Construcción de Un Radiotelescopio

Construc onstrucción ción de un Radiotelescopio Radioastro di oastrono nomía mía Amateur Amateur..

Investigadores nvestigadores Alumnos Alu mnos:: Ojeda, Ulises Horacio D.N.I. 26.665.744 4to Año. Ferro, Federico Salvador D.N.I. 28.419.118 4to Año. Ortega, Andrés Martín D.N.I. 27.842.654 4to Año. Job, Sergio Fernando D.N.I. 28.429.833 4to Año.

Segura, Oscar D.N.I. 4to Año. Bayer, Martín D.N.I. 28.407.959 4to Año.

Docente Asesor: Gesto, Sergio Marcelo D.N.I. 12.857.002

Escuela Industrial Número 4 "José Menéndez" Mitre y Piedrabuena  – (9400) Río Gallegos Santa Cruz - Argentina

Índice. Resumen

1

Introducción

1

Investigación Teórica Previa

2

Diseño Experimental

4

Resultados

6

Conclusiones

8

Proyección del Trabajo

9

Bibliografía Consultada

10

Apéndices

11

Agradecimientos

19

Resumen En el presente trabajo realizamos un estudio teorico-práctico sobre la factibilidad de la construcción de un radiotelescopio (Radiómetro de Flujo Total) utilizando elementos comerciales de televisión satelital, que actualmente van quedando en desuso por los avances tecnológicos que se experimentan en ese campo. Se presentan resultados de mediciones efectuadas a distintos cuerpos celestes, con el fin de validar el funcionamiento del proyecto. Se intentará desarrollar una proyección para el mi smo, con la idea de darle continuidad a la investigación.

Introducción Toda la tarea puede ser presentada como un diseño de investigación científica, comenzando entonces con el planteo de la siguiente hipótesis:

"Utilizando elementos de uso comercial que, por adelantos tecnológicos, han caído en desuso, es posible construir un Radiotelescopio (Radiómetro de Flujo Total) que permitirá realizar estudios astronómicos."  Para comenzar la tarea debemos plantear algunos conceptos teóricos que nos permitirán adentrarnos en el tema.

Investigación Teórica Previa.  Los Inicios de la Radioastronomía 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, él supuso un correlato 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 r adio emisión de la galaxia, cosa que logra. 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 estelares.

Tipos de radiotelescopios A grandes rasgos, es posible dividir los radioteles copios (radiómetros), en dos grandes grupos, a saber: 



Radiómetro compensado : En estos la entrada de señal se alterna

entre la proveniente de la antena receptora y una señal fija de control  producida en el laboratorio. Estos radiómetros poseen la particularidad de poder realizar mediciones extremadamente confiables y por comparación simple entre la potencia de la señal de laboratorio (señal base) y la recibida.

Tienen la desventaja de incorporar pérdidas en la recepción por la intercalación de elementos del tipo "relay".

Radiómetro de flujo total : En estos la totalidad de la señal recibida es  procesada, y no se realiza comparación con ninguna señal base, por lo que las mediciones son afectadas por los cambios de nivel de la propia señal. Tienen la ventaja de no poseer intercalados elementos de pérdida, por lo que su construcción es siempre más simple.

Objetos a Observar Si bien en la radioastronomía no existe frontera de investigación mas allá que las  propias que nos presenta nuestro universo, para este trabajo orientado hacia la investigación amateur y escolar tomaremos en cuenta l as posibilidades de detección de los siguientes objetos:

El Sol: Es el objeto más prometedor para las investigaciones amateur. El sol emite fuertes radiaciones de todas las longitudes de onda, con amplias variaciones de potencia de acuerdo a las mismas. Los niveles de radiación pueden tomarse desde 6000 grados Kelvin a 4 Ghz hasta 1 millón de grados Kelvin a 600 Mhz 



Los efectos variables de las emisiones del sol son, normalmente, asociadas con efectos ópticos y del campo magnético terrestre (flamas solares) que pueden ser estudiadas para encontrar disturbios solares.

La Luna: La densidad de flujo de la luna no es muy prometedora para estudios amateur, ya que se comporta a cualquier longitud de onda como un cuerpo de una temperatura casi constante de 100 grados Kelvin. 



 No obstante ello es posible su detección mediante algunos tipos de radiotelescopios, siendo un trabajo interesante para estudios amateur.

