alimentazione tra 13 e 18 V si otterrà  la commutazione tra un amplificatore su un carico e su un amplificatore alimentato dall’ illuminatore .

Riornando invece all’ interferometro .

Dal confronto dello schema a blocchi con la foto del reale circuito , l’idea di “cannibalizzare” tre LNB per ottenere una soluzione al di sopra di ogni sospetto prende facilmente forma ed è  illustrata nella figura seguente :

Si tratta di ridurre due LNB a due amplificatori con uscita con connettore SMA trasformandoli  in due LNA ( cosa già sperimentata in passato su altri LNB ) .

Il terzo LNB verrà modificato sostituendo ai due lanciatori in guida d’onda circolare degli ingressi con connettori SMA da collegare  ai due LNA  all’interno della parabole costituenti l’ interferometro  tramite due cavi uguali intestati SMA( i due amplificatori usati originariamente separatamente per le polarizzazioni H & V verranno alimentati contemporaneamente) .

Con le distanze in gioco le perdite di un cavo in Teflon RG303 è dell’ordine dei  5-10 dB .

Considerando le amplificazioni in gioco  della configurazione proposta potrebbe addirittura darsi che si debba diminuire il guadagno del sistema bypassando qualche stadio .

Questa l’idea , che per portare ad una realizzazione definitiva richiederà  un po’ di pazienza ed esperimenti .

Un interferometro amatoriale in banda Ku del 2006 .

Già a quei tempi , il mago della microonde Goliardo Tomassetti  costruì un interferometro in Banda Ku sia a somma che a prodotto ,  con la tecnica del “lock-in”. 

Suggerisco di rileggere quanto pubblicato all’indirizzo :

http://setiitalia.altervista.org/interferometri_amatoriali_microonde.html

Di seguito comunque le immagini e figure pratiche più rilevanti :

Vorrei anche segnalare una strada completamente diversa seguita dal MIT .

Usando terne di LNB integrati  NON PLL  della SHARP e analizzando le frequenze a fasi dei battimenti  ottenuti  analizzate da una scheda video con interfaccia USB ed una motorizzazione di scansione  hanno ottenuto risultati eccellenti , quali le “immagini” radio di Sole a Luna con parabole ridotte .

Si è qui delegato quindi il compito “duro” al Software anziché  all’ Hardware .

Tutto il materiale è descritto di didatticamente in modo che dire eccellente è  poco , sia dal punto di vista matematico sia dal punto di vista pratico  e lo suggerisco perché credo che sia veramente una miniera guida per  l’astronomia radioamatoriale . D’altronde viene usato per le esercitazioni pratiche sull’ argomento da parte degli studenti .

Questo il collegamento al materiale : http://www.haystack.mit.edu/edu/undergrad/VSRT/VSRT_Memos/memoindex.html

In tema di semplice Radioastronomia radioamatoriale a basso costo , vorrei segnalare il lavoro svolto in collaborazione con Fabrizio Francione con diverse stazioni  remote autogestite ( al momento sei ) che pubblicano e raccolgono in tempo reale dati “elettromagnetici di vario tipo “ al momento dalla “pseudocontinua “ fino a 150 MHz.

Tra i collaboratori ci sono Flavio Falcinelli e Orlando Vainer.

Nata inizialmente  come osservatorio dei fenomeni SID ( Sudden Inospheric Disturbances ) il tutto si è via via arricchito di giocattoli vari in tempo reale , come l’osservazione degli echi del Radar di Graves , l’analisi della propagazione in HF tramite le ionosonde e tanto altro ed ancora sta sviluppando ulteriori temi :

http://www.sidmonitor.net/topic/index.html

Nel campo della radioastronomia “facile per tutti “ ci sono due stazioni per il monitoraggio dei segmenti 20-30 MHz  ed una della rete e-Callisto per la gamma 45-85 MHz .

Con semplicissime antenne sono state collezionati i radio burst di numerose eruzioni solari .

Le stesse esperienze di ricezione possono essere riprodotte con una chiavetta USB RTL ed un dipolo , a patto di lavorare il località poco inquinate elettromagneticamente .

Può  essere una facile chiave di entrata per invogliare chi voglia partire da zero con mezzi minimali  .

La stazione di Forno di Coazze opera con semplice dipolo passivo in mezzo ad un bosco .

Eppure ha ricevuto moltissimi eclatanti eventi come dai seguenti collegamenti :

http://air-radiorama.blogspot.it/2015/10/ricezioni-di-esplosioni-solari-flares.html

http://air-radiorama.blogspot.it/2016/05/maggio-2016-esplosioni-solari-con-burst.html

http://air-radiorama.blogspot.it/2016/05/esplosioni-solari-go-go.html

Di seguito una carrellata di radio burst solari ricevuti nei vari segmenti di frequenza esplorati  dalle stazioni di Forno e Pasturana 

Si seguito la mappa di classificazione dei burst solari dalla quale non vi sara' difficile riconoscere il tipo di quelli visualizzati 

Claudio Re – reclaudio@alma.it

TRE VIDEO : Capiamo e sperimentiamo il principio secondo cui funziona un interferometro - 3a puntata

