(language version)

47 GHz EME – „fakta a nová zjištění“ [2020]

Pokrok v pásmu 47 GHz s EME v roce 2019

DL7YC & DC7KY (volný překlad Matěj, OK1TEH)

V únoru 2020 se v Dorstenu konala 42. mikrovlnná konference, na níž přednesli Klaus, DC7KY a Manfred, DL7YC zajímavou přednášku o historii a současných možnostech 47 GHz EME. Přednáška byla založena na zkušenostech a znalostech (k lednu 2020) od řady předních stanic, které se věnují mm EME, jako jsou Mitsuo JA1WQF, Jose EA3HMJ a Iban EB3FRN, Hans PA0EHG, W5LUA, VE4MA, K6MG (např. AD6FP), DC7KY , DL7YC a Sergei RW3BP, který vystupuje jako "přítel na telefonu" (v současné době spíš experimentuje s 76 GHz EME hi).

DL7YC řekl: společně jsme s Klausem DC7KY na tomto tématu intenzivně pracovali v průběhu roku 2019 a výsledkem je tento článek. Ačkoli 47 GHz EME QSO s W5LUA dosud neproběhlo, můžeme již oznámit některé dílčí úspěchy.

Měřicí technika

Správná měřicí technika je vždy klíčovým prvkem jakékoli seriózní práce na mikrovlnných pásmech. V pásmu 47 GHz je měření parametrů o něco složitější, protože obvyklé 50 GHz VNA s příslušenstvím jsou velmi drahé a vlastní je jen malý počet radioamatérů.

Obr. 1 - Můstek pro měření útlumu odrazu 50 GHz použitý při kontrole zesilovače pracujícím na 23,5 GHz / 200mW od DL2AM. Na obrázku je vidět zdvojovač 23,5 GHz / 47 GHz. VF vstup můstku je spojen pomocí samočinně laditelného přechodu z kruhového vlnovodu na K-konektor.

Během roku 2019 jsem s potěšením rozšířil své měřicí komponenty o několik nových kusů. Při tom jsem přišel na zajímavý poznatek, že konektory typu K nejsou příliš vhodné pro měření na 47 GHz. Konektory typu K jsou ještě použitelné, ale je to s nimi stejné jako s konektory SMA na 24 GHz, nemůžete s nimi provádět žádná přesná měření !!

Z dobrého důvodu je SMA konektor s teflonovým dielektrikem doporučen pro použití pouze do 18 GHz a K-konektory do 40 GHz. Není divu, že průmysl, pracující v rozsahu 40-50 GHz používá 2,4 mm konektory.

Kromě nákupu různých 2,4mm jumperů mě toto zjištění vedlo také k nákupu (na eBay) směrové odbočnice WR22, magického T na  WR22, profesionální horn antény se vstupem WR22 a dvou adaptérů WR22 / 2,4 mm. Potřebné technické vybavení bylo dokončeno zakoupením vlnovodného detektoru WR22 pro Network analyzer. Od té doby jsem měl všechny potřebné komponenty pro srovnávací a reprodukovatelné měření, které jsem mohl s důvěrou použít.

Trochu později Thomas, DC7YS téměř dokončil měřicí laboratoř nákupem výkonové sondy praucující na 50 GHz. Od té doby mi chybí pouze jedna 50 GHz šumová hlavička (v současné době je zapůjčena Eddymu, ON7UN).

Proč jsem takové komponenty potřeboval? Důvody bude vysvětleny v další části článku.

Nejprve však seznam důvodů, proč se EME 47 GHz zásadně liší od nižších mikrovlnných pásem:

1.) Požadavky na přesnost povrchu paraboly se dramaticky zvyšují ve vyšším mm pásmu (viz Ruzeho rovnice: Zisk 0 - 685,81 * (RMS / 6,4 mm vlnová délka). 2)
2.) Je požadována přesnost trackingu 0,015 stupňů (pro 2,4 m parabolu).
3.) Útlum na trase je asi -237 dB, dokonce větší než při 24 GHz.
4.) Vliv teploty troposféry.
5.) Útlum způsobený hustotou vodní páry vzduchu.
6.) Útlum způsobený mraky.
7.) Vliv offsetu prostorové polarizace.
8.) Vliv librace Měsíce, který má za následek rozptyl (spread) odraženého signálu.
9.) Vliv stability signálu a šumu způsobeného oscilátory u obou stanic.

Většinu těchto faktorů lze vypočítat ve VK3UM's Atmosphere Absorption Calculatoru (v.1.25) a VK3UM Libration Calculatoru (v.1.15).

