Antennentemperatur und G/T System Wofür steht der Begriff "Low Noise Yagi"? Von internen Verlusten erzeugtes Rauschen
AGTC_lite Programm TANT Programm
Welche Temperaturen für welches Band? Korrigierte T-sky und T-earth Y-Factor per Antennentemperatur
AGTC_lite Download TANT Download TANT und 64 Bit Betriebssysteme? TANT im DOSBOX Emulator laufen lassenGrundlagen der Antennentemperatur
In Software zur Antennensimulation wie 4nec2 oder EZNEC können wir die Schrittweite der Berechnung des Strahlungsdiagramms in Grad angeben. Der hier in der Himmelssphäre hervorgehobene Teil ist einer der aus der eingestellten Schrittweite resultierenden Flächen. Das Beispiel zeigt nur eine der Flächen direkt in Hauptstrahlrichtung. Tatsächlich sind beide Hemisphären vollständig mit diesen Flächenstückchen bekleidet. Jedes von ihnen "scheint" auf das Strahlungsdiagramm der AUT mit einer bestimmten Strahlungstemperatur (der englische Begriff "Brightness Temperature" bringt es hier besser auf den Punkt). Abhängig von der Hemisphäre, zu der das Flächenstückchen gehört, ist dies entweder T-earth oder T-sky. Das Strahlunsgdiagramm der AUT hält den Gewinn, der mit dem jeweiligen Flächenstückchen korrespondiert, angefangen bei 0 dB in Strahlungsrichtung und zum Beispiel -24 dB für einen Nebenzipfel. Schließlich wird die Aufnahme von Rauschleistung pro Flächenstück aufsummiert, über die volle Sphäre gemittelt und in Kelvin angegeben. Das dann ist die Antennentemperatur der AUT.
Was man als Gittermuster auf dem 3D Strahlungsdiagramm sieht, sind gerade die besagten Flächenstückchen beider Hemisphären - projiziert auf das Volumen des Strahlungsdiagramms.
Bei einem Elevationswinkel von Null ergibt sich in jedem Fall, gleich welches Modell genommen wird, für T-ant = (T-sky + T-earth)/2. Ganz gleich, welches der unteren Hemisphäre zugehöriges Flächenstückchen betrachtet wird, es findet ein Gegenüber auf der oberen Hemisphäre mit genau gleich hohem Gewinn in dessen Richtung. Dennoch können wir eine Menge von der bei Elevation gewonnenen Antennentemperatur ableiten. Die Antennen, die die niedrigere Antennentemperatur bei gegebener Elevation liefert, wird bei terrestrischem Betrieb das höhere Vermögen aufweisen, Rauschquellen abzublocken. Um eine niedrige Antennentemperatur zu erreichen, brauchen wir sehr kleine Seiten- und Rückzipfel, ebenso wie wenn wir auf leise Signale horchen und Rauschquellen von seitwärts oder hinten im Begriff sind, unser leises DX-Signal zu überdecken.
|
Niedrige Antennentemperatur falsch verstanden - Eine fiktive Rückmeldung zu einem "Low Temperature Yagi" Test
"Während des März RCC Fieldday konnten wir bestätigen, daß Dein neues Low Temperature Yagi Design viel ruhiger ist, als die konventionelle Yagi die wir als Referenz aufgebaut hatten. Nicht nur das, ... zu unserem eigenen Erstaunen wurde die Low Temperature Yagi in den frühen Morgenstunden vor der anderen von Rauhreif bedeckt und blieb das auch etwa 20 Minuten länger, als die Sonne endlich herauskam." |
Antennentemperatur hat NICHTS mit der physikalischen Temperatur der Antennenteile in Grad Celsius oder Fahrenheit zu tun.
Antennentemperatur ist ein Äquivalent zu der Rauschleistung pro Bandweite, die ein gedachter Widerstand am Eingang eines rauschfreien Empfängers leisten muss, um den gleichen Rauschpegel zu erzeugen wie diese Antenne aufgrund ihrer Strahlungscharakteristik aus der Umgebung einfängt. Lediglich die internen Verluste, soweit sie auf ohmsche Verluste in den Drähten oder Elementen zurückzuführen sind, sind temperaturabhängig. Aber diese sind bei beispielsweise der Zunahme der physikalischen Temperatur um 20 K oder Grad Celsius so gering, dass selbst anspruchsvolle Anwendungen ohne diese Betrachtung auskommen. Ein wesentlich besserer Weg ist es, gleich ein gut leitendes Material von ausreichender Dicke zu verwenden (siehe unten).
