Строим панорамный антенный анализатор

[EU3EU]

Давно собирался этим заняться, да всё руки не доходили. Всё необходимое для прототипирования под рукой имеется, но со свободным временем немножко напряжно. Но плохая погода сыграла на руку и я взялся за паяльник. Получилась эдакая конструкция выходного дня, которую вполне можно будет впоследствии воткнуть в корпус и получить полезный в домашнем хозяйстве прибор.

В наличии была отладочная плата с микроконтроллером STM32F103VET6 (ARM Cortex M3) и цветным TFT-дисплеем с разрешением 320х240 точек и с резистивным тачскрином, готовый модуль DDS синтезатора на AD9851 (куплен по интернету, на алиэкспрессе), и макетка с замечательной микросхемой AD8302. Также в наличии имеется Power Bank на литиевых аккумуляторах типоразмера 18650, внутренности которого предполагается использовать для обеспечения автономного питания прибора, с подзарядкой от Micro USB.

В перспективе может быть прикручен и Bluetooth модуль для дистанционного управления и получения на компьютер или смартфон данных с прибора, который, например, будет висеть высоко над землёй в точке питания антенны.

За идею была взята вот эта статья: http://www.rigexpert.com/index?s=articl ... meter&l=ru. От варианта квадратурного измерителя, использующего AD9854 для повышения точности измерений малых реактивностей и получения их знака я отказался. Слишком уж много эта DDS кушает никаких батарей не напасёшься.

Однако, проверка идеи показала, что схему нужно изменить. Во-первых, значение опорного напряжения сигнала на входе AD8302 должно быть в центре её динамического диапазона, а это 10 милливольт амплитуды. Во-вторых, значения измерительных резисторов моста должны быть как можно меньше, это позволит точнее измерять небольшие реактивности (AD8302 искажает показания при разности фаз сигналов меньше 6 градусов). В общем, написал быстренько скрипт на питоне, обсчитал разные варианты и пришёл к приемлемому варианту. См. схемку.

Ну, в общем, собрал макет, набросал программу для микроконтроллера (заготовки для этого давно написаны, осталось только объединить всё в кучу). Погонял прибор и признал вполне годным. Что оказалось наиболее удобным, так это тачскрин. Никаких органов управления не нужно!

Помимо измерений на заданной частоте, прибор умеет сканировать весь диапазон 1-30 МГц с шагом 100 кГц, и выводить график КСВ. Кроме того, прибор сканирует КСВ в полосе +/- 1.2 МГц вокруг заданной частоты, с шагом 10 кГц, и выводит на тот же график результат этого измерения. На оба сканирования уходит порядка 4 секунд суммарно, но, думаю, можно будет это время и уменьшить раза в два-три. Поэкспериментирую ещё.

В общем, удобно настраивать и многодиапазонные, и однодиапазонные антенны. Измерение кодненсаторов и катушек тоже довольно неплохо работает. Нужно только выбрать рабочую частоту, на которой разность сигналов близка к 0 дБ.

Точность начинает ухудшаться на частотах начиная с 20 МГц и выше. Это связано с тем, что DDS AD9851 генерирует эти частоты заметно искаженными, видно по осциллограмме. Вторая гармоника великовата становится. Это сбивает с толку AD8302 и она начинает искажать результаты измерений. Но в целом,в диапазоне до 30 МГц при КСВ менее 5.0 показаниям прибора вполне можно верить.

См. на фото измерения последовательного колебательного контура с резистором 51 Ом.

Выходной потрачен не зря!

[EW3MM]

Очень интересно. Получается очень бюджетный анализатор...
Тема заслуживает внимания. Жду продолжения.

[EU3EU]

Оформил в военно-полевой корпус и присобачил к нему источник питания. Худо-бедно работает, для повседневного использования даже так пригодится. Себестоимость всего приборчика вышла $90, плюс получено море удовольствия.

