De technische details van de simpele antenne analyzer
Dit wordt ie dan, de zelfbouw analyzer (klik voor vergroten) (bijgewerkt tot 1 augustus 2010)
Antenne-Analyzer voor de NL, uit de junk-box
Dit ontwerp is ontstaan als idee voor de Dag voor de radioamateur 2010. Wat gaan we dan doen was de vraag van Gerard, PA2G, want hij is nog steeds enthousiast over de workshop van 2009, het samen bouwen van de LC-antenne.Volgens mij, NL-199, moest het iets eenvoudigs, bruikbaar en geschikt voor de luisteramateur worden. Na wat wilde ideeen viel de keuze op een antenne-analyzer, maar dan wel een eenvoudige. Dat is een hele uitdaging om een goed bruikbare en toch eenvoudige analyzer te bouwen. Het is in ieder geval een nuttig instrument voor de luisteramateur, zeker als je zelf je antennes bouwt. Zo begonnen de experimenten voor mijn project met de naam AA99 .
Waar kun je een antenne analyzer voor gebruiken?
Met een antenne alayzer kun je je antenne afregelen, zonder dat je extra meetapparatuur of een zender nodig hebt. Dit is je kans, ga dan de uitdaging aan om er zelf een te bouwen. Het is geen moeilijk of kostbaar bouwsel. Verder geven we hulp bij het werkend maken van de analyzer als je hem niet aan de gang mocht krijgen. Daarvoor organiseren we hulp en een workshop tijdens de dag voor de radioamateur 2010 en mogelijk andere gelegenheden waar de NL-Commissie present is. (informeer hier naar)
Het idee was geboren en een rondje surfen op internet leverde een tiental ontwerpen op, waarvan de meest al snel af vielen omdat ze te complex waren. Een ontwerp met microprocessor en LCD-display is natuurlijk prachtig, maar valt niet in de categorie eenvoudig. Het moet in een paar uurtjes te bouwen zijn door een onervaren zelfbouwer, mag niet meer dan een tientje kosten en moet goed bruikbaar zijn. Aan de slag dus met het bouwen van de gevonden ontwerpen. Na een paar avonden had ik er drie gebouwd. Ze werken allemaal, maar waren toch niet wat ik er van verwachtte. De tafel lag vol leuke knutsels,
Analyzer met 4046 IC als oscillator en LED als indicator (klik voor vergroten)
Dus maar weer verder op zoek. Een middag in de zon met m’n nieuwe boek
“Technical Topics 50 years” en ik had m’n eigenwijze ontwerp op papier staan. Een Franklin oscillator verbeterd door LA8AK, een buffer versterker en de bekende Wien-brug met een VU-metertje als detector.
De volgende stap was het prototype bouwen, altijd weer spannend, maar wel leuk als het ook nog blijkt te werken. Goed dat ik veel bewaar en een goed gevulde junk-box heb zodat ik niet hoef te zoeken naar de onderdeeltjes. Op de foto’s is te zien hoe een idee groeit tot werkelijkheid. Een stukje printplaat met onderdeeltjes die steunen op elkaar en zo in teamwork een luchtkasteel bouwen dat een antenne–analyzer moet voorstellen.
Als het een apparaat voor eigen gebruik is, dan zou het nu klaar zijn. Voor een project dat na te bouwen moet zijn is dit niet in een keer de definitieve schakeling. Eerst worden er een paar verbeteringen aan toe gevoegd zodat de bruikbaarheid goed is, waarna er weer wat onderdelen af gaan zodat er een minimale schakeling over blijft die goed werkt en na te bouwen is.
Dan volgt wat ze op het QRL industrialiseren noemen, het geschikt maken voor serieproductie. De keuze en opstelling van onderdelen wordt nog eens kritisch bekeken en er moet een printje onder komen. Het volgende prototype wordt als oppervlakte montage op een gekrast printje gebouwd. Het printje is een stuk blanke printplaat waar met een hobbymes gleuven in gekrast worden zodat geďsoleerde eilanden ontstaan.
En ja hoor, het werkt, maar nog niet helemaal naar wens. Is er door de print toch teveel capaciteit in de schakeling geslopen waar die niet thuis hoort en het koppelpunt van de driver was verkeerd gekozen. Deze keer kon ik niet hoger dan 21 MHz komen en was het uitgangssignaal te zwak. Met het hobbymes en de soldeerbout is dat snel opgelost, nu weet ik ook waar de schakeling kritisch is. De volgende stap is een schoonheidsbehandeling. Er worden gaatjes geboord en een mooi printje gekrast.