Planetas: Dada su baja emisión, se hacen prácticamente inaccesibles a la detección amateur. Posiblemente el único caso es el del planeta Júpiter, el que emite fuertes ondas radiales desde 5 Mhz hasta 40 Mhz, detectables con cualquier equipo receptor de comunicaciones de buena calidad. 



Otros Elementos:



Otros objetos con posibilidades de estudio son los remanentes de supernovas, restos de explosiones estelares, y algunas nebulosas. 

La detección del centro galáctico y la posibilidad de "ploteo’ (graficación) de un mapa radial de la Vía Láctea es una tarea muy interesante en los estudios amateur y escolares.

Diseño Experimental  Elementos propuestos Proponemos la construcción de un radiómetro de flujo total, utilizando los siguientes elementos: a.

Antena: De tipo parabólica de banda C, construida en malla de alambre de aluminio con estructura de hierro, con movimientos manuales de azimut y elevación, y un tercer movimiento de barrido del arco estela r (no se utiliza). Dimensiones: Diámetro: 3,60m Foco: 1,50m Relación F/D: 0,42

 b. c.

d. e. f. g.

Iluminador: Unidad comercial marca CHAPARRAL. LNB: Bloque de bajo ruido DRAKE, alimentación 12V, entrada de 3,7 a 4,2 GHz, salida 950 a 1450 MHZ (banda L), con temperatura de ruido de 25 grados Kelvin. Receptor: PICO modelo HR-100. Placa conversora analógico-digital de 8 bits. Computadora tipo PC AT 586, pudiendo utilizarse inclusive una XT. Programa de interpretación de datos realizado en Qbasic, opcionalmente se  puede utilizar lenguaje Pascal.

Cabe señalar que los ítems a) al d) corresponden a elementos utilizados para la recepción de televisión vía satélite que en la actualidad se dejan de lado por aparecer en el mercado otros sistemas comerciales de mayor perfomance funcionales en otras  bandas (KU) (antenas de 70cm de diámetro, 30 canales, etc.). La interconexión de los elementos es simple, ta l como se observa en el diagrama de  bloques presentado en el APÉNDICE 1, ya que los dos primeros corresponden a las unidades comerciales existentes. Como línea de alimentación se utiliza cable coaxil de 75 ohm RG-59/U, de uso típico en instalaciones de televisión, ya que no es necesaria la aplicación de otro tipo de cable

más costoso dada la ganancia obtenida con la unidad DRAKE y las cortas distancias recorridas con el mismo.

Calibración Para la puesta en servicio del sistema se realizó un proceso de calibración, en el que se realizaron mediciones de potencia a la salida de FI con un instrumento HEWLETT PACKARD, Microvatímetro HP 435B, con sensor de 100uW-300nW, y se realizó una tabla de comparación de las mediciones de dBm (decibeles referidos a 1 miliwatt) sobre la salida de intensidad de señal que posee el equipo PICO para ajustes, midiendo con un multímetro digital (milivolts). De esta manera, utilizando un programa en Qbasic, se confeccionó una ecuación lineal que relaciona la medición que se obtiene con el multímetro con el correspondiente valor en dBm. (ver APENDIE 2) El resultado de la calibración arrojó la siguiente función lineal:

y (dBm) = 0,4987705 * x (mV)  –  46,67227 Por problemas económicos no fue posible conseguir una placa A/D para su uso, por lo que se encara su construcción, decidiéndonos por un diseño de 8 bits que ingresa por el Game Port de la computadora, lo que lo abarata notoriamente y nos posibilita la confección de programas de fácil codificación en cualquier lenguaje de alto nivel. En el momento de presentación del proyecto, no hemos podido construir la placa A/D,  por lo que las mediciones se realizan "a mano", ingresando los datos leídos en el multímetro digital a la PC y confeccionando a posteriori las gráficas correspondientes.

Orientación de la antena Una vez realizada la calibración y preparación de los instrumentos necesarios, se  procedió a la orientación de la antena con respecto al meridiano geográfico correspondiente. Para ello era necesario encontrar el punto geográfico y la hora real donde el sol se encuentra en el zenit (norte geográfico). Se sincronizó la computadora con la hora obtenida mediante un instrumento GPS Garmin modelo GPS II (sistema de posicionamiento global), seguros que dicho instrumento nos arrojará un valor altamente precis o por ser corregido mediante los satélites de GPS. Luego se puso en marcha un programa llamado I-Track, el que es util izado para seguimiento de satélites de aficionados y que presenta la posición del sol y la luna. Con dicho programa buscamos la hora en que el sol llega al z enit de acuerdo a nuestra región, posicionados en latitud y longitud con una precisión de 35m gracias al GPS, y

apuntamos la antena en azimut en ese momento, con lo que obtuvimos un  posicionamiento bastante preciso con respecto al norte geográfico. En las mediciones posteriores que realizamos hemos comprobado que nuestra antena recibe el máximo de señal de ruido solar con una diferencia de medio grado con respecto a lo que nos arroja el programa I-Track como zenit, cosa que puede deberse a deformaciones del lóbulo de recepción de la antena o a una pequeña desviación de  posicionamiento.