Parabolická anténa

Zde se nejedná POUZE o problém s přesností parabolického tvaru antény, ale se zvyšující se frekvencí roste také hodnota RMS (v mm) popisující „drsnost povrchu“. Podle datového listu má 2,4m parabola DL7YC na 24 GHz udávanou hodnotu RMS <0,5 mm, což v důsledku Ruzeho rovnice (8) znamená, že zatímco v pásmu 24 GHz budou ztráty pod 1 dB, v pásmu 47 GHz dojde ke ztrátě až 4dB !!

Je tedy zřejmé, že maximální pozornost musí být věnována oběma parametrům, jak přesnosti povrchu paraboly, tak i jejímu tvaru. Není náhodou, že „profesionálové“ používají rotační plné parabolické reflektory až do pásma 122 GHz!

Na základě těchto znalostí jsme požádali výrobce paraboly o ověření, zda přesnost výrobní formy vyhovuje pásmu 47 GHz. Využili jsme skutečnost, že v roce 2018 měl výrobce v úmyslu zkontrolovat přesnost povrchu 2,4 m paraboly pomocí speciálně navrženého optického měřícího zařízení. Zrcadlo, které bylo měřeno výrobcem, mělo průměr 2400 mm a ohniskovou vzdálenost 910 mm (f/D = 0,385) a metoda měření těchto reflektorů se nazývá Fotogrammetrie .

Bohužel, po dokončení měření nemohl výrobce zlepšit přesnost pod 0,5 mm. Ale někdy, když to již nečekáte, se na nás usměje štěstí! Nakonec se zdá, že skutečná hodnota je mnohem lepší, jak výmluvně dokazuje obrázek č.2 níže. Na obrázku můžete vidět odraz slunce odražený dvěma úzkými reflexními páskami kolmo přilepenými k povrchu paraboly.

Navzdory skutečnosti, že každý odrazný pásek byl velice dlouhý, nakonec bylo Slunce promítnuto na kryt ozařovače nečekaně dobře s maximem v jednom ostrém bodě. První elektrická kontrola měření šumu na 47 GHz (která byla provedena 22. října 2019) vyústila v naměřených 6,8 dB Slunečního šumu, zatímco Měsíční šum byl 0,51 dB (2,4 m středová parabola, VE4MA superfeed, 5,5 dB NF LNA, teplota 18,1 stupně C, 78% rel. Vlhkost). Další údaje o měření jsou popsány v kapitole LNA.

Nečekaně se ukázalo, že sledování Slunce pomocí paraboly na 47 GHz bylo jednodušší než v pásmu 24 GHz. Čím to bylo způsobené?

Úhel otevření antény na 47 GHZ pro -3 dB je pouze 0,19° - ale Měsíc je při pohledu ze Země široký kolem 0,5 stupně. Protože elektromagnetické záření ze Slunce „zjevně“ pochází ze slunečního kotouče (okraje jsou vzdálenější, ale nejedná se o koherentní záření, poloha fáze je irelevantní), můžete hlavním lalokem antény přes sluneční kotouč pohybovat až 2,5krát, aniž by se změnila úroveň šumu!! To byl pro mě zcela nečekaný jev ...

V případě echo testů je však situace přesně opačná. Jak působivě spočítal Dimitry, UA3AVR, je-li střed "bodu" generovaného na Měsíci široký 0,026 stupňů pro -1dB, signál je ztracen pokud je nepřesnost od středu Měsíce 0,015 stupňů, má to za následek ztrátu až 0,5dB.

Výpočet ztráty signálu v případě odchylky od středu Měsíce následuje na obrázku č.3:

Požadovaná přesnost otáčení antény (tracking) je v amatérských podmínkách těžko dosažitelná. Lze však použít metodu optického zaměřování známou od počátků provozu EME, jako to v tomto případě udělal DC7KY (ale funguje samozřejmě pouze za podmínek bezmračné oblohy). Jedná se o sledování Měsíce sledování pomocí astro čočky s vysokým rozlišením a webové kamery. Rychle si uvědomíte, že opravdu efektivní je pouze plynulé sledování Měsíce, protože udržuje hmotnost antény v pohybu bez otřesů. Dalším probíhajícím projektem je modernizace rotorů EGIS pomocí krokových motorů.

(vhodnou fototechniku jako jsou fotoaparáty, objektivy, sluneční a měsícové filtry je možné za 285 € koupit na webu: www.astroshop.de / Omegon Module Finder, Orion StartShoot USA, Omegon Advanved Finder Base, Omegon Finder Shoe Vixen, Bader sun filter film).

