الأفلام النشطة في تعزيز استقبال الإشارات الفلكية الراديوية

ويتوقف علم الفلك الاذاعي على استخلاص الانبعاثات الكهرومغناطيسية غير المقصودة من الأجسام السماوية البعيدة، التي كثيرا ما تبعد بلايين السنين الخفيفة، وهذه الإشارات - من البقعة، والجرات، والكميات، وخلفية الموجات الدقيقة الكونية - هي إشارات ضعيفة بشكل غير عادي عندما تصل إلى الأرض، وكثيرا ما تكون مدفونة في الضوضاء الحرارية، وتدخلات في الترددات اللاسلكية التي يتسبب فيها الإنسان.

فهم الأفلام النشطة

وإحدى المصاعد النشطة هي دائرة إلكترونية تستخدم مزيجا من المكونات السلبية - المقاومة، والأجهزة الاستطلاعية، وأحيانا الموصلات - إلى جانب عنصر ربح نشط، وهي عادة مضخمة تشغيلية (العملية) - بخلاف أجهزة التصفيف، التي لا يمكن إلا أن تخفف الإشارات وتستهلك الطاقة من مسار الإشارة، فإن أجهزة الاستنشاق العاملة يمكن أن توفر مكاسب فولتية، وملاءمة عالية، ومجهزة بمدخلات منخفضة.

ويميز المرشحات الناشطة بوظيفة نقلها، التي تحدد نطاق الترددات التي تمر (التصفيق) وتلك التي تخفف (الربطة الهاتفية) وتعتمد أشكال الاستجابة المشتركة على الرفض السريع (الصف الأقصى) والتشبيشيف (الاختزال الحاد في كثير من الأحيان) والجهاز (الاستجابة في مرحلة التقلب، والحفاظ على شكل الإشارات)

وفي علم الفلك الراديوي، كثيرا ما تنفذ مرشحات نشطة باستخدام مراحل متعددة من العمليات، ويسهم كل منها في نظام التصفية العام، وتشترك في الطبقات العليا من سلين كي والترددات المتعددة، لأنها بسيطة ومستقرة، وتتيح إجراء تعديل مستقل لتواتر الاختزال والكسب، وتستخدم التصميمات الأكثر تقدما مرشحات ذات ترددات ثابتة أو ذات ترددات مائية، مما يتيح التحكم المستقل في معامل الاختراق (الز)

أنواع الأفلام النشطة المستخدمة في علم الفلك الإذاعي

ويحتاج جهاز استقبال الفلك الراديوي إلى مجموعة متنوعة من أنواع المرشات لتكييف الإشارة الواردة في مراحل مختلفة، وتؤدّى كل فئة من فئات المرشّح الأساسية الأربعة - منخفضة التمرين، وجوازات عالية، وقطعية النطاق، وخطية (توقف النطاق) - أدواراً متميزة في تعزيز استقبال الإشارات.

مصورون من طراز L-Pass

ويمكن أن تسمح مرشحات الترددات المنخفضة الترددات بالترددات دون توقف محدد بأن تمر بينما تخفف الترددات العالية، وفي علم الفلك الراديوي، توضع عادة بعد خليط التحويل المنخفض أو قبل أن تزيل المحركات المشابهة إلى الشكل الرقمي (DCs) الضوضاء العالية الترددات وتمنع الاختناق في صيغة مصغرة من الترددات.

صائدو صواريخ عالية الصدر

وقد تكون أجهزة الاستطلاع ذات التردد العالي أعلى من الترددات المقطعية وتحجب الترددات المنخفضة، وهي أقل شيوعا في علم الفلك اللاسلكي من أجهزة التصفيف بالقطع، ولكنها مفيدة لرفض التدخل المنخفض التردد، مثل رطوبة خط الكهرباء (50/60 Hz) أو اليقظة الميكروفونية، كما يمكن الجمع بين أجهزة الإرسال ذات الترددات العالية لتشكل ممراً.

صانعو الضمادات

وتُعد مرشحات جوازات السفر بالضمانات أكثر تواتراً، حيث تُستخدم الخلايا الحساسية ذات الترددات العالية في أجهزة المسح اللاسلكية، وتُستخدم في خطوط الترددات المنخفضة، مثل خط الهيدروجين البالغ ٢١ سم )١٤٢٠,٤٠٥٧٥٧,١٧٧ ميغاهيرتز( أو خط الرادارات الهيدروجينية )١٦٥٦/١٦٧ ميغاهرتز(.

وقد يستخدم جهاز بي بي بي بي بي إي نموذجي نشط لعلم الفلك الراديوي سلسلة من الأقسام ذات المرتبة الثانية لتحقيق ترتيب إجمالي قدره 6 أو 8، مما يوفر انطلاقة حادة من 36 إلى 48 دي بي/أوك، ويصمم المرشح بكسب مستمر عبر النطاق الترددي، وقليل من الطرازات لتجنب حدوث تغيرات في المكسب قد تشوه قياسات خط الأساس.

