Rob's web

Moonbounce

In het navolgende artikel wordt een tip van de EME sluier opgelicht. Misschien een aanleiding om de hobby weer eens van een "geheel andere zijde" te bezien.

Algemeen

Onder Moonbounce of EME (Earth-MoonEarth) verstaan we het maken van verbindingen, waarbij de maan als passieve reflektor wordt gebruikt. Dit is in Principe mogelijk op alle frequenties, maar de meeste experimenten hebben zich toch van ± 20 MHz tot ver in het Gigahertz gebied afgespeeld. Frequenties onder de 100 MHz zijn voor amateurs nauwelijks interessant gezien de grootte van de antennes en de in dit gebied optredende kosmische ruis en afbuiging en/of weerkaatsing in de ionosfeer. Voor amateurs ligt het zwaartepunt op 144 en 432 MHz. Er worden echter ook verbindingen gemaakt op 220 MHz (USA), 1296 MHz en 2320 MHz. Een hoge frequentie biedt voordelen wat betreft de afmetingen van de antennes en lagere kosmische ruis. Als groot nadeel kunnen de hogere trajektdemping en moeilijker te realiseren technische eisen worden genoemd (vermogen, laag ruisgetal enz.).

Reflektie door de maan

Als een signaal door een antenne wordt uitgestraald zal de energie zich overeenkomstig de antennebundel verdelen. In figuur 1 valt te zien dat van de op aarde uitgestraalde energie slechts een geringe hoeveelheid de maan treft. Hoe smaller de antennebundel (hogere gain) des te meer energie treft de maan.

Fig. 1
Fig. 1.

De maan reflekteert ongeveer 7% van het aankomend signaal. Deze reflektie vindt plaats over een grote hoek. Van de gereflekteerde energie bereikt slechts een klein deel de ontvangstantenne. Hoe groter de effektieve oppervlakte van de ontvangstantenne, des te meer energie valt er aan de ontvanger toe te voeren.

Voor 144 MHz wordt de totale wegdemping 251,5 dB, voor 432 MHz 261 dB en voor 1296 MHz 270,5 dB. Deze getallen spreken op zich niet zo tot de verbeelding, maar met op 144 MHz een output van 1 Kilowatt, 4 long-yagi's voor zowel zend- als ontvangstzijde en een zeer gevoelige smalbandige (100 Hz) ontvanger zijn de signalen van de maan slechts een paar dB boven de ruis waarneembaar. Het zendsignaal wordt echter 251 dB of wel 8 × 1026 maal verzwakt. Op hogere frequenties worden nog zwaardere eisen gesteld.

Apogee en perigee

De maan draait in een elliptische baan in 27,5 dag rond de aarde waarbij de afstand varieert tussen de 365.000 en 405.000 km. Het punt waarin de maan zich het dichtst bij de aarde bevindt beet Perigee. Het punt waarin de afstand het grootst is het Apogee. Deze afstanden zijn echter onder invloed van de aantrekkingskracht van de zon aan veranderingen onderhevig. De totale signaalverzwakking neemt toe, naarmate de maan verder weg staat, daar nu nog minder vanaf de aarde uitgezonden energie de maan treft en van de gereflekteerde energie ook minder de ontvangstantenne. De eerder genoemde verzwakkingswaarden gelden voor perigee. Als de maan in apogee is, wordt de verzwakking nog 2 dB groter. Een voor EME formidabel verschil, zodat de meeste aktiviteit op de banden zich dan ook rond het perigee zal afspelen.

Deklinatie

De elliptische baan van de maan maakt een hoek met het vlak van de aardbaan. Dit heeft tot gevolg dat de maan zich 14 dagen boven het vlak door de evenaar bevindt en 14 dagen eronder. De maximale hoek die met het evenaar-vlak wordt gemaakt is 23° en deze hoek noemen we de deklinatie (figuur 2).

Fig. 2
Fig. 2.

De deklinatie kan zowel noord als zuid zijn. Het perigee treedt op als de maan een maximale noordelijke deklinatie heeft. Dit is gunstig voor stations op het noordelijk halfrond, daar de maan dan laag boven de horizon staat, terwijl de afstand het kleinst is. Figuur 3 geeft globaal de door de maan aan de hemel afgelegde weg voor diverse deklinaties.

Fig. 3
Fig. 3.

Openingshoek

Als we op elk moment dat de maan zichtbaar is een EME-QSO willen maken of willen luisteren zullen we in staat moeten zijn de antenne zowel in azimuth als elevatie uit te richten. Hier zijn een aantal methoden mogelijk, waar ik hier echter niet op in wil gaan, daar de meesten van ons toch geen elevatiemogelijkheden hebben. We zullen ons voor EME dan ook moeten beperken tot die momenten dat de maan aan de horizon staat.

