BR202019014339U2

BR202019014339U2 - LOW COST RADIOTELESCOPE FOR ANALYSIS OF 12 GHZ SOLAR MICROWAVES

Info

Publication number: BR202019014339U2
Application number: BR202019014339-3U
Authority: BR
Inventors: Cesar Hipolito Pinto
Original assignee: César Hipólito Pinto
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2021-01-12

Abstract

patente de modelo de utilidade de " rádiotelescópiodebaixocustopara análise de micro-ondas solares em 12 ghz ", em que todos equipamentos, materiais, softwares e ajustes de destinam para a análise micro-ondas solares na frequência de 12 ghz. na construção do protótipo utilizam-se materiais de fácil aquisição e custo relativamente baixo, de modo a se um equipamento acessível e versátil. para os ajustes e calibração do montado mediu-se, em ambiente fechado, a radiação emitida por uma fluorescente. o equipamento mostrou-se de fácil montagem e calibração, o permite sua utilização em sala de aula, laboratório e em ambientes abertos detecção de radiação solar e de outros corpos celestes, bem como para a de diferentes conceitos físicos. serão obtidas vantagem no ramo da astrofísica, como em universidades da matéria, principalmente em sala de aula, onde terão facilidade maior na montagem de radiotelescópios e análise de micro-ondas solares.utility model patent for "low cost radio telescope for analysis of solar microwaves at 12 ghz", in which all equipment, materials, software and settings are intended for analysis of solar microwaves at the frequency of 12 ghz. in the construction of the prototype, materials of easy acquisition and relatively low cost are used, in order to become an accessible and versatile equipment. for the adjustments and calibration of the montado, the radiation emitted by a fluorescent lamp was measured in a closed environment. the equipment proved to be easy to assemble and calibrate, allowing it to be used in the classroom, laboratory and in open environments to detect solar radiation and other celestial bodies, as well as for different physical concepts. advantage will be obtained in the field of astrophysics, as in universities of the subject, mainly in the classroom, where they will have greater facility in the assembly of radio telescopes and analysis of solar microwaves.

Description

LOW COST RADIOTELESCOPE FOR ANALYSIS OF 12 GHZ SOLAR MICROWAVES

[01] A presente patente de modelo de utilidade trata-se radiotelescópio em que todos os equipamentos, materiais, softwares e ajustes de destinam para a análise de micro-ondas solares na frequência de 12 GHz.[01] The present utility model patent is a radio telescope in which all equipment, materials, software and adjustments are intended for the analysis of solar microwaves at the frequency of 12 GHz.

[02] Serão obtidas vantagem no ramo da astrofísica, bem como em universidades da matéria, principalmente em sala de aula, onde alunos terão facilidade maior na montagem de radiotelescópios e análise de micro-ondas solares.[02] Advantage will be obtained in the field of astrophysics, as well as in universities of the subject, mainly in the classroom, where students will have greater facility in the assembly of radio telescopes and analysis of solar microwaves.

[03] Em radioastronomia os sinais que chegam são muito fracos, portanto, os equipamentos dessa área devem ser capazes de medir esses sinais e separá-los de outras emissões que eventualmente possam existir durante a fase de coleta de dados.[03] In radio astronomy the signals that arrive are very weak, therefore, the equipment in this area must be able to measure these signals and separate them from other emissions that may possibly exist during the data collection phase.

[04] Mesmo que o radiotelescópio do pedido não seja capaz de medidas muito exatas, suas características básicas e fundamentos teóricos são os mesmos dos grandes aparelhos existentes hoje em dia.[04] Even though the order radio telescope is not capable of very accurate measurements, its basic characteristics and theoretical foundations are the same as those of the large devices existing today.

[05] A tecnologia básica envolvida nos radiotelescópios e sua instrumentação são bastante simples, isto permite realizar o projeto com dispositivos baratos e de forma eficiente.[05] The basic technology involved in radio telescopes and their instrumentation are quite simple, this allows to carry out the project with inexpensive and efficient devices.