Faccio seguito al materiale pubblicato sugli interferometri agli indirizzi :

http://air-radiorama.blogspot.it/2016/03/capiamo-e-sperimentiamo-il-principio.html

http://air-radiorama.blogspot.it/2016/03/capiamo-e-sperimentiamo-il-principio_21.html

con tre video dei test sull'interferometro questa volta formato da due LNB PLL agganciati alla stessa sorgente di riferimento , come da schema :

Due LNB PLL agganciati e sommati  , si vede l'effetto interferometrico 

Togliendo un ingresso al sommatore ovviamente non si si ha piu' l'effetto interferometrico 

Effetto di variazione di fase dell' interferometro all'accensione , che poi continuera' anche se molto lentamente come nei diagrammi della precedente pubblicazione .
Nell'audio dei video chiamo sempre questo sistema " non coerente" proprio perche' la fase assoluta non e' garantita .
Vero pero' che se le variazioni interferometriche dell' oggetto in movimento sono piu' veloci della variazione della fase un elaborazione ed uso del principio interferometrico e' possibile .

Capiamo e sperimentiamo il principio secondo cui funziona un interferometro - 2a puntata

Dopo la pubblicazione di gran successo pubblicata all'indirizzo :

http://air-radiorama.blogspot.it/2016/03/capiamo-e-sperimentiamo-il-principio.html

in cui si spiegava e dimostrava il principio fisico nella forma piu' semplice di due antenne collegate tra loro da cavi ed un partitore .

Ricapitolando con l'uso di immagini :

A) Un interferometro si basa sul principio di collegare tra loro antenne (nel caso piu' semplice due) molto distanti tra di loro rispetto alla lunghezza d'onda

B) Questo consente di avere un lobo principale di radiazione arbitrariamente piccolo , inversamente proporzionale alla distanza
C) Attenzione che pero' il guadagno totale , nel caso di di due antenne aumentera' solo di 3dB .
Nulla si crea o si distrugge . A lato del lobo principale si formeranno altri lobi secondari che faranno si che l'angolo solido totale di irradiazione totale , sia sempre uguale a quello di due antenne vicine .
Questo potrebbe essere comunque accettabile in diverse applicazioni, tenendo presente che in ogni caso i lobi laterali saranno "filtrati" dalla direttivita' intrinseca delle antenne costituenti ( come indicato nella seguente figura ) e che non e' detto che sui lobi laterali ci siano segnali interferenti .

Ora , vi chiederete da dove nasca tutto questo interesse verso un interferometro , tra l'altro in banda microonde SHF .

Nasce dalla visita presso la Fasar di Flavio Falcinelli con cui ho passato diverse ore a chiaccherare di argomenti vari .

Uno di questi e' stato l'uso di un sistema interferometrico per aumentare il potere di risoluzione di un radiotelescopio amatoriale SHF .

Collegare tra loro due parabole distanti alcuni metri tramite cavo o guida d'onda , presenta alcuni problemi , per cui l'idea di Flavio era quella di usare degli LNB semiprofessionali a PLL collegati direttamente in due parabole con OL agganciato ad un unica sorgente di riferimento (10 MHz) e poi sommare i segnali convertiti in banda L ( 950-2150 MHz) .

L'idea in teoria non fa una piega anche perche' si tratta di una idea classica realmente impiegata , come da figura :

Pero' per mia esperienza personale , garantire nel tempo la fase di due oscillatori liberi agganciati a circa 10 GHz , richiede soluzioni circuitali diverse e piu' sofisticate rispetto a quelle che conosco essere impiegate in questi dispositivi .

Incuriosito dalla faccenda , Flavio mi ha prestato due di questi LNB PLL che ho portato nel mio laboratorio rilevandone la differenza di fase in archi di tempi brevi , medi e lunghi .

In realta' non avendo accesso all' oscillatore interno a 11.300 GHz , per effettuare le misure ho utilizzato uno strattagemma , quello di sfruttare la perdita ( leakage) dell' OL verso l'ingresso .

Nella figura si vede il segnale dell' OL misurato all' ingresso dell' LNB 

A questo punto , ho sommato , tramite un partitore ,i segnali degli OL ( agganciati tutti e due al oscillatore al Rubidio di stazione ) e li ho mandati all'ingresso dell' analizzatore di spettro settato con tempi di scansione lunghi ( 1000s/divisione ) e scala lineare 

Oscillatore al Rubidio 

Il risultato e' la somma vettoriale dei segnali dei due oscillatori .

Allo scorrere del tempo , si hanno massimi e minimi a seconda che la fase relativa sia di uguale od in opposizione  . Questo il risultato dei primi 10000 secondi .

Altri 10000 secondi . La variazione di fase rallenta ma e' sempre presente .

Altri 10000 secondi . La variazione di fase rallenta ancora ma e' sempre presente .

Altri 10000 secondi . La variazione di fase rallenta ancora ma e' sempre presente su un arco di 10000 secondi 

Altri 10000 secondi. La fase relativa tende ad assumere un valore costante  , ma con variazioni caotiche (jitter)

Altri 10000 secondi .  La situazione precedente permane .

