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Antennen-Analyzer

In diesem Beitrag wird ein Antennen-Analyzer (eigentlich ein Vektor Impedanz Analyzer) zum Selbstbau vorgestellt, den mir ein slovenischer Funkamateur auf der letzten Ham Radio 2016 in Friedrichshafen vorgeführt hatte. Der Analyzer wurde von amerikanischen OMs entwickelt und kann über die Homepage von K5BCQ (The AQRP 8 KHz to 150 MHz Vector Impedance Analyzer kit #25) günstig als Bausatz in verschiedenen Variannten erworben werden.

Die wesentlichen Kenndaten des Antennen-Analyzers, der nun in der Software-Version 2 vorliegt, sind der Arbeitsbereich von 8 kHz bis 150 MHz. Eine grafische Ausgabe der Ergebnisse in verschiedenen Plotts, VSWR, Smith-Diagramm, Reflexion, Z und weitere, sowie die Möglichkeit die ermittelten Daten, 500 gespeicherte Messpunkte, an einen PC zu senden und dort die Messungen weiter nach eigenen Erfordernissen auszuwerten.

Ein umfagreiches englisches Handbuch, im PDF-Format, sowie weitere downloadbare Unterlagen zum Aufbau und ggf. zur Fehlersuche, runden den Bausatz ab.

 

 

Analyzer Bausatz  

 

Im Bausatz sind alle erforderlichen Teile vorhanden und in einzelnen kleinen Tüten vorsortiert. Auf der Homepage zum Bausatz werden eine Reihe von Links angeführt, die den Aufbau gut unterstützen. 

STM32 Discovery Board  

 

Zusätzlich zum Bausatz wird noch ein sogenanntes STM32F407 Discovery Board von ST benötigt, auf das die im Bausatz enthaltene Platine später aufgesteckt wird.

     
TFT-Display  

 

Ein Farb-LCD mit Touchscreen und einer Auflösung von 320 x 240 Pixel (TFT_320QVT) ist ebenfalls im Satz enthalten.

     
TFT-Blende  

 

Zum Display wird auch noch eine passende Blende geliefert.

     
5 V Spannungsregler   Zur Spannungsversorgung des Analyzers ist im Bausatz ein 5 V Spannungsregler enthalten, der die Versorgungsspanung, Batterie oder externe Spannung an die Schaltung anpasst.
     
Batteriebox  

 

Zur internen Spannungsversorgung liegen dem Teilesatz noch zwei Batterieboxen für jeweils drei Typ AA-Batterien/ oder Akkus bei.

     
Platine Vorderseite  

 

 

Die noch unbetsückte Platinenvorderseite ...

     
Platine Rückseite  

 

 

... und deren Rückseite.

     
STM32 Discovery Board  

Das STM32F407 Discovery Board bei seiner ersten Inbetriebnahme. Die Firmware wird über die linke Mini-USB-Buchse geladen.

 

Zuvor muss noch ein USB-Trieber (ST-LINK_V2_USB driver) geladen werden, welcher auf der Homepage von STMicroelectronics erhältlich ist. Zum Laden der Firmware wird zusätzlich noch die STM32 ST-LINK Utility Software (STSW-LINK004) benötigt, welches ebenfalls bei ST heruntergeladen werden kann.

 

STM32 ST-LINK Utility  

 

Zum Laden der Firmware wird das Hex-File (VIA_2.03_rom.hex) geöffnet. und anschließend in das STM32F407 Discovery Board geladen.

     
Flashen der Firmware  

 

Hierzu wird unter Target das Menü "Program & Verify..." aufgerufen und mit Start ausgeführt.

 

Betstückte Platine   Die Bestückung der Platine ist bis auf drei SMDs nicht besonders anspruchsvoll. Der CODEC-Baustein, in QFN-Ausführung, stellt aber die größte Herausforderung dar, durch den geringen Pinabstand der 32 Anschlüsse und der nur schwer zu erreichenden seitlichen Anschlusspins. Die beiden weiteren SMDs, der Oszillator und der Quartz, lassen sich dagegen noch relativ leicht verlöten.
     
Bestückte Platine  

 

Auf Wunsch können diese Teile aber auch vorbestückt bei K5BCQ bestellt werden.

     
U1 QNF  

 

 

Links U1, das QNF-SMD, die reichlich bemessenen Pads erleichtern das Einlöten erheblich.

