Kosmische ruis 1
1. Inleiding
De vele sterren, gaswolken en melkwegstelsels die het heelal rijk is stralen niet alleen zichtbaar licht uit. Straling wordt uitgezonden die in het frequentiegebied van de elektromagnetische golven zich uitstrekt van gammastraling tot radiogolven. De radiogolven zijn een apart onderzoeksveld geworden: men kan radiosignalen uit het heelal hier op aarde op zijn gemak ontvangen en bestuderen, terwijl men voor bijna alle andere delen van het spektrum eerst boven de atmosfeer uit moeten stijgen om ze te kunnen ontvangen. De atmosfeer is alleen doorzichtig voor zichtbaar licht, en voor radiogolven. Uit dit onderzoek van de radiogolven uit het heelal, de kosmische ruis, is het vakgebied van de radio-astronomie ontstaan.
Voor ons zendamateurs is deze kosmische ruis echter geen bron van informatie, zoals voor radio-astronomen, maar een bron van storing. Deze stoorzender voegt extra ruis toe aan het signaal dat we willen ontvangen. In dit artikel zal daarom de invloed van de kosmische ruis op het werken op de VHF en UHF banden besproken worden. Op de korte golf is de kosmische ruis weliswaar veel intenser dan op de hogere frequenties, maar het is er minder van belang omdat er vaker hinder wordt ondervonden van static van onweersbuien. Bovendien is de ionosferische propagatie meestal goed genoeg om een hoge signaalsterkte op te leveren, zodat ontvangst geen probleem meer is. Op VHF en op UHF worden echter verbindingen gemaakt die met zeer kleine signaalsterkten volbracht moeten worden, bijv. EME. Het wordt dan belangrijk om na te gaan waar de kosmische ruis vandaan komt en hoe intens zij is. Deze vraag zal in dit artikel aan bod komen en er zal uitspraak worden gedaan over de zin van extreem lage ruisgetallen van ontvangers.
2. De achtergrondruis uit het heelal
De achtergrondruis van het heelal is een van de bronnen van storing, die met een gevoelige ontvanger waarneembaar is. Vooral als men daarbij een antenne gebruikt die een smalle openingshoek heeft, dan valt het op dat de meeste ruis uit de richting van de Melkweg komt. Onze Melkweg is een Platte schijf en dit is in de ruiskaarten, figuur la en figuur lb, te zien. Er loopt een duidelijke band over het vlak, die weliswaar op deze kaarten in een bocht loopt. In werkelijkheid zit die bocht er niet in, het wordt in deze kaart veroorzaakt door de presentatievorm. In feite hebben we hier namelijk een bol op een plat vlak geperst, zodat er een sterk vertekend beeld ontstaat. Niettemin is deze vorm van presentatie zeer bruikbaar, daar de declinatie (DEC) en de rechte klimming (RA) middels een paar eenvoudige formules en enkele gegevens uit een Nautische Almanak om te zetten zijn in azimut- en elevatiehoeken, die we voor de antennerichting nodig hebben.
2.1. De ruiskaarten van de radiohemel
Er zijn hier twee kaarten gegeven; een voor 136 MHz en een voor 400 MHz. De kaarten geven de ruistemperatuur van de achtergrond als een serie hoogtelijnen. In plaats van de hoogte in meters staat er echter een temperatuur in Kelvin, die rechtstreeks toe-passing kan vinden. Als men een antenne richt op een bepaald gedeelte van de hemel, dan zal de antennetemperatuur de waarde aannemen die het gemiddelde is van de temperaturen binnen de openingshoek van de antenne. De versterking van de antenne komt er dus niet rechtstreeks aan te pas! Dit wordt veroorzaakt door het karakter van de achtergrondruis. Deze ruis wordt door zeer veel gaswolken opgewekt en verschijnt als een soort diffuse, uitgestrekte warme plaat, waarnaar men met een antenne kijkt. Deze plaat is alleen niet overal even warm, zodat sommige delen meer ruisen dan andere. Als men b.v. op een frequentie van 136 MHz naar een "koude" plaats kijkt, zoals bij RA = 10 uur en DEC = 30 graden, dan is de temperatuur in die omgeving ongeveer 200 Kelvin. Heeft men de beschikking over een antenne met een openingshoek van 15 bij 15 graden, dan ziet deze antenne een stukje plaat in zijn blikveld met een temperatuur van 200 Kelvin. Bij een veel grotere antennegain zal de openingshoek sterk verkleinen, en stel dat er een openingshoek van 2 bij 2 graden is. De antenne ziet echter nog steeds dezelfde plaat die een temperatuur van 200 kelvin heeft! De energie die ontvangen wordt komt weliswaar uit een kleiner stukje hemel, maar de antenneversterking heft dit verlies precies op. De antenneversterking en de openingshoek zijn omgekeerd evenredig van elkaar afhankelijk. Een verdubbeling van de gain bijvoorbeeld, heeft een halvering van de oppervlakte van de openingshoek tot gevolg, zodat de halve energie gekompenseerd wordt door de verdubbelde versterking.
Fig 1a. De ruistemperatuurkaart van de achtergrondruis op 136 MHz. (Hoogtelijnen in Braden Kelvin).
2.2. Omzetten van de waarden voor de amateurbanden
Figuur la is de kaart zoals het er voor radioogen op de 136 MHz band uitziet; figuur 1b laat hetzelfde zien, maar nu voor 400 MHz. Het zal u opgevallen zijn, dat in de 400 MHz band de ruistemperatuur circa 13 maal zo klein is als die op 136 MHz. Ook tussen de amateurbanden 144 MHz en 432 MHz en de frequenties van de ruiskaarten is nog te veel verschil om de temperatuur ongecorrigeerd te laten. Het verschil is echter gemakkelijk te berekenen, terwijl de contouren voor de 2 meterband gelijk zijn aan die van de 136 MHz band. Hetzelfde geldt voor de 432 MHz en 400 MHz banden. De temperatuur is namelijk als volgt om te zetten:
Fig. 1b. De ruistemperatuurkaart van de achtergrondruis op 400 MHz. (Hoogtelijnen in graden Kelvin).
Voor 144 MHz wordt dan volgens formule (1) gevonden dat de temperatuur er 87% bedraagt van die op 136 MHz en voor 70 cm blijkt de temperatuur 83% te zijn van de waarde op 400 MHz.
Nogmaals een waarschuwing: de antenne ziet een achtergrondtemperatuur die gelijk is aan het gemiddelde van de hemeltemperatuur binnen de openingshoek. Natuurlijk is de antenne niet ideaal en zal het zijlobben en een achterlob hebben, die extra ruis introduceren: hierop zal later worden ingegaan. Verder geldt deze gemiddelde waarde alleen voor diffuse bronnen, en niet voor diskrete bronnen. Deze diskrete bronnen zijn dan ook niet in de kaart opgenomen! Hun ruisbijdrage is apart te berekenen. Ze zijn niet in de kaart opgenomen, omdat hun bijdrage aan de antennetemperatuur sterk afhangt van de gain van de antenne, in tegenstelling dus tot de situatie bij de diffuse bronnen.
Deel 1 - deel 2.
PE1CUX.