Aarde-maan-aarde verbindingen 1
Radioverbindingen via de maan als reflector is een van de meest tot de verbeelding sprekende facetten van onze hobby. Wat er komt kijken voor EME (earth-moon-earth) verbindingen, ook wel moonscattering genaamd, wordt in het hierna volgende artikel haarfijn uit de doeken gedaan.
Inleiding
Met de opkomst van radar werd onze naaste buur in de ruimte al in de jaren vijftig voor EME radar experiment gebruikt. De eerste die maanecho's aantoonde, was de Hongaar Z. Bay. Omdat de echo's zo zwak waren, gebruikte hij een aantal trucs om toch de signalen die in de ruis lagen te detecteren. De maan staat zo'n 390.000 km van ons af, dus een radiosignaal heeft 2,5 seconde nodig om heen en terug te gaan. Ligt een signaal in de ruis, dan kan men b.v. alleen letten op signalen die 2,5 seconde na de uitzending worden opgevangen. Voorts kan men heel veel echo's in de tijd sommeren, zodat de toevallige ruis zichzelf uit-middelt en de echo onder de ruis vandaan komt, omdat de echo samenhangend is. Bay gebruikte in zijn experiment waterontledingscellen om die echo's op te sparen en het nam per keer een half uur sparen om de echo aan te tonen! Elektrotechnici zijn natuurlijk kopschuw voor chemische filters en gingen aan het werk om de zender, de ontvanger en de antennes te verbeteren. Na een paar jaar werd het zelfs voor amateurs mogelijk om EME te plegen.
De propagatie
Een signaal dat op de maan reflecteert, kan overal vandaan komen, vanaf de rand tot het midden van de maanschijf. De maan is een bol, dus de rand is verder van ons af dan het midden. Het gevolg is dat de radioweg niet voor elke reflectie even lang is: de echo van de rand is 11 milliseconde later dan de eerste echo die van het midden komt. Een echo zou dan ook uitgesmeerd worden over een tijd van 11 milliseconden en modulatie zou niet makkelijk over komen, zo dacht men eerst. In praktijk ziet de maan er voor radiogolven veel vlakker uit, zodat de echo's vrijwel alleen uit een klein vlakje op het midden van de schijf komen, en de radiosignalen die de maan niet loodrecht treffen scatteren het heelal in. (Fig. 1)
Fig. 1 - Reflectie van golven op de maan.
Voor heel hoge frequenties neemt de "ruwheid" van het maanoppervlak toe en bij 30 GHz komen de echo's zowel van de rand als daar binnen terug, en wordt het signaal inderdaad in de tijd uitgesmeerd. Op 144 MHz is het reflectievlakje al zeer klein, in de orde van 1000 vierkante kilometer. Op 1296 MHz is dit reeds gegroeid tot een kwart van de maandoorsnede. Al met al blijkt de demping toe te nemen met de frequentie.
Tabel 1 geeft de demping ten opzichte van een isotrope straler. De waarden zijn gemiddelde gemididdeldelde getallen bij het perigeum, dat wil zeggen bij de minimum afstand van 362.000 km. Voor het apogeum, de verste afstand, is dedemping 2 db extra. De maan loopt in een ellips rond de aarde, maar houdt altijd dezelfdekant naar ons toe. Dit betekent dat we de maan moeten zien schudden en knikken en inderdaad treedt er libratie op. Zonder libratie zouden we 40% van het oppervlak kunnen zien, maar ongeveer 18% extra is door de libratie bewegingen zichtbaar. Voor radio echo's betekent dit een langzaam verloop van fase en ampitude, omdat de gehele echo bestaat uit zeer veel echo's. Elke berg, rots of krater scattert de radiogolf met zijn eigen fase en richting terug. Door een heel klein stukje te draaien kan de totale echo fors toe- of afnemen. Dit heet libratie fading: pieken en dalen van 10 dB komen in het radiosignaal voor. De fading is langzaam maar diep, en een EME signaal heeft op die manier een heel eigen karakter. Heeft men het een maal gehoord, dan kan men het direkt herkennen!
| Freq. (MHz) | Demping (dBi) |
|---|---|
| 50 | 248 |
| 144 | 257 |
| 220 | 261 |
| 432 | 267 |
| 1296 | 277 |
| 2304 | 282 |
De libratie fading is het sterkst als de maan hoog staat en is minimaal tijdens maansopgang en maansondergang.
