Spectrum Analyzer voor radioamateurs. (07-11-2017)
 

 afb. 1
Mijn homebrew spectrumanalyzer gekoppeld aan de Philips scope type PM 3210 (met X en Y ingang.
Op de schoop zijn de paaltjes zichtbaar van de ingebouwde 5 Mhz oscillator en zijn harmonischen.



Naar het ontwerp van Wes Hayward W7ZOI en Terry White. K7TAU.

 

In het origineel gaat het om een spectrumanalyzer in het werkgebied van 50 Khz tot 70 Mhz.

 

U weet inmiddels dat formules en berekeningen bij mij taboe zijn. Mijn motto:

“Als je weet hoe het werkt, kun je het ook bouwen”

Allereerst, voor hen die het niet weten; ook ik heb lang tegen dit meetinstrument aangekeken, als zijnde iets dat moeilijk te begrijpen is; het volgende:

Denk in dit geval aan een ontvanger van het type dubbel super. Dus een heterodyne ontvanger waarin het signaal twee keer gemengd wordt om bij de uiteindelijke middenfrequentie uit te komen, waarna er gedetecteerd gaat worden.

 De originele “ontvanger”, die als spectrum analyzer gebruikt wordt, heeft de volgende technische gegevens:


Ontvangstfrequentie:      50 kHz tot 70 mHz.

Eerste mengoscillator:    Variabel van 110 – 180 mHz. (VXO)

Eerste mixer:                   Dubbalans passieve mengtrap.

Eerste middenfrequent:   Drie polig filter op 110 mHz.

Tweede mengoscillator:  X-tal gestuurd op 100 mHz.

Tweede mixer:                 Dubbelbalans passieve mengtrap.

Tweede Middenfrequent: 2 filters op 10 mHz (Smal en breed)

Een middenfrequent versterker

LF gedeelte:                     Demodulator of detector.


afb.2
 

Op afbeelding 2 staat de “ontvanger” als blokschema, zeer vereenvoudigd, getekend, met de hierboven omschreven technische gegevens.

 

De X as zorgt voor de horizontale info op het beeldscherm van de scoop.

De Y as is de verticale informatie die zichtbaar wordt op de scoop.

 

Mijn project.

 

Ik heb altijd twee principes voor ogen:

 Ten 1e. Ik gebruik onderdelen, die ik in de laatjes heb liggen, want opgeruimd staat netjes. Heb ik bepaalde onderdelen niet, dan zoek ik, als het om dure producten gaat, om goedkopere vervangers. Zo is bijvoorbeeld bij Van Dijken in Groningen in de 1 Euro shop zeer veel van dat spul te vinden. Wees niet bang om af te wijken van het principeschema.

 

Ten 2e  Ik gebruik geen geëtste printjes o.i.d. Tot 15 mHz. durf ik gewoon gaatjesprint te gebruiken. Wel zorg ik voor zoveel mogelijk goede aardpunten. Schakelingen voor hogere frequenties bouw ik op massieve printplaat en ook direct op het blik van de door mij gebruikte blikken kastjes. De voordelen zijn dat je zeer korte verbindingen tussen de respectievelijke onderdelen kunt maken.

Let wel! De respectievelijke schakelingen komen ook bij mij in aparte kastjes. De stroom wordt via doorvoer C´tjes toegevoerd en tot ongeveer 30 mHz, gebruik ik voor de signaal uitgangen en eventuele ingangen z.g. tulpstekkers, van een betere kwaliteit, die geheel uit metaal bestaan. HF gaat natuurlijk via coaxkabeltjes van 50 Ohm. Tussen de schakelingen gebruik ik zelf het dunne RG174 coax. Boven de 30 mHz gebruik ik het liefst SMA connectoren. Je hoeft maar kleine gaatjes te boren en ze hebben een zeer goede HF kwaliteit. BNC gaat ook, maar neemt veel plaats in. De 90 graden kabel sma´tjes werken het mooist. Ik heb wel een klemtang gekocht. Dat is absoluut noodzakelijk.