Einer sehr umfassenden Publikation zum Thema Verständnis der Antennentemperatur in ihrem vollen physikalischen Kontext bin ich im Internet begegnet. Sie ist verfasst von Dr. Natalia K. Nikolova, McMaster University, Hamilton, Canada. Es ist das Skript ihrer Vorlesung "Modern Antennas in Wireless Telecommunications" aus 2012 http://www.ece.mcmaster.ca/faculty/nikolova/antenna_dload/current_lectures/L07_Noise.pdf
Antennentemperatur und G/T System
G/T_System ist ein Maß äquivalent zum Signal/Rauschverhältnis am Lautsprecher unseres Empfängers. Die Antenne ist das erste Glied unserer Empfangskette. Gefolgt von Verlusten im Koaxkabel und Koaxrelais für die Sende-/Empfangsumschaltung und so weiter bis hinunter zur NF-Stufe. In Konsequenz kann der "Low Noise" Vorverstärker (LNA) nur einige Kelvin Rauschen zu dem zufügen, was die Antenne liefert.
Hoefsloot, P., PA3BIY, A Very High Dynamic Range LNA for 144 MHz, Dubus 1/2002 "Ein Vorverstärker wird niemals das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) verbessern! Das SNR an der Antennenbuchse ist das Beste, das wir jemals bekommen. Jedes vom Verstärker zugefügte Rauschen wird das SNR verschlechtern, so dass wir diesen Rauschanteil minimieren wollen. Das Rauschen aus der Umgebung […] setzt dem SNR ein Limit und kann in dB über dem thermischen Rauschen T0 (T0 = 290 K) angegeben werden."
... wenn wir diese Aussage außerhalb des geeigneten Kontextes [Aufnahme von Rauschen durch die Antenne und Vorverstärker am Mast] anwenden, wird sie nicht immer befriedigend sein. Ein Vorverstärker verbessert das S/N in gleich welcher Komponente zwischen Antenne und Eingangsstufe des Empfängers nicht, da sich sein Rauschmaß zum Grundrauschen addiert. Das wir das gesamte Spektrum, welches in den rauschenden Mischern und weiteren Stufen bis zum Audioverstärker weiterverarbeitet wird, verstärken müssen, um die unabdingbare Verschlechterung des S/N durch diese Stufen abzumildern, ist klar. Also hilft ein guter Vorverstärker so gut es eben geht, das zu kompensieren, was wir in den Folgestufen verlieren. Dadurch hilft er das beste S/N zu erhalten, was vom Antennenanschluss abgegriffen wird ... aber sein Eigenrauschen überlagert sich in jedem Fall mit dem gerade aufgesammelten Signal-Rauschabstand. Die Interaktion zwischen Vorverstärker und die durch die Antennentemperatur gesetzten Grenzen für das S/N sind das, an was uns PA3BIY hier erinnert. Nicht mehr, nicht weniger.
Wofür steht der Begriff "Low Noise Yagi"?
1. Brightness (Strahlungs-)Temperatur: Alles emittiert Radiowellen in Relation zu seiner Temperatur: jeder Körper, Sterne, Galaxien, Sternbilder, die Erdoberfläche ... . Die meisten Emissionen sind von recht breitbandiger Natur und unspezifischer Orientierung / Polarisation. Um die Intensität von deren Emissionen zu quantifizieren, benutzen wir den Begriff Strahlungstemperatur (engl.: Brightness Temperature). Je höher die Strahlungstemperatur desto "heller" emittiert der Körper.
Und dann fügen "Man made Noise" und QRN noch ihren Teil dazu, siehe unten -> Echte Empfangssituation.
2. Das "Front-End" unseres Empfängers sieht, was die Antenne aufnimmt: Jeder Vorverstärker und jede Mischstufe addieren ihr eigenes Rauschen. Also ist es an der direktiven Antenne, das gewünschte Signal in Richtung x aus dem Rauschen aus allen Richtungen herauszuarbeiten. Die Antenne wird diese Aufgabe umso besser bewältigen, je höher ihr Gewinn ist. Aber der (Vorwärts-)Gewinn beschreibt nur die Hauptstrahlungskeule und so lediglich die Verstärkung des gewünschten Signals. "Noise", in seiner Größe beschrieben als Rauschtemperatur dagegen kommt aus allen möglichen Richtungen. Da ist das Rauschen der Milchstraße, Sonnenrauschen, von verschiedenen Sternbildern, von defekten oder feuchten Isolatoren von Hochspannungsleitungen, der Plasmafernseher unseres Nachbarn oder die Waschmaschine oder "Birdies" (Pfeifstellen von außerhalb) oder Frequenzen, die dem Kabelfernsehnetzwerk entweichen oder der nahe bei wohnende Radioamateur, der gerade nur 4 kHz unterhalb von da, wo wir gerade eine schwache DX-Station arbeiten wollen CQ ruft.