Но надо всё же смотреть в сторону анализатора на принципе, описанном W5BIG. Есть макетка с отличным малюсеньким синтезатором Si5351A, который делает отличные меандры трёх частот сразу. Поделить на четыре, получить квадратурный сигнал, подать на измерительный мост, два смесителя, пара узкополосных НЧ фильтров на LTC1164-8, оцифровка НЧ сигнала микроконтроллером, преобразование Гёрцеля - и на выходе имеем точнейшие данные о фазе и амплитуде сигналов. Никакие логарифмические детекторы от Analog Devices и близко не дадут такой точности. Только микроконтроллер помощнее надо, думаю, STM32F4 с аппаратной плавающей точкой и DSP инструкциями уже вполне потянет математику. Буду потихоньку думать над этим.

[EU3EU]

Тут просили исходники. См. в приложении.
Чтобы сбилдить, нужна emIDE (в её составе есть нужный компилятор, ничего не надо больше).

[EU3EU]

Вчера настраивал коаксиальные трапы для новой антенны (собираюсь попробовать многодиапазонный вертикал DL2KQ (http://dl2kq.de/ant/3-34.htm) на крыше сарая, покрытой алюминиевыми полосами). Прибор вполне для этого сгодился. На вход воткнул виток связи последовательно с резистором 47 Ом - прекрасно виден резонанс. В данном случае на 11130 кГц:

Резонанс трапа

Но возникла идея добавить в прибор отдельный независимый фронтенд на логарифмическом детекторе AD8307, с отдельным разъёмом, и получить настоящий grid dip meter, который сможет видеть резонансы как последовательных, так и параллельных контуров, или антенн, и отображать в логарифмическом масштабе. На выходных займусь, если получится.

Перспективный для вертикалов сарай с алюминиевой крышей. Вид из космоса. :)

Clipboard01.jpg (20.32 КБ) 40977 просмотров

[EU3EU]

Тем временем, я не дремлю. Прототип анализатора претерпел некоторые изменения.
1. Немного изменил схему ВЧ фронтенда, теперь ровненько показывает до 30 МГц.
2. Пришёл, наконец-то, из Китая Блютуз адаптер HC-06. И я его быстро приспособил к анализатору. Реализовал протокол обмена от Rigexpert, теперь девайс опознаётся их довольно удобной программой AntScope и позволяет проводить дистанционные измерения (соединение ведь через Bluetooth).
3. Добавил отдельное окно, в котором рисуются графики R/X.
4. Открыл репозиторий с исходниками и вики для всеобщего обозрения. Предполагаю, что в ближайшее время выложу схемы, описания и инструкции. Но сначала по-английски, на русский переведу позже. Вот здесь оно: https://bitbucket.org/kuchura/antennaanalyzer

Ну и пара фоток.
Скриншот антскопа c воткнутым эквивалентом 50 Ом, и график автомобильной CB антенны, длинной Big Optim, которую я слегка укоротил до резонанса на 28.2 (КСВ = 1.1) и хвостиком с клеммой могу оперативно удлинять до диапазона 24 МГц (КСВ 1.4). Антенна хороша - кучи связей из машины провёл на обоих диапазонах, в том числе, на ходу, включая KP4, PY, многочисленные W, 6W, P29 и прочее.

[ew1abz]

1. Немного изменил схему ВЧ фронтенда, теперь ровненько показывает до 30 МГц.

И что пришлось поменять?

[EU3EU]

1. Немного изменил схему ВЧ фронтенда, теперь ровненько показывает до 30 МГц.

И что пришлось поменять?

Изначальная схема, в которой входы OFSA и OFSB AD8302 висят на сигнале от генератора, начинает врать с 20 Мгц, чем выше частота - тем сильнее. Казалось бы, ничего криминального в таком включении, входная ёмкость 10 пикофарад по каждому такому входу не должна, по идее, влиять на параметры. Входы же эти вместе соединены, сигнал на них одинаков. Так вот нет, входы эти нужно включать через блокировочный конденсатор только на землю. В документации про это ничего не сказано, вот я и повёлся.