 

Door systematisch op te noemen hoe ik mijn analyzer heb gebouwd, is volgens mij een beetje saai. Ik wil aantonen dat onze hobby, tijdens het bouwen van zelfbouwprojecten, één en al avontuur is. Weg met het stempel, dat knutselende amateurs maar saaie pieten zijn!

 

In de laatste jaren dat ik nog werkte, had ik de beschikking over een spectrumanalyzer die tot 12 Ghz liep. Ik leerde er mee omgaan en ik vond steeds meer mogelijkheden in het gebruik daarvan. Zo bestudeerde ik onder andere zeer sterk verkorte antennes in het VHF gebied.

Door op een paar honderd meter afstand van de analyzer, de zender met de zeer verkorte antenne op te stellen, kon ik op de analyzer zien hoeveel dB de antenne zwakker was dan een antenne van een kwartgolflengte zonder verkortingsspoelen. Op personen die willen opmerkingen dat mijn meetmethode niet deugd en dit met een heleboel formules willen bewijzen, reageer ik niet! Mijn hoofd moet niet gaan roken. Dat laat ik aan de soldeerbout over!

Ik kijk, constateer en noteer en concludeer…….

 

Het schema dat ik gebruik stond in de QST van augustus 1998. Op het internet zijn nog veel meer analyzers te vinden die na te bouwen zijn. Onder andere in het ontvanger werkboek van Kent uit Belgie, uitgegeven dor Rinus Jansen, staat een hele mooie simpele spectrumalalyzer voor zelfbouw omschreven. Helaas is Rinus onlangs overleden. Dit is een gemis voor alle doe het zelvers in de radiohobby, want zijn webshop is gesloten, maar het belangrijkste is dat we een echte voorstander van het zelf bouwen hebben verloren. 

 

Om geen chaos te laten ontstaan, wat toch al bij mij zeer snel plaatsvindt, werd begonnen  met de inventaris van die onderdelen, die ik reeds in mijn bezit had. Dit werd gelukkig toch al een hele lijst. Voor elk afzonderlijk te bouwen kastje verzamelde ik de onderdelen en deed deze in afzonderlijke zakjes.

Helaas waren er ook een aantal onderdelen niet in mijn bezit, zoals:

De VCO van het type POS200

De gebruikte TUF 1H mixers

Ook geen MAV 11 versterkers en

de IC´s van het type CA3140 en de MC 3356P ontbraken ook.

(Hoeveel ICtjes je ook in het bezit hebt, dat wat je nodig hebt, zit er meestal niet bij.)

 

Blikken doosjes, kabels en stekkers had ik al snel op een radiomarkt gekocht.

 

Een Pos 200 kost gemiddeld 20 Euro. Maar de JTOS 300 is voor 1 Euro te koop bij Van Dijken! Bij dezelfde firma een MC3356P gekocht. Ook voor 1 Euro.

 Wat is het verschil tussen de POS200 en de JTOS300?

 De POS200 bestrijkt het frequentiegebied van 100 – 200 mHz.

Dus zoals dit in het schema staat vermeld kun je deze VCO goed gebruiken. (van 110 tot 180 mHz.) Deze VCO Is te koop voor 20 Euro.

Die Van Dijken JTOS300 loopt in frequentie van 150 tot 300 mHz. Dus dat komt niet echt overeen.

 afb.3

Ik bedacht de volgende oplossing:

Ik bestelde bij Van Dijken een X-tal van 75 mHz. (2 stuks voor een Euro) Dat X-tal laat ik in de schakeling verdubbelen. Dus i.p.v. 100 mHz. werkt het geheel bij mij op 150 mHz als injectie signaal in de 2e mixer.

Als de 2e middenfrequent 10 mHz blijft, moet de eerste middenfrequent 160 mHz worden. Want 160 min 150 is 10 mHz.

Hoe kom ik nu aan die 150mHz? Na de 75 mHz oscillator heb ik een klasse C trapje geplaatst, die keurig de 2e harmonische van 75 mHz zijnde 150 mHz opwekt. Daarna gaat het signaal weer als beschreven verder het circuit in.