Die direktive Antenne wird es besser machen, wenn sie einen hohen Richtfaktor besitzt, was bedeutet, dass hoher Gewinn hauptsächlich in Signalrichtung vorliegt. Besser reduzierte Nebenzipfel führen zu einem höheren Richtfaktor.
3. Echte Empfangssituation: Jetzt haben wir sogar im vereinfachten klassischen Modell mit Antennentemperatur gewonnen aus Tsky und Tearth auf 144 MHz einen Rauschpegel von 250 K, der aus der Himmelssphäre herunter "scheint" plus 1000 K, die unseren Empfang von der "heißen" Erde aus beeinträchtigen. Das sind gemittelte Werte, um eine gleiche und standardisierte künstliche Testumgebung zur Berechnung von vergleichbaren Werten der Antennentemperatur verschiedener Antennendesigns zu schaffen.
Im wahren Leben übersteigt Tearth oft leicht diese 1000 K = 6,5 dB. Meistens ist dieser Rauschpegel auch noch weit davon entfernt, gleichmäßig auf 360 Grad Sichthorizont verteilt zu sein. Ich bemerke Spitzenwerte von bis zu 3200 K = 10,8 dB an meinem innerstädtischen QTH beim Überstreichen der vollen 360 Grad Antennendrehung. In Contesten stehen wir immer wieder Situationen gegenüber, wo wir unter etlichen dB Splatter leiden. Wenn diese am S-Meter 2 S-Stufen oder 12 dB produzieren, dann sind das 4306 K, die für das S/N Verhältnis zum Störpegel dazu addiert werden müssen. Aber diese kommen nur über kleine Winkel des Azimuth Diagramms zu uns.
Zusammenfassung: Die sogenannten "Low Noise" oder "Low Temperature" Yagis zielen darauf ab, mit bestem Richtfaktor und niedrigem intern generierten Rauschen aufzuwarten. Das bedeutet, alle anderen als die Hauptstrahlrichtung bestmöglich abzuschirmen und so den niedrigsten möglichen Rauschflur zu realisieren, was die ungewollten S 2 Splatter von der Seite oder Rückseite weit besser unterdrückt als die konventionelle Yagi es kann. Wenn wir in Richtung des irritierenden Signals 10 dB bessere Abschwächung erreichen, ersparen wir uns 2600 K an Rauschen, das ansonsten das S/N unseres DX-Signals verschlechtert hätte. Die Low-Noise Yagi nimmt potentiell weniger Noise auf; sie bringt weniger Rauschtemperatur an den Antennenanschluss und kann deshalb als "Low Temperature" Antenne bezeichnet werden, jedenfalls in Relation zu nach herkömmlichen Prinzipien designten Yagis.
Von internen Verlusten erzeugtes Rauschen
1. "Echte" Umgebung: Jede Erhöhung der "echten", also physikalischen Temperatur führt zu einer Erhöhung der Strahlungstemperatur. Der niedrigste Wert für Kelvin liegt bei 0 K = -273 C. Für ein 50 Ohm System stellt ein Widerstand von 50 Ohm bei 17 Grad Celsius eine Rauschquelle von 290 K dar, oder 300 K bei 27 Grad Celsius.
2. Nyquist Rauschleistung: Wenn wir den Widerstand von oben an den Eingang des RX anschließen, können wir diesen Rauschen produzieren "hören", um so mehr je heißer der Widerstand wird - und das nicht aufgrund von emittierten Radiowellen, sondern von Nyquist Rauschen. Dessen Rauschleistung beträgt P = kB * T * B; kB = Boltzmannkonstante, T = Temp. des Gegenstands in Kelvin, B = Bandbreite des RX.
Wie auch immer, das Spektrum der emittierten Radiowellen ist sehr breitbandig, so dass die Formel von Nyquist zu "Spektraler Leistung" = kB * T reduziert werden kann. In Relation zur Antennentemperatur kann dieses Rauschen für die Verluste in den Elementen oder Drähten stehen. Der volle Betrag der Verluste innerhalb der Antenne entsteht durch die Interaktion der Verluste in den Elementen und dem Stromprofil auf diesen Elementen. Es reicht nicht aus, sich der ohmschen Verluste in der Querschnittsfläche des geplanten Materials (Aluminium, Kupfer oder Stahl) hinsichtlich des Leitwertes anzunehmen. Dieser interne Noise Level richtet sich danach, wieviele Meter davon bei welchem Querschnitt im Design benutzt werden und wieviel Strom insgesamt hindurchläuft.