مصورون (مُنعّب)

ومرشحات النوافذ )تسمى أيضا أجهزة إطفاء التردد أو أجهزة التصفية( مصممة لإزالة نطاق الترددات الضيقة جدا مع ترك الترددات المحيطة غير متأثرة إلى حد كبير، واستخدامها الرئيسي في علم الفلك الراديوي هو القضاء على موجات قوية وضيقة من المصادر الأرضية - مثل وصلات السواتل أو أجهزة البث التلفزيوني أو الاتصالات اللاسلكية - دون تردد أو استخدام إشارات عالية في مجال تكنولوجيا الترددات العالية.

اعتبارات التصميم الخاصة بملفات علم الفلك الإذاعي

ويتجاوز تصميم مرشحات نشطة لعلم الفلك الراديو نظرية الكتب المدرسية؛ وتستلزم الحساسية القصوى لهذه الصكوك رعاية استثنائية في اختيار العناصر ووضعها، وتلي ذلك معايير الأداء الرئيسية التي يجب أن تُحدَّد على النحو الأمثل.

نسبة الإشارة إلى الأرقام

وكل عنصر نشط يضيف الضوضاء، وفي سلسلة استقبال لاسلكية، حتى جزء من العلامة الضوضاء الزائدة يمكن أن يقلل من القدرة على كشف المصادر الضعيفة، ويجب أن تكون للألغام المستخدمة في أجهزة التصفية العاملة ضوضاء ذات مواصفات منخفضة مُنحتة (التي كانت في الغالب أقل من 1 nV/Hz) وضوضاء منخفضة، ويكتنف أداء التصفية الضوضاء أهمية خاصة عندما يكون مُدرج في مرحلة مبكرة من السلسلة(102).

خطية وزجاج الديناميكية

ويمكن أن تدفع المؤسسة بقوة مرشحات نشطة إلى عملية غير خطية، تنتج منتجات للمواءمة والتلاعب تفسد الإشارة الفلكية، ويجب تصميم الأفلام لمعالجة مستويات التدخل المتوقعة دون تشوه، ويجب أن تكون النطاق الدينامي للمدخلات (المعروف على نحو ما على أنه نقطة اعتراض ثالثة، IP3) عالية بما يكفي لمنع التشبع، وهذا يعني في الممارسة العملية استخدام كميات أكبر من المرشات (المركبة المرجعية)

درجة الحرارة

وتُستخدم المقراب اللاسلكية في بيئات متنوعة من صحاري عالية الارتفاع إلى محطات القطب حيث يمكن أن تتباين درجات الحرارة المحيطة بعشرات درجات مئوية من الكليسوس، وتتغير قيم الريسكتور والكابسيتور بدرجات حرارة، وتتحول تواتر التصفية وشكل الترددات المتسربة، وتستعمل تصميمات الرش العاملة مكونات ذات معامل حرارة منخفضة (مثلاً، درجة الحرارة، أو الرشيحات التي تُصُب)

الاستجابة للمرحلة ونزاهة الإشارة

وبالنسبة لبعض الملاحظات - ولا سيما تلك التي تتطلب الحفاظ على الشكل الدقيق للإشارة المقلية )مثلا من الجراء( أو الحفاظ على الاتساق في صفائف التداخل - فإن الاستجابة التدريجية للمرشح هي ذات أهمية الاستجابة للكمية، إذ أن التحولات في المرحلة غير الخطية يمكن أن تشوه شكل النبض ودقة التوقيت المتدهورة، وفي هذه الحالات، فإن المرش ِّحات المتحركة )التي تسمى أيضا مرشحات " ثومسون " ( هي مرشحات الثابتة.

الإدماج في سلسلة الإشارات

وتوضع مرشحات نشطة في نقاط محددة في سلسلة أجهزة الاستقبال حسب وظيفتها، ويوضح فهم تدفق الإشارات عموما - من الهوائي إلى الهضم - كيف تسهم أجهزة الاستخلاص في تعزيز استقبال علم الفلك الإذاعي.

(أ) الإشارة التي جمعها الهوائيون أولاً عبر بث، ثمّ جهاز مضخم منخفض الإرتفاع (LNA) وجهاز تصفية للوقود مباشرة بعد مرشّح الصواريخ (أو مدمجة أحياناً) تمنع الإشارات القوية من سدّ المزلاج أو المراحل اللاحقة.

(أ) بعد زيادة التكسير وربما تحويل ثانٍ من الموجات الرقمية إلى مجهزة للخلف، وهنا، تعمل أجهزة الترشيح المنخفضة الفعّالة على تصفية أجهزة التصفيق الرقمية (تخفيض الترددات الرقمية)

وبالنسبة للملاحظات الواسعة النطاق جدا )مثلا، ٠,٥-١٥ غيغاهيرتز(، تستخدم تقنية تسمى تجهيز مصرف التصفية الرقمية، ولكن حتى هنا، تستخدم مرشحات نشطة لتقاسم الفرقة إلى مجموعات فرعية قابلة للإدارة، وكلها من بينها مرشح مضاد للتشغيل، وهذا النهج الهجيني الناطق بالمقياس الجسيم هو الآن أداة موحدة مثل جهاز " لاغرافي " .

