Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHElN-WESTFALEN
Nr.1377
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
DK 523.164:537-972-621.314.6
Dipl.-Phys. Luzian Velden
Sternwarte der Universität Bonn
Ein phasengetasteter Hochfrequenzgleichrichter
für modulierte Rauschspannungen
und seine Anwendung in einem
radioastronomischen Mehrkanalempfänger
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH
ISBN 978-3-663-06154-0 ISBN 978-3-663-07067-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-07067-2
Verlags-Nr. 011377
rg 1964 by Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen 1964
Inhalt
Einleitung ........................................................ 7
Abschnitt 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1 Die 21-cm-Strahlung des neutralen Wasserstoffs in der Galaxis 9
1.2 Die Temperaturskala. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Der Empfänger.. . ..... . . ..... . ..... . .... . . .... . . . . .. 10
1.4 Die Meßgröße ....................................... 11
1.5 Das bisherige Demodulationsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13
Abschnitt 2........................................................ 14
2.1 Das Prinzip des phasengetasteten Gleichrichters .......... 14
2.2 Die Ausgangsspannung als Funktion der Eingangsrausch-
spannungsdifferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Die Eigenzeitkonstante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20
2.4 Die PhasenempEndlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21
2.5 Die Symmetrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24
2.6 Der Schalter ........................................ 27
2.7 Das Signal- zu Rauschverhältnis ....................... 29
2.8 Die Ausgangskonstanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32
2.9 Der Hochfrequenzwiderstand der Schaltung und das Über-
setzungsverhältnis .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33
2.10 Die Arbeitspunkte der Gleichrichter im Richtkennlinienfeld 35
Abschnitt 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37
3.1 Die Anwendung des phasengetasteten Gleichrichters in einem
radioastronomischen Mehrkanalempfänger .. : . . . . . . . . . . .. 37
3.2 Schaltung und Dimensionierung ....................... 37
3.3 Die Impulsversorgung ................................ 41
3.4 Der Gesamtfehler der Messung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42
Symbole ......................................................... 45
Literaturverzeichnis ................................................ 47
Abbildungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49
Einleitung
Bei der Arbeit auf dem Gebiet der Mikrowellenspektroskopie ist es im allge
meinen notwendig, das Signal einen Verstärker durchlaufen zu lassen, um dann
die Meßgröße nach der Gleichrichtung auf einem Anzeigeinstrument sichtbar
machen zu können. Die Verstärker zeigen bei hohen Verstärkungen die unange
nehme Eigenschaft, das verstärkte Signal mit einem Rauschen, welches von
statistischen Vorgängen im Meßsystem herrührt, zu überlagern. Am Ausgang des
Gleichrichters macht sich dieser Eigenrauschpegel als eine Gleichspannung be
merkbar, die auch bei nicht vorhandenem Eingangssignal auftritt. Eine Kompen
sation dieser Spannung durch eine feste Gleichspannung ist nur dann von Nutzen,
wenn ihre Schwankungen kleiner als das zu messende Ausgangssignal sind.
Anderenfalls überwiegen die Schwankungen des Anzeigeinstrumentes, die auf
Eigenrauschschwankungen zurückzuführen sind, die durch das Signal hervor
gerufenen Ausschläge und begrenzen somit das Auflösungsvermögen.
Ist jedoch die Signalfrequenz oder die Signalfolgefrequenz bekannt, so ist durch
die phasenempfindlichen und phasengeschalteten Gleichrichter eine Möglichkeit
gegeben, ein Differenzmeßverfahren anzuwenden. Schwankungen des Störpegels
beeinflussen das Ausgangssignal nicht mehr, Verstärkungsschwankungen gehen
nicht mehr proportional zu Signal plus Störpegel, sondern nur noch proportional
zum Signal auf die Messung ein.
Das Ziel der Untersuchungen war, einen phasenempfindlichen Gleichrichter zu
finden, der die Konstanzanforderungen eines radioastronomischen HI-Linien
empfängers erfüllt und durch einen geringen elektronischen Aufwand seine An
wendung in einem Mehrkanalempfänger erlaubt.
Die prinzipiell mögliche Verbesserung des Temperaturauflösungsvermögens
durch ein anderes Demodulationsverfahren als das bisher verwendete sollte aus
genutzt werden. Weiterhin war es notwendig, die Störanfälligkeit der früheren
Schaltung gegen niederfrequente Signaleinstreuung in der neuen Schaltung zu
beseitigen.
Im folgenden Abschnitt 1 wird eine weitere Einführung in die Aufgabe an Hand
des verwendeten Empfangsprinzips gegeben und die zu messende Größe unter
sucht. Außerdem enthält er eine kurze Beschreibung des bisher verwendeten
Demodulationsverfahrens.