Долго думал, а что будет, если оплётку кабеля от антенны подключать не к общему проводу схемы, а к измерительному резистору. Боялся, что наведенные на оплётку длинного кабеля сигналы могут дать множество помех. Как оказалось, не так уж оно и страшно. Шумов практически не стало больше. Но да, пальцем за разъём лучше не хвататься - палец уже начинает влиять на измерения. :)

Теперь ВЧ фронтенд выглядит так, см. фото схемки. (В схеме забыл дорисовать один разделительный конденсатор по входу INPB).

[EU3EU]

Сегодня, в качестве конструкции выходного дня, соорудил в огороде из подручного материала Jungle Job (проволочная двухэлементная антенна) на 18 МГц. Антенна лёгкая, поднимается и ставится в одиночку без напряга. Запитал гамма согласованием, настроил на высоте 2.5 метра - красота. Потом добавил ещё один дрын, чтобы поднять антенну хотя бы до 5 метров. Заметно ушёл вниз резонанс, а долезть до гаммы на такой высоте уже никак. Ничего, на следующих выходных займусь. Тем не менее, антенна работала - я на ней сработал с VK6, которого на стоящий на железной крыше вертикал даже не было слышно из-за высокого уровня шумов. И, жаль, T88 не дозвался, времени не было. Но слышно его было замечательно.

Приборчик показал себя во всей красе: и антенну настроил в резонанс, и генератором поработал при настройке F/B, будучи отвезённым в машине метров за триста, и на антенне в точке питания повисел, удалённо управляемый чеез Bluetooth.

[EV6DX]

Супер. Юрий! Молодец!

[EU4A]

Юрий - спасибо!
Проделанная работа вызывает как минимум уважение -

[EU3EU]

Меня спросили, почему я не применил схему включения AD8302, приведенную в (статье из журнала "Радиохобби"). Ведь это избавило бы от проблем с влиянием ВЧ токов, текущих по наружной оплётке кабеля. Объясняю.

Взляните на графики Uab в децибелах в зависимости от импеданса измеряемой нагрузки. Синяя линия - схема из статьи, красная - моя схема.

Совершенно очевидно насыщение графика в схеме из журнала при сопротивлениях выше 200 Ом, это приводит к сильным ошибкам измерений при КСВ больше 3-4 на высокоомной нагрузке. В моей схеме измеряется ток, протекающий через нагрузку, что позволяет более точно измерять импеданс чуть ли не до килоома - график не насыщается. И динамический диапазон AD8302 (+/- 30 dB) используется более полно.

Ну а токи по оплетке значительно снижаются ферритовыми кольцами. Вы ведь всегда вешаете ферриты на кабель в точке питания антенны и у передатчика, правда? :)

P.S. И ещё один недостаток оригинальной схемы. Напряжение сигнала на антенном входе при КСВ=1 должно быть 10 милливольт, такое же, как и на референсном входе AD8302. Вы видели, что творится в эфире на двадцатке во время крупных контестов? Там каждые пару килогерц торчит станция с уровнем S9+40dB. И на входе прибора возникает напряжение в милливольты, что сравнимо с поданным от генератора. Я уж не говорю о том, что творится ночью на сороковке. В общем, и сами сигналы измеряются, и продукты интермодуляции возникают сильнейшие, ведь AD8302 по своему принципу работы нелинейная схема и эффективно их перемножает. Всё это приводит к невозможности измерений из-за сильнейших помех. Моя схема свободна от такого - поданный ток в нагрузку 50 Ом составляет 1 миллиампер амплитуды. Не всякая вещательная станция столько навести способна.

P.P.S. Вспомнился и ещё один минус оригинальной схемы: собственный импеданс AD8302 включен параллельно нагрузке. А он зависит от частоты и от уровня сигнала на входе, и составляет примерно 1 кОм и 0.5 пФ параллельно. "Примерно" - значит, его трудно учесть, потому что оно точно неизвестно. В результате ещё более искажаются результаты измерений при сопротивлениях нагрузки выше 100 Ом. Моя схема свободна от этого недостатка: вход всегда висит параллельно измерительному резистору в 10 Ом и его собственный импеданс никакого значительного влияния не оказывает. К тому же, второй такой же вход висит параллельно такому же резистору, что дополнительно обеспечивает автоматическую компенсацию влияния на результаты измерений.

