Radiosignalen in de ruimte (maanlanding, Voyager 2, Mars rover, etc)

Grote parabool reflector antennes kijken naar boven. Voor onze ogen zijn alleen wat wolken zichtbaar, of heldere lucht. En toch komen er signalen uit die ruimte die voor ons onzichtbaar of onhoorbaar zijn, maar voor deze grote antennes niet.

Image credit

Hoe scherp “kijken” deze schotels eigenlijk?

Een paraboolantenne (“schotel in de volksmond) van 2m doorsnee kijkt maar in een hoek van ca. 2 graden (openingshoek). Vergelijk dat met een zaklamp in de mist. Dat is al erg scherp en daardoor vangt zo’n schotel al veel meer signalen uit die richting op dan een normale antenne. Maar het kan groter!

Grondstations hebben enorme schotelantennes met een doorsnede van enkele meters tot wel tientallen meters. Een antenne met een doorsnede van 9 meter heeft een openingshoek van 7 tiende van een graad. Een antenne van 26 meter heeft een openingshoek van 3 tiende van een graad en een 70 meter parabool heeft een openingshoek van maar één tiende van een graad! Probeer dat eens uit te richten en stabiel te houden! Bron: Link

De signaalsterkte

Zoals in een video van Eevdiscover te zien was, had de onbemande ruimtezonde Voyager 2 in 2017 een signaalsterkte van ca. -159 dBm. Deze ruimtesonde is al sinds 1977 onderweg! De Voyager 2 zat al in 2017 aan de rand van ons zonnestelsel (meer dan 17 miljard km bij ons vandaan)! Stel je eens voor wat voor afstand dat is. Check hieronder eventueel de video’s van EEVdiscover. De Tekst gaat verder onder de video’s.

Tip: check alle EEVdiscover video’s hier.

Dit radiocontact was mogelijk, omdat het grondstation een parabool gebruikte van maar liefst 70 meter! Bovendien had de de Voyager 2 zelf ook een aardige paraboolantenne en een zender van 20 Watt. En in de ruimte zijn er geen obstakels en atmosfeer die het radiosignaal sterk verzwakken. Maar hoe sterk of hoe zwak is een signaaltje van -159dBm nou eigenlijk?

Voor de liefhebbers de technische uitleg:

Om een signaalsterkte te kunnen vergelijken, moet je een referentiesignaal hebben. Alle metingen in de radiotechniek maken daar gebruik van. Het signaalverloop van radiosignalen is logaritmisch, dus wordt er gemeten in dB. Als referentie is een signaaltje met een vermogen van 1mW gekozen en dat is 0dBm.

Vermogen is vetgedrukt, want alle metingen zijn vermogensmetingen, zelfs als het om een ontvanger gaat. 1mW is een heel klein signaaltje, waar je met een normale antenne maar enkele tientallen meters mee zou kunnen overbruggen. Als je het leuk vindt, kunnen we dit op DJO uitproberen (vraag Tjalling/Roger).

Een paar vuistregels bij dB kunnen je helpen om snel te kunnen rekenen:

  • 3dB is een verdubbeling (2x)
  • 6dB een verviervoudiging (2×2)
  • 10dB is een vertienvoudiging (10x)
  • 20dB is een verhonderdvoudiging (10×10)
  • 30dB is een verduizendvoudiging (10x10x10)
  • etc…

Zie je het logaritmische verloop?

Nu gaan we eens onder de nul. -159dBm dus. Dat is dus 159dB zwakker dan 1mW! Reken je even mee?

De Voyager 2 zendt niet uit met 1mW, maar met 20W (zendervermogen), dus daar zit eerst wat winst: +43dBm. Daar komt nog een flinke winst bij door het bundelen van dit vermogen in een paraboolantenne. Deze versterking (“gain”) is mij niet precies bekend, maar zal ongeveer +37dBm bedragen als ik deze calculator mag geloven. Aan de zenderzijde (Voyager 2) is dus bij elkaar opgeteld al 80dBm toegevoegd aan het zogenaamde “linkbudget”.

Aan de ontvangerzijde op aarde is ook een flinke winst behaald door de enorme schotel met een doorsnede van 70m. Ik weet ook deze versterking niet, maar volgens de calculator kan dat ca. +63dBm bedragen.

We hebben dus 80 + 63 dB = 143 dBm toegevoegd aan het linkbudget. De ontvanger registreert nog maar -159 dBm. Het signaal is dus 143 – (-159) = 302 dB verzwakt (ten opzichte van het uitgezonden signaal) over die afstand van 17 miljard km!

Het is een wonder dat dit nog kan worden geregistreerd. En de grens is nabij. De ruisvloer wat natuurkundig gezien haalbaar is met sterk gekoelde ontvangers (zoals in de parabool) en smalle bandbreedtes, is in zicht met deze waardes.

Even ter vergelijking; je telefoon kan al nauwelijks meer een Wifi signaal registreren als deze lager is dan -100dBm. Het signaal op aarde in de ontvanger die Voyager 2 registreert is, ondanks de grote parabool van 70m, toch nog een miljoen keer zwakker dan het minimum aan WiFi signaal wat je telefoon nog kan registreren.

17 miljard km? Waarom kan mijn UHF/SHF zender op aarde dan maar enkele tientallen kilometers ver komen naar een ander station op aarde? Welkom flat earthers op onze ronde bol; want hogere radiofrequenties buigen niet mee met de aarde en stralen dus over de ontvanger heen als deze te ver weg zit. Dus je antennehoogte moet zo hoog mogelijk zijn. Dat lukt doorgaans niet goed.

Daarnaast heb je atmosferische demping, demping van obstakels als gebouwen en bomen en meneer Fresnel vond nog wat belangrijke factoren, die negatieve invloed hebben op je linkbudget. Op een stukje atmosfeer van de aarde na, heeft de ruimtevaart daar geen last van.

Links en bronnen