Poznámka OK1TEH: Další možností je použít pro automatické navádění antény (tracking) systém F1EHN, který umožňuje točit s anténou v případě použití vícebitového enkoderu s přesností až 0,01 stupně. Takový systém používají například u OK1KIR pro pásmo 24 GHz, kde točí se 4m parabolou s přesností 0,02deg za pomocí čidel IRC z produkce ZPA Netolice. Willy LX1DB používá pro příjem EME signálů v pásmu 47 GHz 3m parabolu Andrew, k jejíž ovládání používá rovněž systém F1EHN, s nímž dosahuje přesnosti 0,045deg. Pro upřesnění mi sdělil, že používá 19200 bitový encodér "Peppel + Fuchs Singel turn Absolutwertgeber parallel Ausgänge". Pro AZ používá šnekový převod a pro elevaci satelitní superjack. Na závěr malá poznámka, obdobný systém OE5JFL je limitovaný velikostí bufferu procesoru (89C51ED2), podporuje tedy pouze 12bit encoder a umožňuje tak točit pouze s přesností 0,1stupně, což stačí max. pro pásmo 24 GHz.

          
Fig. 4 The complete module-finder for Moon observation                                               Fig. 5 The moon at camera - a tracking aid

Ozařovač typu Horn

(W2IMU / W6KBL / RA3AQ f. Offset-dish / VE4MA Super-Feed / Prime-focus)

Jak můžete číst ve známém Antenna handbooku W1GHZ, pro určitý poměr F/D je vždy vyžadován speciálně dimenzovaný feed-horn. Pro pro běžný typ paraboly (většinou s poměrem F/D od 0,32 do 0,45) je vhodný super-feed-horn VE4MA s úzkým lemem. Pro ofsetovou parabolu potřebujete primární posuv s mnohem větším ziskem, tj. s menším úhlem otevření. Ozařovač typu Feed-horn použitelný pro 47 GHz EME musí mít výstup přímo na vlnovod (WR-19 nebo WR-22), který umožňuje přímé připojení k vlnovodnému relé.

Nyní opět nastává doba použít výše zmíněný Network Analyzer a impedanční můstek.

U obou výše uvedených primárních zářičů se „tvarováním paprsku“ pokoušíme dosáhnout poněkud pravoúhlejšího přiřazení hlavního zrcadla. Konkrétně:

1) S feedhornem Kumar dosáhl VE4MA středního odsazení laloku výběrem zádrže vnějšího prstence, čímž se na obou okrajích vytvořila vyšší energetická hustota; tzv. VE4MA Superfeed ....

2) U multimodových zářičů je vyšší hustota energie generována na sekundárním emitoru překrýváním vlny TE10 vlnou TE20 (přechodné rozšíření emitoru). Takové řešení je vhodné právě pro systém s větším poměrem F/D.

Přechodová část, která vytváří multi-mode, je zobrazena samostatně na dalším obrázku. Přesnost dodržování rozměrů posuvu by měla být lepší než 0,1 mm - při 47 GHz by přesnost provedení měla dosahovat hodnot kolem 0,02 - 0,03 mm.

Obr. 6 - Feedhorn W2IMU s přechodovou částí

Počáteční snahy optimalizovat ozařovač "naslepo" bez použití VNA nebyly příliš úspěšné. Feedhorn by měl mít útlum odrazu alespoň (SWR <1,2) 20 dB, což zajistí, že: a) LNA nebude kmitat, b) Naměřené hodnoty NF mohou budou použitelné v reálném provozu.

K měření hodnot útlumu odrazu (RL) různých ozařovačů jsme použili koaxiální 50GHz měřicí můstek, pět WR19 vlnovodů / koaxiální adaptéry s přesnými K-konektory (vyrobené na jaře 2019). Porovnáním délky středových vodičů a vzdálenosti konců zkratu vlnovodu (back shorts) lze dosáhnout vynikajících hodnot útlumu odrazu přes 25dB. Naměřený útlum vedení byl nicméně příliš vysoký, tj. kolem 1dB.

Další opakované měření s těmito přechody (pokud jsme změnili konfiguraci měření) však vedly k značně nestabilním hodnotám. I ty nejmenší změny v délce vlnovodu významně změnily výsledky měření ozařovače. Muselo to být kvůli konektoru K, který již není vhodný pro pásmo 47 GHz, a skutečně, po nahrazení K-konektorů vlnovodným adaptérem na 2,4mm konektory bylo konečně možné opakovatelně měřit!

WR22 / WR19 vlnovodné relé

Jak je známo, kvalitní mechanické otočné vlnovodové přepínače pro pásmo 47 GHz mají velmi složitou konstrukci, zejména pak pokud je vyžadován velmi nízký útlum a dobrá izolace portů (> 60 dB) mezi TX a RX portem. Domácí konstrukce takového přepínače se opravdu nedoporučuje!

Thomas, DC7YS to zkusil a postavil takové malé vlnovodné přepínače pro pásma 47 GHz a 76 GHz. Nicméně i přes pozlacení povrchu nikdy nedosahovaly takových parametrů, jako

Profesionální verze vlnovodných relé od firem FLANN Microwaves nebo Millimeterwave Products

Obr. 7 - Vlnovodné relé s řídící deskou

Jak již bylo vysvětleno výše, (drahá) měřící technologie nám pomáhá zjistit, kde přicházíme o každý zlomek dB. Po změně koaxiální části síťového analyzátoru na technologii pracující s 2,4mm konektory jsme dokázali zjistit, že ztráta celého řetězce (měřicí můstek / koaxiální přechod / přepínač WR22 / detektor WR 22) byla pouze 0,1 dB.