[EU3EU]

Почитать в исходниках. Конкретно вот здесь: https://bitbucket.org/kuchura/antennaan ... at=default

После долгих экспериментов пришёл к следующим выводам.

1. Отсчёты с выходов AD8302 заметно шумят. Во-первых, играет роль широкополосность детектора: он меряет импеданс не только на основной частоте, но и на её гармониках. А DDS гармоник выдаёт прилично, особенно на частотах выше 20 МГц. Кривость сигнала видна невооружённым взглядом на осциллографе. Даже несмотря на Reconstruction Filter на выходе, имеющиё частоту среза 70 МГц. Также могут влиять мощные сигналы от местных радиостанций, но не очень сильно. Происходит интермодуляция с частотой генератора и его гармониками на нелинейности логарифмического детектора. В результате выходной сигнал AD выглядит как что-то вроде "пилы" с частотой в десятки-сотни килогерц. В принципе, это фильтруется конденсаторами на выходах AD, я поставил 0.1 мкФ. С выходным сопротивлением AD в 25 Ом это образует какой-никакой ФНЧ, заметно улучшающий работу схемы. Но: начинать измерять после подачи частоты нужно через 3...5 миллисекунд, чтобы дать фильтру "устаканиться".

2. Применятиь фильтр Калмана при обработке отсчетов некорректно: нельзя строить предположение об импедансе на данной частоте исходя из полученных значений на соседних частотах. Линия получается красивая, но не совсем соответствует реальности. Заимплементил, поигрался и откатил назад.

3. См. алгоритм в AD8302_ReadADC(). Я делаю 21 отсчёт выходов 12-битными АЦПи пишу в массив. Считаю дисперсию отсчётов АЦП по каждому выходу, если она меньше заданного порога (12 единиц АЦП) - принимаю полученный массив к дальнейшей обработке, иначе повторяю всё сначала. И так до 20 раз. Если
за 20 раз не получил дисперсию меньше порога, то принимаю к дальнейшей обработке массив, в котором дисперсия была минимальной из этих 20 попыток (минимальный запоминаю).

Дальше фильтрую полученные 21 отсчет с минимальной дисперсией: по каждому каналу измерения отбрасываю по 5 максимальных и 5 минимальных значений, для оставшихся считаю среднее значение. Из отфильтрованного результата уже можно довольно точно считать R, X (см. AD8302_CalcR(), AD8302_CalcX()), а из них - КСВ (см. AD8302_CalcVSWR()).

[EU3EU]

Утюгом?

[EU3EU]

Вот вывод формулы вкратце

[EU3EU]

Ну а с AD8302 - просто оцифровываем с помощью АЦП Uref, Uab и Upha и используем прямо в "условных единицах" АЦП, не переводя в Вольты.

mid = Uref/2 соответствует Uab 0dB (и фазе 90градусов).
Находим "цену" 1 дБ в трампов: onedb = mid/30 (AD8302 выдаёт 0 при -30dB, и Uref при +30dB)
UabdB = (Uab - mid) / onedb <-- ещё нужно добавить минус, если A и B поменять местами в схеме.
отсюда отношение (Ua/Ub) = 10^(UabdB/20)

С фазой проще:
phaseRadians = PI - PI * (Upha/ Uref)

[EU3EU]

Поздравляю! :)
Тут ко мне пришли наконец-то чипы правильных смесителей AD8342. Божеж мой, какие они малюпасенькие! Начинаю кустарить анализатор по типу W5BIG AIM430 http://www.w5big.com/QST_Article.pdf, только на более современной элементной базе. В качестве генератора частот будет Si5351, в качестве фильтров MAX724, ну и инструментальные усилители AD620 в качестве балунов на выходе смесителей перед фильтрами.