EZNEC und 4nec2 liefern all diese Werte, verpackt in der Fernfeldtabelle (Far Field Table). TANT liest diese aus der FFTab Datei und berechnet daraus die Temperatur des reinen Strahlungsdiagramms (T_pattern), die Verlusttemperatur (T_loss) und die Gesamttemperatur (T_total).
Typische Werte für T_loss im VHF/UHF-Bereich liegen bei 3 ... 12 K für Elemente aus Aluminium, aber bis zu 30 K für dünne Elemente aus Edelstahl. Aber nochmal: Das Design selbst hat einen großen Einfluss auf das interne Rauschen - ein DL6WU Design, sorgfältig darauf ausgelegt, jedes weitere Element genau richtig in Phase der wandernden Welle zu platzieren, führt zu lediglich den halben internen Verlusten wie die meisten anderen Designs - bei gleichem verwendeten Material.
3. Wie groß ist der Einfluss von internem Rauschen auf das Gesamtrauschen beziehungsweise die Temperatur der Yagi? Für eine durchschnittliche 144 MHz EME-Gruppe von 4 x 10 Elementen finden wir ein Verhältnis von über die Strahlungscharakteristik aus der umgebenden Rauschquellen aufgesammelten 250 K gegen ca. 8 K internes Rauschen. Auf 432 MHz haben wir ein anderes Scenario. Aufgrund des viel niedrigeren "äußeren" Rauschpegels finden wir für eine 4 x 17 Ele. Gruppe etwa 30 K gegen etwa 5...8 K internes Rauschen. Zusammengefasst: auf 50 MHz sind interne Verluste auf den Elementen von minimaler Bedeutung, auf 144 MHz lohnt es sich wachsam zu sein, auf 432 MHz stellen diese eine ernst zu nehmende Größe dar.
4. T_total: Intern generiertes Rauschen und Aufnahme von Rauschen aus der Umgebung werden zur gesamten Antennentemperatur (T_total) zusammengefasst.
TANT berechnet Werte für T_pattern, T_loss und addiert diese zu T_total:
5. Wieviel addiert internes Rauschen zum gesamten Rauschen am Anschluss der Antenne in dB?
Eine Beispielrechnung mit der oben angegeben Formel
T_pattern T_loss L T_total Zusätzliches Rauschen
durch interne Verluste
Gute Elemente aus Aluminium
144 MHz 4 x 16 Ele. Gruppe: 220 K 6 K 1.021 221.42 K => 1.42 K or 0.02 dB
432 MHz 4 x 19 Ele. Gruppe: 29 K 5 K 1.017 33.42 K => 4.42 K or 0.07 dB
Doppelte Verluste aufgrund schlechter Oberfläche
432 MHz 4 x 19 Ele. Gruppe: 29 K 10 K 1.034 37.70 K => 8.70 K or 0.13 dB
Dünne Elemente aus Edelstahl (geschätzt)
432 MHz 4 x 19 Ele. Gruppe: 29 K 20 K 1.069 45.84 K => 16.84 K or 0.25 dB
(Diese Tabelle schließt den Abfall des Gewinns durch die internen Verluste noch nicht mit ein.)
Man beachte, dass dieses Rauschen ausschließlich durch Design und Konstruktionsmaterial festgelegt, also "man made", ist. Jedes zu den Elementen gefügte, verlustreiche Material, wie Federsprengringe (Starlock Washers), Endkappen aus verlustreichem Plastik, sehr breite Isolatoren bzw. Elementhalter aus billigem Material, dicker Überzug mit über die Jahre gewachsenen Oxidschichten (Skin Effect)... hebt diese Verluste weiter an.
Die aufgezeigten Verluste addieren sich zur Gesamtrauschzahl unseres RX-Systems, genau so wie die "Kennzahl" des Rauschmaß unseres LNA. Wir tun viel, um das Rauschmaß des Vorverstärkers von sagen wir 0,5 dB auf 0,38 dB zu drücken. Aber was ist mit dem Rauschpegel, den wir am Antennenanschluss abnehmen?
AGTC_lite - ein DOS-Programm zur Berechnung von Antennentemperatur und G/Ta
AGTC_lite wurde von F5FOD mit Hilfe von DG7YBN programmiert.
Das Programm liest den Gewinn einer Antenne je Winkelsektor aus einer spezifizierten .txt Datei und verarbeitet diese Daten.
Es ist auf 32 und 64 Bit-Maschinen lauffähig. Es ist auf Win7 oder Win10 verwendbar, ohne es in DOSBOX oder ähnlichen Emulatoren laufen lassen zu müssen.
Zur Webseite über AGTC hier ...