Een beetje ingewikkeld allemaal?.....Eh, ja u hebt gelijk, maar de schema´s geven veel duidelijkheid.


Afb.4

Afb.5.


Aan de ingang van de analyzer is een verzwakker geplaatst. Ik heb hier geen afbeelding van maar schakelingen van stappenverzwakkers zijn op internet voldoende te vinden. Tot 100 mHz gaat het goed met normale weerstandjes, die met zeer korte verbindingen gemonteerd dienen te worden en elke stap is afzonderlijk van de andere afgeschermd.DE ingang en de uitgang mogen elkaar niet zien.


Low pass filter:
afb.6.
Op de afbeelding 6 is het schema en gegevens van het orginele filter te zien. Op de afbeelding 7, het door mij gemodificeerde filter.
afb.7
Ik heb de condensatorwaarden orgineel gehouden. Alleen i.p.v. 8 windingen heb ik 5 windingen genomen. Toen de analyzer voor zover klaar was, kon ik dit filter uittesten, door op de ingang een signaal van mijn MFJ259 antenneanalyser te zetten, die over een groot werkgebied een gelijke output afgeeft. Het filter loopt vlak van 1,8 (lager kan ik niet meten) tot 100 mHz en stijgt bij de laatste frequentie waarna het zeer stijl af valt. Het filter heb ik op 100 mHz op een impedantie van 50 Ohm afgeregeld m.b.v. de antenneanalyzer en een afsluitweerstand van 50 Ohm.

VCO en 1e mixer:

afb.8.
 afb.9

Afbeelding 8 en 9. Aan de hand van het schema en de vrije opbouw, kunt u zien dat de vrije opbouw nauwelijks afwijkt van het schema. Dat is ook het mooie. Alles blijft begrijpelijk. Deze wijze van opbouwen is hoofdfrequent technisch ook beter dan printsporen omdat de verbindingen zeer kort blijven. In de industrie is deze wijze van bouwen niet meer rendabel te maken, maar de amateur die het zelf doet heeft tijd genoeg en zijn product zal aan dezelfde technische specs voldoen of misschien wel beter!
Werking: Via de VCO control wordt er een zaagtandspanning op de VCO gezet. Deze komt van de zaagtandgenerator en is variabel, zodat frequentie en zwaai ingesteld kunnen worden. Het signaal wordt opgewekt door het VCO van het type Jtos 300. De typen Pos en Jtos zijn qua aansluiting bijna identiek. Alleen de pinng is anders, dus pas op!
In het orgineel wordt dit signaal door een monolitic amplifier van het type MAV-11 versterkt. Ik maak gebruik van de Era-5.
De Era -5 is een 1 Euro pdrodukt van Van Dijken.
Verschillen:

Afbeelding 4 is de orginele schakeling en afbeelding 5 geeft de modificaite weer om de analyzer met een J-tos 300 VCO te laten werken.

  MAV-11 Ara-5
Freq.bereik 50 -2000 mHz. 0 -4000 mHz
Versterking bij 100 mHz 12,5 dB 19 dB
max. power +18,5 dBm +16,5 dBm
Max. input +13 dBm +13 dBm
Absolute ratings stroom 80 mA / 550 mW 85 mA / 450 mW

U ziet dat er niet zoveel verschil in deze twee typen zitten en zonder meer uitgewisseld kunnen worden.
Via deze versterker komt het signaal bij een dubbebalans mixer. Orgineel zit daar de TUF-1H. Ik heb er een MCL ASK 1 ingestopt. Die had ik nog in een laatje liggen.
De TUF 1 H is een +17dBm mixer werkende in het gebied van 2 tot 600 mHz.
De MCL ASK-1 is een +7 dBm mixer werkende in het gebied van 1 tot 600 mHz.

Kijk en daar ga ik met mijn spaarzaamheid de mist in!  Ik kom hier op terug!