In tabel 1 is eveneens geen rekening gehouden met de atmosfeer van de aarde die ook radioenergie verstrooit. De ionosfeer heeft nog een zekere lenswerking voor VHF en UHF golven maar het belangrijkste is de Faraday-rotatie. Het resultaat is dat de polarisatie van een golf gedraaid wordt door de ionosfeer als die erdoor gaat. Een horizontaal gepolariseerde golf wordt dan dus gedraaid en wordt deels verticaal. Vangt men eigen echo's op, dan kan het zijn dat de echo's er wel zijn maar dat de horizontale component (bij een horizontaal gepolariseerde antenne) te klein is om gehoord te worden. De operator hoort tot zijn grote ongenoegen geen eigen echo's terwijl hij b.v. in Amerika uitstekend te nemen is. Faraday-rotatie verandert slechts langzaam, maar het kan voorkomen dat bij lage maanstanden de weg door de ionosfeer lang genoeg is om 180 tot 360 graden polarisatie draaiing te verkrijgen. Echo's worden dan vrij plotseling zeer veel beter.
De aarde en de maan bewegen ten opzichte van elkaar en bovendien draait de aarde om haar eigen as. Deze laatste is het belangrijkste deel van de doppler verschuiving van de echo's. Op 144 MHz is de doppler verschuiving maximaal 450 Hz. Bij maanopkomst beweegt de maan naar ons toe en is de echo hoger in frequentie en bij maansondergang beweegt hij van ons af zodat de frequentie naar beneden verschoven wordt.
De antennes
Voor EME is de antenne zeer belangrijk. Elke decibel telt twee keer; immers een signaal gaat heen en terug door dezelfde antenne. Voor EME werk worden een aantal typen gebruikt: de yagi, de collineair en de parabool. Allereerst de eerste twee soorten, daar die relatief veel versterking voor hun afmetingen leveren. Tabel 2 laat zien wat theoretisch haalbaar is met diverse antennes.
| Antenne | Versterking (dBi) |
|---|---|
| yagi 3 golfl. | 16.0 |
| 4 yagis 3 golfl. | 21.8 |
| 8 yagis 6 golfl. | 25.6 |
| yagi 10 golfl. | 20.0 |
| collineair 64 el. | 20.0 |
| collineair 128 el. | 22.5 |
| extended coll. 128 el | .24.5 |
Op 144 MHz blijkt dat een yagi groep redelijk werkt. In praktijk is nl.een roundtrip versterking van 40 dBi nodig als minimum. Heen en terug 40 dB is dus 20 dB antenneversterking. Bij het stacken van yagis treden altijd wat verliezen op zodat een collineair op twee meter ondanks zijn afmetingen concurrerend is. De laatste tijd zijn er overigens een aantal yagiontwerpen gepubliceerd die de theoretische grens zeer dicht benaderen. Zelfbouw daarvan is goed mogelijk en uit eigen ervaring is gebleken dat zelfbouw van antennes zo'n 200% goedkoper is dan aankoop. Prima yagis zijn de DL6WU yagis (in de handel als "flexa-yagi") en de NBS yagis (o.a. WoEYE). De op twee meter veel gebruikte 16 elements tonna haalt 15.2 dBi, en vier van die lappen zullen in praktijk 5 dB extra opleveren. Totaal dus 20.2 dBi wat in praktijk inderdaad net gaat. (Eigen echo's met 800 watt en ontvanger ruisgetal 1 dB zijn door vele operators gehoord.) De zogenaamde "quagi" werkt ook goed. Versterking is net zo groot als een yagi van dezelfde afmetingen, hoewel een quad straler en reflector theoretisch beter zouden zijn dan gewone dipolen en reflektoren. Extra reflektoren kunnen de voor-achterverhouding beter maken, met als resultaat, in een speciale opbouw, een extra gain van 0.7 dB. Daar de verdubbeling van boomlengte slechts 2.2 dB oplevert is een aantal extra reflectoren makkelijker aan te brengen dan een verlenging van de boom.