Prototype 3 wordt gebouwd, met succes. Het wordt tijd om er een mooi kastje omheen te bouwen. Ook dat is gemaakt van afval materiaal, een stukje blik, aluminium of weer printplaat. Ik werk het liefst met twee U vormen die in elkaar passen. In de U met open zijkanten wordt de schakeling met knoppen en alles vastgezet, de ander U klikt er overheen als achterkant. Dan kunnen er foto’s gemaakt worden en volgt de beschrijving. Inmiddels zijn we drie weken verder, want bij mij gaat niet elke avond de soldeerbout aan. Als het ontwerp eenmaal op papier staat bouw je deze analyzer in een uur, waarna je hem nog moet inbouwen in een kastje en ijken. Dat kastje is voor mij nog het meeste werk, maar dat hangt sterk af van hoe handig je daar in bent.
Wie nu enthousiast is begint nu meteen met het bij elkaar zoeken van de onderdeeltjes en het bouwen van deze analyzer en wacht niet tot de Dag oor de radioamateur, DvA, in november. De meeste onderdeeltjes kun je uit een gesloopt radiootje of cassette recorder halen, maar ze zijn natuurlijk ook gewoon te koop bij de bekende elektronicazaken. Bijvoorbeeld bij:
Van Dijken elektronica
Kent electronics
Barend Hendriksen
Haje Electronics
Let op waar je de variabele condensator en VU-meter vandaan haalt, daar zijn grote prijsverschillen in, het beste haal je hem bij een bevriend amateur, voor onder de Euro moet je wel iets bruikbaars vinden, nieuw gaat het enkele Euro's kosten. Wie nog niet eerder een elektronica bouwproject gemaakt heeft kan gerust aan deze analyzer beginnen. Mocht het niet werken, dan helpen we je op de DvA 2010 door hem daar werkend te maken.
Een antenne analyzer, wat doet die?
Wat mag je verwachten van deze simpele antenne analyzer? Nou, best veel in verhouding tot zijn eenvoud en prijs. Met dit apparaatje kun je de impedantie van je antenne controleren, zonder dat je een zender of andere meetapparatuur nodig hebt. Het is belangrijk dat de impedantie van je antenne overeenkomt met die van je ontvanger-ingang, meestal 50 Ohm. Als dat goed is aangepast belanden de zwakke antenne signaaltjes optimaal in je ontvanger, dat kan wel een of 2 S-punten verschillen. Bij een afwijkende impedantie gaat er signaal verloren of moet je je antenne met een “tuner” aanpassen. De analyzer kun je ook gebruiken bij het afstellen van een antenne-tuner. Met een analyzer gaat dat veel nauwkeuriger dan op het gehoor. Er zijn ook nog wel enkele andere toepassingen van een analyzer, zo is hij te gebruiken als signaalgenerator en dipmeter. Al met al een onmisbaar apparaatje voor wie het maximale uit zijn antenne wil halen. De beschreven analyzer is in een handig klein formaat kastje te bouwen en batterij gevoed. Zo kun je je antenne buiten direct bij de aansluiting afregelen. Bij experimenten met antennes tijdens je vakantie of op een plaats waar meer ruimte is, is de draagbare analyzer onmisbaar. Je hebt dan meestal geen ontvanger bij de hand en wil toch te kwaliteit van je antenne weten.
In gebruik is een analyzer doodsimpel. De antenne schroef je aan de analyzer en je stemt hem af op de frequentie die je wil controleren. Op het metertje kun je ongeveer de impedantie aflezen. Als de antenne 50 Ohm is wijst de meter precies nul aan. Dat is ook de waarde die we meestal het nauwkeurigst willen meten. Bij een antenne impedantie van 100 of 25 ohm is de meter uitslag bij mij halverwege. Bij een veel hogere of lagere impedantie slaat de meter volledig uit. Je zoekt dus een minimum in de uitslag, een dip, als indicatie voor een goede antenne aanpassing. De afstemschaal geeft aan op welke frequentie dat is. Die schaalverdeling is niet heel nauwkeurig, wil je het precies weten dan luister je op je ontvanger waar je de sterke draaggolf uit de analyzer te horen is. Mijn analyzer heb ik duidelijk gemerkt op de DX-frequenties in de amateurbanden.
