Bau eines einfachen SWR-Analyzers

Angeregt durch diverse Beiträge im Internet habe ich beschlossen mir auch einen einfachen Antennen-Analyzer auf Basis eines Arduino zu bauen.

Mein Gerät soll auch ohne PC genutzt werden können. Das Konzept von DG7EAO hat mir recht gut gefallen und deswegen werde ich einen ähnlichen Analyzer bauen.

Abweichend von seiner Konfiguration werde ich einen Arduino Mega 2560 mit einem 3,2" TFT (HX8357) verwenden. Dadurch können etwas mehr Inhalte auf dem Bildschirm untergebracht werden. Das Display wird direkt auf den Mega gesteckt.

Display / Anzeige

Für die Darstellung der Daten möchte ich ein Koordinatensystem verwenden, das seinen Ursprung links unten hat. Das TFT-Display wird über eine Bibliothek anprogrammiert und hat seinen Ursprung links oben. Dies muss bei der Programmierung berücksichtigt werden.

Um die Fläche gut aus zu nutzen soll die Y-Achse eine logarithmische Teilung haben. Kleinere SWR-Werte lassen sich so besser ablesen.

Mit Hilfe einer Excel-Tabelle habe ich mir für SWR-Werte die dazugehörigen Y-Koordinaten ausrechnen lassen.

Mit einem Bildbearbeitungsprogramm habe ich zwei Darstellungen entworfen, wie ich sie auf dem Arduino umsetzen möchte.

Eine Darstellung umfasst den Frequenzbereich von 1 bis 30 MHz.

Die andere stellt einen Ausschnitt von 1 MHz aus dem Bereich von 1 bis 30 Mhz dar.

In einem etwas helleren Grauton werden die Amateurfunkbänder farblich hervorgehoben.

Aus einem anderen Projekt habe ich den Mega mit dem TFT-Display ausgebaut und habe angefangen obige Entwürfe in Code umzusetzen.

Für die Entwicklung wird die Arduino-Entwicklungsumgebung verwendet. Das Display lässt sich mit Hilfe der UTFT-Bibliothek anprogrammieren.

Der erste Wurf sieht schon recht vielversprechend aus.

Aufbau

Die Baugruppen und -teile sollen in ein schwarzes ABS-Gehäuse - 197,4 x 113 x 63 eingebaut werden. Das Gehäuse ist großzügig bemessen und es soll ausreichend Platz vorhanden sein um alle Teile ohne Klimmzüge verbauen zu können. Als Signal Generator soll das Adafruit Si5351A verwendet werden. Zurzeit hat das Si5351A bei meinem bevorzugten Händler etwas längere Lieferzeiten, sodass ich erstmal "trocken" programmieren muss. 

Die notwendigen Teile sind unterdessen bestellt, sodass es nur noch eine Frage der Zeit ist bis ich weiter bauen kann. In jedem Fall lässt sich die Zeit bis dahin sinnvoll nutzen.

Stückliste

Ich habe mal zusammen gestellt was ich so alles für den Bau benötige und komme in Summe auf etwas über 50 Euro, wobei ich ein paar Dinge aus meinem Bestand beziehe. Auch ist der Posten Diverses nicht enthalten, der erfahrungsgemäß immer anfällt.

Programmierung

Ich habe mir auch schon ein paar Gedanken gemacht, wie ich mir den Programmablauf vorstelle. Beim Start soll die letzte Analyse aus dem EEPROM geladen und angezeigt werden. Dabei werden die Daten nochmal an die serielle Schnittstelle übertragen. So kann eine durchgeführte Messung auch nachträglich auf einen PC übertragen werden.

In der Programmschleife des Arduino (loop) wird überprüft ob das Poti gedreht wurde und ggf. der Wert angezeigt. Zusätzlich wird überprüft ob der Start-Taster gedrückt wurde. In dem Fall wird eine Messung durchgeführt und die Werte werden angezeigt, gespeichert und an die serielle Schnittstelle übertragen.

Unterdessen ist auch das Adafruit Si5351A angekommen. 

Wenn jetzt noch die restlichen anderen Teile kommen, kann es mit dem Bau weiter gehen.

Die Teile sind unterdessen alle angekommen jedoch werde ich sie erst zu einem späteren Zeitpunkt geschenkt bekommen. 

Auch die Programmierung ist soweit abgeschlossen, sodass  es jetzt tatsächlich nur an den Teilen hängt. Der Code ist noch nicht vollständig getestet aber das geht auch erst, wenn alles soweit zusammen gebaut ist.


Schaltplan

Den Schaltplan habe ich auch schon skizziert, sodass dem Zusammenbau auch nichts mehr im Wege steht.