[06] A construção segue um padrão bastante simples, mas exige alguns conceitos prévios de eletrônica e informática, além do manuseio de materiais metálicos. Neste artigo será mostrado, passo-a-passo, as etapas para a construção do radiotelescópio.[06] The construction follows a very simple pattern, but requires some previous concepts of electronics and computers, in addition to the handling of metallic materials. This article will show, step-by-step, the steps for the construction of the radio telescope.

[07] Para o funcionamento do radiotelescópio é necessário instalar no computador alguns aplicativos, que têm por função capturar os sinais já digitais e transformá-los em gráficos apropriados.[07] For the operation of the radio telescope, it is necessary to install some applications on the computer, which have the function of capturing already digital signals and transforming them into appropriate graphics.

[08] O "SDRSharp” - SDR (Software Defined Radio) é um software gratuito. O custo somente está associado à aquisição do "Dongle” (sintonizador de frequência USB).[08] "SDRSharp” - SDR (Software Defined Radio) is free software. The cost is only associated with the acquisition of the "Dongle" (USB frequency tuner).

[09] O SDR é uma implementação de sistema de comunicação de rádio onde os componentes físicos, que são normalmente dispositivos eletrônicos como moduladores, amplificadores, mixers e detectores, são substituídos por um software instalado em um computador dedicado. Este software equivale a um rádio comum com as suas funções e características físicas. Uma quantidade considerável de processamentos de sinais é realizada por processadores de propósito geral do que em hardware especial dedicado.Este tipo de desenho produz um "radio” capaz de trabalhar na faixa de frequência de 50Hz até 2,5 GHz sem a necessidade de alterar qualquer tipo de hardware. O SDR também permite diferentes protocolos de rádio, acessando simplesmente bibliotecas especificas. O que segue é um método de medir a intensidade de um sinal de rádio (a antena recebe em micro-ondas, que é uma faixa de sinal de rádio) de acordo com uma faixa de operação, por exemplo, AM, FM ou CW. A habilidade de medir a intensidade de sinal e extremamente valiosa nos estudos de sinais de rádio que está a longa distancia da fonte geradora. No SDRSharp não há como recuperar a intensidade do sinal de onda da portadora. Porém, é possível converter o nível de sinal da portadora para áudio, cuja amplitude varia com o nível de sinal, usando a função "Beat Frenquency Oscillator” (BFO), que está disponível no SDRSharp quando se utiliza o "sintonizador” CW. O sinal de áudio da saída, (som característico emitido pela faixa de frequência) pode ser configurado para diferentes frequências no painel do SDRSharp, mas neste caso, para os testes preliminares, foi usada a frequência padrão de 600 Hz (CW Shift - 600).[09] The SDR is an implementation of a radio communication system where the physical components, which are usually electronic devices such as modulators, amplifiers, mixers and detectors, are replaced by software installed on a dedicated computer. This software is equivalent to a common radio with its functions and physical characteristics. A considerable amount of signal processing is performed by general purpose processors than on special dedicated hardware. This type of design produces a "radio" capable of working in the frequency range from 50Hz to 2.5 GHz without the need to change any type of hardware. SDR also allows different radio protocols, simply accessing specific libraries. What follows is a method of measuring the strength of a radio signal (the antenna receives in microwave, which is a radio signal band ) according to an operating range, for example, AM, FM or CW. The ability to measure signal strength is extremely valuable in studies of radio signals that are a long distance from the generating source. In SDRSharp there is no way to recover the intensity of the carrier wave signal. However, it is possible to convert the carrier signal level to audio, the amplitude of which varies with the signal level, using the "Beat Frenquency Oscillator" (BFO) function, which is di available in SDRSharp when using the “tuner” CW. The audio signal of the output, (characteristic sound emitted by the frequency range) can be configured for different frequencies on the SDRSharp panel, but in this case, for the preliminary tests, the standard frequency of 600 Hz was used (CW Shift - 600) .