EZNEC 5+ und 4nec2 (v.5.8.9 und höher)✶ ermöglichen den Export einer Fernfeldtabelle (Engl.: Far Field Table = FFTab), die von AGTC_lite eingelesen und verarbeitet werden kann.
(✶) siehe "4nec2 goes TANT", Dubus 3/2012
• Aktuelle Version 1.58 des AGTC_anyGTa_2lite (Nov. 2019)
AGTC_lite: Startbildschirm
AGTC_lite; Berechnung beendet
Das AGTC_lite DOS-Konsolenprogramm ist in Basic geschrieben. Die .exe Datei wurde mit dem QB64 Compiler erstellt. AGTC_lite hält erweiterte Testroutinen für die Länge der FFtab-Datei bereit und zeigt den Namen des ausgewählten FFTab im Rahmen des Fensters an. Was eine willkommene Hilfe für die Dokumentation in Form von Screenshots darstellt.
AGTC_lite berechnet nicht nur Antennentemperatur und G/T. In seiner Kopfzeile finden sich auch der Average Gain des analysierten Modells, angegeben numerisch und in dB sowie der Vorwärtsgewinn, des Weiteren interne Verluste der Antenne ausgedrückt als 'Loss Temperature'. Im Gegensatz zu TANT konvertiert AGTC_lite das in der FFtab-Datei benutzte Dezimaltrennzeichen automatisch.
Die Ausgabezeilen geben Werte für null bis 90 Grad Elevation, wobei die Zeile für 30 Grad in rot hervorgehoben ist. Diese hält den gemein hin benutzte Wert um zwei Antennen zu vergleichen. Diese Elevation repräsentiert die typische Elevation für EME-Betrieb, was eigentlich lediglich eine Konvention darstellt. Aber wir brauchen ja einen gemeinsamen Nenner ...
Beispiel einer FFTab-Datei
Die Konvention der Winkel-Notation muss in EZNEC wie 4nec2 auf CCW (gegen den Uhrzeigersinn) stehen, Gewinn muss in dBi angegeben sein, die Winkel theta und Phi des Strahlungsdiagramm müssen passend gesetzt werden. Schließlich muss die Auflösung noch auf minimal 3 Grad oder besser stehen. Das Modell muss nicht zwangsweise den höchsten Gewinn bei 0 Grad (entlang der x-Achse) aufweisen. AGTC_lite findet den maximalen Gewinn auch bei Abweichungen von der x-Achse.
Mehr lesen über das richtige Aufsetzen eines NEC-Modells für AGTC_lite oder TANT im offiziellen TANT Manual
AGTC_lite: Eigenschaften zusammengefasst
− Mathematische Methoden komplett beschrieben und demonstriert in Dubus 1-3/2017
− Open Source Basic Code, sehr lesbar und voll dokumentiert (QB64)
− Kann in jeder modernen Sprache neu geschrieben und / oder mit einem Interface versehen werden
− Auch unsymmetrische Strahlungsdiagramme erlaubt, mit maximalem Gewinn auftretend bei welchen Winkeln θ, φ auch immer
− Trapezoidale Berechnung der Oberflächenintegrale = exakt, keine Rotationsberechnung oder Interpolationen gleich welcher Art
− Daher: hohe Genauigkeit bei gleich welchem Neigungswinkel der Antenne, inklusive 90 Grad
− Automatische Konvertierung des Dezimaltrennzeichens von Komma zu Punkt in den FFTab-Dateien
− Sehr lange Dateinamen für die FF-Tabellendateien erlaubt (keine Einschränkung auf 5+8 DOS Dateinamen)
− Flexible Auswahl des Berechnungsfensters für den Neigungswinkel der Antenne
− Ausgabebildschirm in erweitertem “TANT Format”
− Einschließlich Name der FFTab-Datei, Sky und Earth Temperatures, Average Gain, Max. Gewinn mit Angabe des Azimuth- & Elevationswinkels
− Ermöglicht Erfassen der zur Dokumentation essentiellen Informationen in einem Screenshot
− Option: Formatierte Druckdatei mit allen nötigen Daten, inklusive Werten je Zone
− Extensiver Error-Handler mit beschreibendem Text …
TANT - ein DOS Programm zur Berechnung von Antennentemperatur und G/T
TANT wurde auf Anregung von YU7EF unter Mitarbeit von YU1CF + YT1NP von VT1NT programmiert.
Das Programm liest den Gewinn einer Antenne je Winkelsektor aus einer vom Format her spezifizierten .txt Datei ein und verarbeitet diese Daten.
Sowohl EZNEC 5+ als auch 4nec2 (ab v.5.8.9)* bieten die Möglichkeit des Exports einer solchen Fernfeldtabelle (engl.: Far Field Table), kurz "FF Tab".