 

Zum Einlöten des QFN-SMDs wurde zuerst wieder ein Pad mit etwas Lötzinn versehen und dann der exakt ausgerichtete Baustein mit diesem verlötet. Vor der weiteren Lötarbeit sollte nochmal die richtige Position der Pins auf den Pad mit einer guten Lupe, oder besser noch mit einem Mikroskop, etwa 20-fache Vergrößerung, überprüft werden. Danach kann man mit dem Verlöten, unter reichlicher Zugabe von Flussmittel und nicht zu wenig Lot, auf der gegeüber liegenden Seite beginnen. Dazu wird der Lötkolben, mit Bleistiftspitze, mit der Breitseite quer über die Pads geführt, um genügend Hitze an die Pins und Pads zu bekommen, so dass das Lot auch die seitlichen Pins benetzt. Sollte zuviel Lot einzelne Pins kurzschließen, kann dies später unter Zugabe von weiterem Flussmittel mit der sauberen Lötspitze abgezogen werden.

 

Andreas beim Löten  

 

Im Folgenden ein paar Eindrücke unserer Projektarbeit.

Andreas bestückt hier gerade die Platine mit SMDs ...

     
Die Platine wird bestückt  

 

... der QNF-Chip brauchte besondere Sorgfalt beim Einlöten.

     
Klaus beim Justieren  

 

 

 

Klaus justiert gerade ein SMD zur Verlötung.

     
Andreas überprüft die Kontaktierungen  

 

 

Nach dem Einlöten ist ein Kontrolle der Lötstellen unabdingbar, um Kurzschlüsse oder schlecht gelötete Kontakte zu vermeiden.

 

Die Drehgeber  

Die Drehgeber sind hier schon vorläufig fertig verkabelt und brauchen nur noch mit den entsprechenden Anschlüssen des Boards verbunden werden.

     
Analyzer in Betrieb  

 

Die ersten Lebenszeichen zeigt der Analyzer nach dem Zusammenbau der einzelnen Komponenten, nachdem die Firmware auf das Discovery Board geladen war.

 

Das Gehäuse  

 

 

Das vorgesehene Gehäuse für den Analyzer von Fischer.

     
Bearbeitung des Gehäuses  

 

Hier wird der Ausschnitt für das TFT gefräst. Es wird später bündig mit der Oberfläche des Gehäuses verschraubt.

     
Blende  

 

Die Blende deckt dabei die Fuge zwichen TFT und Gehäuse ab.

     
Abstandshalter  

 

Damit die Platine mit dem TFT stabil verbunden ist, muss Aufgrund der nicht fluchtenden Bohrungen ein kleines Klötzchen links und rechts dazwischen geschraubt werden. 

     
Eingebaute Platinen  

 

 

So sieht das Ganze dann im eingebauten Zustand aus.

     
Drehgeber  

 

 

Die Kontakte der beiden Drehgeber werden wie links gezeigt abgewinkelt, damit später genügend Platz für die beiden Batterieboxen ist.

     
Drehgeberverkablung  

So wird die Anschlussbelegung verdrahtet. Von oben, rotes Kabel Pin 1 bis Pin 4.

Später hat sich gezeigt, dass die beiden mittleren Anschlussdrähte über Kreuz getauscht werden müssen.

     
Gehäusedeckel links  

 

 

Der Deckel links mit BNC-Buchse und Ausschnitt für die Mini-USB-Buchse. (Upload)

     
Fertiger Analyzer  

 

Der fertige Antennen-Analyzer. Es feht nur noch die Beschriftung und ...

     
Gehäuse von rechts  

 

 

 

... ein Anschluss für den Daten-Export. (s.u.)

 

Aber mit dem Daten-Export gibt es noch Probleme. Laut Beschreibung soll er über die Micro-USB-Schnittstelle durchgeführt werden können. Dazu ist eine virtuelle Schnittstelle auf dem PC erforderlich und ein Terminalprogramm, mit dem dann die Daten empfangen werden können.

Leider ist bisher, obwohl die Schnittstelle korrekt installiert wurde, der Versuch Daten zu übertragen gescheitert. Dabei hatte sich eine Pin-Diode des Discovery Boards in Rauch aufgelöst. Die Ursache ist noch nicht gelöst.

Ein weiteres Problem ergibt sich mit der externen Spannungsversorgung des Boards. Solange die USB-Mini-Buchse am PC zur Stromversorgung angeschlossen ist, startet das Programm wie erwartet. Wird es jedoch extern mit Spannung versorgt, oder über ein 5 V Steckernetzteil, startet das Programm nicht. Es scheint so, als ob das ST-Link-Modul, welches auf dem Discovery Board integriert ist, auf eine Initialisierung wartet, bevor das Programm gestartet wird.

Ansonsten fünktioniert der Analyzer wie erwartet und ist jetzt schon ein nicht mehr wegzudenkendes tolles Hilfsmittel.