Na de mixer komt er nog een keer een Era-5 monolitische versterker die het signaal op de outputbus zet.
Ik heb nog een aansluiting over en dat is de ingang, afkomstig van het in afbeelding 7 getoonde LPF-filter


Bandpassfilter:
afb.10
Hierboven het schema van het orginele bandfilter voor 110 mHz. Omdat ik andere frequenties gebruik moet mijn bandfilter werken op een frequentie van 160,7 Mhz. Dus zelf maar een filter gebouwd naar eigen inzicht.

afb.11
Om een flakke doorlaat te krijgen werkt dit filter niet alleen inductief maar heb ik met stukjes verzilverd koperdraad, met op de toppen vlakke stukjes, een zeer kleine capacitieve koppeling tussen de kringen gemaakt. De input en output zitten op de aftakkingen van de kring, net onder de wikkelingen. Het filter heb ik afgeregeld m.b.tv. de Antenneanalyzer MFJ 259. Aan één zijde hing ik een 50 Ohm afsluiting en aan de andere kant het meetinstrument. Alles afgeregeld op een goede SWR. Centrale doorlaat 160,7 mHz.
Let op! Afregelen met het dekseltje er op. Anders verstemmen de kringen weer. Met de door mij gebruikte luchttrimmers is dit een lastig werkje, omdat de trimmers nogal zwaar gaan. Beter waren schroefbare trimmers geweest.


De X-tal mengoscillator
afb.12
Hierboven (afb.12) is de orginele unit weergegeven. Daarin heb ik het 100 mHz x-tal veranderd in eentje van 75 mHz. Na de oscillator heb ik een verdubbeltrapje oopgenomen met enige filtering, zodat aan het einde 150 mHz naar de mixer wordt gevoerd. De mixer wordt gevoed door het 160,7 Mhz signaal en de 150 mHz x-tal oscillator. Op de uitgang bevindt zich dan de 10.7 Mhz midddenfrequentie die met een 2N5109 (zijn mijn lievelingstorren) versterkt wordt en aan de uitgang wordt toegevoerd.
afb.13
Hierboven de door mij gemodificeerde oscillator/mixer. Oscillator is een BF410C, waarvan ik een heel bakje vol heb. Dan gaat het naar een BF410C als verdubbeltrap (zit verstopt onder Ct3). L3 en L4 vormen een inductief gekoppeld filter. Dat signaal (150 mHz) wordt, alvorens in de mixer te belanden, nog door een Era-5 versterkt. Op de andere ingang van de mixer wordt het 160,7 Mhz filter aangesloten.
Ook hier ziet u hoe mooi het schema overeen komt met het opgebouwde systeem.

Zaagtandgenerator:
fig.14

afb.15

In afbeelding 14 het schema van de zaagtandgenerator en daaronder (afb.15) het gebouwde gedeelte, zonder de drie opamps LM358A met alle aansluitingen, die naar het bedieningspaneel lopen. Als de 10K 10 slagen potmeter wordt gebruikt, dan kan men afzien van de 10K fijntuning potmeter.

Het tweede middenfrequentfilter:
afb.16
Dit filter heb ik omschakelbaar gemaakt voor 2 bandbreedtes Als eerste een x-talfilter met een brandbreedte van ong. 15 kHz en het andere filter bestaat uit 4 tokotrafo´s voor 10,7 mHz met een bandbreedte van ongeveer 200 kHz. In het filter is de tweede mixer met 50 ohm impedantie afgesloten met een 3 dB verzwakker.

De middenfrequentversterker. 
afb.17

afb.18
De middenfrequentversterker en demodulator is eigenlijk het hart van de hele spectrumalalyzer. De lineariteit van deze schakeling uit zich op de monitor als lenear gedrag als het aantal dB´s over het hele wergebied gelijk worden aangegeven. 
Moeilijk te brgrijpen? Ik geloof dat best:
afb.19
Als de vertikale kastjes ingesteld staan op stappen van 10 dB, zal bij een verzwakking met 10 dB alle paaltjes één kastje lager staan. Dit moet dat over het hele werkgebied zo zijn. Het IC de MC3356 is daar in belangrijke mate verantwoordelijk voor.
In mijn geval klopt het niet helemaal. In het lage gebied klopt het in het middengebied geeft het te veel aan en in de buurt van het maximum is het weer goed. Dus niet geheel linear. Voordeel van het kastjessysteem. Je kent een nieuwe (betere bouwen en zo uitwisselen zonder verder in het apparaat te moeten spitten.