(*) s. "4nec2 goes TANT", Dubus 3/2012
TANT Screenshot - Startbild
TANT Screenshot - Berechnung ausgeführt
TANT berechnet nicht nur Antennentemperatur und G/T. In der Kopfzeile findet man noch den "Average Gain" des untersuchten Modells und den errechneten Gewinn in Richtung Null Grad auf der x-Achse, beide als dimesionsloser Wert und in dB, weiter die interne Verluste der Antenne ausgedruckt als Verlusttemperatur (engl.: Loss Temperature). Die Ausgabezeilen zeigen Werte für eine Elevation von 0 bis 90 Grad, wobei die 30 Grad Line in Rot hervorgehoben ist. Das ist der Wert, der allgemein benutzt wird, um die Fähigkeiten verschiedener Antennen zu vergleichen. Er repräsentiert einen für EME typischen Elevationswinkel.
Beispiel einer FF Tab Datei
Man beachte die Reihen per Winkel und per Scheibe Elevationswinkel. Um die Tabelle in Übereinstimmung mit TANT zu haben, muss der Dezimalseparator ein "." und kein "," sein. TANT besitzt kein Abfangen beim Einlesen von nicht zum Variablentyp passenden Werten aus der FFTab-Datei. Wird die FFTab-Datei aus EZNEC unter deutschen Einstellungen des Betriebssystems erstellt, wird hier das Komma als Dezimalseparator angewandt - was TANT mit einem sofortigen Absturz quittiert. Die FFtab-Datei kann mit z. B. mit der Suchen-und-Ersetzen Funktion von Open Office Writer daraufhin bereinigt werden.
Die Winkelkonvention des Simulationsprogramms 4nec2 bzw. EZNEC muss auf CCW (engl.: Counter Clock wise) gestellt, die Bezugswinkel des Strahlungsdiagramms Theta und Phi sein. Weiter muss die Winkelauflösung wenigstens 3 Grad betragen. Das Modell muss so aufgestellt werden, dass es den maximalen Gewinn auf der x-Achse aufweist.
Weiter Details zum Aufbau eines TANT-konformen NEC Modells sind im offiziellen TANT Manual nachzulesen.
Welche Temperaturen für T_sky and T_earth für welches Band?
Rev. 2020-05-31 mit Daten aus 2/2019
Für vollständige Daten und Erklärungen siehe Dubus Artikel:
Aktualisierte Strahlungstemperaturen für Erde und Himmel für die VHF/UHF Amateurfunkbänder
Ein Abriss der Entwicklung der modernen Radioastronomie und von Messungen des terrestrischen Rauschspektrums. Darlegung eines Vorschlag für zeitgemäße Strahlungstemperaturen von Himmel und Erde für Simulationen im VHF/UHF-Bereich. Dubus 2/2019
Ein Abriss der Entwicklung der modernen Radioastronomie und von Messungen des terrestrischen Rauschspektrums. Darlegung eines Vorschlag für zeitgemäße Strahlungstemperaturen von Himmel und Erde für Simulationen im VHF/UHF-Bereich. Dubus 2/2019
• Man-Made Noise zusammengefasst
Diagramm 1: ITU-R 372-13, [1] (Linien links) und von der Universität Genf / OFCOM gemessene Werte aus 2010, [2] (rechts).
Welche einen Kontrast aufwerfen gegen die in der neuesten Veröffentlichung der ITU Empfehlung [11] aus 2016 gegeben Daten,
die auf in 1994 publizierten Konstanten basieren.
Quelle Abb.: Dubus 2/2019 S. 116, Chart 5, [3]
Quelle Abb.: Dubus 2/2019 S. 116, Chart 5, [3]
• Y-Faktoren
Tabelle 1: Y-Faktor über Tsky nach Werten per Reich & Reich [4] und Tearth für 50 - 144 MHz aus der neuesten Empfehlung
der ITU [1] und 222 - 432 MHz aus Radio Science Bulletins Man-Made Noise in Our Living Environments [2].