Resultados Primeras mediciones realizadas en período de calibración. Domingo 13 de julio de 1997

Martes 15 de julio de 1997

Medición del sol

Medición de la luna

Azimut 0o Elevación 17º

Azimut 0o Elevación 53º

QTR dBm

QTR dBm

12:58:36 -25.0

20:37:37 -25.85

13:07:55 -24.8

20:51:46 -25.85

13:08:59 -24.6

21:04:27 -25.85

13:10:08 -24.4

21:09:06 -25.85

13:11:04 -24.2

21:38:43 -25.68

13:21:50 -15.0

21:38:54 -25.52

13:38:55 -15.5

21:41:04 -25.37

13:39:50 -16.0

21:42:03 -25.22

13:40:36 -16.8

21:42:51 -25.22

13:41:04 -17.4

21:43:51 -25.22

13:41:23 -18.0

21:45:47 -25.37

13:41:57 -18.8

21:46:44 -25.52

13:42:17 -19.4

21:47:00 -25.52

13:42:42 -19.8

21:47:37 -25.52

13:42:54 -20.0

21:48:15 -25.52

13:43:36 -21.0

21:49:10 -25.68

13:43:55 -21.6

21:49:58 -25.68

13:44:23 -22.2

21:50:18 -25.85

13:44:47 -22.6

21:52:19 -25.85

13:45:36 -23.2

21:54:34 -25.85

13:46:20 -23.6

21:56:06 -25.85

13:47:04 -24.0

0.63 dB

13:47:44 -24.4

10 dB

La tabla anterior muestra una de las primeras mediciones, realizada convirtiendo los valores obtenidos en milivolts a dBm. Se observa que hemos tenido un buen resultado en la medición del flujo lunar, ya que sin ajustes de orientación y dando elevación a la antena en forma aproximada obtuvimos 0,63 decibeles. Se midieron aproximadamente 10 tránsitos solares, y en todos los c asos se obtuvieron entre 10 y 17dB respecto a cielo "frío". Tres tránsitos lunares anduvieron en 1dB sostenido de incremento, lo que nos da una  buena idea de las posibilidades del sistema, considerando que la luna se comporta como una fuente de 0,5º frente al haz de la antena de 1,5º. La curva no es gaussiana sino que aparecen los dos lóbulos secundarios principales apenas detectables a los costados, y una deformación en la pendiente de bajada de la señal, tal vez producido por deformaciones geométricas de l a antena o por reflexión solar contra las paredes de las edificaciones. La siguiente es una medición completa realizada con intervalos de 15’', con el fin de realizar la gráfica correspondiente y su análisis.

Medición del sol (dBm) - 18 de Agosto de 1997

Hora de Inicio 13:28:30 Hora de finalización 14:02:15 Intervalos de 15" Azimut 0 o Elevación 23o -33,71