أمثلة عملية: الأفلام النشطة في العمل

"العملية" "العملية" "العملية" "العملية"

ومن الأمثلة الأخرى مشروع " مرشحة اللمحات " العاملة في مشروع " الرش " (FLT:0) " Break through listen) في GBT. The instrument scans for narrow-band signals that may indicate artificial origin. However, the radio environment is filled with narrow-band carriers from aircraft, satellites, and cell towers.

وفي مرصد أريسيبو (قبل انهياره)، كانت المرشّحات النشطة حاسمة بالنسبة لتجارب صفائف توقيت البلوزر، حيث إن النبضات التي تصدر عن أجهزة الراديو العادية للغاية، ولكن الإشارة تتسع بفعل التشت بين النجوم وتلوثها مؤسسة RFI. وقد سمحت مرشحات الضمادات النشطة ذات النطاق الترددي القابل للتعديل للمراقبين بالتداول بين نسبة الدقة إلى الدقة والوقت المؤقت المستخدم في التصويب 100.

التحديات والنظر في المسألة

وعلى الرغم من فوائدها الكثيرة، فإن مرشحات نشطة تطرح تحديات يتعين على مهندسي علم الفلك الاذاعي التصدي لها، فاستهلاك الطاقة هو واحد: يتطلب العديد من مراحل التصفية النشطة عمليات متعددة، وكل رسم عشرات من المليمترات، وفي المرصدات النائية التي تعمل بالطاقة الشمسية أو المولدات، يمكن أن يكون هذا عائقا.

فالقابلية للتحمل هي شاغل ثان، إذ يمكن للمرشحات العاملة أن تُنقّف إذا لم تُصمم مع هامش زمني مناسب، وقد تؤدي تسامحات المكونات (مثلاً، 1 في المائة من المقاومين، 5 في المائة من المكثفات) إلى انحراف عن الاستجابة المثالية، وفي الإنتاج، غالباً ما تُبنى مرشحات بمكونات دقيقة، ثم تُنقَّف بصورة فردية (تَّر تواترية أو مُصات حرارية).

المبردات هي إحتياج مستمر آخر، يمكن للمرشحات العاملة أن تكبر وتمضي مع الوقت، خاصةً الكهروليتات الكهربائية (وإن كانت المرشّحات الحديثة تستخدم الخزف أو المكثفات السينمائية حصراً)

وأخيرا، يجب إدارة المبادلات بين شدة الرش والتشويه التدريجي بعناية، حيث تحقق مرشحات عالية المستوى سرعة التداول، ولكنها تستحدث تغيرا كبيرا في المجموعة عبر النطاق الترددي، ويمكن أن يؤدي ذلك بالنسبة للاختبارات، إلى وضع خط أساس مائل يجب إزالتها أثناء خفض البيانات، ويفضل بعض المراصد أن يكون جهاز تصفية رقمية أقل درجة (مثلا، الترتيب الرابع) مع استخدام جهاز تسجيل رقمي أبطأ.

التطورات المقبلة

(ج) استمرار تقدم تكنولوجيا التصفية النشطة، مدفوعاً بمطالب توسيع نطاق الترددات، وانخفاض الطاقة، وزيادة المرونة؛ وأحد الاتجاهات الواعدة هو استخدام أجهزة التصفية العاملة ذات القدرة المبدلة، التي تُقطر الترددات عن طريق إشارة ساعة بدلاً من القيم المقاومة، ويمكن برمجة هذه الرش في المايكرويف الثانية، مما يسمح للمتلقي بالتحول السريع بين نماذج المراقبة غير المتغيرة فعلياً.

وثمة ابتكار آخر يتمثل في إدماج مرشحات نشطة مباشرة في دوائر متكاملة تعمل بالموجات الدقيقة الأحادية، وتعمل هذه المرشّحات النشطة في ترددات أعلى (حتى عشرات الهرتز) ويمكن وضعها مباشرة بعد نظام تقييم الاحتياجات المحلية، مما يقلل من عدد الاتصالات والخسائر.

إن تجهيز الإشارات الرقمية يتزايد في تولي مهام التصفية التي كانت تُعالج تقليديا بواسطة مرشحات نشطة للصوت، ولكن مرشحات رقمية بحتة لا يمكن أن تحل محل جميع مرشحات الناشطة المشابهة لأن مدى النشاط في شركة التعمير والتنمية ومعدل أخذ العينات محدودان، واتباع نهج هجين - باستخدام مرشح نموذجي متواضع للصوت المضاد للتحرير، وجهاز رقمي عالي الاستدلال

خاتمة

إن مرشحات النشاط هي حجر الزاوية في علم الفلك الحديث، مما يتيح استخراج الهمس الكوني من عالم متداخل ومرتفع، ومن خلال توفير المكسب والانتقائية والمرونة، فإنها تحسن بشكل كبير نسب الإشارة إلى المصابيح وتتيح للمرشحين أن يتعمقوا في الكون، ومن المرشات المنخفضة الحدة إلى أجهزة التصفير المتطورة التي تعمل على كشف الأشعة.

For further reading on radio astronomy techniques, see the ]NRAO's introduction to radio astronomy ] or explore the basics of ]active filter design on Wikipedia .