ANTENNE ANALYZER, VK5JST's AERIAL ANALYSER

Click on flag for Englisch

 Op alle schema's het juiste teken aangebracht bij pinnen 2 en 3 van IC1d.

ERVARING EN OORDEEL

De ontwerper noemt zijn "Aerial Analyser" een hulpmiddel op het niveau en nauwkeurigheid van een griddipper, maar dat is naar mijn mening een onderwaardering van zijn goed uitgekiende apparaat.

Dit is een behoorlijk meetinstrument als men prijs kwaliteit verhouding vergelijkt met veel duurdere commerciële producten. De meeste onder ons zijn (alléén) geïnteresseerd in een lage SWR bij 50 Ω voor metingen aan of afregelen van antenne(tuner)systemen op HF banden dan wel het bepalen van de 50 Ω in en uitgangsimpedantie of SWR van buffer of breedbandversterkers. Dan is dit uw alternatief met het plezier van eigenbouw tegen acceptabele kosten en het ziet er ook nog "gelikt" uit. Als men de "bouwdoos" foutloos in elkaar zet, werkt het ook zonder de volgende modificaties meteen goed. Nog een voordeel het schema is erbij en u kan weten hoe het apparaat in elkaar zit.

Bij een extra bereik van meer dan 31 MHz kan de oscillator wel werken op 60 MHz, maar de spanning op TP1 is dan te laag voor een goede en betrouwbare meting. Tot ongeveer 50 MHz is het een bruikbare uitbreiding.

Als u moet kiezen tussen een RF1 analyzer of dit eigenbouw model, kies dan voor het laatste.

Zo werd het goed verpakt en voor €93 volgens de toen geldende koers $ AUD/€ EUR in precies 7 dagen uit Australië thuis bezorgd .

ALGEMEEN

 

 

Er werd hier af en toe tijd uitgetrokken om de antenne analysator volgens VK5JST's ontwerp uit 2004 in elkaar te zetten en ermee te experimenteren. Het resultaat daarvan leest u in dit artikel. Als u "googled" op internet vindt u voldoende originele informatie.

Dit meetinstrument wordt compleet als bouwdoos geleverd inclusief: kunststof doos, frontplaat, dubbelzijdige voorgeboorde print, componenten, schroeven etc., afstandbussen, draad, voetjes, insteekpennen, knoppen, pluggen, batterijhouders, bouwbeschrijving en schema. Er hoeft niets extra's gekocht te worden en wereldwijd werden al meer dan 1000 pakketten verzonden. Bij aflevering aan huis voor $ 130 AUD (toen ongeveer € 93 all-in) mankeerde geen enkel deel en zaten er ook geen componenten bij van een verkeerde waarde. Na het foutloos in elkaar zetten werkte het meteen toen de eenvoudige afregeling gedaan was! Mijn aangepaste front (rechtse foto) ziet er iets anders uit dan het eerste originele model. De "Digit" schakelaar was niet nodig en de "Power" schakelaar werd aan de bovenkant op de printkaart bevestigd.

ADVIES

De toch wel kleine weerstanden zijn gecodeerd met 5 gekleurde streepjes en het onderscheid tussen bij voorbeeld rood, oranje en bruin is marginaal. Ondanks mijn ervaring op dat gebied monteerde ik toch een 47 kΩ weerstand op de plaats van een 4.7 kΩ type. Gelukkig werd dat bijtijds ontdekt zodat het fout zoeken in een later stadium niet nodig was. Gebruik voor de zekerheid een universeelmeter met een Ohm bereik bij het selecteren van de componenten

BNC CONNECTOR

 

Oorspronkelijk zijn de uitgangsklemmen («fig) gewone rode en zwarte stekkerbussen, maar mijn persoonlijk voorkeur is een coaxiaal systeem. Dat werd een aangepaste en gelijmde BNC connector (fig») en de "kritische" componenten (D5 etc. D6 etc. 2 × 100 Ω) werden volgens een ouderwetse methode op of rond het chassisdeel gemonteerd.  

 

De afstand tot het aardvlak (componentzijde) is vergroot door de zwevende montage en een scheiding door de glasvezelplaat.

 

Om zo veel mogelijk draadeinden in het meetcircuit kort te houden werden 3 × 100 pF («fig) vervangen door SMD 3 × 50 nF. Dat was mechanisch niet stevig genoeg en daarom werden in een later stadium de SMD's weer vervangen door een klein formaat 3 × 100 nF "gewone" condensatoren. Naast de BNC connector werd de aan-uit schakelaar gemonteerd. Dat was onder andere gedaan om de schakelaar door het langere BNC chassisdeel te "beschermen" tegen ongewenst inschakelen.