In luxere modellen is een frequentie meter erbij in gebouwd, misschien iets voor een latere uitbreiding? Wil je een impedantie anders dan 50 Ohm meten, dan kun je beginnen door die van de antenne te vergelijken met vaste weerstanden die je er als kunstantenne op aansluit. Nog mooier is het als je de 47 Ohm weerstand van de brugschakeling variabel maakt. Zo blijf je aan het verbeteren en experimenteren.
Bij het maken van een antenne moet je vaak de lengte passend maken, afhankelijk van de omgevingsinvoeden. Hij is zelden precies op de juiste lengte, zodat de resonatiefrequentie van een antenne te hoog of te laag is. Dat zie je dan direct op de afstemschaal van je analyzer. Bij een te lage resonantie frequentie moet je je antenne korter maken en bij hogere frequentie juist langer. Is de dip niet helemaal naar nul dan is de antenne niet precies 50 ohm. Dat kun je verbeteren met een antenne tuner in de shack bij de antenne.
De werking van de antenne analyzer is te vergelijken met een zwakke zender met ingebouwde SWR meter. In werkelijkheid is het een meet-generator, een versterker, een impedantie meet brug en een detector. De meetbrug is afgesteld om 50 Ohm te meten. De generator bestrijkt het gebied van 3 tot 30 MHz, maar is ook hoger en lager uit te breiden. De versterker levert een paar milliwatt. De voeding is een 9 Volt batterij en de detector is een diode en een VU-metertje. Er is natuurlijk nog heel veel te verbeteren en toe te voegen aan dit simpele apparaatje, maar dan verliest het wel zijn eenvoud. Wie een ander zelfbouw ontwerp zoekt met veel meer functionaliteit moet een kijken naar
de ATAN-3 .
Die kost wel een paar tientjes meer, maar heeft wel een LCD display en frequentie meter er bij ingebouwd. Kijk eens bij Haje voor een bouwpakket
Aan de slag met de soldeerbout
Wil jij ook deze simpele antenne analyzer voor luisteramateurs gaan bouwen dan begin je met het verzamelen van de onderdeeltjes. De kostbaarste en lastig te vinden onderdelen zijn de afstemcondensator, meestal varco genoemd, en een leuk klein metertje. Juist die onderdelen vind je bij veel radioamateurs in de rommeldoos. Een geschikte varco zit in een oude middengolf-transistor radio en een VU metertje vind je in een cassette recorder of oude stereoset. Dat wordt dus naar een radio-vlooienmarkt, recycelen bij de kringloopwinkel of zoeken in de rommeldoos. De benodigde onderdelen zijn natuurlijk ook te koop bij de bekende elektronica zaken, vooral degene die ook restpartijen verkopen.
Het printje moet je zelf maken, etsen is niet nodig en je kunt de analyzer zelfs bouwen zonder het boren van die kleine gaatjes.
De gebruikte transistor en fets zijn niet erg kritisch, er is een ruime keuze aan vervangers. Op tekening staat de J310 getekend, maar ook de BF256 en BF245 doen het hier goed. Als transistor staat de 2N2222 genoemd, maar ook de BC547c werkt perfect. De weerstanden en condensatoren mogen best 10 % afwijken. De variable condensator mag een type zijn met maximum capaciteit tussen de 200 en 500 pf. Let wel op dat die kleine witte varco’s uit een transistor radio op de achterkant kleine instelbare trimmertjes hebben. Zet die op minimale capaciteit anders haal je de 30 MHz niet. Het ringkernspoeltje dat de versterker met de brug verbindt moet je zelf maken, de gebruikte ringkern is niet kritisch. Met verschillende ringetjes heb ik geexperimenteerd, die van 8 a 12 mm diameter met materiaal dat geschikt is voor de kortegolf werken allemaal, bijvoorbeeld FT37-34. Het kastje vraagt wat handigheid. De voorkeur gaat uit naar een metalen kast, bij Van Dijken hebben ze leuke metalen doosjes hiervoor.
