|
TarkoitusUsein radiovastaanottimien tarkoituksena on muuntaa sähkömagneettisena värähtelynä valonnopeudella kulkeva radiotaajuinen energia ihmisaistien ulottuville. Yleisradiovastaanottimista kaikille tuttu tapa tehdä tämä, on muuttaa nämä suurtaajuussignaalit (RF) välivaiheiden kautta lopulta ääni-, tai kuvainformaatioksi. Radioastronomiassa ei ole läheskään aina mahdollista, tai mielekästä kuunnella vastaanotettua signaalia. Tarkoituksena on mitata taivaalta tulevan radiosäteilyn ominaisuuksia ja työstää esim. karttoja taivaan eri alueiden radiosäteilyn vuonvoimakkuuksista, tai tutkia jonkin kohteen tilastollisia ominaisuuksia, kuten mm. emission voimakkuutta (kirkkautta), tai polarisaatiota, punasiirtymää, spektriä ja niissä esiintyviä ajallisia vaihteluja, yms. Tämä ei kuitenkaan yleensä vaikuta paljoakaan radiovastaanottimen tekniseen toteutukseen, varsinkaan sen etupäässä. Signaalin prosessointi vastanottimen loppupäässä A/D-muunnosvaiheessa ja siitä eteenpäin onkin jo eri juttu ja se onko se enää edes radiotekniikkaa? Mitä toimilohkoja vastaanottimessa yleensä on?
Vastaanottimen (kaksois-super) esimerkkilohkokaaviossa antennista tuleva vaikkapa 1.5 GHz:n signaali (vas.) ensin vahvistetaan ja hiukan rajataan suotimilla taajuuskaistaa. Sen jälkeen signaali sekoitetaan ensimmäisessä sekoittimessa injektiotaajuuden (LO) kanssa (Flo-Frf=Fif tässä esimerkissä). Muut sekoitustulokset suodatetaan pois, jonka jälkeen taajuus on riittävän matala esimerkiksi siirrettäväksi koaksiaalikaapelilla vastaanottimen seuraavalle asteelle, tai muuten edelleen muokattavaksi. Yleensä välitaajuussignaalia suodatetaan kaistanpäästösuotimilla lisää ja seuraavissa (1...3 kpl) sekoitus/vahvistinasteissa vahvistetaan ja suodatetaan, kunnes viimeisestä välitaajuusasteesta saatu signaali on taajuuskaistaltaan halutun levyinen ja jännitetasoltaan riittävän korkea esim. ilmaisinasteelle, tai muuten prosessoitavaksi. Kokonaisjännitevahvistus vastaanottimessa on noin 1 000 000 ... 100 000 000 000-kertainen. Oikeita radioastonomiaan käytettyjen vastaanottimien ns. etupäiden lohkokaavioita voi ihastella Max-Planck-Instituutin 100-metrisen Effelsbergin radioteleskoopin sivuilta:
Syy miksi vastaanottimet ovat kehittyneet t Miten radiosignaaleita voidaan vahvistaa?Ennen radioputken keksimistä ei ollut olemassa kuin passiivisia eletroniikkakomponentteja ja niillä voitiin vain suodattaa, vaimentaa ja ilmaista (kideilmaisimella) radiotaajuisia signaaleja. Kun esimerkiksi antennista saatavan signaalin teho on ollut vain vaikkapa watin 0.000 05 miljardisosaa, sillä teholla ei saa mitään kovaäänistä, piirturinkynää, lamppua, palosireeniä, tai muuta näyttölaitetta reagoimaan sen vertaa, että sen ihminen havaitsisi. Teknisesti alkeellisia radiotaajuisia signaaleja voitiin silloin kyllä tuottaa kipinälähettimen avulla ja riittävän voimakkaita myös vastaanottaa kideilmaisimella. Samankaltaisia laajakaistaisia radioemissioita syntyi salamoinnissa. Jotain käänteentekevää piti keksiä ja U.S.A.:ssa keksittiin vahvistava radioputki (elektroniputki), jossa ohjaushilan jännitettä muuttamalla saatiin katodilta anodille kulkevan elektronisuihkun voimakkuutta säädeltyä. Radioputkilla toteutettin radiolaitteita aina 1960-luvulle asti, jonka jälkeen puolijohteet korvasivat ne suuria radiolähetinputkia ja katodisädenäyttöjä lukuun ottamatta. Puolijohteillakin toimintaperiaate on melkoisen samantapainen, eli kantavirralla, tai hilan ohjausjännitteellä voidaan puolijohteen lävitse kulkevaa virtaa säätää. Radioputkilla jännite oli muuten korkeahko, muutamia satoja voltteja kun puolijohteilla se on jopa vain muutamia voltteja. Vahvistusta siis saadaan aikaan käyttämällä aktiivisia elektroniikkakomponentteja (radioputkia, transistoreita, integroituja piirejä), joille syötetään sopivalla tavalla tasasähkötehoa käyttöenergiaksi ja ne toimivat ikään kuin nopeina venttiileinä (esim. miljardi kertaa sekunnissa = 1 GHz) säätäen tasavirran kulkua lävitseen. Tarvittava radiotaajuisen ohjaussignaalin teho on vahvistimissa aina pienempi kuin ulos saatava teho, muutoinhan laite ei olisi vahvistin. Tulo- ja lähtötehoilla tarkoitan radiotaajuista vaihtosähkötehoa. Osa syötetystä tasasähköenergiasta muuttuu lämmöksi lähinnä aktiivisessa komponentissa. Vahvistinasteita voidaan kytkeä sarjaan ja siten lisätä kokonaisvahvistusta. Maksimi lähtöteho ja itse komponentin signaaliin lisäämä haitallinen kohina riippuvat käytetyn vahvistavan komponentin ominaisuuksista.
Takaisinkytkemällä vahvistavan komponentin lähtösignaalista riittävä osa sopivassa vaiheessa sen sisääntuloon, syntyy värähtelijä, eli oskillaattori, jonka taajuus ja stabiilisuus riippuu lähinnä käytetyistä komponenteista. Värähtelytaajuus voidaan määrätä esim. kytkemällä oskillaattoriin sopivasti piezokide, tai muu halutulla taajuudella resonoiva komponentti, vaikkapa kelan ja kondensaattorin muodostama resonanssipiiri. Oskillaattoreita käytetään mm. vastaanottimien sekoittaja-asteille syötettävän injektiosignaalin kehittämiseen. SHF-taajuuksilla käytetään tiettyjä mikroaalto-oskillattorityyppejä, joiden toimintaperiaateet poikkeavat muista alempien taajuusalueiden oskillaattoreista.
Diodin ja myös transistorin ns. epälineaarisia ominaisuuksia (virta komponentin läpi ei kasva lineaarisesti jännitteen funktiona) voidaan käyttää tahallisen säröytymisilmiön synnyttämiseen, jolla saadaan aikaan kahden ko. komponenttiin syötetyn taajuuden sekoitustuloksia.
Näiden yllä läpikäytyjen asteiden lisäksi ei tarvita kuin suotimia ja radiovastaanottimen perusosat ovat kasassa. RF-esivahvistin (RF pre amplifier, LNA)
Vasemmalla: kaksi RF-esivahvistinta: MMIC-laajakaistavahvistin 1 MHz...1 GHz, (NF: 2.7 dB) ja 144 MHz (NF: 0.9 dB) GaAs-FET vahvistin samalla kortilla. Oikeanpuoleisessa kuvassa on 4 GHz moniasteinen LNA. Vastaanottimen ensimmäinen RF-vahvistin on koko järjestelmän tärkeimpiä osia ainakin sen herkkyyden kannalta. Usein mikroaaltoalueen RF-vahvistimia kutsutaan lyhenteellä LNA (kuvassa otsikon alla vasemmassa reunassa), kun taas alempien taajuuksien RF-etuasteita yleensä kutsutaan RF-esivahvistimiksi (RF pre amplifier).
Useiden kaupallisten laajakaistaisten vastaanottimien kohinaluku on yleensä huonompi kuin 3 dB ja esim. laajakaistaisten TV-antennivahvistimien kohinaluku noin 4 dB. RF-esivahvistimen vahvistuksen lisäys vaikuttaa sitä enemmän, mitä huonompi seuraavan asteen kohinaluku on. Vähäkohinaisella RF-esivahvistimella voidaan siis ikään kuin peittää perusvastaanottimen kehno kohinaluku kaskadikytkennällä ja saada hyvä, eli alhainen kohinaluku. Jos vahvistimen puolijohdekomponentti olisi ideaalinen ja ei itse tuottaisi kohinaa, olisi asteen kohinaluku teoriassa 0 dB. Käytännössä nykyaikaisilla GaAs-HEMT-komponenteilla päästään 0.5...1 dB kohinalukuihin ainakin 10 GHz taajuuksille asti. 50...80 GHz tienoilla ja siitä ylöspäin HEMTitkään eivät enää toimi, joten noiden taajuuksien yläpuolella ei RF-esivahvistinastetta käytetä ollenkaan. Komponenttien kehittyessä tuokin rajataajuus kuitenkin kasvaa.
