EME

Från HamWiki

(Omdirigerad från Månstuds)
Hoppa till: navigering, sök

EME eller "månstuds" är ett kommunikationssätt där radiosignaler avböjs och återkommer till jorden via reflektion mot månens yta. Radioamatörer har f.n. åstadkommit månreflektionsförbindelser inom amatörradiobanden från 28 MHz till 47 GHz.

Innehåll

Bakgrund och historik

Begreppet EME förekom först i tysk litteratur 'Erde - Mond - Erde' men kom senare att få sin engelska motsvarighet 'Earth - Moon -Earth' vilket numera är den vedertagna betydelsen.

Att radiosignaler kan reflekteras mot månytan var man redan klar över på teoretisk väg under 1930-talet, men dåtidens materiel möjliggjorde inte praktiska försök. Utvecklingen under andra världskriget inom radarområdet gav sedermera den radiotekniska grunden för att kunna verifiera teorierna. Redan innan krigsslutet förekom overifierade rapporter om månreflektioner från radaranläggningar, bl.a. från Tyskland och Ungern, men det tillkom översten i USA:s signaltrupper John DeWitt (N4CBC) att göra det första verifierade "månstudsförsöket" den 10 januari 1946 under "Diana-projektet"[1] . DeWitt använde en modifierad VHF-radar av typen SCR-211 med en pulseffekt av c:a 3 kW på 111,5 MHz matat till en gruppantenn med c:a 24 dB antennvinst.

Redan tidigt efter DeWitt's försök började radioamatörer att studera frågan. Amerikanerna Ross Bateman, W4AO, och William Smith, W3GKP lyckades 1952/1953 att registrera månreflekterade signaler på 144 MHz. [2] Deras arbete kom att upprepas på flera håll i världen, men det var först i juli 1960 som den första verifierade tvåvägs EME-förbindelsen skedde på 1296 MHz mellan Kalifornien (W6HB) och Massachusetts (W1BU). Denna kontakt skedde mellan stationer som var 'sponsrade' av professionella organisationer så det råder diskussion om detta verkligen var "amatörradioförbindelser"

I april 1964 får emellertid Lenna Suominen OH1NL och Willis Conkel W6DNG EME-kontakt på 144 MHz.

Detta efterföljs snabbt av flera andra amatörradioförbindelser mellan de flesta världsdelar både på 144 och 432 MHz under resten av 1960-talet. I Sverige bygger Kjell Rasmusson SM7BAE och Yngve Persson SM7BCX en 16x10 elements stackad Yagi-antenn för 144 MHz som blir klar 1967. Med denna antenn uppnåddes ett stort antal EME-förbindelser.


EME-systemet

Ett EME-system innehåller de vanliga beståndsdelarna i ett radiosystem;

  • Sändare
  • Sändarantenn
  • Mottagarantenn
  • Mottagare

Skillnaden är att det behöver dimensioneras för en mycket hög sträckdämpning eller utbredningsförlust.

Endast med de maximalt tillåtna sändareffekterna och de absolut känsligaste mottagarna kan EME-förbindelser uppnås. Den enskilt viktigaste komponenten i ett EME-system är antennen, som vanligen är gemensam för både sändare och mottagare. En fördubbling av antennens area gör EME-systemet 16 ggr effektivare, eftersom antennvinsten kommer att tillgodoräknas två gånger.

I EME:ns barndom förekom den mesta aktiviteten på 144 MHz, eftersom detta band då var den bästa kompromissen mellan möjlighet att generera sändareffekt, antenndimensioner och uppnåelig mottagarkänslighet. Redan på 70-talet började en strävan uppåt i frekvens, och länge var 432 MHz det amatörband där det var "lättast" att åstadkomma en fungerande EME-station.

Med dagens förbättrade mottagare och tillgång till effektförstärkarkomponenter har 1296 MHz blivit det band där man enklast kan åstadkomma en EME-station som kan höra sina egna månekon.

Kraven på systemet är som nämnts höga.

Dels ska en hög sändareffekt genereras, dels behöver mottagarbandbredden vara liten och antennens riktverkan vara stor. Detta leder till stora krav på frekvensstabilitet hos både sändare och mottagare samt till att den mekaniska noggrannheten i antennens riktningssystem behöver vara hög.