Heb je de onderdelen bij elkaar dan begin je met het maken van het printje. Hiervoor zaag je een stuk printplaat af dat aan een zijde koper heeft. Teken hierop de weg te krassen lijnen. Met een scherp breekmes of ander hobby met maak je langs elke lijn twee scherpe diepe krassen, ongeveer een millimeter uit elkaar.
Ik gebruik hiervoor een metalen strip of stukje print als geleiding. Het koper tussen de twee krassen is er eenvoudig af te trekken of je kunt het met het mes wegsnijden. Zo ontstaat een eenvoudig printje met hoekige geďsoleerde eilanden. De schakeling is te bouwen op een print met of zonder gaatjes. Met gaatjes is netter, maar kost iets meer moeite. Wil je gaan boren dan teken je de gaatjes af met een stift. Het werkt handig als je op de plaats waar je wilt gaan boren eerst een putje in het koper drukt met een priem of andere scherpe punt. Dan loopt het boortje niet weg van zijn plaats bij het boren. De gaatjes boor je ongeveer 1 mm groot. Ik heb bewust niet voor een IC gekozen, dan hoef je niet zoveel gaatjes netjes in een rij te boren, is de print eenvoudig en komt het boren niet zo nauwkeurig. Boor in geval van twijfel liever een gaatje teveel, achteraf een gaatje erbij boren is lastig.
Mijn advies is om eerst de schakeling op de print te bouwen en te testen en dan pas de boel passend in een kastje te maken. Als de boel in een kastje zit wordt het lastig storing zoeken of iets te wijzigen. Bouw je op een print zonder gaatjes, soldeer dan eerst de transistor en fets op zijn plaats en let hierbij goed op waar de pootjes op de print horen. Ik knip de pootjes tot 10 mm kort en buig dan nog 5 mm om, zo zijn ze goed vast te solderen. Soldeer dan de weerstanden en condensatoren op zijn plaats, ook weer met korte pootjes. Dan de diode, let hierbij ook weer op de ring en buig zijn pootjes voorzichtig, een diode is van glas en breekbaar. Tot slot de ringkernspoel met aftakking. Zorg dat de draden van dit spoeltje vooraf vertind zijn over zeker 5 mm, voordat je het vast soldeert.
Het metertje sluit je aan met twee soepele draadjes van 5 cm lang. De antenne plug sluit je aan met een paar korte draadjes. De draden naar de variabele condensator moet je kort houden. Let op dat een van de aansluitlippen verbonden is met de knop en bevestigingsschroefjes. Die lip verbind je met de min op het printje. De schakelaar voor de keuze van spoeltje moet ook met korte draden worden aangesloten. Bij mij zitten de spoeltjes met een kant aan de plus op de print gesoldeerd, de andere kant zit direct op de schakelaar gesoldeerd. De midden poot van de schakelaar gaat naar het punt op de print waar ook de varco vast zit. Zo blijven de draden kort.
De opstelling van de onderdelen op de layout is getekend voor wie de analyzer bouwt geboorde gaatjes. Wil je de onderdelen direct op de koper eilanden solderen dan moet er even een spiegeltje bij pakken en vooral weer opletten hoe je de transistor en fets monteert.
In werking stellen en controleren
Het is handig als je een universeel meter of voltmeter bij de hand hebt. Zoiets kan een knutselaar niet missen, het hoeft geen kostbaar instrument te zijn. Verder gebruiken we de ontvanger om de analyzer te controleren. Verbindt de analyzer nooit direct met je ontvanger,er kan wel enkele milliwatten uit komen! Sluit je analyzer ook niet op een antenne aan als er in de directe nabijheid een amateur aan het zenden is. Dan slaat de meter al uit terwijl de analyzer nog uit staat. Probeer ook geen actieve antenne of antenne met versterker door te meten. Het kan ook gebeuren dan bij een lange antenne de meter s’avonds al uit slaat terwijl de analyzer uit staat. Dan zijn de signalen van de omroepstations te sterk om goed te kunnen meten.