Jos antennin pääkeila on suunnattu korkealle ylös ja kylmälle taivaanosalle, on antennin kohinalämpötila UHF- ja varsinkin mikroaaltoalueella hyvin matala ja alhaisen kohinaluvun (tai kohinalämpötilan) RF-esivahvistin (LNA) pääsee oikeuksiinsa. Alemmilla taajuusalueilla (VHF ja varsinkin HF) taajuuden laskiessa kasvavan galaktisen kohinan vuoksi saadaan vähemmän hyötyä hyvin vähäkohinaisesta RF-esivahvistimesta. Koska VHF/UHF-alueen vahvistimissa yleensä käytetään samoja matalakohinaisia puolijohteita, kuin mikroaalloillakin, ei ole oikeastaan mitään syytä tehdä tarkoituksellisesti VHF:llekään kohinaluvultaan huonompia RF-vahvistimia.
Esivahvistimen toinen tärkeä ominaisuus on riittävä suursignaalinkesto. Yliohjautumista aiheuttavia varsinaisen vastaanotettavan taajuuskaistan ulkopuolella olevia taajuuksia voidaan kylläkin suodattaa pois tehokkaalla kaistanpäästösuodatuksella jo ennen RF-esivahvistinta. Tällöin ongelmaksi voivat tulla suotimen häviöt, joita voi kertyä 1...4 dB verran ja tämä häviö on summattava etuvahvistimen omaan kohinalukuun, jolloin harvoin päästään alle 2 dB:n kokonaiskohinaluvun. RF-esiasteen ominaisuuksiin kuuluu myös riittävä vahvistus (10...35 dB), mutta se ei ole niin tärkeä, kuin alhainen kohinaluku. Kun vastaanottimeen (tai sen vahvistin-, tai sekoitinasteeseen) tulee riittävän voimakas signaali, ei komponentti enää kykene sitä vahvistaman, tai sekoittamaan puhtaasti, vaan signaali leikkautuu, eli säröytyy ja siitä syntyy suuri määrä ylimääräisiä ei-haluttuja sekoitustuloksia. Vastaanottimen dynamiikka alue on karkeasti ottaen sen omasta kohinatasosta korkeimpaan vastaanottimen sietämään signaalitasoon. Yksi tapa ilmoittaa maksimi vastaanottimen sietämä signaalitaso, on sen ns. IP3-piste (dB:nä), jonka ylittyessä harhasignaaleja alkaa ilmaantua. RF-esivahvistimen vahvistus tulee olla sopiva ja lisäksi sen lähdössä on hyvä olla kaistanpäästösuodin, jotta itse vastaanottimen sekoitusaste ei niin helposti yliohjautuisi taajuusalueen ulkopuolisisista lähetteistä yllämainituin seurauksin. Pahin tilanne on VHF ja UHF alueilla, joissa on runsaasti yleisradio- ja eri matkaviestinverkkojen lähettimiä. Nämä voimakkaimmat lähetteet voivat päästä myös suoraan vastaanottimen välitaajuusasteisiin ja aiheuttaa häiriöitä. Mikroaaltoalueilla ei niin usein ilmene ongelmia voimakkaista signaaleista. RF-esivahvistimen stabiilisuus on myöskin hyödyksi, sillä se ei saisi alkaa värähdellä itsekseen, vaikka tulo-, tai lähtöimpedanssit (sovitus) poikkeaisivatkin nimellisistä. Myös mikroaaltotaajuuksilla ilmenevät loisvärähtelyt voivat vaivata VHF-, tai UHF-taajuuksille tehtyjä RF-esivahvistimia. SuotimetKoska pelkkä laajakaistainen RF-signaalin vahvistaminen ei kerta kaikkiaan ole järkevää, tarvitaan suotimia. Suotimia käytettään myös sekoitttimen jälkeisissä valitaajuusasteissa. RF-, eli suurtaajuussuotimilla rajoitetaan vastaanottimen etuasteille ja/tai sekoittajalle pääsevää radiotaajuisten signaaleiden kaistaa eli spektriä. Supervastaanottimessa (engl. heterodyne) tämä on tarpeen, jotta saadaan aikaan mm. ns. peilitaajuusvaimennus, jonka tarve on supervastaanottimen periaatteeseen liittyvä ongelma. Peilitaajuutta ei saa päästää sekoittajalle asti, koska sen jälkeen sitä ei enää voida poistaa. Joskus kuitenkin toimittaessa hyvin korkeilla taajuuksilla millimetri- ja alimillimetrialueilla mitattaessa säteilyn kokonaiskohinatehoa ei ole väliä, vaikka peilitaajuus pääsisikin sekoittajalle, mutta alemmilla taajuusalueilla tällaista kahden sivunnauhan läpäisevää, eli DSB-sekoitusta ei enää käytetä. RF-suotimia tarvitaan myös ensimmäisen, tai ensimmäisten paikallisoskillaattoreiden (LO) injektiosignaaleiden puhdistamisessa, varsinkin jos LO-taajuus on tuotettu kertoja-asteilla. Mikäli vastaanottimen ensimmäinen välitaajuus on korkeahko, käytetään myös niissä samantyyppisiä suotimia. Myös voimakkaita ei-haluttuja esim. yleisradio- tai matkaviestintaajuisia signaaleita on usein syytä estää pääsemästä läpi vastaanottimen etuasteisiin, tai sekoittajalle asti. Usein RF-suotimissa (ja myös viritetyissä RF-vahvistimissa ja taajuudenkertoja-asteissa) käytetään hyväksi kondensaattorin ja kelan muodostamaa sähköistä resonanssi-ilmiötä. Tätä resonanssi-ilmiötä voisi havainnollistaa mekaanisella vastineella: esim. pöydän reunalle laitettu viivoitin värähtelee tietyllä taajuudella kun sille antaa ensin liike-energiaa. Mitä pidempi viivoitin (suurempi induktanssinen kela), sen alhaisempi värähtelytaajuus. Viivoittimen pituus vastaa kelan induktanssia ja viivoittimen päähän lisätty paino resonanssipiirin kapasitanssia, jonka lisääminen alentaa värähtelytaajuutta. Hyvin pienellä oikeataajuisella lisäliike-energian syötöllä viivoittimelle sen voimakas värähtelyliike jatkuu, mutta väärätaajuisella se vaimenee. Aaltoputkilla (nyk. aaltojohdoilla) toteutettujen mikroaaltosuotimien sähkömagneettisia ilmiöitä taas voisi verrata kammion (huoneen) akustisiin ilmiöihin, joissa (hieman yksinkertaistaen) tietty taajuus (tai taajuudet) korostuu voimakkaasti, eli tila resonoi akustisesti, ja aaltojohto sähköisesti. Koska taajuuden kasvaessa yhä suurempi osa sähkövirrasta (elektroneista) pyrkii kulkemaan johdinaineen pinnassa (ns. skin-effect), on johtimien oltava sileäpintaisia ja usein myös esimerkiksi hopeoituja, koska hopea on paras sähkönjohde huoneen lämpötilassa. Myös esim. koaksiaalikaapeleissa saattaa keskijohdin olla putkea, koska keskijohtimen sisällä ei suurtaajuinen sähkö tahdo kulkea ja sitä ei siten tarvita. Suotimien rakenne riippuu läpäisytaajuudesta ja se kaistanleveydestä. VHF-taajuuksilla voidaan käyttää induktiivisesti, tai kapasitiivisesti kytkettyjä L-C-piirejä (kelojen ja kondensaattoreiden muodostamia rinnakkaisresonanssipiirejä), tai helical-suotimia joissa on vain kela, sekä koaksiaalisia onteloresonaattoreita, jotka ovat VHF:llä isokokoisia.
Strip-line, eli mikroliuskapiiritekniikka antaa UHF- ja SHF-taajuuksilla mahdollisuuden integroida suotimet suoraan RF-vahvistimen, tai konvertterin (LNB) painopiirilevylle. Tavanomaisia LC-suotimia vastaavissa strip-line suotimissa toisesta päästään maadoitetut liuskat saadaan sopivan pituisena resonoimaan vapaan pään muodostaman, tai siihen lisätyn kapasitanssin kanssa. Resonanssipiirien välinen kytkentä on yleensä induktiivinen, eli painopiirillä teho siirtyy vierekkäisestä, yleensä alle 1/4-aallon liuskasta toiseen ilman galvaanista, tai kapasitiivista kytkentää. Alempana on kuva 2.3 GHz konvertterista, joissa on käytetty tavanomaisia kondensaattorilla viritettyjä LC-suotimia. SHF-taajuuksilla voidaan käyttää aaltojohdosta tehtyjä suotimia samankaltaisten periaatteiden mukaisesti. Asennetaan ruuvi(t) oikeaan paikkaan aaltojohtoa ja sillä saadaan aikaan resonaattoreita.