CONNECTOR LCD SCHERM

De aangeleverde frontplaat.

De "uitgeklede" frontplaat.

Om voor het definitief in elkaar te zetten alles goed te kunnen testen, werd de verbinding van het LCD display met de hoofdprint uitgevoerd met een meerpolige connector. In mijn rommelbak lag nog een gedeeltelijk gesloopt "bakkie" met een 13-polig type en de overgebleven 14-de aansluiting voor de "aarde" of minpool werd als aparte zwarte draad aangebracht.

 

De extra connector is ook gemakkelijk als later het display in of aan het front van het doosje gemonteerd wordt. Dat werd door mij gedaan met tweezijdig plakband: een montageband voor spiegels (fig») van TESA. Dat spul is duurzaam, extra (ongelooflijk) sterk en vochtbestendig. Ook de batterijhouders werden daarmee op de bodem van het kastje gekleefd.

Jaren geleden heb ik met de montageband een metalen kastje met elektronica onder mijn bureau bevestigd om geen gaten te hoeven boren. Het "hangt" er nog steeds en is er niet af te trekken.

 

De BNC plug met zwarte krimpkous is een zelfgemaakte meetweerstand. Inwendig met 2 × 100 Ohm SMD weerstanden parallel. De extra ontkoppeling van TP2, TP3 en TP4 met 10 nF werd aan de sporenzijde aangebracht.

AFREGELINGEN

Bij het meten van reflectievrije weerstanden van 15, 50 en 150 Ω verschijnen er op het display nogal uiteenlopende uitkomsten over de diverse bereiken van de bandschakelaar. Bovendien wordt veelvuldig een blindweerstand weergegeven terwijl dat eigenlijk niet zou moeten. Waarschijnlijk komt dat door de spreiding van de componenten in het meetcircuit, maar na veel experimenteren met afregelen denk ik dat het een andere oorzaak heeft.

Er wordt kennelijk van uitgegaan dat op de testpunt TP2 en TP3 de helft van de spanning staat van TP1. Als men het meetcircuit ziet dan is het onwaarschijnlijk dat TP2 = TP3 = ½ TP1. Daarom werden hier TP2 en TP3 op een lagere spanning afgeregeld en met 2.14 V bij 2 MHz werd een goed gemiddeld resultaat bereikt. Eventueel kunt u nog zelf experimenteren met een andere lagere spanning (b.v. 2.13 - 2.16 V) dan de originele 2.25 V voor TP2 en TP3.

Andere afregelmethode.

Originele afregelmethode.

(1) Sluit een voeding aan van 12 V.

(1) Sluit een voeding aan van 12 V.

(2) Sluit af met een reflectievrije 50 Ω weerstand.

(2) Sluit af met een reflectievrije 50 Ω weerstand.

(3) Zet het bereik op ongeveer 2 MHz.

(3) Zet het bereik op ongeveer 2 MHz.

(4) Regel het testpunt TP2 met P1 af op 4.5 V.

(4) Regel het testpunt TP2 met P1 af op 4.5 V.

(5) Regel het testpunt TP3 met P2 af op 2.14 V.

(5) Regel het testpunt TP3 met P2 af op 2.25 V.

(6) Regel het testpunt TP4 met P3 af op 2.14 V.

(6) Regel het testpunt TP4 met P3 af op 2.25 V.

Met deze methode komen de uitkomsten aardig overeen als mijn 5 banden verticale antenne gemeten wordt met een "gewone" SWR meter.

Gezien het te bereiken resultaat is de wijze van afregelen een persoonlijke keus. Deze afregeling is zoals het staat in "SET UP AND TESTING THE ANTENNA ANALYSER".

MEETRESULTATEN

Bij deze metingen werd de afregeling volgens het gestelde in "SET UP AND TESTING THE ANTENNA ANALYSER" aangehouden.

Bij mij was met een extra "standaard" 0.33 µH smoorspoel de maximum frequentie ongeveer 54 MHz. Die uiterste grens is echter misleidend, want slechts tot 40 MHz is een meting nog betrouwbaar.

De frequentie weergave op het display wijkt af van de werkelijke opgewekte frequentie en in de tabel wordt het verschil getoond. Een paar reflectievrije weerstanden (22, 50, 100 en 150 Ω) werden gemeten op de hoogste en laagste frequentie in elk bereik van de bandschakelaar.