Meet eerst de batterijspanning, die zal tussen de 8,5 en 11 vol zijn. Bij aansluiten en inschakelen mag de spanning niet beneden de 7 volt zakken, dan is of de batterij vrijwel leeg of er is sluiting in je schakeling. Normaal gebruikt de analyzer ongeveer 25 mA. Over de 270 Ohm weerstand staat ongeveer 1 tot 1,5 volt. Over de 2,2 kOhm weerstand staat bijna 3 volt. Over de 100 Ohm weerstand in de emitter van de transistor staat ongeveer 2 volt. Zet de schakelaar naar de spoel van 10 uH en draai de varco helemaal rechtsom. Nu staat de analyzer op zijn laagste frequentie en produceert hij het meeste signaal. Zet je ontvanger op een stille frequentie in de 7 MHz band. Steek een stuk draad in de antenne ingang van de analyzer en leg dat in de buurt van de ontvanger. Terwijl je de analyzer afstemt blijft de meter in de hoek. Bij een bepaalde afstemming zul je de analyzer op de ontvanger horen, waarschijnlijk zelfs op twee punten . Dan staat de analyzer op 3,5 MHz of op 7 MHz. Het linkse punt op de afstemming is waarschijnlijk het sterkte en de aanwijzing correct. Zo kun je de schaalverdeling ijken op de belangrijkste frequenties. Voor amateurs zijn het begin en het einde van de amateurbanden het belangrijkst. Die moet je zeker op de schaalverdeling aangeven. Het is handig als je een paar extra weerstanden hebt van 27, 47 en 100 Ohm. Sluit je de 47 Ohm weerstand op de antenne connector aan dan moet de meter terugvallen naar nul, ongeacht welke frequentie je afstemt. Met de andere weerstanden moet de meter aanwijzing wel terug lopen, maar dat zal dan wel frequentie afhankelijk zijn.
Wat kan er fout gaan?
Natuurlijk kan er bij het bouwen wel eens wat mis gaan. De meest gemaakte fout is verwisselen van de pootjes van een fet of transistor. Controleer dit goed, gelukkig gaat er meestal niets kapot. Let ook op dat de volgorde van het ene of andere type fet verschilt, bij een J310 is de volgorde anders dan bij een BF245. Dan wil er nog wel eens een sluiting tussen de print eilanden zitten of is er een weerstand verwisseld. Dat kun je eenvoudig meten met een ohmmeter. De condensatoren van 22pF en 2,2 nF nabij de fets staan wijdbeens over een spoor heen gemonteerd, bij een geboorde print merk je dat niet, maar bij oppervlakte montage is het even opletten. Vervolgens kun je de spanningen op een aantal punten controleren. Een lastig probleem heb je als de analyzer werkt maar bij geheel linksom of rechtsom draaien de meter niets meer aanwijst. Dan is de oscillator afgeslagen. Linksom afslaan gebeurt als de spoel kwaliteit slecht is en te lange draden gebruikt worden. Je ziet dan de meter uitslag teruglopen terwijl je linksom draait. De oplossing is een kleine luchtspoel gebruiken en de bedradingscapaciteit tot een minimum beperken. Bij rechtsom afslaan, op een lage frequentie dus, dan is de terugkoppeling in de oscillator niet goed. De printsporen waar de 22pF condensator aan vast zit hebben misschien teveel capaciteit naar andere eilanden. Maar de weggekraste spleten niet te smal, zonodig maak je de 22pF condensator iets groter.
Krijg je geen meteruitslag, maar hoor je de oscillator wel op je ontvanger, dan zit het probleem in de onderdelen tussen de transistor en de antenneplug. Is het stroomverbruik minder dan 15 mA dan is de transistor of ringkernspoel verdacht.
Als je meter bij 47 Ohm aan de antenne aansluiting netjes tot nul terug valt, maar bij 100 Ohm nog in de hoek staat dan heb je een erg gevoelige meter. Dat is op te lossen door een grotere weerstand in serie met de meter te zetten, bijvoorbeeld 2,2 kOhm in plaats van de 1 kOhm weerstand.
Als het goed gaat
Ja, dan heb je een leuk meetinstrument zelf gemaakt voor weinig geld. Als knutselaar ga je vast en zeker aan de slag om de analyzer te verbeteren, dat ga ik ook doen. Als contester of DX’ers ga je er mee aan de slag om je antenne te controleren en verbeteren. Jullie ervaringen en de feedback over deze simpele antenne analyzer horen we graag en ik houd jullie op de hoogt via www.swl.dse.nl . Daar zet ik ook nog wat extra foto’s op. Aan de slag dus met de soldeerbout.
Veel knutselplezier, Thieu NL-199.