Erilaisten perussuotimien läpäisykäyriä ja periaatteelinen LC-piiri jolla suodin saadaan aikaan Tähän mennessä on ollut puhetta lähinnä kaistanpäästösuotimista. Myös yli- ja alipäästösuotimia voidaan käyttää joissakin tapauksissa. Niillä on tietty rajataajuus, joiden ala, tai yläpuolella suotimen vaimennus alkaa kasvaa. Vaikka kaistanpäästösuotimilla onkin tietty läpäisykaista, niistä pääsee aina läpi vain hieman vaimentuneena myös joitakin huomattavasti korkeampia taajuuksia ja niiden estämiseksi voidaan kaistanpäästösuotimen kanssa käyttää myös alipäästösuodinta. Tyypillisin alipäästösuodin on ns. pii-suodin, jossa on piin symbolia kuvaavasti kytketty kapasitanssi maahan, induktanssi sarjaan ja jälleen taas kapasitanssi maahan. Näitäkin voidaan ketjuttaa, eli tehdä vaikkapa useampiasteisia piisuotimia, jolla on vielä suurempi vaimennus halutun läpäisykaistan yläpuolella. Kaistanestosuotimet (band-stop-suotimet, notchit), estävät tietyn rajatun taajuuskaistan pääsyn läpi. Näitä ovat on yleensä maadoittava sarjaresonanssipiiri, tai sarjassa oleva rinnakkaisresonanssipiiri. Toisesta päästä avoin sähköisesti 1/4-aallon mittainen koaksiaalijohdon (tai yleensä siirtolinjan) haara toimii kaistanestosuotimena ja 1/2-aallon mittainen vapaasta päästään oikosuljettu koaksiaali samoin. Näillä on kuitenkin myös sama imupiiri-ominaisuus taajuuden parittomilla 3, 5, 7, jne....-kerrannaisilla. Tällaisen ns. stubin fyysinen pituus lasketaan siirtolinjan nopeuskertoimen (0.66...0.99) avulla. Pituus on aina lyhyempi kuin vapaan tilan aallonpituus kaapelissa käytetyn eristeaineen dielektristen ominaisuuksien vuoksi. Yksinkertaisella 1/4-osa aallonpituuden T-haaraan liitetyllä koaksiaalistubilla saadaan vaimennusta estotaajuudelle noin 30 dB.
Mainittujen suodintyyppien lisäksi on olemassa keraamisia suotimia, sekä pinta-aaltosuotimia (SAW). Näitä valmistetaan langattoman viestinnän kaupallisissa sovelluksissa käytetyille RF- ja välitaajuuskaistoille aina gigaherzitaajuuksille asti.
Välitaajuussuotimen tarkoituksena on kaventaa ilmaisimelle pääsevä kaistanleveys käyttöön sopivaksi. Välitaajuussuotimia on rakenteeltaan hyvin monia eri typpisisä, kuten keraamisia-, pinta-aalto-, mekaanisia-, kide- ja LC-suotimia. Injektio (LO)Konverttereissa injektio (LO) tehdään yleensä kideoskillaattorilla (XO), joka voi olla lämpötilastabiloitu riittävän taajuusvakauden saavuttamiseksi (TCXO), tai käytetään kideuunia. Mikäli heikompi taajuusvakaus riittää, voidaan käyttää LC-oskillaattoria, mutta se käy vain leveäkaistaisiin sovelluksiin. Kideoskillaattorin taajuusvakaus on tyypillisesti parempi kuin 0.5*10E-6 (5 ppm) ja LC-oskillaattorin vain noin 1*10E-5 (100 ppm). Kideoskillaattoreita voidaan tehdä aina n. 150 MHz asti, mutta sitä korkeampien taajuuksien tuottamiseen käytetään taajuudenkertoja-asteita (katso alla olevaa 2.3 GHz:n konvertterin kuvaa, jossa on useita peräkkäisiä kertoja-asteita piirilevyn yläreunassa), tai vaihelukituksen periaatetta. Taajuudenkertoja-asteet ovat yleenäs epälineaarisia vahvistimia tai esim.diodeja jotka säröttävät syötetyn signaalin ja taajuudenkertojan lähdössä on halutulle tulotaajuuden kerrannaiselle (yleensä, 2*, 3* 4*, tai 5*) resonanssipiiri ja sen ansiosta lähdöstä saadaan pääasiassa haluttua taajuuden kerrannaista. Taajuudenkertoja-asteita voi olla peräkkäin useampia, jolla saadaan tuotettua hyvin korkeita lopputaajuuksia esimerkiksi sekoitusoskillaattorin injektioksi (LO). Injektio kaistanpäästösuodatetaan ennen sen syöttämistä sekoittimelle, jotta vältytään spektriltään epäpuhtaan injektion aiheuttamat ei-halutut sekoitustulokset. Pistetaajuusvastaanottimissa voidaan käyttää kideoskillaattoria, mutta nykyisin lähes kaikissa kaupallisissa vastaanottimissa tämä injektiotaajuus aikaansaadaan ns. taajuussyntetisaattoritekniikalla, joka digitaalitekniikan avulla tuottaa kideoskillaattoriin nojaten tietyin hyppyvälein säätyvän, laajankin taajuusalueen kattavan taajuusvakaan injektion.
Samantapaista säädettävää, oskillaattoria (YIG, DRO, Gunn,...) joka on (harmonisesti) vaihelukittu johonkin vakaaseen taajuusreferenssiin, on myös käytetty mikroaaltoalueiden konverttereissa oskillaattori-injektiotehon (LO) tuottamiseen ensimmäiselle sekoittimelle.
Uusimman taajuussynteesitekniikan nimi on DDS, jossa erityinen
DDS-piiri muodostaa suoraan halutuntaajuisen signaalin ilman VCO:ta ja
sen jakajia ja vaihevertailijaa ja jakajia. Sekoitin (Mixer)
Vastaanottimen sekoittimet ovat joko aktiivisia (transistori-), tai passiivisia (diodisekoitin kuvassa: 1960-luvun jenkkiläistä mikroaaltotekniikka, viritettävä kaksois-cavity RF-suodin/diodimikseri). Aktiivinen sekoitin vahvistaa hiukan ja vastaavasti passiivinen vaimentaa hiukan, mutta se ei lopputuloksen kannalta ole yleensä merkittävää. Käyttämällä suurivirtaista FET:iä tai ns. 'high level' Shottky-diodisekoitinta voidaan vastaanottimen signaalinkesto-ominaisuuksia parantaa. Tällöin myös injektio-oskillaattorin syöttämää tehoa tarvitaan vastaavasti enemmän. Kaksoisbalansoiduissa diodisekoittimissa (DBM) standardi injektiotaso on +7 dBm eli n. 5 mW, mutta 'high level' sekoittimia löytyy aina + 23 dBm (200 mW) tasoon asti. Taajuuskaista yltää tasavirrasta 10 GHz:iin, tosin eri taajuusalueille on valittava oma tyyppinsä, koska DBM-sekoittimen sisällä olevat muuntajat rajoittavat niiden taajuuskaistaa. DBM-sekoittimet vaativat hyvät laajakaistaiset impedanssisovitukset kaikkiin portteihinsa toimiakseen ideaalisesti.
Jos taajuus on yli 100 GHz, ja RF-esivahvistinta ei ole kun ne eivät sillä asti toimi, antennaista tuleva signaali syötetään suoraan sekoittajalle, ehkä jonkinlaisen kaistanpäästösuotimen kautta. Kohinalukua voidaan parantaa, jos sekoitin sijoitetaan tyhjöpumpattuun lämpöeristettyyn ja kryogeenisesti 20 kelviniin heliumilla jäähdytettyyn koteloon. Samaa tekniikkaa voi käyttää RF-esivahvistinasteen sisältäviin mikroaaltoalueiden vastaanottimiin. Moinen järjestely tuskin sopii harrastajalle ja edes ammattilaiset eivät sitä alle 3 GHz:lla useinkaan edes käytä saavutetun vähäisen hyödyn vuoksi. Sivukommenttina: millimetri- ja alimillimetrialueella ammattilaiset käyttävät neljään kelviniin jäähdytettyä SIS-sekoittajaa (superconductor-isolation-superconductor). Näistä voisi kai sanoa että "älä kokeile näitä kotona". Konvertteri (Down-Converter, LNC, LNB)
Aaltojohdon perällä on kytkentäelin (probe) ensimmäiselle RF-asteelle. Strip-line-tekniikalla ja pintaliitoskomponenteilla toteutettu 11 GHz HEMT-LNB konvertteri. Vasemmalta oikealle: kolme RF-vahvistinastetta, interdigitaalinen kaistanpäästösuodin, sekoitin ja oikeassa reunassa 10 GHz oskillaattori (LO). Väliseinä keskellä mm. vaimentaa laitekotelossa syntyviä haitallisia resonansseja mikroaaltotaajuuksilla, jotka voisivat johtaa RF-asteiden itsevärähtelyyn.
S-alueen 2.3 GHz:n taajuuden 144 MHz:iin muuttava strip-line-vastaanotinkonvertteri. Alareunassa vas. GaAs-FET RF-vahvistin, oik. sekoitin. Välissä peilitaajuuden poistava kaistanpäästösuodin. Strip-line-rakenteilla korvataan UHF- ja varsinkin SHF-taajuusalueilla HF- ja VHF-alueiden laitteista mm. tutut langoista tehdyt kelat ja kondensaattorit. Konverttereita käytetään yleensä, mikäli käytetty (perus)vastaanotin ei kata vastaanotettavaa taajuusaluetta. Nykyisin muutamat vastaanottimet kattavat aukottomasti taajuudet aina 2 GHz asti, mutta yli 200 MHz taajuuksilla on jo pelkästään syöttöjohtohäviöiden takia syytä käyttää joko RF-esivahvistinta antennin syöttöpisteessä, tai sijoittaa sinne konvertteri ja tuoda kaapelilla alas konvertterin antama välitaajuus. Konvertteri voi myös muuntaa taajuutta ylöspäin, esim. 50 kHz:stä 30 MHz:iin, jos perusvastaanotin ei toimi näin matalilla taajuuksilla.