 

Inzwischen hat sich eine Lösung für das Problem mit der externen Spannungsversorgung gefunden. Die Ursache lag an dem auf dem Discovery Board installierten Treiber, der durch einen aktuelleren Treiber (V2.J25.M15) ersetzt werden musste.

Im Folgenden wird die Installation des erforderlichen Treibers von ST gezeigt.

 

ST-LinkUpgrade der Firmware  

Nachdem das Bord über die Mini-USB-Buchse mit dem PC verbunden ist, wird die Software "ST-LinkUpgrade.exe" gestartet und sollte die FW-Version nach dem Device-Connect anzeigen.

     
Treiber-Installation  

Ggf. muss noch ein Treiber (STMicroelectronics STLink dongle) installiert werden, der sich im Unterverzeichnis der ST Utility in der Datei "ST-Link_USB_V2_Driver" befindet. Während dem Einrichten des Treibers zeigt sich das Bild wie links.

     
FW wird installiert   Jetzt sollte sich spätestens das Board über die Upgrade-Software ansprechen lassen und die vorhandene FW-Version preisgeben. Durch Klick auf die Yes-Taste startet dann der Upgradevorgang, der nach wenigen Sekunden beendet wird.
     
Upgrade erfolgreich  

 

Ist Alles korrekt verlaufen, wird dies durch das linke Fenster bestätigt.

 

Jetzt muss auch die externe Spannungsversorgung funktionieren.

 

Nach dem obigen Upgrade ist es nun auch möglich, die Daten über die Micro-USB-Buchse mit Hilfe eines Terminalprogamms herunter zu laden. Vom Entwickler wird für Windows das Programm teraterm-4.91.exe empfohlen.

 

Analyzer Daten  

 

 

So sehen die heruntergeladenen Daten aus, die jetzt weiterverarbeitet werden können.

 

Rechter Gehäusedeckel   Der rechte Gehäusedeckel ist nun noch mit einer Einbaubuchse (Mini-USB) ergänzt. Sie wird mit einem gekürzten Mikro-USB-Kabel verlötet. (Download)
     
Mikro-USB-Kabel  

 

Der rechts abgewinkelte Anschluss wird mit dem STM32-Board verbunden und in einer kleinen Schleife, unter den Boards, zum rechten Deckel geführt, so dass sich der Deckel noch gut schließen bzw. öffnen lässt, wie im nächsten Bild ersichtlich.

     
Einblick auf rechter Seite   Die beiden Batteriefächer passen genau unter die Drehgeben zwischen dem Board mit USB-Stecker und dem Gehäusedeckel. Der Schalter des unteren Batteriefachs wird so weit gekürzt, bis er plan mit der Oberfläche des Faches ist.
     
Analyzer Ansicht  

Nun ist das Gehäuse fertiggestellt. Auf der linken Seite die BNC-Buchse und die Mini-USB-Buchse zur Firmware-Aktualisierung. Die Schutzfolie ist noch nicht vom Display entfert.

     
Analyzer Ansicht   Auf der rechten Seite des Gehäuses ist neben der Buchse zur externen Spannungsversorgung eine weitere USB-Buchse integriert. Sie dient zum Download der Messwerte.
     

 

Als Messobjekt wurde eine verkürzte 5-Band-Kelemen-Antenne verwendet, welche im Bereich von 3 bis 30 MHz ausgemessen wurde.

In den folgenden Bilder sind die verschiedenen möglichen Messergebnisse als Diagramm dargestellt. Zur genauen Ermittlung der einzelnen Werte lässt sich ein Cursor auf den gewünschten Bereich im Diagramm einstellen, um dort den aktuellen Wert abzulesen.

 

Impedanz-Messung  

 

Die Daten werden als Komplexe Werte ausgegeben. Bei der Impedanz wird die reale Komponente als weiße und der imaginäre Teil als grüne Kurve dargestellt.

     
Admittanz-Messung  

 

Bei der Anzeige der Admittanz werden ebenfalls die beiden Komponenten wie zuvor dargestellt.

     
Reflektions Koeffizienten Messung  

 

Links sind der Reflektions Koeffizient und der Phasenwinkel abgebildet.

     
Return Loos Messung  

 

Der Faktor "Return Loos" wird in einer logaritmischen Skala ausgegeben.

     
VSWR-Messung  

 

Ebenso wird auch bei der Ausgabe des VSWRs vorgegangen.

     
Smith-Diagramm  

 

Im Smith-Diagramm kann wie bei den Anderen mit dem Cursor jeder gemessene Wert der Kurve angezeigt werden.

 

 

 

pdf   Analyzer_Gehaeuse_1.pdf
pdf   Analyzer_Gehaeuse_2.pdf
     
     
     
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