Abschnitt 2 bringt die theoretische Behandlung der gefundenen Schaltung und
ihre Arbeitsweise bei dem verwendeten Empfangsverfahren. Die Ansätze sind
möglichst allgemein gehalten, so daß eine Anwendung der Schaltung für andere
Zwecke durch Spezialisierung behandelt werden kann.
Abschnitt 3 bringt als Beispiel die auf die speziellen Daten des Empfängers zuge
schnittene Schaltung und ihre Dimensionierung.
7
Abschnitt 1
1.1 Die 21-cm-Strahlung des neutralen Wasserstoffs in der Galaxis
Die 21-cm-Linienemission des neutralen Wasserstoffs entsteht durch einen Hyper
feinstrukturübergang im Grundzustand des H-Atoms. Die Emissionsfrequenz
liegt bei 1420 MHz mit einer natürlichen Linienbreite von der Größenordnung
10-16 Hz. In Wasserstoffwolken tritt durch die Wechselwirkung der Atome und
daraus resultierende strahlungslose Übergänge eine Linienverbreiterung auf, die bei
Temperaturen von 1000K ca. 10-11 erreicht, für radioastronomische Unter
suchungen aber stets vernachlässigbar klein ist.
Wesentlich dagegen ist die Dopplerverbreiterung der Linie auf Grund der ther
mischen Bewegung der Atome, die bei 100° K zu einer Linienbreite von ca. 6 kHz
führt. Die am Himmel gemessenen Linienbreiten zeigen, daß noch weitere Ver
breiterungen durch Turbulenzen innerhalb der Wolken und die Pekuliarbewegung
ganzer Wolken eine Rolle spielen.
Mißt man die spektrale Intensitätsverteilung am Himmel, so überlagern sich diese
Verbreiterungseffekte im Frequenzprofil. Wegen der differentiellen galaktischen
Rotation treten außerdem noch Dopplerverschiebungen auf, da im allgemeinen
die Relativgeschwindigkeit zwischen Emissionsbereich und Beobachter eine
radiale Komponente besitzt. Mehrere Emissionsbereiche (Spiralarme) verschiede
ner Radialgeschwindigkeit zeigen sich dabei im Profil als Intensitätsmaxima. Legt
man der Auswertung ein Modell der galaktischen Rotation zugrunde, so lassen die
Frequenzverschiebungen und die gemessenen Intensitäten einen Schluß auf die
Verteilung des Wasserstoffs im Raum zu.
Der Frequenzbereich, in welchem in der Galaxis nach dem Modell von M. SCHMIDT
[1] HI -Strahlung zu erwarten ist, liegt bei 1420 ± 1,5 MHz. In diesem Bereich
muß der Empfänger durchstimmbar sein. Eine Frequenzverschiebung von 10 kHz
entspricht einer radialen Komponente der Relativgeschwindigkeit von 2,11 km/sec.
Die Bandbreite, mit der die Messung eines »Profilpunktes« erfolgt, ist also ein
Maß für das durch die Empfangsapparatur bedingte Auflösungsvermögen in
Relativgeschwindigkeit.
1.2 Die Temperaturskala
Das Signal gelangt als elektromagnetische Rauschleistung zur Antenne und wird
an den Empfänger weitergeleitet. Die Antenne kann man sich in üblicher Weise
ersetzt denken durch einen ohmsehen Widerstand mit der Temperatur TA in
Grad Kelvin, der bei Anpassung an den Empfänger die Rauschleistung abgibt,
9
die der Antennenleistung entspricht. Die äquivalente Antennentemperatur TA ist
dann im Radiofrequenzbereich definiert durch das Nyquist-Theorem mit der
Rayleigh-Jeans-Näherung:
(NA = Rauschleistung, k = Boltzmann-Konstante, B = Frequenzbandbreite.)
Somit kann die von der Antenne aufgenommene Leistung, die ein Maß für die
Strahlungsintensität ist, bei gegebener Bandbreite durch die Antennentemperatur
ausgedrückt werden.
Die Antennentemperatur TA setzt sich zusammen aus dem Anteil der HI-Linien
strahlung T s und der Kontinuumstrahlung T k. Die maximalen Signaltemperaturen
der Linienstrahlung in der Galaxis betragen etwa 100° K, sind jedoch in höheren
galaktischen Breiten von der Größenordnung einiger Grad K. Der Anteil der
Kontinuumstrahlung T k beträgt nur einige Grad K, kann jedoch bei Absorptions
messungen mit einer Radioquelle im Hintergrund bis zu 300° K (Cas A) ansteigen.
Allgemein kann TA als Summe
(1)
geschrieben werden, wenn für Emission T s > 0, für Absorption T s < 0 gilt,
wobei angenommen werden kann, daß für einen Himmelspunkt T k im Meßbereich
unabhängig von der Frequenz ist.