Nízkošumový předzesilovač pro pásmo 47 GHz
(chlazený a nechlazený)

Mezitím jsme dále pokračovali ve vývoji vhodného EME LNA.

Koupili jsme 10 kusů tranzistorů CGY2260UH/C1 MMIC a vyrobili jsme několik pokusných kusů vlnovodného LNA. Dosažené výsledky byly úžasné!!

V první várce 5 kusů předzesilovačů pro vlnovod WR22 nebo WR19 jsme naměřili zisk přes 20 dB a hodnoty šumu přibližně mezi 2,3 - 2,0 dB při teplotě 17 °C. Dva čipy se staly „oběťmi“ vývoje LNA, a jsou tedy nadále nepoužitelné. Druhá dávka 5 kusů je v současné době ve výrobě.

Obr.8:   47 GHz LNA DL7YC s 50GHz šumovou hlavičkou - ochlazený na +4 °C.

Pokus ochladit zesilovače na 0 °C studeným postřikem (mrazicí spray) zlepšil výsledek šumu o 0,2 - 0,3 dB !!

Při laboratorním testování se však okamžitě objevil problém s kondenzací vody na studeném povrchu a tento problém bude nutné v budoucnu dále prozkoumat. Je též možné chlazení LNA pomocí Peltierova prvku, což bude předmětem dalších pokusů.

Poznámka OK1TEH: Problém kde sehnat vhodný nízkošumový LNA řeší nejedna stanice, která chce začít pokusy s pásmem 47 GHz. Výroba takového LNA v domácích podmínkách je díky nedostupnosti kvalitního měřiče šumového čísla (či spíš přesněji hlavně šumové hlavičky) extrémně náročná a dalším problémem je zvládnutí technologie bodování čipu. Pokud doma nemáte kvalitní laboratoř, můžete vzít zavděk Kuhne 6mm LNA, který dosahuje kolem cca 5,0dB NF. Asi o 0,5dB lepší LNA v ČR v minulosti vyrobil Aleš, OK1FPC. V případě, že nemáte hluboko do kapsy, můžete se nechat inspirovat LX1DB, který si u firmy SPACEK LABS (ano, Špaček Labs) objednal na míru postavený LNA Model SL 472-18-3m, který dosahuje 18dB zisku a šumové číslo za pokojových teplot mezi 2,4 až 2,8dB.

Obr.9: LNA při +4 °C                  Obr.10: Čtyřstupňový Peltierův modul zalitý a namontovaný na chladič

QRO zesilovač pro pásmo 47 GHz

Největším problémem 47 GHz EME je vygenerování alespoň 10 wattů VF výkonu, nezbytného pro EME QSO.

Pokud chcete získat více výkonu, než kolik dává samotný transvertor DB6NT (50-100mW), můžete použít čip TGA4046 od Qorvo (tranzistor je použit v MKU PA 6MM PA). S tímto široce používaným čipem je možné bezpečně generovat výkon kolem 1,2 wattů. Kombinaci těchto zesilovačů se EA3HMJ podařilo získat i větší výkon, konkrétně zkombinoval dva kusy MKU 6 mm PA a třetí použil jako budič. Výsledky jsou uvedeny níže:

Obr.11:  Dvojnásobný zesilovač DB6NT od firmy Kuhne, každý z nich dává 1.3 wattů výkonu na  47GHz

Obr. 12: Výstupní výkon za vlnodoným slučovačem WR19

4 x TGA4046 (je možné dosáhnout 7 - 9 wattů výkonu ??)

Následující obrázek ukazuje obdivuhodný pokus Mitsu, JA1WQF a Yuki, JA8CMY o 10W PA s tranzistory TGA4046. Tento zesilovač bohužel ještě není plně funkční, ačkoli polovina modulů již nyní poskytuje 5W výstupního výkonu. Hlavním problémem je kombinace obou polovin pomocí správného posouvače fáze.

Obr. 13: EME QRO PA od JA8CMY s 10x TGA 4046 navržený pro výstupní výkon 10 W na 47 GHz

Je nutné dodat, že pro vybuzení zmíněného SSPA o výkonu 9-10 wattů je třeba použít budič o výkonu 2x + 30 dBm (> 2 W).