Voor 70 cm geldt het bovenstaande verhaal ook, alleen moet nu de antenneversterking 25 dBi zijn. Het tabelletje van de trajectdemping geeft 10 dB meer demping op voor 70 als voor 2. Volgens tabel 2 kunnen extended collineairs en yagis met elkaar concurreren. Op twee meter staan de yagis ongeveer 4 meter uit elkaar, op 70 cm staan de yagis ca. 1.5 meter uit elkaar. In praktijk is bewezen dat voor 8 yagis de optimale constructie een achthoek is!
Een paar Zweden hebben met zo'n opbouw op twee meter een geweldig succes.
Op 23 cm en hoger moet de antennegain reeds meer dan 30 dBi zijn, en dat is met yagis op die frequenties nauwelijks haalbaar. De lengte van de elementen moeten op 1296 MHz al op 1 mm nauwkeurig zijn, en de groep in fase voeden is moeilijk. Hetzelfde geldt voor de collineair. Blijft over de parabool.
Tabel 3 geeft de gain van zo'n schotel bij diverse frequenties.
| Parabool doorsnede (m) | Gain bij (MHz, dBi) | ||
|---|---|---|---|
| 144 | 432 | 1296 | |
| 3 | - | - | 32 |
| 5 | - | 25 | 35 |
| 8 | 20 | 30 | 40 |
Wat blijkt nu? Bij verdrievoudiging van de frequentie is een roundtrip versterking van 20 dB extra te behalen, terwijl er 10 dB meer demping is. Er is dus 10 dB meer signaal overgebleven! Overigens is het tabelletje aan de optimistische kant, want de belichting van de spiegel en de vorm van de parabool bepalen het rendement. Een rendement van 60% is volgens de meesten wel haalbaar, zodat EME met parabolen vanaf 4 meter doorsnede mogelijk is. Grote vermogens in de orde van 1000 watt is op de UHF banden niet makkelijk te maken en de meesten werken met 200 tot 500 watt. Een andere moeilijkheid is hier de richtnauwkeurigheid van de antenne. Met een openingshoek van minder dan 3 graden schiet men al gauw de maan mis!
Het grote voordeel van de parabool is dus zijn bruikbaarheid op vele frequenties, maar ook de mogelijkheid om circulaire polarisatie te gebruiken telt zwaar mee. Faraday-rotatie wordt op die manier omzeild, en bovendien is het mogelijk om de straler zo te maken dat de zender b.v. rechtsom gepolariseerd is maar de ontvanger linksom. Wat gebeurt er dan? Stel men zendt rechtsom gepolariseerd uit. De golf reflecteert op de spiegel en springt om: rechtsom wordt linksom. De golf bereikt de maan, en bij de reflectie gaat de golf van linksom naar rechtsom. Terug op aarde wordt de echo in de spiegel weer van rechtsom naar linksom gedraaid en de ontvangantenne die de polarisatie linksom heeft pikt het signaal keurig op. Door de grote demping tussen linksom en rechtsom gepolariseerde antennes zijn beide in een hoorn te plaatsen en is een coax-relais in theorie niet meer nodig.
Door steeds betere ontvangers worden de antennes steeds kleiner. Er zijn bovendien een aantal Big Guns op 23 verschenen: stations met parabolen tussen 8 en 15 meter! EME is wellicht met een parabool van 3 meter al mogelijk.
Plaatsing van antennes
De antennes mogen dicht bij de grond staan, voor yagi groepen mag de antenne de grond niet dichter naderen dan ca. ¼ golflengte. Hoe beter de voor-achterverhouding is hoe minder last men heeft van grondreflecties. Aardruis hoort men pas beneden 15 graden elevatie, hoewel zij- en achterlobben roet in het eten kunnen gooien. Ruis uit het heelal is met 4 yagis op twee meter wel te horen maar is niet erg sterk. De meeste ruis komt uit de richting van het centrum van de melkweg en van een paar krachtige radionevels.
