Selbstgebauter Breitband-Detektor auf Basis des AD8362
In der Radioastronomie stehen zwei unterschiedliche Wege zur Verfügung, um Signale zu verarbeiten: die analoge und die digitale Signalverarbeitung. Beide Ansätze haben ihre Vor- und Nachteile – insbesondere für Amateur-Radioastronomen, die mit begrenzten Mitteln arbeiten. Die Digitale Signalverarbeitung (DSP) basiert auf der Umwandlung von analogen Eingangssignalen in digitale Daten, die dann von einem Prozessor analysiert werden. Diese Methode ist flexibel, leistungsfähig und bietet viele Möglichkeiten zur Nachbearbeitung der Daten. Softwaredefinierte Radios (SDRs) sind typische Vertreter dieser Klasse und erfreuen sich gegenüber analoger Signalverarbeitung zunehmender Beliebtheit. Während SDRs viele Vorteile bieten – etwa hohe Präzision, Anpassungsfähigkeit und ein breites Software-Ökosystem – haben sie einen entscheidenden Nachteil: ihre Bandbreite ist begrenzt. Günstige SDRs verarbeiten oft nur wenige Megahertz gleichzeitig. Wer eine größere Bandbreite möchte, muss viel Geld für High-End-Geräte investieren – und dazu einen leistungsstarken PC, der die notwendigen Rechenoperationen durchführen kann.
Hier zeigt sich der Vorteil von einfachen Breitbandempfängern, wie zum Beispiel logarithmischen oder True-Power-Detektoren. Ihre Stärke ist eine große nutzbare Bandbreite – häufig mehrere hundert Megahertz.
Die sogenannte Radiometergleichung besagt, dass die Empfindlichkeit eines Radioteleskops von drei Faktoren abhängt: Systemrauschtemperatur, Empfangsbandbreite, Integrationszeit. Für Amateurastronomen mit kleinen Antennen ist die Bandbreite oft der einzige Hebel zur Empfindlichkeitssteigerung, wenn das Systemrauschen nicht weiter verbessert werden kann. Eine erhöhte Empfindlichkeit ist entscheidend, um schwache Kontinuumsquellen wie Supernova-Überreste nachweisen zu können. Zum Vergleich: Die Flussdichte des Supernova-Überrestes Taurus A ist im Ku-Band rund 100-mal geringer als die des Mondes, und die des Mondes wiederum etwa 100-mal geringer als die der Sonne. Die Herausforderung ist also enorm – aber nicht unmöglich.
Zwei Dinge spielen dem Amateur-Radioastronomen in die Hände: Für das Ku-Band, dem Band, in dem TV-Satelliten senden, kann man sehr günstig Antennen und LNBs bekommen. Teilweise werden Satellitenschüsseln mit LNBs im Internet verschenkt. Moderne LNBs im 11-GHz-Bereich erreichen zudem sehr niedrige Rauschzahlen, die es ermöglichen, eine hohe Empfindlichkeit zu realisieren. Zweitens besitzen Supernova Überreste einen flacheren spektralen Abfall, d. h. die Flussdichte nimmt mit steigender Frequenz nicht so schnell ab. Bis auf Sonne und Objekte im Sonnensystem sind alle Kontinuumsquellen grundsätzlich besser in niedrigen Frequenzbereichen (zum Beispiel im LßBand bei 1420 MHz) beobachtbar. Der Supernova-Überrest Taurus A (Krebsnebel, M1) aber bleibt zum Beispiel auch bei 11 GHz noch nachweisbar.
Der Aufbau: AD8362 + ADS1115 + Arduino
Um einen möglichst empfindlichen Breitband-Detektor für unser Radioteleskop zu entwickeln, haben wir verschiedene Ansätze erprobt. Dabei kamen sowohl logarithmische Detektoren als auch True-Power-Detektoren sowie einfache Dioden-Detektoren zum Einsatz. Viele dieser Bausteine sind heute günstig und als praktische Steckmodule online erhältlich.
Die besten Ergebnisse unter den getesteten Detektorplatinen erzielten wir mit dem AD8362. Im Gegensatz zu logarithmischen Detektoren wie dem AD8317, die das Ausgangssignal logarithmisch skalieren und dabei invertieren, liefert der AD8362 ein linear skaliertes und nicht invertiertes Signal. Zudem verfügt er über einen integrierten Verstärker und kann Eingangssignale im Bereich von –55 dBm bis +5 dBm zuverlässig messen.
Interessanterweise zeigten unsere Tests, dass einfache Dioden-Detektoren in manchen Fällen sogar noch bessere Ergebnisse liefern können – insbesondere aufgrund ihres sehr geringen Eigenrauschens. Allerdings benötigen sie eine externe Verstärkung, da sie selbst keine besitzen. Ein vorgeschalteter LNA sowie ein nachgeschalteter Operationsverstärker sind daher notwendig. Auch haben wir mit Schaltungen experimentiert, die eine analoge Signalverarbeitung durchführen. Mit Tiefbandfiltern lassen sich Signale integrieren und damit Rauschanteile verringern, Subtraktions- und Verstärkerschaltungen mit Operationsverstärkern ermöglichen Offsets und die Verstärkung des Signals, die die Auflösung und Empfindlichkeit des Empfängers erhöhten. Für die ersten Versuchsreihen entschieden wir uns dennoch für den AD8362 und dem weitgehenden Verzicht analoger Signalverarbeitung. Integration, Offset und Verstärkung können auch mit Hilfe digitaler Signalverarbeitung softwareseitig realisiert werden.
Dank seiner integrierten Verstärkung erlaubt der AD8362 einen sehr einfachen und kompakten Aufbau. Das reduziert nicht nur die Störanfälligkeit, sondern auch die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen – ein wichtiger Vorteil bei empfindlichen Messungen im Bereich der Radioastronomie. Das Ausgangssignal aus dem AD8362 wird ohne Umwege in einen ADC-Wandler mit 16 BIT (ADS1115) geführt und dann über einen Arduino als Microkontroller zur digitalen Auswertung am PC gesendet. Gesamtkosten betragen nur etwa 30 Euro.
Die Signale werden zunächst durch den ADS1115 gesampelt, die Funktion als Differential-ADC erlaubt das Einstellen eines Offsets und mit Hilfe einer einstellbaren Abtastspanne kann die Auflösung geregelt werden. Im Arduino werden die Samples dann Integriert.
Die genauen technischen Hintergründe und die Software werden in einem weiteren Artikel behandelt werden. Das Ergebnis ist ein hochempfindlicher Detektor für wenig Geld. Die Resultate sind vielversprechend. In einem Testlauf wurde der Transit des Mondes aufgezeichnet – die Signalkurve, erstellt mit Radio Sky Pipe, ist deutlich und rauscharm.
Das lässt hoffen, dass auch schwächere Quellen wie Taurus A in Zukunft mit diesem Aufbau nachweisbar sind. Der hier vorgestellte Breitband-Detektor auf Basis des AD8362 zeigt, dass mit einfachen Mitteln eine hohe Empfindlichkeit erreicht werden kann – ideal für alle, die sich mit kleinen Antennen auf die Spur schwacher kosmischer Radiosignale begeben wollen.