Heiß/Kalt-Rauschquelle

Gerade in der Radioastronomie können die Rauschparameter der verwendeten Verstärker großen Einfluss auf die Qualität der Messungen haben. Mit der Heiß/Kalt-Messung können Rauschzahlen von Verstärkern auf relativ einfache Art recht genau gemessen werden. Dazu wird der Verstärker am Eingang mit einem in der Impedanz (meist 50 Ohm) passenden Widerstand abgeschlossen und die Rauschleistung am Ausgang des Verstärkers gemessen. Die gemessene Leistung ist die Summe aus dem thermischen Rauschen des Widerstandes und dem vom Verstärker stammenden Rauschen. Wird nun der Widerstand auf eine andere Temperatur gebracht, meist abgekühlt, ändert sich dessen thermische Rauschleistung während die des Verstärkers gleichbleibt. Aus dem Quotienten der beiden Leistungen, dem Y-Faktor, kann die Rauschtemperatur und weiter die Rauschzahl des Verstärkers berechnet werden.

Je größer der Temperaturunterschied zwischen den beiden Messungen ist um so größer wird auch die Genauigkeit mit der die Rauschzahl bestimmt werden kann. Im professionellen Bereich wird zum Kühlen des Widerstandes oft flüssiger Stickstoff mit einer Temperatur von 77°K verwendet, für die Heißmessung bringt man den Widerstand auf Raumtemperatur mit circa 293°K. Da Amateuren LN₂ oft nicht zur Verfügung steht wird man auf Trockeneis ( 195°K ) ausweichen welches leicht beschaft werden kann. Um eine möglichst große Differenz zu erhalten wird der Widerstand geheizt, z.B. 100°C, entsprechend 283°K.
Da keine große Kühlleistung erforderlich ist könnte auch ein
>> Pulsröhren- , Striling- oder GM-Kühler<< verwendet werden. Aber der technische Auwand ist nicht zu unterschätzen, ein Projekt für den ambitionierten Amateur.

Im hier gezeigten Messgerät werden zwei Widerstände verwendet. Einer wird ständig gekühlt der andere geheizt. Mit einem für Mikrowellen tauglichem Relais werden abwechselnd die Widerstände auf den Verstärkereingang geschaltet. So braucht bei der Messung nicht gewartet werden bis der Widerstand die jeweilige Temperatur angenommen hat.
Das rechte Bild zeigt den Aufbau. Als Thermosgefäß dient ein Weinkühler, der zur zusätzlichen Isolation mit Neoprenstreifen ummantelt wurde. Links das blaue Mikrowellenrelais, dessen linker Anschluss über eine Edelstahl Semirigid-Leitung zum 50 Ohm Widerstand im Gefäß führt. Der rechte Anschluß führt zum geheizten Widerstand der in einem Alublock sitzt. Dieser Block wird mit einem aufgeschraubten Leistungswiderstand ( 5 Ohm) geheizt.
An beiden 50 Ohm Widerständen ist je ein Pt1000 Sensor zur Kontrolle der Temperatur angebracht. Auf eine Regelung des geheizten Blocks wurde verzichtet. Wichtig ist nur dass die Temperatur gemessen wird und während der Rauschmessung konstant bleibt. Mit einem Heizstrom von einem Ampere erreicht der Alublock eine Temperatur von circa 90°C entsprechend 363°K.
Gesteuert wird mit einem Arduino, sodass zwischen Heiß und Kalt nicht nur manuell sondern auch per RS232 Befehl umgeschaltet werden kann. So lässt sich die Messung automatisieren. Deshalb wurde ein ADS1115 16-Bit Analogdigitalwandler mit eingebaut um die das Signal eines Leistungsmessers aufnehmen zu können.

Das Rauschsignal kann an der Frontplatte über eine N-Buchse abgenommen werden. Mit dem Schalter über Buchse kann zwischen heiß und kalt umgeschaltet werden, eine LED zeigt mit Rot b.z.w. Blau die Stellung des Mikrowellenrelais an. Auf dem LCD-Display werden die beiden Temperaturen angezeigt und über die BNC-Buchse kann das Signal des Leistungsmesskopfes eingespeist werden.
>>Schaltung im PDF-Format<<
Diodenmessköpfe geben ein Signal das bei einer niedrigen HF-Spannung proportional zur HF-Leistung ist. Bei höheren Spannungen ist das Signal proportional zur HF-Spannung. Das muss natürlich bei der Berechnung des Y-Faktors berücksichtigt werden. Am Besten ist es wenn man den Messkopf mit einem Messsender bei der entsprechenden Frequez kalibriert. Statt eines Leistungsmessers kann z.B. auch ein Empfänger, z.B. ein RTL-Stick verwendet werden.

Interessanterweise verhält sich der RTL-Stick wie eine Diode. Bei kleine Eingansspannung ist die Übertragungskennlinie quadratisch, bei höherer Spannung wird sie linear. Z.B. für Rauschmessungen spielt das eine wichtige Rolle um korrekte Ergebnisse zu erhalten.
Zwar arbeitet dieser Stick nur bis 1,7 GHz aber bei höhere Frequenzen ist es auch sinnvoll den LNA zusammen mit dem zugehörigem Downkonverter zu messen.