Op 70 cm kan een antenne echter al een openingshoek van 10 hij 10 graden of minder heb-hen en daarmee is de radiohemel niet meer egaal. Er zijn duidelijke "cold spots" aan te wijzen terwijl 5 dB sterrenruis op sommige plaatsen is waargenomen.
Thermische ruis van de maan zelf is alleen belangrijk voor antenneversterkingen boven 50 dBi en als men met gekoelde versterkers werkt: kortom, niet iets om over wakker te liggen!
De QSO procedures
De maanecho's zijn meestal erg zwak, zodat men met smalle filters werkt. De mode is meestal CW van 8 à 13 wpm. Men houdt zich bovendien aan een tijdsindeling, net als bij meteoor-scatter.
Voor 144 MHz houdt men 2-minuten perioden aan. Het station dat het meest oostelijk ligt begint op het hek uur met zenden, en luistert op twee minuten over het hele uur. Dit gaat zo verder, zodat de tijd er als volgt uitziet:
b.v.
0758 - 0800 GMT westelijk station zendt,
0800 - 0802 GMT oostelijk station zendt,
0802 - 0804 GMT westelijk station zendt, enzovoorts.
De rapportering, zo dit al gebeuren kan, doet men in de tweede helft van de uitzending. Zend uw call zoveel mogelijk en de call van het tegenstation slechts een paar keer, vooral bij random werk. Gaat het erg goed dan wordt na een minuut wel eens "BK" (break) geseind ten teken dat men op een-minuut perioden overstapt.
Op 70 cm en hoger maakt men gebruik van 2½-minuut perioden, waarvan de laatste halve minuut wordt gebruikt voor rapportering.
Niet in die laatste dertig seconden zenden als er geen rapport gegeven wordt! Voor het oostelijke station komt deze indeling mooi uit: hij mag beginnen met zenden op de 5-minuten streepjes van zijn klok.
De werkfrequenties liggen in het laagste deel van de VHF en UHF banden. Voor twee meter is de meeste aktiviteit te vinden tussen 144.000 en 144.025 en op 70 cm is de eerste vijftig kilohertz in gebruik. Gaat men op SSB over dan schuift men in de regel 100 kHz naar boven.
De rapportering is net als de tijdsindeling historisch gegroeid. Op twee meter wordt nog veel gebruik gemaakt van het TMO-rapport, terwijl op 70 en hoger het nauwkeuriger RSTrapport wordt gebruikt. Een T staat voor onleesbaar of hier en daar een teken, en zou in RST code 119 zijn. Een T rapport wordt dan oo(c zelden of nooit gegeven, want bij random blijft men meestal doorgaan met CQ of QRZ! en tijdens skeds roept men net zo lang aan tot een M (marginal) rapport kan worden gegeven. De M komt overeen met een RST 229 en als het signaal voor meer dan 70% te nemen is dan wordt een O (operational) gegeven. O is RST 339 of beter. Er zijn tegenwoordig ook stemmen opgegaan om de oude Tone uit de RST code weg te laten; in elk geval wordt de Tone 9 vaak afgekort tot "N" (dah-dit). Bijvoorbeeld 449 wordt 44N. Een QSO is compleet als beide calls ontvangen zijn, een M, O of RST rapport gegeven is en "rogers" zijn uitgewisseld. Meestal seint men na een geslaagde verbinding ook nog 73's en dergelijke.
Een QSO op afspraak, een sked, wordt meestal afgesproken voor een half uur, met het begin op een heel uur. Afspraken worden op het VHF net gemaakt (14.345 kHz), en elke zaterdag en zondag om 16.00 uur GMT begint het net voor 70 cm en hoger. Hierna, zo rond 17.00 uur, begint het EME net voor 144 MHz.