-33,31

-20,89

-33,21

-33,66

-33,26

-21,14

-33,11

-33,61

-32,81

-20,94

-33,71

-33,61

-31,61

-21,49

-33,76

-33,66

-31,21

-21,74

-34,06

-33,61

-30,56

-21,09

-34,11

-33,56

-30,41

-22,78

-34,36

-33,51

-29,87

-22,83

-34,26

-33,46

-28,82

-22,93

-34,21

-33,41

-29,27

-23,88

-34,31

-33,31

-28,37

-24,88

-34,40

-33,26

-28,02

-25,03

-34,21

-33,26

-26,87

-25,53

-34,60

-33,26

-27,02

-26,28

-34,11

-33,16

-26,62

-26,92

-34,16

-33,21

-25,53

-27,72

-33,96

-33,16

-25,28

-30,71

-33,81

-33,11

-22,48

-29,22

-33,86

-33,06

-24,33

-29,47

-33,91

-32,96

-23,68

-29,72

-33,81

-32,91

-23,08

-29,92

-33,61

-32,91

-22,63

-30,32

-33,66

-32,81

-22,48

-30,71

-34,01

-32,71

-22,14

-31,06

-34,26

-32,51

-21,49

-30,91

-34,11

-32,86

-21,24

-31,51

-34,11

-32,76

-20,74

-31,41

-33,91

-32,71

-20,64

-31,61

-34,16

-32,66

-20,49

-32,01

-34,16

-32,91

-20,24

-31,96

-34,50

-32,86

-20,19

-34,21

-34,40

-32,86

-20,19

-32,41

14.21 dB

-32,71

-20,29

-32,41

-33,26

-20,39

-32,71

-32,96

-20,39

-32,96

Conclusiones Por lo expuesto en las páginas anteriores, podemos decir que el proyecto ha arrojado  buenos resultados, y que nuestras expectativas han sido colmadas por el momento. Hemos visto que los materiales propuestos cumplen con los requisitos impuestos para nuestro radiómetro, por lo que debemos pensar en las mejoras posibles del sistema. Uno de los motivos que nos alegran es el haber detecta do el paso de la luna, ya que en las bibliografías consultadas presentan como muy poco posible la detección con instrumentos amateur. Todo lo anterior nos ha servido para ver que tenemos grandes déficits en muchos campos del conocimiento. Ello nos impulsa a seguir adelante en nuestros estudios, tratando de profundizar los mismos con el fin de mejorar nuestro nivel.

Proyección del Trabajo

Al haber obtenido buenos resultados en la medición del sol y la luna, nos a bocaremos a la construcción de la placa A/D y los programas asociados de captura, graficación y análisis de los datos. Por el área electrónica, intentaremos realizar mejoras en el sistema, modificando de ser  posible la etapa de detección. Por el área electromecánica, intentaremos la motorización de los movimientos de la antena, con el fin de permitirnos el seguimiento de objetos estelares para su estudio. Una vez completado el sistema, intentaremos la búsqueda de otros objetos galácticos y la confección de un mapa radial de la vía láctea.

Bibliografía Consultada Miller, D. –  Basics of Radio Astronomy –  Jet Propulsion Laboratory –  U.S.A. - 1997 Sky, J. – The Radio Astronomy Teachers’ Notebook  –  Radio-Sky Publishing –  1996 ARRL – The ARRL Handbook –  The American Radio Relay League –  USA - 1994. Orr, W. - Radio Handbook –  Marcombo –  España –  1986 Swenson, G. –  An Amateur Radio Telescope (I a VI) –  Sky and Telescope –  USA 1978

Apéndice 1.

La Antena

2) Diagrama en Bloques del Proyecto

3) Tabla de mediciones de calibración dBm mV -20 56 -24 41.4 -26 37.4 -30.3 35 -31 34 -34 26 -33.6 26.5 -33 25.6 -33.5 26.1 -32.9 27.7 -34.2 25.0 -33.2 26.4 -33.8 24.6 -34 24

-36.4 23.4 -36 23.8

4) Programa para calcular la función CLS OPEN "i", #1, "datos.txt" Cnt=100 TX = 0: TY = 0: TXY = 0: TX2 = 0 DIM X(cnt), Y(cnt) k = 0 WHILE NOT EOF(1) INPUT #1, dB$ INPUT #1, mV IF dB$ "'" THEN k = k + 1 X(k) = mV Y(k) = VAL(dB$) END IF WEND cnt = k FOR j = 1 TO k TX = TX + X(j) TY = TY + Y(j) TXY = TXY + (X(j) * Y(j)) TX2 = TX2 + (X(j) ^ 2) NEXT j A = ((cnt * TXY) - (TX * TY)) / ((cnt * TX2) - (TX ^ 2)) B = ((TX2 * TY) - (TX * TXY)) / ((cnt * TX2) - (TX ^ 2))

PRINT USING "Función: Y = ##.####### X + ####.#####"; A; B CLOSE

5) Curvas comparativas de calibración donde se observa la relación lineal

6) Gráfico de Medición

7) Análisis

8) Circuito del Conversor A/D propuesto

Agradecimientos A la Sra. María Elena Castrillón, Secretaria de la Asociación Cordobesa Amigos de la Astronomía, por el material enviado a nuestro asesor. A nuestro asesor docente, Sr. Sergio Gesto, y al Sr. Néstor Paván, por invitarnos a trabajar con sus elementos. A nuestros compañeros de curso, por su ayuda desinteresada. A los Directivos y Docentes de la Escuela Industrial Número 4, por su apoyo.