Um die Genauigkeit der SWR-Messungen zu erhöhen, wird der AREF-PIN des Arduino Mega mit 3,3V verbunden. Dies ist die maximale Spannung, die vom Si5351A kommen kann. Bei einem 3,3V-Arduino Board ist dies nicht notwendig.
Im Code muss dafür vor dem ersten analogRead() mit analogReference(EXTERNAL) die Referenzspannung auf den externen Wert gesetzt werden.

Zusammenbau Plan

Vor dem Zusammenbau habe ich zuerst einmal skizziert wie ich mir den Aufbau vorstelle. Hierfür habe ich das Gehäuse und den Arduino nebst TFT-Display vermessen.

Die einzelnen Baugruppen habe ich dann in Powerpoint gezeichnet und dann so angeordnet wie ich es für sinnvoll halte. So ist die Anordnung der Baugruppen im Gehäuse.

Wie man unschwer erkennen kann, habe ich sehr viel Platz in dem Gehäuse. In der Skizze fehlt noch ein Akku, aber den unter zu bringen sollte nicht so schwer sein.

Mit der Anordnung der Baugruppen habe ich dann ein Chassis / einen Einbaurahmen skizziert und habe eine Korrektur der Einbaulage von den Baugruppen vorgenommen. 

Ich habe unterschiedliche Kieferleisten verwendet, weil ich sie in zwei Größen hier liegen habe. Man kann selbstverständlich auch nur eine Sorte verwenden. Die 3 x 8 mm Leisten sind vollkommen ausreichend.

Zusätzlich habe ich noch das Bedien- / Frontpanel skizziert. Die Bedienelemente werden unterhalb des Frontpanels auf einem separaten Träger befestigt und das Frontpanel wird nur darüber gestülpt. Beide Teile sollen aus Hobbyglas 2mm (gibt es im Baumarkt) hergestellt werden. Die Bereiche, die man von außen nicht sehen soll, werden mit Folie abgedeckt.

Der Bau eines Chassis hat enorme Vorteile bei der Wartung / Reparatur bzw. Umbau oder Erweiterung des Analyzers. Bei einem eventuellen Umbau kann der Analyzer als ganze Einheit mit dem Chassis aus dem Gehäuse gehoben werden und hinter wieder im Gehäuse platziert werden. 

Jetzt geht es an den Bau des Chassis.


Zusammenbau Praxis

Zuerst habe ich die benötigten Leisten nach meinen Skizzen zurecht geschnitten und danach zusammen geklebt. Hier für habe ich Sekundenkleber verwendet. Beim Einsetzen des Chassis im Gehäuse ist mir aufgefallen, dass das Gehäuse zum Boden hin enger wird. Deswegen musste ich das Chassis wieder auseinander nehmen und neu zusammenkleben. Dabei habe ich es schief gebaut. Dies ist aber nicht weiter tragisch, weil ich das beim weiteren Bau berücksichtigen kann.

Den Arduino Mega habe ich dann mit dem TFT zusammen in das Chassis eingesetzt. Das sieht so aus, wie ich es mir vorgestellt habe.

Auf dem Bedienpanel habe ich ich die einzelnen Bedienelemente platziert. Es ist ein Taster für das Senden der SWR-Daten an die serielle Schnittstelle hinzugekommen. Im Code habe ich den neuen Taster auch schon berücksichtigt. 

Die Bedienelemente sind soweit verkabelt und es sind bereits Flachbandkabel zum Anschluss des Si5351A sowie der SWR-Schaltung verlegt. Das Frontpanel ist auch hergestellt und ich habe das Chassis mal provisorisch in das Gehäuse eingesetzt.

Das Frontpanel wurde mit Folie bespannt. Hierfür habe ich ein rechteckiges Stück Folie mit ca. 1 cm Übermaß ausgeschnitten, auf der Rückseite der Folie den Ausschnitt für das TFT-Display gezeichnet und habe diesen ausgeschnitten. Danach habe ich die Glasscheibe gereinigt und die Folie aufgeklebt. Mit einem Rakel habe ich die Folie angedrückt. 
Danach habe ich die Folie an den Kanten und Bohrungen umgelegt.

Irgendwie hat sich doch dabei etwa Dreck zwischen die Folie und die Glasscheibe verirrt.

Auch sind im Gehäuse bereits Aussparungen für den USB-Anschluss des Arduino Mega und für die PL-Einbaubuchse vorhanden. 

Die SWR-Schaltung ist jetzt auch soweit aufgebaut. Für den Antennenausgang habe ich eine Steckverbindung mit RG 174 zur PL-Buchse vorgesehen. Die anderen Verbindungen (FWD, REF) werden an Stiften gelötet. 

Was jetzt noch fehlt ist die Verkabelung mit dem Arduino und der Test mit ggf. Korrekturen.