Valmiita mikroaaltokonverttereita ja matalakohinaisia vahvistimia on saatavissa 1.2 GHz...2.6 GHz välille (mm. SSB-Electronicin eri UEK 2000 versiot) ja kaikille radioamatööri ja TV-satelliittialueille, eli 3.5 GHz, 4 GHz, 5.6 GHz, 10 GHz, 11 GHz, 12 GHz ja 24 GHz. Useimpia konverttereita voi virittää, tai modifioida jonkin verran niiden alkuperäisen toimintataajuusalueen ylä-, tai alapuolelle. Konverttereita voi myös ketjuttaa, eli muuntaa taajuus vaikkapa 2 kertaa. Välitaajuusosa (IF)
10.7 MHz välitaajuussuodin, vahvistinaste (FET) ja integroitu piiri (IC), jossa sekoitin 455 kHz:iin, vahvistin ja ilmaisin. Välitaajuusaste koostuu suotimista ja vahvistinasteista. Vahvistinasteet voivat olla toteutettuja integroiduilla piireillä, joissa on liuta muita oheistoimintoja. Haluttu kaistanleveys voi olla mitä hyvänsä hertseistä satoihin megahertseihin ja haluttu kaistanleveys saadaan yleensä aikaan sopivalla välitaajuussuotimella tai suotimilla. Kapeakaistaisia vastaanottimia käytetään SETI projekteissa ja spektriviivojen mittauksissa, leveäkaistaisia vastaanottimia taas käytetään lähes kaiken muun (varsinkin kontinuumi) radiosäteilyn havainnoimisessa. Käyttämällä tietokoneita ja FFT-tekniikkaa voidaan rajallinen määrä välitaajuuskaistaa syöttää tietokoneelle murskattavaksi biteiksi ja ohjelmallisilla suotimilla voidaan saada alle 100 Hz kaistanleveyksiä (esim. 1 Hz), joihin kidesuotimilla ei päästä. Näitä hyödynnetään lähinnä SETI-tyyppisissä projekteissa, joissa etsitään suuresta määrästä kapeita taajuuskaistoja hyvin heikkoja kapeakaistaisia lähetteitä, tai kantoaaltoja. Luonnonilmiöissä syntyvät signaalit ovat luonteeltaan enempi leveäkaistaisia ja esimerkiksi Auringon, tai Jupiterin kohinatason vaihteluja mitattaessa on hyvä käyttää leveämpää kaistaa (2...20 MHz), koska silloin voidaan ns. integrointiaikaa lyhentää ja saadaan lyhyemmillä aikaväleillä vakaita mittaustuloksia. Kaistanleveys ja näytteenottonopeus siis kulkevat tietyllä tavalla käsi kädessä toistensa kanssa. Välitaajuuksien valinnassa vältetään taajuuksia, joilla voi olla voimakkaita radiolähetyksiä joka voi vuotaa suoraan vastaanottimen välitaajuusasteisiin, mutta aina se ei ole mahdollista, jos välitaajuuskaista on hyvin leveä, esimerkiksi 200 MHz....2 GHz. Yleisimmät välitaajuudet kaupallisissa radiovastaanottimissa ovat 455 kHz, 10.7 MHz ja 21.4 MHz, mutta UHF ja SHF-vastaanottimissa joudutaan käyttämään korkeampaa ensimmäistä välitaajuutta, jotta ns. peilitaajuus, eli injektiotaajuuden summa, tai erotus välitaajuuden kanssa (Fif = Flo+Fif tai Fif = Flo-Fif) voidaan suodattaa pois, riippuen siitä kumpaa halutaan vastaanottaa. Millimetrialueen vastaanottimissa ensimäinen välitaajuus voi olla hyvin korkea, luokkaa 20 GHz. Mikroaaltoalueiden vastaanottimissa joudutaan käyttämään korkeita, gigahertsiluokan välitaajuuksia ja yleensä ensimmäinen välitaajuus sekoitetaan vielä jopa useita kertoja alaspäin, jotta päästään vaikkapa 10.7 MHz:iin. Noin karkeasti, jokaisessa sekoituksessa seuraava välitaajuus on noin kymmenesosa edelliseen verrattuna. Esimerkkinä voisi olla 11 GHz satelliitti-TV-vastaanotin, jossa paraboloidipeilin syöttöpisteessä olevan mikroaaltokonvertterin 10 GHz injektio sekoitetaan satelliitista vastaanotettuun 11 GHz signaaliin ja saadaan 1 GHz ensimmäinen välitaajuus. Se johdetaan kaapelilla alas virittimelle, jossa se sekoitetaan 1.5 GHz injektioon ja alempi sekoitustulos, 500 MHz (toinen välitaajuus), suodatetaan kaistaltaan 27 MHz levyiseksi, vahvistetaan ja ajetaan FM-ilmaisimelle, josta saadaan videosignaali TV-monitorille.
Toisena esimerkkinä voisi olla laajan taajuusalueen kattava IC-R7000 VHF-UHF-vastaanotin. Siinä on yli 1 GHz taajuuksille konvertteri, jonka injektio on 1 GHz ja sekoitustulos ajetaan perusvastaanottimeen, jonka viritysalue on 25.000 MHz...999.999 MHz, Konvertteri siis mahdollistaa taajuusalueen 1025.000 MHz...1999.999 MHz vastaanoton. Vastaanottimessa on kiinteinä ensimmäisinä välitaajuuksina 778.7 MHz 512 MHz alapuolella ja 266.7 MHz 512 MHz yläpuolella. Muut välitaajuudet ovat klassiset 10.7 MHz ja 455 kHz. Jo pelkästään käytettyjen välitaajuuksien määrästä voi päätellä laitteen olevan satelliittivastaanotinta monimutkaisempi. Ilmaisin (Detector)
Välitaajuusvahvistimesta saatava suurtaajuinen jännite voidaan tasasuunnata diodilla, jolloin voidaan mitata vastaanottimen koko läpäisykaistan kohinatehoa (square-law detector) ilmaisimen antaman tasajännitesignaalin muodossa. Jotkut sanovat tätä videoilmaisimeksi, sitähän se on TV-vastaanottimessa ja AM-radiossa audiosignaalin ilmaisimena. Ilmaisimen yhteydessä on yleensä integraattori, jolla signaalia integroidaan. Myös keskiarvo-, huippuarvo-, tai muita ilmaisintyyppejä voidaan käyttää, jos ne soveltuvat tarkoitukseen. Jos käytettävissä olisi tarpeeksi nopea A/D-muunnin, voitaisiin välitaajuuskaista syöttää suoraan muuntimeen ja ohjelmallisesti määritellä mitä osaa kaistalta mitataan ja miten ja saada näkyviin myös signaalin spektri.
Tietokoneiden äänikortit pystyvät käsittelemään vain korkeintaan parinkymmenen kilohertzin luokkaa olevia taajuuksia ja jos niillä halutaan tarkkailla signaalin spektriä, tai muita ominaisuuksia ohjelmallisesti suoritetun FFT-analyysin avulla, on välitaajuus sekoitettava vielä kerran, jotta saadaan aikaiseksi äänitaajuus joka syötetään äänikortille. Tällainen ominaisuus on ns. SSB- (sivunauha)vastaanottimessa, jossa ns. BFO:n (beat-oskillaattori) taajuus on asetettu välitaajuuskaistan toiselle reunalle. Sekoituksen tuloksena on korvin kuultava äänitaajuus, jossa esim. yhden kilohertzin muutos antennista syötettävässä taajuudessa aiheuttaa samansuuruisen yhden kilohertsin muutoksen vastaanottimen äänitaajuiseen lähtöön. Näin voidaan muutaman kilohertsin levyinen pätkä (riippuu lähinnä vastaanottimen välitaajuussuotimen kaistanleveydestä) vaikkapa 1.4 GHz taajuusalueelta siirtää äänikortin kautta tietokoneen analysoitavaksi. Vertailun vuoksi: SETI:n Serendip-vastaanotin prosessoi 100 MHz levyistä taajuuskaistaa. A/D-muunnin
Kuvassa omavalmisteinen esivahvistimella varustettu 8-kanavainen PC:n sarjaporttiin kytkettävä 10-bittinen A/D-muunnin. A/D-muuntimen tarkoituksena on muuntaa siihen syötetty analoginen tieto digitaaliseksi koodiksi, jota tietokone ymmärtää. A/D-muuntimien nopeudet ovat nousseet huimasti ja liityntätavasta riippuen voidaan ottaa näytteitä jopa 300 000 000 kappaletta sekunnissa. Käytännössä tämä tarkoittaa, että nopeat A/D-muuntimet ja DSP-tekniikka alkavat korvata konventionaalista analogiatekniikkaa vastaanottimen loppupäässä ja tulevaisuudessa johonkin taajuusrajaan asti, kenties jopa kokonaan syrjäyttää perinteisen taajuussekoitukseen perustuvan supervastaanottimen. Antennista saatava signaali siis voidaan muuttaa suoraan biteiksi ja ohjelmallisesti valita vastaanottotaajuus ja tehdä sille esimerkiksi aivan minkä levyisiä ja muotoisia kaistanpäästösuotimia mieleen juolahtaa, jne. Välttämättä tällainen vastaanotin ei ole suoritusarvoiltaan sen parempi, kuin konventionaalisella analogiatekniikalla toteutettu, mutta sen ominaisuuksien muuttaminen on erittäin joustavaa, kun kaikki tehdään ohjelmallisesti. DSP-tekniikka, jonka nimiin moni asiaan vihkiytynyt vannoo, on sen verran laaja asiakokonaisuus, että se ansaitsisi ihan omat sivunsa.