APN167 (43-46 GHz / výstupní výkon 9 wattů)

Jak již bylo uvedeno v roce 2019, kromě dobře známého TGA4046 od firmy Qorvo existuje také APN 167 MMIC od americké společnosti Northrop Grumman. Tato technologie bohužel podléhá embargu a zákazu vývozu mimo území USA  (GaN Power Amplifier Web: http://www.as.northropgrumman.com/mps ). Možná je to ale dobře, protože brzy byl uveřejněn nový MMIC určený po použitý 5G aplikacích, konkrétně:

APN318 (47 - 51GHz / výstupní výkon 12 wattů)

Je pravděpodobné, že s postupujícím rozšířením technologie 5G bude tento čip MMIC brzy dostupný i v Evropě.

 
Obr. 14: Data sheet pro 12W MMIC APN318 pracující v pásmu 47 GHz, zdroj https://www.northropgrumman.com/wp-content/uploads/Microelectronics-APN318.pdf

Než bude tento americký MMIC dostupný, mezitím se DL7YC snaží vyrobit 10W PA s francouzským čipem OMMIC:

CGY2651UH/C1

Tento tranzistor OMMIC je navržen tak, aby poskytoval výkon 10 W v rozsahu 37 - 43 GHz !! Zveřejněná data-sheet sice končí na 44 GHz, ale tranzistor má zde údajně stále plný výkon + 40dBm (10Watt). Na následujících obrázcích můžete vidět testy DL7YC s jeho oživováním v laboratoři.

Obr.14: OMMIC CGY2651UH-C1

Obr. 15: CGY2651UH-C1 buzen transvertorem DB6NT

Zatím to nevypadá příliš slibně, že by s tímto čipem bylo možné dosáhnout očekávaného výstupního výkonu. Podle Sergeje, RW3BP je obecně mnohem obtížnější používat čip na vyšších frekvencích, než pro které byl navržen, než by tomu bylo naopak.

Děliče a slučovače výkonu v těle čipu mohou být částečně doladěny přidáním externích transformačních prvků, ale bohužel toto lze provést pouze omezeně.

Zatím jsme se však nevzdali a v případě úspěchu vás budeme informovat.

Stabilita oscilátoru

Až do doby před několika měsíci jsme všichni, včetně autora, věřili ve frekvenční stabilitu a přesnost lokálních oscilátorů zavěšených na GPS.

Poprvé jsem změnil svůj názor na začátku roku 2019 při příležitosti lokálního mikrovlnného setkání, kde jsme porovnávali různé /P tropo stanice pracujících v pásmech 47/76/122 GHz. Otázka byla, proč se někdy stává, že telegrafní signál zní tak „drsně“ - a na SSB je signál někdy nečitelný? Po těchto testech jsem na tuto záhadu opět úspěšně zapomněl až do doby, dokud nezačal být Klaus, DC7KY posedlý myšlenkou použít WSJT pro 47 GHz EME, konkrétně šlo o módy JT4G a JT4H. Jak je známo, takový mód je založen na vysílání a příjmu 4 různých frekvencí s třemi stejnými intervaly.

Díky EME efektu Librace bude příjem KAŽDÉHO z těchto 4 tónů vést k více či méně velkým zkreslením frekvence. „Umění“ dekodéru je vytvořit jedinečné QRG přiřazení vysílané frekvence, i když existuje významná odchylka od střední frekvence. Funguje to docela dobře, dokud se tóny neztrácejí v šumu (i když dekodér ví, kdy a kde by se měl šum zvýšit a kde by se měl signál nalézat).

Nyní je rychle zřejmé, že kmitočtová nestabilita, coby další příspěvek statistické odchylky od (vysílané a přijaté) frekvence může dekódování ztížit nebo znemožnit !!

To přimělo Klause, aby provedl komplexní šetření všech dostupných standardů OCXO a Rubidium kontrolovaných pomocí GPS. Výsledkem bylo, že kromě jednoho byly všechny nepoužitelné pro pásmo 47 GHz !!!!!

Níže je několik obrázků ze série testů. Můžete jasně vidět, co je použitelné - a co ne. Řídicí smyčky oscilátorů 10 MHz nejsou obvykle určeny pro „konečné použití“ v mm rozsahu vln. Skutečná frekvence 10 MHz je vždy dosažena - ale často se „pohybuje“ i po okolí. Odchylka 0,1 Hz při 10 MHz vede k odchylce 47 Hz na 47 GHz! Odchylky jsou často mnohem větší, což má katastrofické účinky. Existují také velké rozdíly v přesnosti reálných GPS přijímačů.

(OK1TEH's note: když jsem se ptal Manfreda na GPSDO Leo Bodnara http://www.leobodnar.com/shop/index.php?main_page=product_info&cPath=107&products_id=301  odpověděl mi "co až dosud vím, tak, tak Bodnarovo GPSDO je špatné a zatím nepoužitelné pro 47 GHz EME.")

Těch dodatečných fiktivních 47 Hz může „posunout“ vysílací signál i bez efektu Librace a způsobit, že dekodér WSJT zaznamená tón vyšší (nebo nižší). To znemožňuje bezchybné dekódování i při dostatečné síle signálu.