MODIFICATIES

De oscillator loopt een beetje en dat komt hoogstwaarschijnlijk door nog te weinig buffers na de schakeling. Verder is de meting niet consistent over het hele bereik en dat komt door het verschil in niveau dat aan het meetsysteem aangeboden wordt. 

Enige bekende modificaties in één schema samengebracht.

Ik was al van plan om daar iets aan te doen, maar al rondneuzend op internet bleek dat twee auteurs het wiel al uitgevonden hadden.

De oscillator werd apart gestabiliseerd op 5 V en een ALC verzorgt een meer constant signaal aan de meetschakeling. Beide verbeteringen werden voor dit artikel in één schema (fig») afgebeeld. Voor de volledigheid heb ik de modificaties getest. De instelling van de 50 kΩ potmeter is zeer kritisch en het laatste cijfer en soms de twee laatste cijfers van het display blijven maar van waarde veranderen.

 

 

Dit was het eerste ontwerp.

Bij de modificaties verder in dit artikel is de instelling niet kritisch en blijft het laatste cijfer stabiel of gaat één tel omhoog of omlaag.

Zelf dacht ik aanvankelijk meer aan een buffer (fig») in de vorm van een MAR type versterker. Dan hoeft er iets minder aan de printsporen gemorreld te worden. Het totaal aantal wijzigingen zou er dan uitzien volgens het schema. Later bleek het toevoegen van een MAR versterker tussen Q7 en Q8 niet zo'n succes te zijn, hetgeen ook zo was met andere extra discrete versterkers. De spanning op TP1 wordt te hoog en dat is kennelijk teveel voor de berekeningen in de PIC processor.

DEFINITIEVE MODIFICATIE (?)

Het zenuwachtige wisselen van de laatste cijfers van het display was te temmen met een extra elco parallel aan D1 en D2. Een (fig«) extra 5 V stabilisator, 47 µF elco en 10 pF trimmer werden het eerst aangebracht. Als het kristal op 16 MHz afgeregeld werd, was de trimmer half ingedraaid met een capaciteit van 5 pF. De frequentie was zonder trimmer ongeveer 2 kHz te hoog.

 

Dit werd het eerst en het werkt goed, maar later (zie verderop) kwam er nog een aanvulling. Let op: in mijn apparaat staat de 47 kΩ potmeter op maximum en is dan eigenlijk overbodig.

Om de stabiliteit van een generator niet aan te tasten, is een ALC direct op een oscillator minder geslaagd. Een regeling van de bufferversterker lijkt mij daarom beter. Q9 en Q10 vormen samen een cascode schakeling waarbij de basis van Q10 voor HF ontkoppeld is. Deze transistor werkt in geaarde basisschakeling met een lage ingangsimpedantie. Één van de mogelijkheden om de versterking te regelen ziet u in het schema (fig»). Het signaal op TP1 wordt met IC1a en IC1d versterkt en via een 1 kΩ weerstand komen beide diodes (1N4148) in geleiding waardoor het signaal aan de ingang (emitter) van Q10 verminderd of kortgesloten wordt. Het signaal op TP1 behoudt zijn sinusvorm.

Om IC1d in werking te krijgen moeten met een freesje (b.v. van uw tandarts) van IC1 de printsporen van pootjes 2 en 3 (fig») van elkaar en van massa vrij gemaakt worden. Daarna kunnen 1 en 2 met elkaar verbonden worden.

De weerstand van 560 Ω aan de emitter van Q7 (en basis van Q6) werd vervangen door 330 Ω.

De batterijspanning werd te laag op het display aangegeven en na enig experimenteren kon dat gecorrigeerd worden door aan de sporenzijde een 1 MΩ weerstand parallel aan 16 kΩ te solderen.

 

 

De werking van de analysator wordt minder nauwkeurig naarmate de voedingsspanning lager wordt. Daarom is het beter om geen diode in serie met de voeding te zetten, maar een andere beveiliging met een kortsluitdiode aan te brengen (zie vorige schema). De zekering van 200 mA is gebaseerd op het totale gebruik inclusief een verlichting van het LCD schermpje. Nog beter is het om ook de 12 V voedingsspanning te stabiliseren of een stabiele externe voeding te gebruiken en bij die spanning de afregeling uit te voeren. Om ook met batterijen een spanning te behouden van om en nabij de 12 V, werd een extra batterijhouder («fig) in het kastje geplaatst. 