PC:n sarjaporttiin liitetyillä muuntimilla jäädään muutamaan kymmeneen näytteeseen sekunnissa, mutta harrastusprojekteissa se riittää usein hyvin. Kohinatehon mittauksessa A/D-muuntimelle yleensä tuodaan vastaanottimesta signaalinvoimakkuutta ilmaiseva tieto, joka kalliimmissa ammattilaitteissa onkin yleensä stabiili ja sopivasti skaalattu, mutta harrastuslaitteissa usein vain suuntaa antava, epälineaarinen ja vastaanottimen lämpötilan muuttuessa petollisesti vaihteleva. Mittaamisen sietämätön helppousKun vastaanottimesta (radiometristä) saadaan ulos tietoa signaalin voimakkuudesta tai siis tehosta, A/D-muunnin muuntaa sen kyllä alle yhden bitin virheellä digitaaliseksi, mutta ennen kuin ollaan näin pitkällä, antennista tullut RF-signaali on mennyt monen vahvistavan ja vaimentavan puolijohdekomponentin kautta. Koska varsinkin puolijohteilla on ilkeä ominaisuus reagoida lämpötilan muutoksiin, vastaanottimen kokonaisvahvistus muuttuu ja se aiheuttaa suuria ongelmia mittauksen toistettavuuteen, eli senhetkinen vastaanottimen ilmaisimelta saatava kohinatehoa indikoiva jännite on jotain muuta, kun se oli eilen, vaikka antenni osoittaa samaan kohteeseen. Toinen asiaan liittyvä ongelma on se, jos halutaan vielä muuntaa tulokset säteilyvuoksi, tai kohinalämpötilaksi, pitää myös antennin ominaisuudet ottaa huomioon, koska se on osa systeemiä. A/D-muuntimelle tulevalle kohinatehoa kuvaaville jännitteelle pitäisi luoda kalibrointitaulukko. Kalibroinnissa omaa mittaustulosta verrataan tunnettuun suureeseen, mutta entäs kun tätä pitäisi tehdä jatkuvasti vastaanottimen vahvistusmuutosten vuoksi? Yksi tapa on käyttää Dicken radiometrin periaatetta, jossa vastaanottimen vahvistuksen muutokset kompensoidaan tekemällä jatkuvasti vertailumittauksia tunnettuun referenssiin (kalibroimalla) siten, että antennin tilalle vastaanottimen tuloon kytketään jokin tunnetun kohinatehon antava lähde. Aaltojohto tuketaan mekaanisesti liikutettavalla vaimentavalla kappaleella (ON-OFF-mittaus), jolla mittaukseen saadaan tunnettu referenssi, koska tukkivan kappaleen lämpötila tunnetaan. Vastaava temppu koaksiaalikaapelilla voidaan tehdä lisäämällä syöttöelementiltä tulevaan kaapeliin vaihtokytkin, jolla vastaanottimen ensimmäinen RF-asteen tulo kytketään päätevastukseen. Vastus toimii referenssinä, jonka lämpötila ja siten sen antama kohinateho on tunnettu. On myös olemassa kalibroituja elektronisia kohinalähteitä, joilla vastaanottimeen voi syöttää kytkentäelimellä (coupler) tunnetun kohinatehon. Vastaanottimessa voi sopivaan väliin (RF-tai välitaajuuslinjaan) kytkeä askel-vaimentimen, joilla kohinaa saadaan tietyssä askelissa vaimennettua ja siitä saadaan mittaukseen alue-asteikko. Antenni jää näiden kalibrointimetodien ulkopuolelle, joten jäljelle ei oikeastaan jää muuta keinoa kuin vertailla taivaan kohinalähteitä. Hyvä keino on mitata eroa kylmän taivaanalueen ja säteilyvuoltaan tunnetun taivaan kohinalähteen välillä (Messier M1) (ON-ON-mittaus). Tästä erosta pystyy myös laskemaan systeemille erilaisia sen herkkyyttä kuvaavia teknisiä suoritusarvoja. Auttaisikohan tämä kuva ja selitykset avaamaan asiaa?
L. Cupidon havainto M1:stä ja sn-jäänteestä 5.6-m peiliantennilla. Cupido mainitsee voimakkaimman kvasaarin olevan heikohkosti havaittavissa tällä antennilla ja Venuksen 5.6 GHz:lla ja Jupiterin 10 GHz:lla lähes mahdottomia. L. Cupido, CT1DMK on mitannut 1.29 GHz:llä 5.6-metrisellä peiliantennilla M1:stä, joka on yksi luotettavimmista ja voimakkaimmista kalibrointikohteista taivaalla (875 Jy 1.4 GHz:lla), toinen piikki kuvassa on supernovajäänne 3C157. Puhtaimman käyrän mittausta on integroitu 100 sekunnin aikavakiolla ja kohinaisimmassa aikavakio on ollut vain 1 sekunti. Kuten voi arvata, vasemmalla oleva y-akselin asteikko, joka alkaa 710..., ei ole mitään yksikköä vaan on relatiivinen, luultavasti A/D-muuntimen antama lukuarvo. Kuitenkin sen jakovälit on saatu selvitettyä (0.02 dB/jakoväli).
Kun laskee montako desibeliä M1 on noussut taustakohinasta, se ei ole kuin yksi vaivainen desibeli, eli toimimme aika pienellä dynamiikka alueella lähellä vastaanottimen pohjakohinatasoa. Vähäisinkin sumu, pilvet, ja varsinkin radiometrin lämpötilan muutos aiheuttaa tasosiirtymiä (nollapisteen ryömintää), joka pilaa mittauksen. Ensikertaa näiden asioiden kanssa painiskelevalle harrastajalle voi vain toivottaa pitkää pinnaa ja onnea valitsemallaan tiellä. Toinen vastaanottimen kalibroitava suure voisi olla taajuus. Sen kalibrointi ei kuitenkaan ole niin hankalaa, sillä erilaisia taajuusreferenssejä on käytettävissä halvoista taajuuslaskimista rubidium-oskillattoriin lukittuun YLE TV-1:n juovataajuuteen.
Juurikaan muita mitattavia ja kalibroitavia suureita ei tule mieleen,
jos ei mukaan lasketa antennin suuntausta, polarisaatiota, tai muita mekaanisia
asioita.
MuutaVastaanottimen lähtöön voidaan liittää erilaisia asioita mittaavia ja tallettavia laitteita spektrin, vaiheen yms. mittaamiseen. Niistä on hiukan vaikea sanoa mitään yksityiskohtaista, koska ne riippuvat projektin tarkoitusperistä. Yhteistä näille vastaanottimesta saatavaa signaalia jalostaville ja analysoiville valmiille laitteille on niiden korkea hinta, lukuun ottamatta PC:n äänikortteja ja niihin saatavia ilmaisohjelmistoja.
Aktiivisia ja passiivisia RF-elektroniikkakomponentteja. Matkaviestimien nopea kehitys on tuonut mukanaan tarpeen integroida laitteen radio-osa pieneen tilaan. Saatavissa on lukuisia mikropiirejä, joihin on integroitu suurin osa vastaanottimen toiminnoista (kuva alla) ja tämä tekee mahdolliseksi valmistaa vastaanotin itse, ilman suurta työ- ja komponenttimäärää, mikäli on riittävästi kokemusta ja osaamista alalta. Jos ei kokemusta ole, tai ei viitsi moiseen vaivautua, voi aina haalia firmoilta ja laitoksilta ylijäämälaitteistoa ja moduleita, joita yhteen liittämällä voi saada pienellä vaivalla hyviäkin vastaanotinlaitekokonaisuuksia ja mainetta alan tositaitajana.
Analog Devices AD608:n FM-vastaanottimen lohkokaavio. Piiri on edellisen kuvan oikeassa yläreunassa. Yllä esitellyt vastaanottimet perustuvat ns. super-vastaanottimeen, joka on ideana jo melko iäkäs (E. H. Armstrong. "A New System of Short Wave Amplification." Proc. of the IRE, Vol. 9, Feb. 1921) ja uusi digitaalitekniikkaan ainakin osittain pohjautuva vastaanotinkonsepti on jo ollut jonkin aikaa markkinoilla. Tällainen osittain digitalisoitu vastaanotin sisältää normaalin super-vastaanottimen alkuosan, mutta välitaajuus ajetaan A/D-muuntimelle ja sitä seuraaville muille digitaalisille signaalinkäsittelypiireille, jolla suoritetaan kaistanpäästösuotimien ja ilmaisutavan, yms. valinta ohjelmallisesti ohjattuna. Täysin digitaaliset HF-alueen vastaanottimet ovat pian tekemässä tuloaan, kunhan nopeissa A/D-muuntimissa saadaan tiettyjä ominaisuuksia kehitettyä riittäviksi ja siten vastaanottimen dynamiikka saadaan samalle tasolle nykyisten huippuluokan analogiatekniikkaan perustuvien vastaanottimien kanssa. Tosin HF-alueen vastaanotin sinällään ei riitä moneenkaan radioastronomiseen tarkoitukseen, joten taas jouduttaisiin käyttämään down-konverttereita.
Digitaalisen vastaanottimen lohkokaavio.
Mittalaitteet - harrastajan haaveitaYleensä hiukankin useammasta yksiköstä koostuva vastaanotinjärjestelmä vaatii joitakin mittalaitteita, joilla se viritetään parhaaseen toimintakuntoon ja sen pysyvyyttä tarkkaillaan. Jotakin voi mitata ja päätellä yleismittarilla, taajuuslaskimella ja oskilloskoopilla, mutta kunnon signaaligeneraattori, spektrianalysaattori ja muut RF-mittalaitteet ovat joskus todella tarpeen.