Samenstellen van de analyzer:
afb.20

Van PA0ES (Bernhard uit Goor) kreeg ik een kast met daarin een weersatelietsysteem, dat inmiddels achterhaald is. "Kun je er wat mee?" vroeg Bernhard. Natuurlijk zei ik  dat ik dat wel kon gebruiken. Voor op de kast zaten vele gaten van afstemknoppen, pluggen en S-meters. Mij bleek dat het formaat van de kast overeen kwam met de op maat gezaagde enkelzijdige printplaten (Eurocard) Alleen de hoeken iets afronden en één plaat bijsnijden en zie daar!
afb.21
De samengestelde analyzer op zijn kop. Bij de verzwakkerschakelaars (2X 10 dB en 2 X 20 dB) wat geknoeid om alles te kunnen plaatsen. Maar uiteindelijk zitten alle knopjes op hun plaats en heeft het kastje een nieuw leven gevonden.
afb.22
De bovenzijde van de analyzer met de navolgende units:

Links: De IF-vertserker
Midden het 100 mHz LPF (Op de foto verkeerde vermelding)
Rechts: VCO 160 - 260 mHz.
Midden onder: De zaagtandgenerator.
Verder twee schakelaars voor resp. Bandwide en videofilter.

De onderzijde met de navolgende units:
afb.23

Links: Het 160 mHz BPF.
Midden: De x-taloscillator voor 150 mHz met mixer.
Rechts: Het tweede bandfilter smal en breed. op 10,7 mHz.
Rechts onder, de BNC rf ingangbus, met direct daarnaast de 0-60 dB verzwakker.
Schakelaartje voor de ingebouwde mark oscillator (aan/uit)
Links daarvan de sterkteregeling van de logaritmische versterker van het 10,7 mHz middenfrequent.
Geheel links de bnc uitgangsbus voor de de "Y". Direct daaronder de BNC uitgang voor de "X"

Tot slot de 5 mHz oscillator met harmonischen, zodat de schaal op de scoop willekeurig gecalibreerd kan worden. 
B.v. per kastje 5 Mhz if per 5 kastjes, dus elk kastje 1 mHz.
afb.24

Tot slot, nadat ik alles na tevredenheid had fegeregeld kon ik uit de ether deze signalen zichtbaar maken:
afb.25
De rechter naald is de tweede harmonische van de 5 mHz oscillator. Dus 10 mHz. de 5 mHz links valt net buiten het beeld. De signaalpaaltjes zijn dus in de buurt van de 6 tot en met 7 mHz. Gemeten met mij antenne van 2 meter.

Ik had het er al over dat in de mixers verkeerde typen zitten. ze kunnen maximaal +7 dBm aan. De mixers die er in horen kunnen +17 dBm aan. 
Dat is ook te merken aan de technische gegevens:
+10 dBm geeft kruismodulatie en er staan overal paaltjes die er niet thuis horen. Dus er vindt oversturing plaats.
0 dBm (1 mW) werkt storingsvrij en geeft betrouwbare meetwaarden.
Ik kan in vermogen teruggaan naar 0,7 mV dit is -50 dBm. Op mijn Yeasu FT-902DE geeft dit, op de analyzer nog net af te lezen signaal, een signaalsterkte van S9+30 dB. 
Om dieper in de ruis te kijken, zou ik de beschikking moeten hebben over een breedbandversterker die +30 dB versterking geeft.
Wil ik sterkere signalen de baas kunnen, zal ik uit moet zien naar in ieder geval 1 mixer die 17 dBm aan kan.
Conclusie: Met de door mij gebruikte mixers is het dynamisch werkgebied van de analyser beperkt.
Dus het verhaal is nog niet ten einde. gelukkig maar....