För att utvärdera EME-system finns flera "gratisprogram", det kanske mest använda och genomarbetade är VK3UM:s "EME Calculator" [3]

Fysikalisk bakgrund

Man kan beskriva EME-systemet utgående från radarekvationen


P_r = {{P_t G_t A_e \sigma \eta}\over{{(4\pi)}^2 R_t^2R_r^2}}


där Pr = mottagen effekt [W] 

   Gt = antennvinst i sändarantennen [ggr]
   σ = månens area [m2]
   Ae = mottagarantennens infångningsarea [m2]
   Pt = sändareffekt [W]
   Rt = avstånd från sändaren till månen [m]
   Rr = avstånd från månen till mottagaren [m]
   ŋ = månytans genomsnittliga effektreflektionsfaktor [ggr] (sätts vanligen till 0,12)

För praktiskt bruk brukar man sätta Rt = Rr och därmed försumma avståndsskillnaderna som beror på olika positioner hos sändare resp. mottagare på jordytan.

Med siffervärden för det genomsnittliga avståndet mellan jorden och månen insatta blir kvoten Pr/Pt eller utbredningsförlusten mellan isotropa antenner:

{P_r \over P_t} = {2,5 \cdot {10}^-26 \cdot \lambda ^2} [ggr]


Kvoter av sådana storleksordningar beskrivs bäst i logaritmiska mått i dB; alltså blir utbredningsförlusten mellan isotropa antenner:

L = 10 \cdot log ({P_r \over P_t}) + 10 \cdot log ({\lambda}^2) [dB]

Den våglängdsberoende termen finns där av orsaken att en mottagarantenns infångningsarea är proportionell mot våglängden i kvadrat. Själva utbredningsförlusten är frekvensoberoende.

Man ser att en dämpning av c:a 252 dB behöver övervinnas när våglängden uppgår till 2 m.

Dimensioneringen av ett EME-system kan då härledas på följande sätt:

Summan av sändareffekten och antennvinsterna samt mottagarkänsligheten med omvänt tecken för ett givet S/N måste överstiga utbredningsförlusten eller

10 \cdot log ({P_r \over P_t}) - 10 \cdot log ({kTB}) >= 10 \cdot log ({S \over N}) [dB]

där: k = Boltzmanns konstant 1,38*10-23 [J/Hz] 

     T = brustemperaturen               [K]
     B = mottagarbandbredden            [Hz]
     S/N = signal/brusförhållandet      [ggr]


S/N behöver innehålla en marginal för fading som kan orsakas av troposfäriska förhållanden, polarisationsvridning i jordens magnetfält (Faradayrotation) eller av månens rörelser (Librationsfading).

Fading p.g.a. Faradayrotation motverkas genom att utföra antennerna med cirkulär polarisation, vilket är ett helt företag när antennen är uppbyggd med stackade Yagi-antenner eller är en gruppantenn, men är ganska enkelt när antennen är en parabolisk reflektor med matare.

Ett genomräknat exempel för 1296 MHz bandet:

Sändareffekt Pt = 200 W (+23 dBW)

Antennvinst i sändaren Gt = 1000 ggr (+30 dB)

Antennvinst i mottagaren Gr = 1000 ggr (+30 dB)

Mottagarkänslighet vid S/N = 1 Pr = kTB = 1,38*10-23*100*60 = 8,3*10-20 W (-191 dBW)

Här har representativa värden för brustemperatur (100 K) och örats effektiva bandbredd (60 Hz) använts

Tillåten utbredningsdämpning i dB för S/N = 1 blir då 23 + 30 + 30 + 191 = 274 dB

utbredningsdämpningen mellan isotroper för 23 cm våglängd är c:a 272 dB, alltså har systemet c:a 2 dB marginal.

För att erhålla en antennvinst över en isotrop antenn på 30 dB erfordras en effektiv area av c:a 4 m2, vilket motsvarar en parabolisk reflektor med 3 m diameter.

En sådan antenn är fortfarande hanterbar.

Referenser

  1. ↑ http://www.ieeeghn.org/wiki/index.php/Project_Diana
  2. ↑ "VHF Handbook for the Radio Amateur" 1:a upplagan ARRL 1960
  3. ↑ http://www.ve1alq.com/vk3um/index.html
Hämtad från "http://www.hamwiki.se/wiki/EME"
Personliga verktyg