Vastaanotinlaitteiden rakentaminen itse ei ole mahdotonta, mutta ilman mittalaitteita se on usein melko vaikeaa. Toisaalta ei ole perusteltua käyttää kymmeniätuhansia rahaa mittalaitteisiin, jos aikoo kasata muutaman tuhannen hintaisen vastaanottimen. Kunnolliset (RF-)mittalaitteet ovat siis kalliita, joten tarkastukset ja viritykset joudutaan tekemään joko lainalaitteilla, tai jossakin muussa paikassa, jossa on siihen tekniset edellytykset (esim. alan oppilaitokset). Tähän vaikuttaa se, miten paljon vastaanottimen eri yksiköihin on investoitu, eli jos systeemi on kasattu halvalla, sen toimintaan saattaminen ja ylläpitäminen voi vaatia enemmän resursseja. Jos taas rahaa on käytetty reilummin, laitteet saattavat toimia hyvin heti kylmiltään ilman mitään sen kummempia virityksiä vaikkapa vuosikaupalla, mikäli sähkönsyöttö on muistettu varmistaa akuilla. AntennitVastaanottoantennin tarkoituksena on kerätä ympäriltään sähkömagneettisen kentän energiaa ja muuttaa se johdossa kulkevaksi sähkötehoksi, tai keskittää se aaltojohtoon vastaanottimeen siirtoa varten. Antenneja on kahta lajia:
Suunta-antennin ominaisuuksia:
Suuntakuviossa ei saisi olla juurikaan sivukeiloja, tämä ei kuitenkaan ole mitenkään mahdollista. Sivukeilat ja rajallinen etu/takasuhde aiheuttavat radioastronomiassa mm. kohinalämpötilan nousua antennin vastaanottaessa jonkin verran myös muualta, kuin pääkeilan alalta taivaalta tulevaa radiosäteilyä. Taajuusalue jolla antenni toimii hyvin, pitäisi olla mahdollisimman leveä, jolla taajuuden muuttuessa säilyy mm. kunnollinen suuntakuvio eli vahvistus, mutta senkin aikaansaaminen on vaikeaa. Haluttu polarisaatio sentään on usein järjestelykysymys, mutta sen muuttamien vaatii usein mekaanisia ja/tai elektronisia järjestelmiä. Radioastronomiassa polarisaatiolla on usein suuri merkitys. Polarisaatiota mittaavaa laitetta kutsutaan polarimetriksi. Antennin syöttöimpe (vaihtosähkövastus, Z) koostuu kahdesta komponentista: resistiivinen ja reaktiivinen osa (R+Xc), jotka molemmat muuttuvat taajuuden muuttuessa. Yleensä reaktiivinen osa pyritään saamaan nollaksi. Radiotekniikassa puhutaan ns. tehosovituksesta, eli ideaalinen tehonsiirto antennista ensimmäiseen vahvistusasteeseen vallitsee, kun antennin syöttöpisteen ja niitä yhdistävän siirtolinjan impedanssi on yhtä suuri, kuin RF-etuasteen, johon signaaliteho on tarkoitus syöttää. Tarkkaan ottaen tämä ei anna parasta tulosta ja siksi etuaste sovitetaan ns. parhaaseen kohinasovitukseen (noise match).
Antennityyppejä
Ainoastaan parabolipeiliantenni on todella laajakaistainen (jos ajatellaan vain sen heijastinpintaa). Heijastavan pinnan tarkkuus määrää korkeimman käyttötaajuuden ja halkaisija alimman, tosin kysymys on lähinnä vahvistuksen alenemisesta matalilla taajuuksilla, jolloin vastaavankokoinen Helix-, tai Yagi-antenniryhmä voi antaa (tosin kapealla taajuuskaistalla) enemmän vahvistusta. Heijastava pinta voi olla myös puolipallo, tai sylinterimäinen, tai epäsymmetrinen. Suurissa teleskoopeissa on yleensä käytännön syistä peilin takana sen keskipisteessä tila, johon vastanottimet on sijoitettu, jonne signaali fokusoidaan apupeilin avulla. Tällainen teleskooppi on tyypiltään joko Cassegrain, tai Gregoriaaninen apupeilin muodosta riippuen. Pienimmissä teleskoopeissa syöttöelementti (ja vastaanottimen etupää) on peilin edessä polttopisteessä ilman apupeiliä, joka ei ole vähäkohinaisin vaihtoehto, koska syöttöelementti näkee lämpimän maanpinnan peilin reunojen ohitse. Syöttöelementti määrää vastaanotetun polarisaation ja se voi olla Helix- (pyörivä polarisaatio), Yagi- (lineaarinen, tai pyörivä, jos risti-Yagi), tai mikroaalloilla torvi-tyyppinen (kaikki polarisaatiot mahdollisia). Syöttöelementti on yhdistetty häviöiden välttämiseksi lyhyellä aaltojohdolla, tai koaksiaalikaapelilla vastaanottimen ensimmäiseen vähäkohinaiseen suurtaajuusetuasteeseen, tai taajuusmuuntimeen (konvertteriin). Syöttöelementin keila on sovitettu peilin f/d:n eli polttoväli/halkaisija-suhteeseen sopivaksi, niin että se "valaisee" tasaisesti koko peilin pinnan, mutta ei se reunojen ohi. Käytännössä peilin reunoille osuu syöttötorven säteilykeilan kymmenesosatehon pisteet (-10 dB). Kommunikaatiokäytössä yleisesti hyväksytty kompromissi peilin reuna-osien pinta-alan hyödyntämisen on syöttötorven säteilykeilan kymmenesosatehon pisteiden (-10 dB) osuminen peilin reunoille, jolla saadaan hyvä, yli 50% hyötysuhde ja vahvistus, mutta tämä ei ole hyvä ratkaisu sivukeilojen voimakkuuden ja kohinalämpötilan suhteen. Vaikka suppeampi illuminaatio pienentää peilin tehollista pinta-alaa, radioastronomiassa pyritään siihen, että peilin reunalla illuminaatio olisi -15...-20 dB, eli jopa vain sadasosa antennin kohinalämpötilan alhaisena pitämiseksi. Aiemmin käytettiin usein metalliverkkoa heijastimena, mutta sen edut, eli keveys ja halpuus ovat lähinnä vain UHF-alueen sovelluksissa. Jo noin 3 GHz yläpuolella verkkoa ei käytetä, koska silmäkoko pitäisi olla hyvin pieni. Kun lähestytään sitä ylärajataajuutta, jolla heijastinverkko alkaa vuotaa lävitseen ja syöttöpää näkee lämpimän maanpinnan, se nostaa antennin kohinalämpötilaa ja samalla antennin vahvistus heijastinpinnan hyötysuhteen aletessa pienenee. Peili kannattaa tehdä metallilevystä (alumiini), jolloin näitä harmeja ei ole. Peilin pintatarkkuus tulisi olla parempi kuin 1/10-osa käytetystä aallonpituudesta. Torviantennin vahvistuksen, eli keilanleveyden määrää sen suuaukon pinta-ala. Torviantennin kaistanleveys voi olla jopa yli yhden oktaavin (esim. 1...2 GHz). Polarisaatio joko lineaarinen, tai pyörivä riippuen torven muodosta (suorakaide/pyöreä). Pyörivä polarisaatio (vasta/myötäpäivään, LHCP/RHCP) saadaan pyöreällä torviantennilla sijoittamalla sinne kaksi ns. probea, toinen vaakasuoraan ja toinen pystyyn ja vaiheistamalla niistä saatavat signaalit yhteen 90° vaihesiirrolla. Yagi-antenni koostuu syöttöelementistä (yleensä puoliaaltodipoli), heijastinelementistä ja halutusta määrästä parasiittielementtejä, eli suuntaajia. Elementtien pituuserot ja välit määräävät antennin toimintataajuuskaistan leveyden. Mitä vähemmän suuntaajissa on pituuseroja, sitä kapeampi taajuuskaista ja sitä kapeampi pääkeila, eli korkeampi vahvistus. Yagin taajuuskaistaa ei kuitenkaan voi äärettömiin kaventaa, tai suuntaajien lukumäärää lisätä vahvistuksen kasvattamiseksi, sillä väärin suunniteltu Yagi on arka kosteudelle ja lumelle. Yagi-antenni ei myöskään sovellu hyvin kovin laajalle taajuuskaistalle. Yagi-antenni antaa lineaarisen polarisaation. Pyörivä polarisaatio aikaansaadaan vaiheistamalla sopivasti ns. risti-Yagi 90 asteen vaihe-erolla (vrt. torviantenni). Yagin keksi Japanissa tohtori Yagi apulaisensa Udan kanssa 1920-luvulla. Yagia muistuttava, kaikkiin elementteihin siirtolinjalla (ns. avolinja) syötetty logaritmisperiodinen dipoli-antenniryhmä (LPDA), voidaan suunnitella erittäin laajakaistaiseksi, mutta tämä tapahtuu vahvistuksen kustannuksella. Elementtien välit ja pituudet muuttuvat logaritmisesti, jolloin saadaan mahdollisimman tasaiset suoritusarvot (vahvistuksen ja syöttöimpedanssin aaltoilu taajuuden funktiona) koko taajuuskaistalle. Logarimisperiodiseen tyyliin voidaan tehdä muunkin tyyppisiä laajakaistaisia antenneja, esim. tasospiraaleja (joka ei ole sama kuin Helix) mikroaaltoalueille. Helix-antennin vahvistus riippuu sen pituudesta (lähinnä kierroksien lukumäärästä). Helixin polarisaatio on aina spiraalin suunnasta riippuen tiettyyn suuntaan pyörivä (RHCP/LHCP). Ongelmana alemmilla taajuuksilla on hankala mekaaninen rakenne, eli kokoon nähden suuren huteran spiraalin tuenta. Tätä