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Messungen bei 1420 MHz

1420 MHz ist die Frequenz der bekannten Wasserstoffstrahlung die viele kosmische Quellen aussenden. Diese Strahlung ist eine schmalbandige Linienstrahlung die bei Übergängen im Wasserstoffatom entsteht. Auch die 1420 MHz Strahlung unterliegt dem Dopplereffekt sodass man über die Frequenzverschiebung die relative Geschwindigkeit bewegter Quellen ermitteln kann. Möglich ist das z.B. bei den Spiralarmen unserer Galaxies, der Milchstrasse.
Rauschmessung:
Für den Aufbau werden der 1420 MHz Verstärker Modul mit BiasT und das SDR-Modul verwendet. Der rauscharme Vorverstärker LNA sitzt direkt an der Antenne und ist über ein 7,5 m lange Koaxkabel mit dem Empfänger verbunden.
Zuerst wurde die Rauschtemperatur der Anordnung gemessen. Dazu wird der Eingang des LNA statt an die Antenne an einen 50 Ohm Widerstand verbunden. Nun wird die Rauschleistung am Ausgang gemessen und anschliessend der 50 Ohm Widerstand mit flüssigem Stickstoff auf 77°K abgekühlt. Aus dem Verhältniss der beiden Leistungen, der sogenannte Y-Faktor kann die Rauschtemperatur und die Rauschzahl der Verstärker berechnet werden.
Man muß natürlich nicht unbedingt mit LN2 kühlen, Man könnte den Widerstand auch heizen und dann mit Trockeneis kühlen, die Messung wird umso genauer je größer die Temperaturdifferenz ist.
Die Rauschleistungen wurden mit dem Program rtl_tcp.exe gemessen. Dieses Programm liefert die I/Q-Daten des Eingangssignals aus denen einfach mit der RMS-Funktion die relativen Leistungswerte errechnet werden können
Die Übertragungkennlinie wurde mit dem Rauschgenerator und einem einstellbaren Abschwächer kalibriert. D.h. die Biasspannung der Rauschdiode wurde so eingestellt dass der gleiche Messwert wie mit warmen 50 Ohm Widerstand erreicht wurde. Anschließend wurde die Abschächung so erhöht der der Wert des kalten Widerstands erreicht wurde. Aus dem benötigtem Abschwächfaktor in dB kann dann das Leistungsverhältniss Y berechnet werden. Die hier berechnete Rauschtemperatur beträgt 65 °K, das Rauschmass 0,86 dB.
Antennenmessungen:
Das linke untere Diagramm zeigt die Ergebnisse einer Elvationsmessung. Hierbei wird der Höhenwinkel der Antenne in 1 Grad Schritten von Horizont bei 10° bis in den kalten Himmel bei 60° verstellt. Das wurde der >>neue Antennenrotor<< verwendet. Der gemessene Rauschleistungsunterschied beträgt 3,4 dB. Das rechte Diagramm einen Sonnendurchgang. Hier beträgt der Anstieg etwa 3,1 dB. Die Halbwertsbreite (60 Minuten) entsprechen 360° / 24 h = 15°. Das stimmt in etwa mit den geschätzen Daten der Antenne mit 17° Öffnungswinkel überein.
Wasserstofflinie:
Für die folgenden Messungen der Wasserstofflinie wird nur eine andere Software zur Auswertung gebraucht. Erste Versuche wurden mit dem Programm >HDSDR< unternommen. Dieses Freeware-Programm läßt sich einfach installieren und läuft beim Verfasser sehr stabil. Bei richtiger Ausrichtung der Antenne war hiermit die Wasserstofflinie im Spektrum sofort zu sehen.
Später wurde ein eigenes Auswertprogramm im Delphi geschrieben. Diese Programm ruft periodisch den DOS-Code rtl_sdr.exe auf. Dieser Code erzeugt Dateien mit den IQ-Daten des SDR-Stick. Aus diesen Daten werden mittels FFT Spektren berechnet. Die Daten einer Messzeit von 30 Sekunden ergeben etwa 65000 Spektren die durch Mittelung vom Rauschen befreit werden.
Datenerfassung und Berechnung dauern etwa 90 Sekunden, sodass es gut möglich ist im 2 Minuten Takt zu messen. Da nur die Spektren abgespeichert werden fallen auch keine so großen Datenmengen. Das rechte Bild zeigt ein auf diese Weise erhaltenes ziemlich rauschfreies Spektrum. Das deutlich die Dopplerverschiebung der Wasserstofflinie zeigt. In diesem Fall eine Blauverschiebung (nach der höheren Frequenz) die zeigt dass sich das erfasste Objekt auf uns zu bewegt.

Da die Messung weitgehend automatisiert ist kann problemlos für längere Zeit messen und den Verlauf der Wasserstoffstrahlung im 24 Stundenrythmus aufzeichen und Frequenz/Zeitkarten erstellen.
Die folgenden Bilder zeigen den Verlauf der Spektren während 24 Stunden für verschiedene Höhenwinkel

Die so erhaltene Spektren können auch zu Animationen kombiniert werden.

So zeigt der linke Flashfilm die Änderung des Spektrums (gelbe Kurve) während eines Zeitraums von 24 Stunden. Durch die Erdrotation erscheinen verschiedene Gebiete des Himmels in der Antennenkeule (weißer Kreis). Sind die Arme der Milchstrasse für die Antenne sichtbar steigt das Signal stark an.

Der Hintergrund ist eine Radiokarte bei 408 MHz (Quelle: Radiosky)

Ein >Artikel< über diese Messungen ist in der >Zeitschrift UKW Berichte< Juni 2017 erschienen