Výše uvedená vysvětlení také jasně ukazují, proč je Librační rozptyl o velikosti 150-200 Hz horní hranici při přenosu digitálních signálů. Při větším srozptylu už je možné použít POUZE CW (s kvalitou signálů podobnou Rain Scatteru)!

Zde jsme pět v pásmu 122 GHz u mého setupu pro portable: Z důvodu zjednodušení jsem použil oscilátor MORION 10 MHz bez GPS. Nemusí být vždy na správném QRG, ale frekvence není „kolísavá“. Jak vidíte, díky experimentům s EME je možné získat znalosti užitečné i ve zcela jiné oblasti !!

RX: DF9NP / TX: Morion OCXO

RX: Čínské GPS / TX: Morion OCXO

RX: Řešení G3RUH / TX: Morion OCXO

Všechny obrázky z WSJTX ukazují vysílaný signál přímo v pásmu 47 GHz a oddělený příjem znovu v pásmu 47 GHz !!! Spektrální obrázky jsou příkladem velkého počtu oscilátorů zavěšených na  GPS, které byly testovány v náhodném pořadí.

Sledování Slunce / Měsíce parabolou v pásmu 47 GHz (tracking)
pomocí rotátoru EGIS (přesnost 0.015 stupně)

V požadavku na automatické otáčení antény - "drž ten talíř nasměrovaný na Měsíc" ve smyslu umožnit měření měsíčního šumu a optické sledování, je, jak již bylo uvedeno, vyvinout další úsilí, jako je např. nahrazení stejnosměrných motorů za krokové motory a upravit napětí v šnekových převodech. Vhodné řešení asouvisející prvky jsou předmětem současných testů.

Souvisí to s již známým vlivem (z EME na 24 GHz), že přijatelná nepřesnost ve sledování Měsíce k ověřování měsíčního šumu na úrovni 1.7dB je jen 0.1 - 0.2dB!

Na 47 GHz se požadavky opět zvyšují, protože anténní lalok velké paraboly je ještě užší a není už ozářen celý průměr Měsíce. Jak už bylo uvedeno výše, dokonce i ta nejmenší odchylka přináší výraznou ztrátu signálu.

Anténa by měla být dotáčena nejméně každých 15 vteřin na 24GHz a na 47GHz tento čas spadne na 3-5 vteřin, nebo ještě lépe - zajistit trvalé pomalé (analogové) dotáčení - zdá se, že téměř nepřerušované dotáčení využívající krokové motory by mělo řešit otázku přesnosti a vibrací, které se jinak objevují při posunu s pohonem pomocí stejnosměrných motorů z důvodu vibrace při zrychlení celé hmotnosti antény.

Jak již bylo uvedeno, existují vysoké požadavky na "přesný tracking" antény. Například použití rotátorů Egis je možné pouze za specifických mechanických podmínek s přesností pod 0,1 stupně. Taková přesnost se nicméně nezobrazuje na displeji řídicí jednotky. V pásmu 24 GHz má parabolická parabola o průměru 2,4 m vypočtený úhel otevření pro -3dB  0,364 stupně - při 47 GHz má pak hlavní lalok pouze  0,186 stupně.

Jak je vidět, zajímavé poznatky lze získat i z prostého měření šumu Měsíce a Slunce !!

Negativní vliv na přenosovou cestu vlivem dodatečného útlumu
- Programy pro výpočet přenosové cesty

(EMEcalc, Atmosphere Absorption a LibCalc od VK3UM SK)

Vlivy libračního spreadu rozptylem signálu od měsíčního povrchu.

Vliv teploty vzduchu (na zemi i ve větší výšce).

Hustota vodních par ve vzduchu.

Absorpce mraků.

Vliv prostorového úhlu.

Vliv stability signálu a šumu způsobeného oscilátory obou stanic.

Obr.16 - Křivka šíření signálu v důsledku účinků Libace (7 dní)

Při 45 stupňové elevaci s předpokládaným atmosférickým útlumem 0,2 dB/km na 47 GHz dosahuje celkový útlum signálu v atmosféře přibližně 2,0 dB. Při elevaci 20 stupňů je ztráta již 3dB!!

Vzhledem k již velmi vysoké ztrátě díky velkým vzdálenostem EME na 47GHz musí být minimalizovány dodatečné ztráty způsobené Librací, prostorovým úhlem a zvýšeným útlumem v důsledku absorpce v atmosféře (nízký úhel sklonu antény).

Obr.17 - Graf spektrální šířky ozvěn jako funkce úhlu elevace. Minimum nastalo v 03:15 UTC.