De tijd die ter beschikking staat hangt nu af van de vertikale openingshoek van de antenne. Deze zal niet te groot kunnen zijn, omdat we anders weer antennegain tekort komen. Stel dat we met een long-yagi werken (de eisen die we hiermee aan het tegenstation stellen zijn nu zeer groot!). Openingshoek 36°. In figuur 4 valt te zien, dat de signalen van de maan tot iets minder dan de halve openingshoek (-15) kunnen worden gehoord. De hoek van een antenne wordt opgegeven tussen de -3 dB punten. Vaak is echter -3 dB al te veel verzwakking, zodat de bruikbare hoek kleiner wordt.

Fig. 4
Fig. 4.

Slechts de halve hoek staat ter beschikking daar het aardoppervlak de onderste helft afschermt. Dit afschermen door het aardoppervlak is in feite onnodig. Door de antenne een vaste elevatie van iets minder dan de halve openingshoek te geven, treedt deze afscherming niet meer op en wordt het te gebruiken deel van de maanbaan vergroot (zie figuur 5).

Fig. 5
Fig. 5.

Als we antenne-gain te kort komen (en dat doen we al gauw) dan is het beter om een tweede antenne naast de eerste te stacken i.p.v. erboven. Door te stacken krijgen we een extra gain van -25 dB, maar tevens wordt de openingshoek gehalveerd. Door naast elkaar te stacken halveren we de horizontale openingshoek en niet de vertikale. Als we de vertikale openingshoek namelijk zouden halveren, wordt het bruikbare deel van de maanbaan kleiner en dat is niet de bedoeling.

Universal window

Aangezien de meeste Europese stations niet kunnen eleveren, zal over het algemeen een station op het andere kontinent wel moeten kunnen eleveren. Met de USA/Europ is een zgn. "Universal window" overeengekomen, waarbij de Amerikaanse stations eleveren. Dit "universal window" begirt twee uur voordat de maan ondergaat in Frankfurt en houdt op bij maansondergang. In de praktijk komt dit voor PA0 neer op het westelijk deel van de maanbaan met een elevatie onder de 21°. De afspraak is tevens dat er alleen universal window is als de deklinatie noord is. Zeer veel EMEaktiviteiten spelen zich in deze periode af. De tijden en azimuth voor universal window zullen voortaan regelmatig in CQ-PA worden gepubliceerd.

QSO-procedure

Gezien de zwakke signalen en om eventuele onderlinge QRM te vermijden is een vaste QSO-procedure afgesproken te vergelijken met meteor-scatter. Er wordt gezonden, c.q. geluisterd in perioden van twee minuten, waarbij het station dat het meest oostelijk ligt begint met zenden. Er wordt vrijwel alleen CW gebruikt en de seinsnelheid bedraagt ongeveer 6-8 woorden per minuut. De meeste aktiviteit vindt plaats in de onderste 10 kHz van de band, hoewel sommige stations vaak op vaste frequenties te vinden zijn: K1WHS op 144.030 MHz.

Aangezien het RST-systeem met de (lange) cijfers grote kans op vergissing geeft wordt dit alleen bij sterke signalen gehanteerd. Er zijn afspraken gemaakt om op een eenvoudige wijze het tegenstation te laten weten wat er wordt ontvangen, het zgn. TMO-systeem:

T - wordt uitgezonden als er iets van het tegenstation wordt waargenomen.
M - wordt uitgezonden als 70% van de calls is ontvangen.
O - wordt uitgezonden als beide calls korrekt zijn ontvangen.

Zodra van het tegenstation de beide calls en "O" is ontvangen worden R(oger)'s geseind.

Faraday-rotatie

Vaak zit er op de signalen een langzame fading. Dit wordt veroorzaakt door de zgn. Faraday-rotatie. Als een signaal door de dampkring gnat, wordt namelijk de fase van dit signaal regelmatig gedraaid. Dit geldt ook voor het door de maan gereflekteerde signaal. Als de fasedraaiing voor de heenen terugweg samen veelvouden van 180° zijn is er nets aan de hand. Een horizontaal gepolariseerde golf zal dan ook de ontvangstantenne weer horizontaal gepolariseerd treffen. Treedt echter een andere fasedraaiing op, dan draait de polarisatie en treedt er een verzwakking op aan de ontvangstzijde. Voor 144 MHz duurt een gehele Faraday-cyclus ongeveer 20 minuten.

Verdere informatie

Ik hoop hiermee iets te hebben verduidelijkl van het EME-gebeuren. Met opzet zijn for-mules, berekeningen e.d. weggelaten. Mocht bier interesse voor zijn, dan wil ik daar later nog op terug komen.

Wilt u serieus beginnen aan moonbounce, dan is de door EIMAC uitgegeven serie "Almost everything you want to know about moonbounce" zeer zeker de moeite waard.

Deze serie is gratis verkrijgbaar bij Eimac, 301 Industrial Way, San Carlos, California, U.S.A. Hierin staan naast antennes etc. ook computerprogramma's opgenomen voor TRS-80, HP-25, Fortran-machines, etc. om de positie van de maan te kunnen bepalen.

Literatuur

PA0CIS.