[010] A largura de banda deve ser estreita, somente algumas centenas de Hz a cada lado da portadora, com objetivo de reduzir o ruído de fundo e, dessa forma, fazendo o BFO ("Beat Frenquency Oscillator”) ser dominante na escuta (Bandwidth = 360 Hz). Este passo é importante porque será utilizado o Skypipe para converter o sinal de áudio para dados gráficos, isto é, o áudio gerado no SDRSharp será enviado via cabo virtual para o Skypipe e este irá gerar um gráfico cartesiano da variação deste mesmo áudio ao longo de certo período de tempo.[010] The bandwidth should be narrow, only a few hundred Hz on each side of the carrier, in order to reduce background noise and, thus, making the BFO ("Beat Frenquency Oscillator”) to be dominant in listening ( Bandwidth = 360 Hz) .This step is important because Skypipe will be used to convert the audio signal to graphic data, that is, the audio generated in SDRSharp will be sent via virtual cable to Skypipe and this will generate a Cartesian graph of the variation of this same audio over a period of time.

[011] A função AGC não deve ser ativada no painel virtual, porque nos testes iniciais será usada configuração CW de sinal. O "Audio Filter” deve ser habilitado.[011] The AGC function must not be activated on the virtual panel, because the initial tests will use a CW signal configuration. The "Audio Filter" must be enabled.

[012] A opção "Zoom FFT” deve ser habilitada. A visibilidade da frequência intermediaria (IF) é importante para o ajuste fino do sinal a ser medido. O sinal de frequência da portadora no centro da banda IF. O áudio do BFO é mais puro com sinal CW centralizado na faixa IF. Produzindo deste modo uma medida precisa e estável.[012] The "Zoom FFT” option must be enabled. The intermediate frequency (IF) visibility is important for fine tuning the signal to be measured. The carrier frequency signal in the center of the IF band. The BFO audio is purer with CW signal centered in the IF range, thus producing a precise and stable measurement.

[013] O procedimento medida de frequência pode ser realizado digitando-se a frequência desejada na parte superior do SDRSharp ou usando o cursor vermelho. Neste trabalho fixou-se a frequência em 1,2 GHz e a largura de banda de 2MHz, dessa forma diminui-se a incidência de ruído no sinal que pode comprometer resultados da coleta de dados. Nesta etapa é desejado monitorar uma determina faixa de frequência mas com restrição a direita e a esquerda do ponto central.[013] The frequency measurement procedure can be performed by entering the desired frequency at the top of the SDRSharp or using the red cursor. In this work, the frequency was set at 1.2 GHz and the bandwidth at 2MHz, thus reducing the incidence of noise in the signal that can compromise data collection results. In this step it is desired to monitor a certain frequency range but with restriction on the right and left of the central point.

[014] Para configurar o "Dongle”, basta acionar o botão "configure” ao lado do ajuste de frequência. O "Offset Tuning”, "RTL AGC” e "AGC Tuner” devem estar desmarcado. O "RTL Gain” ou "RF Gain” são opções de ajuste conforme apresentado, e deve ser ajustado apropriadamente, alinhado com o sinal a ser medido, isto é, alto o suficiente para uma boa relação sinal-ruído, mas não muito para não sobrecarregar o dispositivo com sinais muito fortes. O "frequency correction” é ajustado para compensar cada modelo de "Dongle”. A próxima etapa é configurar a placa de som do sistema computacional.[014] To configure the "Dongle", just press the "configure" button next to the frequency adjustment. The “Offset Tuning”, “RTL AGC” and “AGC Tuner” must be unchecked. “RTL Gain” or “RF Gain” are adjustment options as shown, and must be adjusted accordingly, in line with the signal to be measured, that is, high enough for a good signal-to-noise ratio, but not too much so as not to overload the device with very strong signals. The "frequency correction" is adjusted to compensate for each "Dongle" model. The next step is to configure the card sound system.