Quelle Tabelle: Dubus 2/2019 pg. 117, Table 11, [3]
Quelle Tabelle: Dubus 2/2019 pg. 117, Table 11, [3]
• Tearth und Tsky wie in den VE7BQH Antennentabellen
Tabelle 2: Tearth und Tsky wie in den VE7BQH Antennentabellen,
+) gelesen und gerundet aus Rauschleistung (dB) nach Formel gegeben in der ITU-R [1]
(**)Tsky für 50.15 MHz ist ausgeführt nach ITU Recommendations P.372-13 [1]
*) gelesen und gerundet von Gent University / OFCOM [2]
Quelle Tabelle: Dubus 2/2019 pg. 116, Table 9, [3]
+) gelesen und gerundet aus Rauschleistung (dB) nach Formel gegeben in der ITU-R [1]
(**)Tsky für 50.15 MHz ist ausgeführt nach ITU Recommendations P.372-13 [1]
*) gelesen und gerundet von Gent University / OFCOM [2]
Quelle Tabelle: Dubus 2/2019 pg. 116, Table 9, [3]
[1] International Telecommunication Union, ITU-R P.372-13, Radio Noise, Geneva, 10.2016, https://www.itu.int/rec/R-REC-P.372
[2] Lefering, F. et al: Man-Made Noise in Our Living Environments, Ghent University (INTEC), Radio Science Bulletins No. 334, 09.2010
[3] Klüver, H., DG7YBN: Update to Sky and Earth Temperatures for VHF/UHF Amateur Radio Bands, Dubus 2/2019
[4] Reich, P., Reich, W.: A map of spectral indices of the Galactic radio continuum emission between 408 and 1420 MHz for the entire northern sky, Astronomy & Astrophysics
Es ist verständlich, dass die Werte oben einen Satz von Mittelwerten repräsentieren, die, da standardisiert, erlauben, verschiedene Antennendesigns hinsichtlich ihrer Antennentemperatur und des G/T_ant zu vergleichen. Die echte T_earth am eigenen QTH kann davon sehr abweichen, obwohl diese Mittelwerte sorgfältig eingestellt sind. Wer eine für das eigene QTH gültige explizite "Echtweltanalyse" machen möchte, der muss die Rauschtemperatur am Boden selber messen und diese Werte benutzen.
Das Gleiche trifft für die gemittelte Temperatur des Himmels zu. Wer die Antenne auf ein bestimmtes Sternbild, die Milchstraße oder die Sonne dreht, wird eine ggf. sogar stark abweichende Temperatur sehen. Die gezeigten Himmelstemperaturen sind ein Durchschnittswert über die gesamte Hemisphäre, weil es der einzige Weg ist, um Zahlen hervorzubringen, die es uns ermöglichen, einen direkten Vergleich zweier Antennengruppen bezüglich Antennentemperatur und G/T her durchzuführen.
Y-Faktor per Antennentemperatur
Rev. 2020-05-31 mit Daten aus 2/2019
Hier geht es nicht darum, den Y-Faktor einer aktuellen Antenne oder eines RX-Systems mit der bekannten "hot / cold" Methode zu messen, sondern einen Überblick zu geben, in wie weit das generalisierte Verhältnis T_earth / T_sky uns eine Richtschnur geben kann, auf welche Parameter der Schwerpunkt bei der Antennenentwicklung für das jeweilige Band gelegt werden sollte.
Als vereinfachtes Modell, ausreichend um die Gewichtung der Antennentemperatur als Kennwert für ein spezifisches Band zu beurteilen, können wir einen isotropen Strahler und das Verhältnis T_earth / T_sky für diese Frequenz annehmen. Das Strahlungsdiagramm des isotropen Strahlers "sieht" dabei den gleichen Betrag an Strahlungstemperatur von unterer Hemisphäre = T_earth und oberer Hemisphäre = T_sky.
Das einzige, was hier zu tun ist, ist das Verhältnis Y = T_hot / T_cold = T_earth / T_sky zu berechnen.
Beispiel für die rundstrahlende Antenne (Tearth in Siedlungsgebieten) Y( 50 MHz) = 100600 K / 5640 K = 17.8 Y(144 MHz) = 5400 K / 290 K = 18.6 Y(432 MHz) = 1800 K / 27 K = 66.7
Diagramm 1: Tearth, Tsky und Y-Faktor mit Tsky per Reich & Reich-Werten wie in [2, s. oben] und Tearth für 50-144 MHz aus ITU-R [1, s. oben]
und 22-432 MHz aus [2, s. oben].
Quelle Abb.: Dubus 2/2019 pg. 117, Chart 6, [3, s. Kapitel oben]
Quelle Abb.: Dubus 2/2019 pg. 117, Chart 6, [3, s. Kapitel oben]
Hieraus können wir den Rückschluss ziehen, welchen Einfluss die Antennentemperatur auf welchem Band haben wird - mit andern Worten, wieviel Wert auf welchem Band auf die Ausrichtung des Designs auf niedrige Antennentemperatur und eine gutes F/B oder hohen Gewinn gelegt werden sollte.
Schlussfolgerungen:
• Für 50 MHz war der Y-Faktor bisher mit nahe 1 angenommen worden. Mit den neueren Erkenntnissen stellt sich heraus, dass der Wert um 18 und weit höher liegen kann in städtischer oder nahe industrieller Umgebung. Was einem Antennen G/T auf diesem Band eine klare Bedeutung gibt.