antennityyppiä on käytetty suurissa tasoryhmissä, mutta myös peiliteleskoopeissa syöttöelementtinä. Helixin taajuuskaista on Yagia laajempi, mutta kuitenkin rajallinen. Lyhyitä Helixejä käytetään avaruusaluksissa ja luotaimissa matalavahvistuksisina antenneina (LGA). Helixin keksi 1947 tunnettu radioastronomi, insinööri ja radioamatööri John Kraus, W8JK. Puoliaaltodipolilla, tai niistä tehdyillä rykelmillä on Yagia hieman leveämpi taajuuskaista, mutta yhden dipolin vahvistus on hyvin pieni, 2.1 dB eli 1.6-kertainen teoreettiseen täysin ympärisäteilevään antenniin verraten. Suuntakuvion ainoat minimit ovat päiden suunnassa. Aallonpituuteen nähden (<1 aallonpituus.) lähelle maanpintaa sijoitetun vaakapolaroidun dipolin säteilykeila suuntautuu enempi ylöspäin maaheijastuksen ansiosta. Polarisaatio on valittavissa asennusasennon mukaan. Harrastuskäytössä dipoli on yleensä kiinteästi asennettu. Ristidipolilla saadaan aikaan pyörivä polarisaatio. Dipoleita käytetään lähinnä HF-taajuusalueella. Verhoantenni on yleisnimi suurelle joukolle erilaisia vaiheistettuja elementtirintamaryhmiä, jotka yleensä säteilevät kahteen suuntaan. Keilan leveys riippuu elementtien lukumäärästä. Tunnetuimpia ovat broadside and end-fire-tyypit: 8JK, Flat-top, lazy-H, Bruce array, Sterba curtain, jne. Näistä 8JK on Krausin Ohion yliopiston radioastronomian observatoriolla kehittämä antennin Janskyn aikanaan käyttämän Bruce arrayn tilalle. Nykyään suurikokoisia verhoantenneja käytetään enimmäkseen alle 10 MHz taajuuksilla ja niilläkin lähinnä kustannussyistä. Maatasoantenni (GP) on dipolin sukulainen, tavallisesti pystyyn asennettuna antaa pystypolarisaation. Pääkeila on munkinmuotoinen vinosti taivaalle suuntautuva. Minimi suoraan ylös. Käytetään lähinnä HF-taajuusalueella. Lanka-antenni on enempi-vähempi usean aallonpituuden mittainen, tai aallonpituuden ollessa kilometrejä, tai pidempi, niin pitkä, kun käytännössä suinkin mahdollista. Ensin mainitulla on jonkin verran suuntaavuutta langan suunnassa ja jälkimmäinen lähellä ympärisäteilevää. Polarisaatiota voi kysellä Nakkilan kirkonkyläläisiltä. Tällaisten epämääräisten antennien ominaisuudet riippuvat langan pituudesta, korkeudesta ja maaperän johtavuudesta ja sitä on vaikea mallittaa. Näistä suuntaavia ominaisuuksia omaavista lanka-antenneistakin on olemassa lukuisia eri malleja, jotkut päätevastuksella ja toiset ilman (Rhombi, Beverage).Käytetään lähinnä HF- ja LF-taajuusalueella. Kehäantenni on suuntaava (vrt. dipoli). Lähes ainoa vaihtoehto hyvin matalilla taajuuksilla. Mitä alempi taajuus, sitä suurempi kehä ja enemmän kierroksia. Polarisaatio on lineaarinen. Käytetään lähinnä LF- ja VLF-taajuusalueella. Radioastronomiaan käytettyjen antennien kuvia on lisää Rein Smitin sivulla.
Kapeampikeilaisempia ja suurempivahvistuksisia antennirykelmiä voidaan rakentaa vaiheistamalla useampia samanlaisia erillisiä antenneja ryhmiksi. Yleensä niistä muodostetaan levymäisiä mattoja, tai päällekkäin ja vierekkäin kasattuja ryppäitä. VLBI-tekniikka taitaa olla harrastajien ulottumattomissa kulmaerotuskyvyn parantamisessa. Kahden lähekkäin sijoitetun antennin interferometritekniikkaa jotkut harrastajat sentään käyttävät. SiirtolinjatSuurtaajuisten signaaleiden siirtäminen ei ole aina helppoa ja häviötöntä. Myös impedanssisovitus (impedanssi, Z, eli vaihtovirtavastus - joka ei ole sama kuin resistanssi, R, mutta sukua kyllä...) siirtolinjan molemmissa päissä pitää olla kohdallaan, muutoin ainakin osa tehosta heijastuu takaisin tulosuuntaansa ja sahaa siirtolinjassa edestakaisin, kunnes se on häviöiden takia lopulta muuttunut lämmöksi. Tätä ilmiötä voisi simuloida pitkällä pyykkinarulla: täräytä toista päätä ja seuraa kun aaltoliike etenee narua pitkin sen toiseen päähän. Sieltä se heijastuu takaisin ja kimpoilee päiden välillä vaimentuen, kunnes kaikki sille annettu liike energia on hukkunut häviöihin (lähinnä kai lämmöksi). Koska liike-energia heijastui takaisin, sovitus oli huono, eli toisessa päässä oli sähköisesti ajatellen oikosulku tai se oli poikki. Jos sovitus olisi ollut kohdallaan, kaikki toiseen päähän asti siirtynyt energia olisi saatu siellä talteen eikä mitään palaavaa aaltoliikettä olisi havaittu. Vastaanottimien kanssa puuhasteltaessa impedanssisovituksen pielessä olo ei aiheuta suurta pamausta ja kitkerää savua, tai muuta ilkeää, eikä sitä käytännössä edes helposti huomaa, mutta oikeisiin sovituksiin kannattaa kuitenkin pyrkiä. Ainakin niin kauan kunnes tulee mitanneeksi vastaanottimen tuloimpedanssin kaikilla käytetyillä taajuuksilla ja toteaa sen heittelehtivä hyvinkin kaukana ilmoitetusta nimellisarvosta (esim. 50 ohmia). Pistetaajuudella impedanssisovituksen voi toki optimoida, jos tietää mitä tekee ja pystyy toteamaan, tai mittaamaan saavutetut tulokset. No, joka tapauksessa mitään vanhaa sähköhellanjohtoa, tms. ei näihin harrastuksiin pidä antennikaapelina käyttää. Jotta antennin syöttöpisteestä saataisiin antennin keräämä RF-teho vastaanottimen ensimmäiselle vahvistinasteelle, on välissä (mikroaaltovastaanottimia ehkä lukuun ottamatta) jonkin matkaa siirtolinjaa. Mikroaalloilla se voisi olla lähes häviötöntä aaltojohtoa, jossa ei ole mitään johtimia sisällä, mutta alemmilla UHF, VHF jne... taajuuksilla käytetään yleensä koaksiaalikaapelia ja HF-alueella joskus ns. avolinjaa. Avolinja on kahden vierekkäisten johtimen muodostama symmetrinen (symmetric, balanced) siirtolinja, jonka dielektriset (eristeaine = ilma) häviöt ovat vähäiset. Avolinja on kuitenkin mekaanisesti hankala kun sen pitää kellua täysin vapaassa tilassa ja se on arka kosteudelle ja huurteelle, eikä sitä siksi juuri enää käytetä.
Koaksiaalikaapeli on ns. epäsymmetrinen siirtolinja. Koaksiaalikaapeleita voidaan käyttää aina kaikilla taajuuksilla aina 2...10 GHz:n asti. Kaapelin vaimennus kasvaa nopeasti taajuuden kasvaessa ja riippuu pääasiassa halkaisijasta ja käytetystä eristeaineesta. Impedanssikin kyllä vaikuttaa häviöihin, eli on tehtävä kompromissi eristeaineen dielektristen ja keskijohtimen resistiivisten häviöiden välillä (ohut lanka, paksu eriste, tai paksu lanka, ohut eriste). Hyvin paksuissa koaksiaaleissa käytetään eristeenä ilmaa (tai jopa kaasua) ja teflon-spiraalia, tai vaahtoa (foam), tai (ilmaa ja) polyeteeni-muovia, koska ilmalla on pienimmät dielektrisyyshäviöt. Eristeainemateriaali vaikuttaa kaapelin nopeuskertoimeen, eli siihen miten nopeasti aalto kaapelissa etenee. Asialla on merkitystä systeemeissä, joissa halutaan saada signaalit perille tarkasti tietyn vaiheisina, esim. yhdistettäessä antenniryhmän eri osista tulevia signaaleita yhteen, tulee vaiheistuskaapeleiden olla samoja tyypiltään ja mitoiltaan. Koaksiaalikaapelin ulommassa johtimessa, eli vaipassa ei ole RF-jännitettä (lisäksi se yleensä maadoitetaan), eikä sen läpi pääse säteilyä, jos vaippa on tiivis (putki tai punoskaksoisvaippa). Koaksiaalin impedanssi riippuu sisäjohtimen halkaisijan suhteesta ulkojohtimen sisähalkaisijaan (d1/d2). Yleisimmät impedanssit ovat 52, 75, ja 92 ohmia, mutta muitakin löytyy väliltä 35...100 ohmia. Pienimmät häviöt olisivat 70-ohmisella koaksiaalilla, mutta kun USA:n laivasto aikanaan tilasi kilometrikaupalla 52 ohmista (RG-8, RG-58...), niitä aina vaan valmistetaan koska 52 ohmista tuli radioalan ammattipuolella standardi. Kulutuselektroniikka valitsi myöhemmin viisaasti 75 ohmin impedanssin, mutta nyt näitä RF-koaksiaaleja ja niihin liittimiä on sitten kahta eri päälajia, joita ei pitäisi sotkea keskenään, tai tulee tehdyksi kaapelointeihin tietämättään taajuusselektiivisiä impedanssimuuntimia ja epäsovituksia sen tuloksena.