Výběr správného času pro QSO (nebo pro echo test) je nesmírně důležitý, protože všechny faktory se ve výsledku sčítají. Existuje však zásadní rozpor mezi nejmenší spektrální šířkou (spreadu) signálu (v době minimální Librace), ke které dochází pouze v době vycházejícího / zapadajícího Měsíce, a přidaným útlumem atmosféry, kdy nejnižší atmosférický útlum nastává při vysokých elevačních úhlech. Ve vysoké elevaci ale Liberace bohužel dosahuje svého maxima !! Nejlepší čas pro maximální sílu EME signálů v pásmu 47 GHz musí být ještě ověřen při praktických experimentech; ale odhadem je optimální elevace někde kolem 25 - 35 stupňů.

Obr.18 - Poloha Měsíce a velikost dopplerova posunu u dvou různých EME stanic ve stejném okamžiku.

Pokud simulujete možné 47 GHz EME QSO mezi UN6PD v Kazachstánu a DL7YC v Berlíně, můžete vidět v softwaru prostorový úhel neboli „SPATIAL OFFSET“ platný pro obě stanice. V tomto případě je rozdíl polarizačního úhlu - 49 stupňů - což není ideální a může to přinést další ztráty.

Jediným způsobem, jak tuto věc vyřešit, je použít vlnovodný překrut „twist“ nebo kruhovou polarizaci. Například, JA1WQF nainstaloval takový 38-stupňový vlnovodový překrut pro jeho úspěšný pokus příjmu EME signálu od W5LUA.

Měření slunečního šumu na 47 GHz

Nejvyší hodnoty slunečního a měsíčního šumu dosáhl JA1WQF v lednu 2020 za pomocí jeho nového LNA se šumovým číslem 2,3dB a 2,4m pf parabolou s cassegrainem. Konkrétně šlo o:

Přes 8.9 dB slunečního šumu , a přes 0,9dB šumu Měsíce

Uvedená čísla silně kolísají a závisí na teplotě vzduchu, obsahu vodní páry ve vzduchu, na výšce obou antén a na mnoha dalších faktorech. DL7YC právě zahájil řadu měření, jejichž výsledky ještě nebyly v únoru 2020 k dispozici. Výsledky budou zveřejněny v rámci prezentace na mezinárodní EME konferenci 2020 v Praze..

Protože citlivost LNA byla snížena z >5,0 dB NF na méně než 2,0 dB šumového čísla díky použití nových tranzistorů MMIC, oboustranné EME QSO je nyní již jen otázkou času a závisí pouze na dokončení jednoho PA dodávajícím trvalý výkon o hodnotě kolem 10W (W5LUA používá 30W TWT).

Jak je vidět na následujícím obrázku, pravděpodobnost obousměrného kontaktu se prudce zvyšuje se snižující se hodnotou šumu a zvýšeným vysílacím výkonem:

Obr.19 - Výpočet parametrů stanice v závislosti na průměru paraboly, šumového čísla předzesilovače, výstupním výkonu a atmosférickým ztrátám

... a konečně důležitá připomínka:

Nezapomeňte na rovnici pana RUZE (Poznámka: zdroj WIKIPEDIA https://en.wikipedia.org/wiki/Ruze%27s_equation )

Ruzeho rovnice vyjařuje vztah zisku antény s vlivu náhodných RSM chyb přesnosti povrchu. Rovnice je aplikovatelná na parabolický reflektor a antény a nedávno byla rozšířena I na fázovaná pole. Rovnice je pojmenována po Johnovi Ruzeovi, který rovnici představil v publikace, kterou napsal v roce 1952. [11] Rovnice uvádí, že zisk antény je nepřímo úměrný exponenciálu čtverce RMS povrchových chyb. Matematicky lze rovnici parabolických reflektorových antén vyjádřit jako:

G ( ε ) = g ₀ – 685.81 ( ε / λ )²  (dB)

kde ε je povrchová chyba RMS reflektoru, λ je vlnová délka a G ₀ je zisk antény (dBi) v nepřítomnosti povrchových chyb.

... Což vlastně neznamená nic jiného než prosté dělení naměřené „povrchové chyby“ RMS vlnovou délkou (v mm), její umocnění a přidání násobku 685,81. S RMS <0,5 mm v KAŽDÉM bodě povrchu reflektoru, při frekvenci 47,088 GHz dochází ke ztrátě 4,22 dB oproti ideálnímu zisku!!!

Ztráta -4dB @ 47 GHz snižuje teoretickou hodnotu zisku paraboly z 59 dBi na 55 dBi. Za předpokladu 60% účinnosti to odpovídá úhlu otevření -3dB = 0,17 stupně.

Pro srovnání: na 24 GHz stejná hodnota povrchové chyby RMS <0,5 mm vede "pouze" ke ztrátě 1dB ve srovnání s teoretickou hodnotou zesílení paraboly 53 dBi. To odpovídá 52 dB / -3dB úhel otevření = 0,35 stupně.