Der Beitrag des Empfängers zur Ausgangsrauschleistung kann durch seine Eigen
rauschtemperatur TE beschrieben werden, die dann als die kinetische Temperatur
eines angepaßten ohmschen Eingangswiderstandes eines idealen Empfängers
aufzufassen ist. Oft wird TE gegeben als das Produkt einer konstanten Temperatur
T* und der zusätzlichen Rauschzahl F -1.
TE = T*(F-l) (2)
+
Die Eingangsleistung des Empfängers ist gegeben durch N = c' (T A TE), wenn
mit c' der Ausdruck kB bezeichnet wird. Ist v' die Leistungsverstärkung der
Apparatur, so gilt für die Ausgangsrauschleistung der Ausdruck
+ +
N = c'v'(TE Tk Ts) (3)
Die Größenordnung der Empfängereigentemperatur TE kann für klassische
Empfänger mit 103 °K, für parametrische Empfänger mit 102 °K und für MASER
mit 10° K angegeben werden.
Somit liegt bei den ersten beiden der Störpegel um zwei bis drei Größenordnungen
über den zu messenden Signalen T s. Dieses ungünstige Signal zu Störverhältnis
macht besondere Methoden in der Empfängertechnik notwendig.
1.3 Der Empfänger
Der 21-cm-Empfänger besteht aus einem parametrischen Vorverstärker, einem
Überlagerungsverstärker mit drei Zwischenfrequenzstufen und den Gleichrich-
10
tern mit nachgeschalteten Zeitkonstanten zur Integration. Die Durchstimmung
erfolgt durch Anderung der Frequenz des 1. Oszillators mit Hilfe einer Frequenz
dekade in wählbaren festen Frequenzschritten. In jeder ZF-Stufe wird die Band
breite verringert, die letzte ZF-Stufe liegt bei einer Frequenz von 1,875 MHz mit
einer Bandbreite von 120 kHz. Den Ausgang der letzten ZF-Stufe bildet ein
Quarzfilter mit nahezu rechteckiger Durchlaßkurve, dessen Bandbreite für das
Frequenz- und Temperaturauflösungsvermögen maßgeblich ist. In der Zehn
kanalanlage wird die Durchlaßkurve der letzten ZF-Stufe durch zehn schmal
bandige Quarzfilter in zehn Kanäle aufgespalten, in welchen die nachfolgende
Gleichrichtung und Integration getrennt vorgenommen werden. Die Integration
ist notwendig, weil die Gleichrichter am Ausgang neben einer Gleichspannung
ein niederfrequentes Rauschspektrum liefern. Die Mehrkanalanlage, in der die
Integration für zehn Profilpunkte gleichzeitig erfolgt, verspricht eine erhebliche
Verkürzung der Meßzeit für ein Profil.
+
Um das Rauschsignal Ts von dem Störpegel TE Tk trennen zu können, wird
nach einem Verfahren gearbeitet, welches dem ursprünglich von DICKE entwickel
ten ähnlich ist. Der 1. Oszillator wird 500mal in der Sekunde so umgestimmt, daß
im einen Falle, im sogenannten Meßkanal, das Signal mit dem Kontinuumrauschen
und dem Eigenrauschen die Ausgangsleistung bestimmt, im anderen Falle, im
sogenannten Nullkanal, nur das Kontinuumrauschen und das Eigenrauschen. Der
Nullkanal wird so gewählt, daß bei seiner Frequenz keine Linienstrahlung zu
erwarten ist.
Durch dieses Verfahren wird dem ZF-Ausgangssignal eine Modulation im Maße
der Signaltemperatur T s aufgeprägt. Die Ausgangsleistung als Funktion der Zeit
in einem Umschaltzyklus ist dann proportional dem Ausdruck
+ + +
T(t) = TE Tk g(t) Ts = To g(t) Ts (4)
+
wenn man TE Tk zu To zusammenfaßt und unter g(t) die folgende Sprung
funktion versteht:
g(t) = 1 für
(5)
= 0 für
1fT ist die Umtastfrequenz des 1. Oszillators und T die Zykluszeit.
1.4 Die Meßgröße
Führt man die Ausgangsrauschspannung in der üblichen Weise durch die Wurzel
aus dem zeitlichen Mittel des Quadrates ihrer Momentanwerte ein, so erhält man
die »Signalpegelspannung«
+
Ul = cvrTo Ts (6)
und die »Pegelspannung«
1-
Ua = cv 1 To (7)
11
wenn c ein konstanter Faktor ist und v die Spannungsverstärkung des Empfängers
angibt.
Schreiben wir den Ausgangsrauschpegel als Funktion der Zeit, so erhalten wir für
einen Zyklus
u(t) = cv yTo + g(t) Ts (8)
Die Pegelspannung zeigt eine Rechteckmodulation mit der Folgefrequenz l/T.