Bijna elk weekeinde is er aktiviteit. Een uitzondering is het weekeinde waarop de maan bijna nieuw is. Staat de maan dichtbij de zon dan maakt zonneruis het werken via de maan onmogelijk. Met vier yagis had de auteur dezes meestal al 15 dB zonneruis op 144 MHz, terwijl tijdens uitbarstingen 50 dB ruis te horen was! Het window is in elk geval goed als de maan dicht bij de aarde staat, en dit komt nu ongeveer overeen met een maximale noordelijke positie van de maan ten opzichte van de evenaar. De maan is dan op het noordelijk halfrond lang zichtbaar, zodat dan ook verbindingen naar b.v. Japan mogelijk worden.
Praktische tips voor constructie
Allereerst is het zaak om goede coaxkabels te gebruiken. Open lijn werkt op 144 MHz goed, maar is moeilijk te maken. Goede coax is voor 50 ohm systemen de H100, en in mindere mate de flexibele RG213. Gebruik goede connectoren zoals "N" of "C". Geen PL nemen want die horen op HF thuis. Een kabel met verliezen ruist ook nog, dus plaats de voorversterker liefst vlak onder het voedingspunt van de antenne. Een tweede kabel en een coaxrelais boven in de mast voor de zend/ontvang overschakeling zijn dan wel nodig, maar men mag dan wat langere kabels gebruiken. Voor 70 cm is de RG213 niet zo goed bruikbaar vanwege het oplopende verlies. Op UHF wordt soms een dikke lucht gevulde kabel gebruikt, terwijl de 75 ohm CATV kabels een alternatief zijn. Ter vergelijking: RG213 heeft op twee meter 8,2 dB demping per honderd meter terwijl de even dikke 75 ohm CATV kabel (10,5 mm) bij 4,5 dB demping zit. Wel even een verschil! Pluggen zijn er helaas nauwelijks voor die kabels. De 75 ohm N-plug UG 94A/U past op kabels tot 11 mm. Zorg bij de straler van de antenne voor een goede onbalans naar balans overgang, want anders kijkt de antenne scheel.
Voor de ontvangst-voorversterker zijn er vele transistoren en fets te koop. Een preamp in de mast kan decibels schelen met dezelfde voorversterker beneden aan de kabel! Goede transistoren voor twee meter zijn de BF981 mosfet, en de Gallium-Arsenide fets MGF 1400 van Mitsubishi en de S3030 van Texas. Op 70 cm ziet men de mosfet BF960, diverse GaAs Pets en de bipolaire transistor NEC645. Bouw eerst een voorversterker met een goedkope transistor, want als die door hoog vermogen sneuvelt dan is er nog geen man overboord!
Voor 70 cm en hoger is het gunstiger om vanuit HF (28 MHz) te werken met een transverter. Omzetten van 432 naar 144 is vanwege de sterke signalen op twee niet zo gunstig. Om ruis te beperken moet de spiegelonderdrukking van de transverter beter zijn dan 20 dB en mogen er geen "fluitjes" in de 70 cm band vallen. Het MF filter hoeft niet smaller te zijn dan 500 Hz, daar het oor de samenhangende CW toontjes goed uit de willekeurige ruis kan pikken. Soms kan een audiofilter prettig werken voor extreem zwakke signalen. Persoonlijk vind ik een lage piekfrequentie veel minder vermoeiend dan een hoge piekfrequentie, maar dat zal sterk van een ieders voorkeur afhangen. Proeven met audiofilters gaven voor 600 Hz het beste resultaat. Een extra laagdoorlaatfilter na het piekfilter verhoogde het comfort zeer duidelijk: in het prototype werd een 24 dB per oktaaf filter met een kartelfrequentie van 1000 Hz toegepast. Nogmaals: de een zweert bij smalle filters terwijl de ander 500 Hz bandbreedte genoeg vindt.
Over de zender is niet zo veel op te merken, behalve dat het minimum vermogen zo'n 500 watt moet zijn. QST en andere Amerikaanse amateurbladen hebben reeds een aantal van die "kilowatters" gepubliceerd.
Deel 1 - Deel 2
PA0CUX