Die SWR-Schaltung ist mit dem Arduino verbunden worden. Danach erfolgten erste Tests und Korrekturen im Programm. Nach dem Drücken auf den Start-Knopf erfolgt die Aufnahme der SWR-Messreihe. Mit dem Frequenzzähler konnte ich die Frequenzveränderung der PLL messen. Leider funktioniert die Messung der Vorwärts- und Rückwärtsspannung nicht korrekt.

Dadurch kommen dann natürlich bei der Messung auch keine brauchbaren SWR-Werte bei raus.
Die Schaltung habe ich schon mehrfach optisch kontrolliert,  habe verschiedene Verbindungen nachgemessen und konnte bis jetzt keinen Fehler finden.
Ich habe die Bedienung jetzt schon soweit angepasst, dass beim Drehen des Potis sich die Frequenz ändert und der SWR-Wert ermittelt und angezeigt wird. Auch dies führte bis jetzt nicht zum Erfolg. Ich denke ich werde da nochmal eine Nacht darüber schlafen.

Nach ein paar Nächten des Darüberschlafens ging es weiter. Ich habe die Schaltung zum Messen des SWR leicht verändert und komplett neu aufgebaut. 

Ich denke der erste Aufbau war nicht sehr HF-freundlich.

Den Code zum Einstellen der Frequenz habe ich auch ausgetauscht und die angezeigte Frequenz weicht nur 2 kHz von der gemessenen Frequenz ab, wobei der Frequenzzähler sehr alt ist und auch bei anderen Geräten genau diese Abweichung hat.

Nun erscheint auch beim Durchmessen einer Antenne eine SWR-Kurve. Dieser Kurve schenke ich noch nicht mein 100%iges Vertrauen, weil die Resonanzfrequenz der Antenne nach der Anzeige weit daneben liegt. Wenn ich die Resonanzfrequenz der Antenne (magnetische Loop-Antenne) verändere, so ändert sich die Messkurve nicht.

Irgendwo habe ich immer noch ein Problem mit dem Analyzer. Das schreit mal wieder nach einer kreativen Pause. Ich werde noch ein paar Tests mit anderen Antennen durchführen.

Zur Verbesserung des HF-Verhaltens habe ich die SWR-Schaltung und den Si5351-Baustein in ein geschirmtes Gehäuse gebaut.

Für den Balkon habe ich mir eine kleine Vertikalantenne für 80m gebaut und habe diese mal mit dem Gerät gemessen. Bei verkürzten Strahlern scheint der Analyzer ganz gut zu funktionieren. Eine Kontrolle am Funkgerät hat die gemessenen Daten für 80m im Wesentlichen bestätigt. 

Lediglich die SWR-Werte im Optimum sind etwas zu optimistisch. Hier werde ich die Messwerte und den Code nochmal überprüfen. Auch stimmen die Anzeige der Minmal- und Maximalwerte noch nicht.

Bei der zukünftigen Verwendung des Gerätes werde ich versuchen es weiter zu optimieren.

Gruß,

Klaus

Bau einer magnetischen Loop-Antenne für 10m

Um mal die umgebaute AE 6110 auf 10m zu testen benötigte ich eine Antenne, die zur Not auch in der Wohnung zu betreiben ist. Hierfür eignet sich eine Antenne, die auch nicht so viel Platz in Anspruch nimmt.

Deswegen habe ich mich für eine "Magnetic Loop Antenna" entschieden.

Ich habe mich schlau gemacht, diverse Baupläne, Berichte und Videos angesehen und am besten hat mit eine achteckige Antenne aus Kupferrohr gefallen. Weil ich keine Werkstatt habe musste die Antenne auch mit einfachen Mitteln gebaut werden können.

Aus den gefundenen Informationen habe ich dann meine Antenne konzipiert. Um den Bau auch recht günstig durchzuführen habe ich die Antenne von der Größe so dimensioniert, dass sie aus einem 2500mm Kupferrohr gebaut werden kann.

Zur Kontrolle habe ich die Maße mal nachrechnen lassen:

http://www.66pacific.com/calculators/small_tx_loop_calc.aspx

Alles in Ordnung.

Das Ergebnis meiner Überlegungen als Skizze:

daraus ergibt sich eine Stückliste.

Kupferrohr 2500 x 15 x 1mm 1

Kupferbogen 45 Grad 8

Kieferleiste 900 x 40 x 10 mm 1

Kieferregal 800 x 200 x 18 mm 1

Sperrholz Buche 6 x 550 x 1220 mm 1

Rundstab Buche Ø 1000 x 4 mm 1

Schweißdraht, verkupfert 2 x 1000 mm 1

Schlauchschellen 12-22mm 2

PL Buchse, SO 239 1

Drehkondensator 130 pF 1

Scheibenkondensator 100pF, 500V 3

Zahnradsortiment (Reely 237655) 1

PU-Lack 100 mL 1

Die Kupferrohre habe ich mit einer Heißluftpistole und einem 60 Watt Lötkolben mit Weichlot verlötet (da muss ja kein Wasser durch).