Jaké jsou výsledky různých metod měření?

Je dobře známo, že přijímaný a vysílaný výkon je přímo úměrný velikosti povrchu paraboly. Větší paraboly jsou tedy výhodnější za předpokladu, že mají dostatečnou přesnost povrchu (viz Ruzeho rovnice).

Obr. 20 - Vylepšení příjmu užitím větší parabolické antény

Jak je vidět na obr. 6, výběr většího parabolického reflektoru teoreticky vede ke značnému zlepšení příjmu.

Jak již bylo zmíněno, přesnost použitého reflektoru je ovšem klíčová.

Chlazení předzesilovače na 0 °C (např. Pomocí Peltierových prvků) může snížit hodnotu šumu z 2,1 dB na hodnoty kolem 1,8 - 1,9 dB !! Komplexní chlazení kapalným dusíkem proto již není nutné (a rozumné), protože jako omezujícím faktorem se stává vlastní teplota Měsíce.

Obr.21 - Vztah zlepšení příjmu v závislosti na šumovém čísle předzesilovače

S výše uvedenými znalostí se otázka dostupného vysílacího výkonu postupně upozaďuje. Pokud byl v roce 2005 stále předpokládán minimální požadovaný výkon na 47 GHz přes 30 W, s dnešními znalostmi je potřebný výkon mnohem nižší.

Na základě vypočtených hodnot z VK3UM EME Performance Kalkulátoru:

(s účinností zrcadla> 60% a použitím správného feedu)
Povrchové ztráty <0,5dB,
příznivé teplota a rel. vlhkost (studené a suché počasí)
den s nízkou librací (<150 Hz) a příznivou elevací (> 25 stupňů)
Korekce prostorového úhlu nastavením stočení ozařovače
stabilní lokální oscilátor (nezapomeňte na pochybný vliv smyčky GPS !!!)
47 GHz kontrola přenosového signálu "naživo" s ohledem na stabilitu signálu)

by za ideálních podmínek mělo být možné s výkonem 2,5 - 5 wattů na 47 GHz vidět vlastní echo na vodopádu. A pokud se toto podaří, pak už nebude dlouhá cesta ke skutečnému JT4F nebo JT4G QSO ....
 

Dodatek - 50 GHz polovodičová šumová hlavička
(další text je již pouze v angličtině)

IEEE: A Noise Source Module for In-Situ Noise Figure Measurements From DC to 50 GHz at Cryogenic Temperatures
Daniel Bruch ; R. I. Amils ; J. D. Gallego ; M. Seelmann-Eggebert ; B. Aja ; F. Schafer ; C. Diez ; A. Leuther ; M. Schlechtweg ; O. Ambacher ; I. Kallfass

Document Sections
• I. Introduction
• II. Module Components and Design
• III. Measurement Setup
• IV. Measurement Results
• V. Conclusion
Authors, Figures, References, Citations, Keywords, Metrics

Abstract:

This letter presents the design and performance of a noise source module for in-situ noise temperature measurements at cryogenic temperatures. The noise source module operates from DC up to 50 GHz and is suitable for measurements of noise temperatures as low as a few Kelvin, achieving a measurement accuracy of about ±1.2 K. The GaAs MMIC used in the module includes a well matched 50 Ω termination with better than 20 dB return loss, a heating element and an on-chip temperature sensor, hence the noise source module can directly be connected to the device under test (DUT) with no additional elements or transitions needed. The measurement can then be taken with standard noise measurement equipment. Noise temperatures as low as 13 K have been measured in Ka-band with this device. Due to the ease of use, the good matching, the extraordinary bandwidth and the less involved calibration technique, the noise source module outperforms the ….

Zdroje:

(1) W1GHZ Antenna Handbook; www.w1ghz.org

(2) PREAMP https://www.ommic.com/product_lna/?ref=CGY2260UH%2FC1

(3) 2Watt Amp https://www.qorvo.com/products/p/TGA4046 (2 Watt@47GHz/6V – 2A)

(4) 10Watt https://www.ommic.com/datasheets/OMMIC_ADI_PA_CGY2651UH-C1.pdf

(5) 12Watt max. http://www.northropgrumman.com/BusinessVentures/Microelectronics/Products/Documents/pageDocs/APN318rev.pdf (GaN 11-12 Watt @ 47 GHz / )

(6) High-Efficiency Feedhorns for Prime-focus Dishes, VE4MA and Chaparral feeds with Septum Polarizers, Paul Wade W1GHZ ©2006, w1ghz@arrl.net measurements by Tommy Henderson WD5AGO wd5ago@arrl.net

(7) IEEE: A Noise Source Module for In-Situ Noise Figure Measurements From DC to 50 GHz at Cryogenic Temperatures

TNX DL7YC za poskytnutý materiál! pro web ok2kkw.com z německého originálu přeložil a editoval OK1TEH