Die Differenz der Pegelamplituden ist gegeben durch den Ausdruck
us=ul-uo=cv(yTo+Ts-VTa) (9)
Der Zusammenhang zwischen Ts und Us kann aus (9) mit Hilfe von (7) berechnet
werden.
T 2-u-s +To --T.o,u-;
(10)
s =
uo Uü
Uo undTostelIen einen Empfängerzustand dar, der während der Messung konstant
gehalten werden muß, oder, falls Reduktionen ausgeführt werden sollen, zu
mindest zu jedem Zeitpunkt bekannt sein muß.
Die Abb. 1 zeigt die Funktion
(11 )
Ist Ts <z: To, so kann mit der Näherung
T = 2us To
s (12)
Uo
gearbeitet werden.
Der Fehler bei der Berechnung des Betrages von Ts/T 0 beträgt
bei us/uo = 0,1 5%
und bei us/uo = 0,5 25%
Die Aufgabe der Gleichrichter- und Demodulatorschaltung ist es, die dem Rau
schen aufgeprägte Modulation in eine Gleichspannung zu transformieren, die mit
einem Instrument (Schreiber) gemessen werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe
stehen die Umtastimpulse des 1. Oszillators als Rechteckimpulsspannung phasen
starr zur Verfügung. Folgende Forderungen werden an die Demodulations
schaltung gestellt:
1. Unabhängigkeit der Ausgangsspannung U A von Variationen der Pegelspan
nung Uo (Nullpunktstabilisierung).
2. Das Vorzeichen von U A soll eine Unterscheidung zwischen einer Emissions
und einer Absorptionsmessung zulassen.
3. Eine zeitliche Verschiebung um T /2 zwischen Modulation und Demodulations
impulsspannung soll eine Umpolung der Ausgangsspannung U A bewirken.
4. Das Signal zu Rauschverhältnis am Ausgang soll möglichst hoch sein.
12
1.5 Das bisherige Demodulationsverfahren
Die mit 500 Hz rechteckmodulierte Rauschspannung am Ausgang des Quarzfilters
wird durch einen linearen Gleichrichter demoduliert. Ein Blockschaltbild gibt
Abb.2a. Die Gleichrichterausgangsspannung enthält neben dem NF-Rausch
spektrum eine Rechteckspannung. In einem nur einige Hz breiten Filter bei 500
Hz wird die Grundfrequenz ausgesiebt und in einem nachgeschalteten NF-V er
stärker verstärkt, während alle anderen Frequenzen der Rechteckspannung als
auch des NF-Rauschspektrums unterdrückt werden. Die Verwandlung der nahezu
sinusförmigen 500-Hz-Spannung in eine Gleichspannung erfolgt in einem
Phasengleichrichter, der durch die Demodulationsrechteckspannung angesteuert
wird. Um von den statistischen Schwankungen der Ausgangsspannung, die eine
gleichgerichtete Rauschspannung ist, frei zu werden, gelangt das Ausgangs
gleichspannungssignal über einen Tiefpaß geringer Bandbreite zur Anzeige. Der
Tiefpaß besteht wahlweise aus einer Zeitkonstanten oder einer Integratorschaltung.
Für das kleinste Signal, welches mit einer radio astronomischen Anlage gemessen
werden kann, gilt allgemein
(13)
wenn man mit RC die Ausgangszeitkonstante, mit B die äquivalente Rauschband
breite (insgesamt) des schmalsten ZF-Bandfilters und mit c eine auf dem Emp
fangsverfahren beruhende Konstante bezeichnet. Ein weiterer Faktor, der von
einigen Autoren eingeführt wird, um die vom Messenden nach Belieben festge
legte Grenze für ß T zu erfassen, ist hier gleich 1 gesetzt.
Für die oben beschriebene Apparatur'und Arbeitsweise geben P. STRUM [6] und
R. S. COLVIN [7] ein .
an. Vorausgesetzt ist bei dieser Angabe, daß die Ausgangszeitkonstante voll auf
geladen ist.
Durch dieses Demodulationsverfahren ist die Ausgangsspannung des Phasen
gleichrichters unabhängig von der Rauschpegelspannung Uo und nur eine Funk
tion der Rauschdifferenzspannung us• Verstärkungsschwankungen dV IV gehen
nicht proportional zur gesamten Pegelspannung Uo, sondern nur proportional zur
Differenzspannung Us auf das Ausgangssignal ein.
Da der NF-Teil der Demodulationsschaltung auf die Modulationsfrequenz von
500 Hz abgestimmt ist, erweist sich die Schaltung als empfindlich gegen nieder
frequente Einstreuungen der Schaltimpulse von 500 Hz Grundfrequenz.
13