[015] - Quando a saída do headfone está configurada, o nível de saída deve ser ajustado de modo a não saturar o BFO. O nível de saída do headfone deve ser ajustado para aproximadamente 30%. Selecione para aproximadamente 50% a opção "cable input”, mas verifique que não sature para sinais mais fortes.Radio SkyPipe é um programa muito popular para coleta de dados e representação gráfica de sinais, e também 'e um software livre. Este programa nesta etapa do projeto é para validar as configurações para que trabalhe em conjunto com o Dongle USB e o SDRSharp.[015] - When the headphone output is configured, the output level must be adjusted so as not to saturate the BFO. The headphone output level should be adjusted to approximately 30%. Select the "cable input" option for approximately 50%, but check that it does not saturate for stronger signals.Radio SkyPipe is a very popular program for data collection and graphical representation of signals, and it is also free software. The project step is to validate the settings so that it works together with the USB Dongle and SDRSharp.

[016] O primeiro teste com o protótipo montado neste trabalho foi realizado medindo-se a radiação emitida por uma Lâmpada fluorescente de 20 Watts. Para este teste foi utilizada a montagem do sistema como descrito anteriormente, sendo a antena parabólica posicionada a uma distancia de aproximadamente 2 m de uma lâmpada fluorescente. No primeiro teste dessa montagem a antena permaneceu fixa e as medidas foram realizadas com a lâmpada nas condições desligada e ligada. Na sequencia, a antena parabólica foi transladada em frente da lâmpada ligada, simulando o movimento solar. No segundo teste, o objetivo foi captar a radiação solar. Para este fim, a antena parabólica foi posicionada numa área externa. Com o auxílio de uma bússola, localizou-se o leste (Sol nascente), é estabelecido um angulo de inclinação (neste caso o angulo utilizado foi de 85o em relação à base da antena) e a antena apontada para leste onde o Sol incidia durante todo o dia Uma vez fixada a antena, esta ficou por um período de 3 horas recebendo a incidência da radiação solar.[016] The first test with the prototype assembled in this work was carried out by measuring the radiation emitted by a 20 Watt fluorescent lamp. For this test it was used to assemble the system as previously described, with the satellite dish positioned at a distance of approximately 2 m from a fluorescent lamp. In the first test of this assembly, the antenna remained fixed and the measurements were performed with the lamp in the off and on conditions. In sequence, the satellite dish was moved in front of the connected lamp, simulating solar movement. In the second test, the objective was to capture solar radiation. For this purpose, the satellite dish was positioned in an external area. With the aid of a compass, the east was located (rising sun), an angle of inclination is established (in this case the angle used was 85o in relation to the base of the antenna) and the antenna pointed east where the sun was during all day Once the antenna was fixed, it stayed for a period of 3 hours receiving the incidence of solar radiation.

[017] Trata-se ainda de um produto possível de industrialização, atendendo assim aos requisitos de definição de patente de modelo de utilidade.[017] It is also a possible industrial product, thus meeting the requirements for defining a utility model patent.

Claims

In the construction of the prototype, materials of easy acquisition and relatively low cost are used, in order to have an accessible and versatile equipment.

For the adjustments and calibration of the assembled prototype, the radiation emitted by a fluorescent lamp was measured in a closed environment.

The equipment proved to be easy to assemble and calibrate, which allows its use in the classroom, laboratory and in open environments for detecting solar radiation and other celestial bodies, as well as for the discussion of different physical concepts.

The following are the materials necessary for the construction of the prototype, easily found in electrical or electronic material stores, they are those presented in the related topic.

This Radiotelescope Utility Model for analyzing 12 GHz solar microwaves is formed by a 90 cm diameter satellite dish (same cable TV antenna): it has the purpose of capturing microwaves in the 12 GHz band, An LNB (low noise block converter).

It has the function of receiving the signal in the KU band frequency and converting it to the L band, that is, from 12GHz to the 950 to 2000 MHz band, Satellite signal meter (SATFINDER).

Indicates the intensity of the microwave signal reaching the antenna, and coaxial cable.

Scientific work "Construction of a radio telescope for the analysis of solar microwaves at 12 GHz", published in Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 40, n ° 2, e2312 (2018)

DOI: http://dx.doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2017-0255

http://www.scielo.br/pdf/rbef/v40n2/1806-1117-rbef-40-02-e2312.pdf

Figures 1 to 5 show the photos of the parts needed to assemble the prototype.