 

De modificaties werden gedeeltelijk aan de sporen en componentzijde gemonteerd met minimale veranderingen van de printsporen.

De ALC regeling werkt goed en het signaal op TP1 kan op 2 MHz van ongeveer 1.7 V tot 1.58 V teruggeregeld worden. Voorlopig werd een ingesteld op 1.58 en een verbetering ten opzichte van de originele schakeling is in de tabel weergegeven.

De 47 kΩ potmeter staat hier dan op maximum en is dan feitelijk (fig») overbodig. Als u besluit om de modificatie in dit artikel aan te brengen, probeer dan eerst of het bij u ook al zonder de potmeter goed werkt. Het scheelt een hoop werk bij de montage en in het volgende schema is het weggelaten.

 

 

 

Al eerder werd opgemerkt dat de buffers achter de oscillator waarschijnlijk nog te weinig isolerend vermogen hebben. De gedachte kwam op dat de deler keten ook nog invloed op de oscillator zou kunnen hebben. Van de zes invertors in 74LS04 worden er maar twee gebruikt. Nadat een derde geactiveerd was («fig), bleek de spanning op TP2 iets toegenomen te zijn, een bewijs dat een extra buffer toch een geringe verbetering kan opleveren.

 

 

Daarom is de als experiment uitgevoerde wijziging toch permanent geworden. Het aanbrengen is gemakkelijk. Pinnen 4 en 5 zitten al aan elkaar. Alleen het spoortje van pinnen 4 en 5 naar pin 14 van 74LS93 moet doorgekrast worden en daarna soldeert men pin 6 met een paar mm draad aan dat spoortje.

Ten slotte werd nog eens gemeten wat het resultaat was na alle modificaties van dit artikel en u kunt zien dat de gemiddelde afwijking is afgenomen en de nauwkeurigheid bij 50 Ohm het beste is. 

In het testcircuit zal dat de stroom door D5 anders zal zijn dan door D6 (ID5 ≠ ID6) want er staat een 1 kΩ weerstand mee in serie. In het ontwerp wordt ervan uitgegaan dat bij een 50 Ω belasting op de uitgangsklemmen beide diodes D5 en D6 een gelijke spanning afgeven. Alleen als het systeem in balans is (fig»), zal dat gelijk zijn en dan moet er ook een 1 kΩ weerstand in serie met D6 geplaatst worden. De spanning die D4, D5 en D6 afgeven moet gemeten worden op respectievelijk pinnen 14 (TP14), 8 (TP8) en 7 (TP7) van IC1a. Bij mij was TP7 niet gelijk aan TP8 ( TP7 ≠ TP8) en beide waren niet de helft van TP14 (TP3 ≠ TP4 ≠ ½ TP14). Door deze modificatie is in mijn meetinstrument de spanning die D6 afgeeft vrijwel gelijk aan de halve spanning van D4 (TP7 = ½ TP14), maar TP7 is nog steeds niet gelijk aan TP8 (TP7 ≠ TP8). Waarschijnlijk wordt dat beter als twee uitgezochte en gelijke germanium diodes gemonteerd worden (en misschien moet er ook 1 kΩ in serie met D4).

De blijvende ongelijke spanning die van D5 en D6 af komen vereisen een andere afregelprocedure en vooralsnog doe ik dat als volgt:

Voorbeeld van berekenen en afregelen.

(1) Sluit een gestabiliseerde voeding aan van 12 V.

(2) Sluit af met een reflectievrije 50 Ω weerstand.

(3) Zet het bereik op ongeveer 2 MHz.

Wacht ongeveer 10 minuten.

(4) Regel het testpunt TP2 met P1 af op 4.5 V.

(5) Meet de spanning op pin 14 van IC1a (hier is dat 1.740 V)

(6) Meet de spanning op pin 8 van IC1b (hier is dat 0.788 V)

(7) Meet de spanning op pin 7 van IC1c (hier is dat 0.793 V)

(4.5 ÷ 1.740 = 2.58620)

(8) Regel het testpunt TP3 met P2 af op 2.58620 × 0.788 = 2.038 V.

(9) Regel het testpunt TP4 met P3 af op 2.58620 × 0.793 = 2.051 V

De spanning op de pinnen 7, 8 en 14 kan bij u anders zijn, maar voor de juiste spanning op TP3 en TP4 past u de berekening aan met een (andere) vermenigvuldigingsfactor 4.5 ÷ Upin14.