Sopivilla siirtolinjan pätkillä voidaan nimittäin muuntaa impedansseja ylös tai alaspäin. Yleisin tapa on käyttää neljännesaallon mittaista siirtolinjaa, joka impedanssi on neliöjuuri tulevan ja lähtevän impedanssin tulosta Zx = SQR (Z1*Z2). Hienostuneemmin tämä toteutetaan useammassa peräkkäisessä portaassa, jolla saadaan kai leveämpi taajuusvaste. Siirtolinjan pätkä ei tietystikään toimi laajakaistaisena muuntajana, mutta siinä on hyvin pienet häviöt ja yksinkertainen rakenne. Samaa metodia käytetään UHF- ja SHF-alueilla sovittamaan strip-line-tekniikalla (mikroliuska) vahvistinpuolijohteiden tulo- ja lähtöimpedansseja (katso 2.3 GHz konvertterin RF-astetta). Sama periaate toimii yhtä hyvin koaksiaalikapeleilla, joilla voi suorittaa antennien yhdistämisessä tarvittavan impedanssin muunnoksen: jos yhden antennin impedanssi on 50 ohmia, eli Z1=50 ohmia, (Z1)/4 = 12.5 ohmia (neljän antennin 50 ohmin kaapelit kytketty rinnan) Zx = SQR(50*12.5) = 25 ohmia, eli väliin tarvitaan 1/4-aallon pätkä (nopeuskerroin huomioiden) 25 ohmin koaksiaalia. Sellaisen saa tekemällä se itse kahdesta sisäkkäisestä putkesta. Yksiköitä, terminologiaa ja lyhenteitä
Nostalgianurkkaus
Grote Reberin vuonna 1938 paraboliantennin syöttöpisteessä sijainneen 160 MHz vastaanottimen
piirikaavio olisi voinut olla sunnilleen tällainen.
Reber käytti juuri näitä radioputkia vastaanottimessaan, 954 pentodeja vahvistimina ja 9006 diodia ilmaisimena. Radioteknisiä linkkejä
|
Vaihekäsitteestä muutama kommentti: vaihtosähkön yksi jakso jaetaan 360 osaan, eli asteeseen. Jos ajatellaan että generaattorista saadaan ulos sinimuotoista vaihtosähköä ja sen jännite sillä hetkellä nolla, ja nimetään sen vaihekulmaksi nolla astetta, neljäsosajaksoa myöhemmin jännite on kohonnut positiiviseen (+) huippuarvoonsa, eli vaihe on nyt 90 ° ja kun puoli jaksoa on kulunut, jännite on taas laskenut nollaan ja vaihe on 180 °. 3/4-osavaiheen kohdalla jännite on saavuttanut negatiivisen huippuarvonsa (-) ja vaihe on 270 °. Kun aikaa on kulunut yhden kokonaisen jakson verran, on jännite taas nolla ja vaihe on 360 °, tai yhtä hyvin 0 °.
Ensimmäisen RF-vahvistimen kohinaluvusta (Noise Figure), tai kohinalämpötilasta (Noise Temperature) määräytyy suurilta osin vastaanottimen herkkyys ja monia muitakin ominaisuuksia. Ihan aina ei huippuherkkyyttä vaadita, mutta usein se on tarpeen. Paras mahdollinen kohinaluku tai kohinalämpötila on nolla (dB tai K), mutta siihen ei ei koskaan aivan päästä. Jos vahvistimen puolijohdekomponentti olisi ideaalinen ja ei itse tuottaisi kohinaa, olisi asteen kohinaluku teoriassa 0 dB. Käytännössä nykyaikaisilla GaAs-HEMT-komponenteilla päästään 0.2...1 dB kohinalukuihin (15...80 kelviniin).
Mikroaalloilla käytettiin 1960-luvulla ns. parametrisillä vahvistimilla, jotka maksoivat silloin useita tuhansia dollareita ja 2.7 GHz taajuuksilla päästiin 1.3 dB kohinalukuihin, kun nykyisin muutaman sadan euron GaAs-puolijohdevahvistimilla päästään kohinaluvuissa alle 0.5 dB. Parametrinen vahvistin oli oikeastaan klystronilla injektoitu mikroaaltoalueen diodisekoitin, konvertteri, josta sai n. 25 dB vahvistusta. Mikroaaltopuolijohdekomponenttien kehittyessä ilmestyi 1990-luvulla monen talon katolle satelliittiantenni, jossa on 11 GHz:n taajuusmuunnin (LNB), mistä saadaan useita kymmeniä desibelejä vahvistusta kohinaluvun ollessa alle 1 dB ja hinta on vain 40 euron luokkaa tarjouksessa.
Taivas on mikroaalloilla hyvin "kylmä", yleensä vain korkeintaan kymmenien asteiden luokkaa ja taajuuden kasvaessa paljon alhaisempikin. Siksi ei antennista, tai laitteistoista saisi juurikaan kehittyä ylimääräistä termistä kohinaa, joka haittaisi havaintoja. Mikäli antennin pääkeila 'näkee' maanpinnan, sen kohinalämpötila kasvaa, koska se säteilee n. 290 K termistä kohinaa. Mikroaalloilla ammattilaiset jäähdyttävät vastaanottimen etuasteen nestemäisellä typellä, tai heliumilla hyvin kylmäksi, jolloin vahvistavan komponentin terminen kohina vähenee ja kohinaluku alenee.
Kohinaluku on muunnettavissa kohinalämpötilaksi (K, katso taulukko). Käytännössä kohinaluvun huononeminen vaikuttaa karkeasti näin: kohinaluvun 3 dB huononnuksen korvaaminen kasvattamalla antennin kokoa vaatii antennin pinta-alan kaksinkertaistamisen, jotta signaali / kohinasuhde säilyisi samana.
Näitä suotimia voidaan kytkeä useampia peräkkäin esim. riittävän kapean kaistanleveyden
saavuttamiseksi. Sopivasti kytkettyinä näillä resonaattoreilla saadaan aikaan myös imupiirejä, eli
kaistanestosuotimia, tai kaistanesto/päästösuotimia. Koaksiaaliresonaattorisuodinta muistuttaa useampiasteinen Interdigitaalinen suodin, jossa hieman aaltojohtoa muistuttavaan onteloon on sijoitettu vuorotellen seinämien vastakkaisille puolelle vierekkäin vajaan 1/4-aallonmittaisia metallitappeja, tai putkia. Näiden resonaattoreiden toinen pää maadoittuu ontelon kapeampaan seinämään ja vastapuolen seinämästä irti olevan pään kapasitanssia säädetään viritysruuvilla, joilla suodin viritetään halutulle taajuudelle. Alla olevassa kuvassa on 11 GHz konvertterissa käytetty strip-line tekniikalla toteutettua ei-viritettävää interdigitaalista kaistanpäästösuodinta (ristikkäisten "U-kirjainten" jono).
Syöttöelementin ja RF-etuasteen välinen koaksiaalikaapeli on impedanssiltaan yleensä 50, tai 75 ohmista (standardeja), kuten syöttöelementin ja etuasteen impedanssitkin, mutta se on täysin suunnittelukysymys. Koaksiaalikaapelin vaimennus kasvaa sekä pituuden, että taajuuden funktiona ja jopa jo 500 MHz taajuuksilla näkee suurissa radioteleskoopeissa aaltojohtoja, mutta yleensä aaltojohdot syrjäyttävät koaksiaalikaapelit vasta 1...10 GHz: välillä. Aaltojohto on erittäin vähähäviöinen siirtojohdin, mutta taajuuskaistaltaan rajoittunut, yleensä taipumaton ja matalilla taajuuksilla (<1 GHz) sen halkaisija kasvaa epäkäytännöllisen suureksi, eli siitä tulee kallis ja painava. Mikroaalto- ja millimetrialueilla vastaanottimen etupää (LNA, LNB tai LNC) sijoitetaan yleensä antennin polttopisteeseen syöttöjohtohäviöiden eliminoimiseksi.
Koska radiotaajuusalue kattaa oktaaveissa ajatellen erittäin laajan kaistan satojen kilometrien pituisista aalloista millimetrien pituisiin, on saman antennityypin käyttäminen mahdotonta kaikilla eri taajuuksilla. Niinpä ne on helppo jakaa eri taajuusalueille soveltuviin tyyppeihin. Kaikkia eri antennityyppejä ei kannata kahlata läpi, sillä moniin niistä harvemmin törmää, eivätkä kaikki sovellu radioastronomiaan ja useat ovat tässä esitettävien antennityyppien muunnelmia.