• Auf 144 MHz war und ist die Antennentemperatur recht bedeutsam, ein Y-Faktor um 18 allein in Siedlungsgebieten (für einen Isotropen Strahler) ist eine bedeutsame Aussage.
• Auf 432 MHz um so mehr, weil das grobe Konstrukt des Y-Faktors für den Isotropen Strahler hier 66 beträgt, oder in etwa das Vierfache von dem, was wir auf 144 MHz haben.
Aufgrund des wesentlich höheren Y-Faktors hat die Antennentemperatur auf 432 MHz weit mehr Einfluss auf das Signal/Noise-Verhältnis am Antennenanschluss als auf 144 MHz.
Download AGTC_lite als .zip Datei, hier
Bitte beachten: AGTC_lite ist Freeware. Es wird keinerlei Garantie gegeben.
Die Benutzung von AGTC_lite geschieht auf eigenes Risiko.
Download von TANT als .zip Datei
TANT ist "Freeware". Es wird keinerlei Garantie gegeben.
Die Benutzung von TANT geschieht auf eigenes Risiko.
TANT und 64 Bit Betriebssysteme? (win7 und höher)?
64 Bit Betriebssysteme wie win7 bieten eine Anzahl von "Kompatibilitätsmodi", um DOS Anwendungen in der DOS Konsole lauffähig zu bekommen. Keiner von diesen arbeitet hinreichend, um TANT oder ähnliche Software wirklich ablaufen zu lassen. Um TANT auf einem 64 Bit Betriebssystem zu starten, braucht es entweder eine Virtuelle Maschine, die winXP simuliert (wie VM Ware) oder den x86 Emulator der DOSBOS, Details finden sich hier (http://www.dosbox.com/wiki/Main_Page).
TANT im DOSBOX-Emulator laufen lassen
Zuerst muss das Programm DOSBOX (www.dosbox.com) installiert werden. Das "Open Source" Projekt DOSBOX ist Freeware. Dann muss der Ordner, der TANT enthält, wie ein Laufwerk unter UNIX eingebunden werden. Von dort kann man dann TANT starten.
Unten steht eine knappe Beschreibung, wie TANT in der DOSBOX gestartet wird - tnx IZ2FLY!
DOSBOX prompt: ... man erinnere sich einiger lange vergessener DOS Befehle ... , hi Der Ordner, der TANT.exe enthält soll beispielsweise "my_TANT" heißen. Er liegt direkt auf Laufwerk c: Wenn man DOSBOX startet, wird es als ein zusätzliches Laufwerk erscheinen, z. B. als "Z" in unserem Beispiel (.) Prompt ist Z:\ > _ (1) Eingabe von mount c c:\my_TANT & Return (.) Prompt zeigt Drive C is mounted as local directory c:\my_TANT (.) Z:\ > _ (2) Eingabe von C:\ & Return (.) Prompt zeigt C:\ > _ (3) Eingabe von TANT.exe & Return ... das sollte ausreichen, um TANT zu starten. Nun geht es wie üblich weiter. Dass der Ordner "my_TANT" wie ein Laufwerk c: eingebunden werden muss, fand ich etwas merkwürdig, aber so wird dann mit Wechsel auf c: der Ordner "my_TANT" geöffnet. Einige eventuell hilfreiche alte DOS Befehle: (1) 'x:\' & Return => Wechsel des Pfades zu Ordner oder Laufwerk x: (1) 'cd..' & Return => Wechselt den Pfad einen Schritt abwärts (2) 'dir' & Return => Listet den Inhalt des aktuellen Pfads oder Ordners auf
Man kann sogar die autoexec.bat der DOSBOX über einen Klick mit der rechten Maustaste auf das Desktop Icon konfigurieren. Es öffnet sich ein Fenster mit den Eigenschaften der DOSBOX, hier kann man Kommandozeilen hinterlegen, die angeben, was die DOSBOX beim Start ausführen soll. Im Prinzip kann hier die gleiche Prozedur wie oben angegeben stehen. Dann sollte die DOSBOX unser TANT automatisch starten.
Zur Beachtung: DOSBOX ist Freeware. Obwohl ich oben zeige, wie TANT in der DOSBOX aufgerufen wird, übernehme ich keinerlei Garantie; die Benutzung der DOSBOX geschieht auf eigenes Risiko.
Hinweis: Die auf dieser Website genannten und gezeigten Logos, Bezeichnungen, Warenzeichen und Markennamen sind Eigentum der entsprechenden Firmen und unterliegen dem Markenrecht!
73, Hartmut, DG7YBN