[EU3EU]

Долгими зимними вечерами потихоньку двигаюсь к улучшению проекта. Возникла интересная идея, как дешево и сердито мерять знак реактивности с минимальным напрягом, потихоньку делаю. Заодно напрочь отказываюсь от дорогой и жрущей DDS в пользу маленькой микросхемки, генерирующей меандры с любой частотой с точностью до 1 герца. И пофиг на гармоники. Потом расскажу подробнее, когда отутюжу плату, спаяю девайс и эксперименты проведу.

А пока озадачился темой калибровки прибора. Почему-то нет в открытом виде исходников анализаторов, которые реализуют калибровку по методу OSL (open, short, load), чтобы иметь возможность учитывать влияние кабеля и корректировать ошибки измерений из-за подключенных кабелей и паразитных реактивностей монтажа. Подсмотреть алгоритм негде, пришлось гуглить и вспоминать всякие телеграфные уравнения и математику, чтобы разобраться в этой теме.

В общем, всё там не так уж и сложно. Измерив импеданс (R, X) для произвольного кабеля с подключенными тремя известными нагрузками (низкоомной, высокоомной, и близкой к волновому сопротивлению кабеля), считается комплексный коэффициент отражения (гамма) и методом Крамера решается система из трёх уравнений с тремя неизвестными. Получаются три комплексных числа (коэффициента) для данной частоты. Эти коэффициенты позволяют потом несколькими нехитрыми действиями по измеренному импедансу вычислить актуальный импеданс любой нагрузки на конце кабеля, при этом учесть как потери в кабеле, так и трансформацию им импеданса.

Для калибровки прибора в реальных условиях достаточно измерить, вычислить и сохранить коэффициенты для сетки частот с шагом в 1-2% от предыдущей частоты. По шесть чисел с плавающей точкой (активная и мнимая часть) на каждую частоту, т.е. 48 байт на частоту. Для всех промежуточных частот коэффициенты легко пересчитываются простейшей линейной аппроксимацией, обеспечивая вполне приемлемую точность расчётов.

Тестовый скрипт на рабоче-крестьянском питоне для тех, кому интересен метод, прилагается. Там в комментариях написано, что к чему, и как что считается. Не по-русски, но программисты разберутся.

[EU3EU]

Наконец-то затрекалась на таможне последняя недостающая микросхема для нового варианта ВЧ фронтенда (с преобразованием вниз и измерениями на ПЧ 10 кГц). А я тем временем полностью готов к нему со стороны фирмвари: написана поддержка OSL калибровки, переделаны графики КСВ и R/X (логарифмическая шкала и автомасштабирование в зависимости от диапазона измеренных в заданном интервале R и X), и даже добавил диаграму Смита (польза от неё несомненная - при некотором опыте сразу на глаз видно, какую цепь согласования применить для вывода КСВ в единицу).
На следующей неделе, надеюсь, продолжу отладку и эксперименты.

[EU3EU]

Хм, и корпусочек подходящий нашёлся по разумной цене. Как раз в него всё влезает.
http://www.aliexpress.com/item/Xindasz- ... 70830.html

housing.jpg (9.17 КБ) 37009 просмотров

[EU3EU]

Какой надфиль? 21 век на дворе. Дремель в руки и вперёд!
А корпусок-то тот же, что и в ригэксперте, походу.

[EW3MM]

Какой надфиль? 21 век на дворе. Дремель в руки и вперёд!

Да ладно. Какой дремель? Если только в ЧПУ. Криво ж получиться...
А корпуса такие и у нас есть http://belchip.by/section/?selected_section=00004512

[EU3EU]

Вообще замечательно. Всё никак не соберусь в белчип наведаться, не по пути.

[EW4RF]

Юрий красивый корпус:) но к сожалению моя "китайская" плата не влезет в такой корпус. Она по длинне 100 мм да и ЖКИ не по центру платы сидит. Ищу подходящий корпус.

[EU3EU]

Андрей, влезет, если отпилить плату в том месте, где разъём JTAG. Всё равно в этом углу ничего важного нет. Но сам разъем можно оставить, на весу, и выставить из корпуса наружу. Так удобнее прошивки заливать.
А можно дисплей и плату разделить и соединить шлейфом.
Куплю корпус - и над этим тоже подумаю.