Ho tenuto d'occhio la situazione per diverso tempo ottenendo anche dei grafico con bruschi salti di fase , tipo questo . Non ho idea se siano state variazioni nei due LNB PLL o se si sia trattato di disturbi o microinterruzioni sull' alimentazione .Posso escludere interruzioni di alimentazione piu' lunghe del tempo di tenuta degli elettrolitici dell' alimentatore HP che in questo caso si spegne .

Le conclusioni , che gia' subodoravo per esperienze precedenti  : 

A) La differenza di fase non e' definita ad ogni accensione
B)  La differenza di fase varia nel tempo e tende a stabilizzarsi solo dopo periodi lunghi ( diciamo un giorno )
C) Di alcune brusche variazioni di fase e' sconosciuta la causa
C) Il tutto provato con i due LNB a temperatura costante in laboratorio . Si ritiene che differenze di temperature variabili in un reale ambiente esterno potrebbero avere effetti imprevedibili fintanto che non realmente misurato .
Ma questo esula gli scopi di questo primo test .

Non posso escludere che con una base interferometrica non esagerata ( diciamo un paio di metri ) , con una configurazione ben fissa , in cui si attende che cio' che si vuole osservare , passi nel campo di azione di un interferometro cosi' costituito , acceso permanentemente , con una buona esperienza e pazienza , si possano ottenere dei risultati che possano poi essere rielaborati .

Personalmente , onde evitare sorprese , preferirei usare oscillatori locali ottenuti per sintesi diretta (in genere moltiplicazione) da una sorgente di riferimento unica , oppure usare degli amplificatori LNA in SHF e sommare poi i segnali in SHF con cavi o guide d'onda

Detto questo , vi chiederete , ma dopo tutto questo dove ci porta se non verso soluzioni costose  ?

La risposta non la so ancora , ma quello che mi ha incuriosito durante le pubblicazione di un sito eccezionale all'indirizzo :

http://air-radiorama.blogspot.it/2016/02/fenomenale-sito-chiavette-usb-rtl-e.html

http://superkuh.com/rtlsdrinterferometer.html

Ed in particolare da questa immagine :



Un interferometro costruito con due LNB non agganciati il che sarebbe FANTASTICO .

In teoria non avrebbe molto senso .

Pero' si puo' attuare qualche trucco .

Sto sperimentando tali trucchi , che come sempre portano vantaggi e svantaggi .

La strada di sperimentazione e comprensione qui e' piu' lunga .

Non appena arrivero' al fondo e mi saro' probabilmente confrontato con chi l'adotta , saro 'in grado di tirare delle conclusioni .

Capiamo e sperimentiamo il principio secondo cui funziona un interferometro radio

Tutti conoscono il principio di accoppiare piu' antenne per aumentare il guadagno massimo riducendo l'ampiezza del lobo principale .

Normalmente le distanza tra le antenne sono dell' ordine di 1/4 - 1 lunghezza d'onda (WL), ma non di piu' .

Cosa succede se aumentiamo molto la distanza anche solo tra due antenne ( diciamo 10 - 20 WL ) ? 

Si ha un lobo principale strettissimo .

Pero' nulla si crea , nulla si distrugge .... purtroppo i lobi laterali si alzano di livello , anche se loro molto stretti .

Alla fine si ottiene una serie di lobi molto stretti che hanno come inviluppo la figura di direttivita' di una sola antenna ( figura tratta da Enciclopedia Treccani) .

A cosa potrebbe servire una antenna di tale genere ? 

Ad esempio in radioastronomia , quando si vogliono dei lobi estremamente stretti per fare la mappa del cielo e si puo' calcolare che il contributo dei lobi laterali e' fuori di bersagli significativi ( o compensare matematicamente la risposta ) .

Di seguito l'esperimento pratico in SHF a circa 10 GHz dove la lunghezza d'onda e' di 3 cm .

Due antenne in guida d'onda sono separate di circa 60 cm ( 20 lunghezze d'onda ) , collegate ad un divisore a due ingressi l'uscita del quale e' collegata all'ingresso di un analizzatore di spettro .

Come da primo filmato , facendo muovere un oscillatore con una antenne in guida d'onda rispetto all' interferometro , si vede la successione della serie di massimi e nulli molto vicini .

Scollegando una antenna viceversa il segnale rimane costante perche' l'antenna singola ha un solo lobo di irradiazione molto ampio .  

Nelle foto si vede la configurazione dell' esperimento .

Tutte e due le antenne dell' interferometro collegate 

Una sola antenna collegata

Video dell' esperimento con due antenne 

Video dell'esperimento con una antenna

Per chi volesse approfondire il principio , suggerisco : 

http://slideplayer.it/slide/601479/

Fenomenale sito chiavette USB RTL e molto altro

http://superkuh.com/

http://superkuh.com/rtlsdr.html

Fantastico : e' colui che ha prodotto il radiogoniometro cone tre chiavette presentato da Oscal Steila al collegamento :

http://air-radiorama.blogspot.it/2016/01/radiogoniometro-con-3-ricevitori-sdr.html