Die Werkbank hat dabei eine leichte Färbung angenommen.

Die Grundplatte wurde aus einem Kieferregalboden ausgeschnitten und nach beiliegender Skizze zu Recht geschnitten und aufgebaut.

An die Grundplatte wurde der Kieferstab, den ich vorher mit schwarzer Folie bespannt habe, angeschraubt. Außerdem wurde ein Rahmen für die Koppelschleife aus 6mm Sperrholz ausgeschnitten und schwarz angemalt. Die entstandenen Teile wurden zusammen gebaut und zweimal schwarz angestrichen.

Unterdessen war auch der bestellte Drehkondensator eingetroffen und ich konnte die Box für die Abstimmung der Antenne weiter bauen. Der Dreko wird über ein Getriebe (1:5) eingestellt. Das große Zahnrad am Dreko musste ich von 4 auf 6 mm aufbohren. Damit man den Stand des Drehkos erkennen kann, habe ich die Box mit Hobbyglas abgedeckt.

Der Dreko hätte von den Werten kleiner sein müssen. Ich habe ihn jetzt etwas runter gezogen indem ich drei weitere Kondensatoren in Reihe geschaltet habe ( 3 x 100pF --> 33pF, 3 Stück wegen der Spannungsfestigkeit)

Ich habe diverse Versuche mit der Koppelschleife gemacht, aber bei mir hat die Faustregel (Umfang Koppelschleife = Umfang Antenne / 5) nicht funktioniert. Beste Stehwellenwerte habe ich bei einem Faktor von 4 gehabt, aber so richtig zufrieden war ich damit auch nicht.

(vgl: http://www.dg1sfj.de/index.php/funk/antennen/87-magnetic-loop-koppelschleifen?showall=1&limitstart= )

Deswegen habe ich zusätzlich eine Einspeisung über Gamma Match gemacht um zu sehen, ob die besser spielt. Hierfür habe ich verkupferten Schweißdraht, 2mm verwendet. Auch hier musste ich entgegen der Faustformel (1/10 Umfang) die Einspeisung länger ausführen um ein gutes Stehwellenverhältnis zu bekommen. Bei genügend Abstand vom Fenster (Metall) habe ich jetzt auch ein sehr gutes Stehwellenverhältnis (1,3).

Die Einspeisung werde ich noch verkleiden. Das sieht besser aus.

Gruß, Klaus

Bau einer 5-Element Cubical-Quad für 70 cm

Für das 70 cm Band wollte ich eine kurze Richtantenne haben, die auch etwas Gewinn macht. Also habe ich mir mal eine HB9CV gebaut, die auch ganz gut spielt. 

Der Antennengewinn war mir aber etwas zu niedrig. Deswegen habe ich mich entschieden es mal mit einer Quad zu probieren.

Damit die die Antenne nicht so viel Platz wegnimmt und nicht so auffällt sollte sie kürzer als 50 cm sein. Ein Online Rechner für Cubical Quad ergab 5 Elemente für eine Länge kleiner gleich 50 cm.

Aus den errechneten Werten des Antennenrechners habe ich dann eine Skizze angefertigt.

Die Elemente habe ich aus 2mm verkupferten Schweißdraht nach den Maßen in der Skizze gebogen und habe die Elemente gelötet. In Zukunft würde ich beim Zusammenlöten 2,5mm2 Aderendhülsen aus dem Elektrobedarf zu Hilfe nehmen. Die Verbindung ist dann wesentlich stabiler.

Mit Hilfe von Schablonen habe ich die Quad-Elemente angeordnet. 

In den Ecken habe ich jeweils einen Kieferstab gelegt und diesen mit Zwirn in den Ecken fixiert. Nachdem die Antenne ausgerichtet war habe ich die Elemente mit Epoxy mit den Kieferleisten geklebt.

Zur Versteifung der Antenne habe ich die Seiten mit Balsaleisten verstrebt. Dazu habe ich zuerst auf einer Seite die Hilfskonstruktion / Schablone abgebaut und dann die Leisten eingeklebt. Erst danach wurde die Hilfskonstruktion der zweiten Seite entfernt. Nachdem alle Seiten verstrebt waren habe ich die Kieferleisten in den Ecken gekürzt und habe eine dicke Kieferleiste (12 x 12mm) als Mast an der Seite befestigt.

Ein erster Test mit meinem Handfunkgerät hat gute Ergebnisse beim Empfang und beim Senden ergeben. Eine objektive Messung der Antenne ist mir leider nicht möglich.

Die Antenne wurde in weiß gestrichen, weil unsere Hauswand weiß ist. Somit hat sie jetzt eine Tarnfarbe und ich kann sie unauffällig auf dem Balkon in Betrieb nehmen.

Gruß,
Klaus