Analizador escalar de redes RF

Este proyecto lo tuve en mente desde hace no menos de 4 años!, finalmente empecé a concretarlo; y ya está funcionando ok!.

Es un analizador escalar de redes de RF, o SNA (scalar network analyzer), hoy se conoce más el hermano mayor, VNA (Vector Network Analyzer), el que ademas de medir magnitud, mide fase de RF, es decir... podremos calcular la parte reactiva de la señal de RF.

La idea vino a mi mente cuando se me ocurrió medir un filtro de FI que estaba haciendo para uno de mis equipos caseros; el primer superheterodino, una version multibanda del Bitx40, optimizado por Andy G6LBQ.

Mi diseño original fue algo asi:

El circuito funciona; pero no se obtienen los resultados ideales porque en la punta de RF tenemos un detector de RF con un diodo; al momento de querer graficar la respuesta del filtro realicé muchas mediciones en diferentes frecuencias y luego ingresando en una tabla la frecuencia y el resultado leído desde el voltímetro pude graficar la respuesta del filtro.
Al transmitir con el equipo de radio,  con poca potencia, en realidad la minima como para poder leer la respuesta con el tester, calculo que fue entre 100mW y 500mW; para que el equipo vea siempre una impedancia favorable es que usé la carga fantasma como resistencia de terminación, y un trafo de adaptación de impedancia para el filtro que tiene entre 150 y 200OHms de impedancia de entrada y salida.
Luego con el multimetro en posición de tensión de contínua (VDC) podemos ver cuantos mV tenemos despues de pasar por el filtro. Por ejemplo, transmitimos en 10MHz, anotamos la lectura en mV, cambiamos a 10.1MHz, medimos; luego transmitimos en 10.2MHz y asi vamos tomando lecturas cada 50 o 100KHz.


Es algo engorroso tomar todas las mediciones que realmente harían falta para poder tener una buena idea de la respuesta; es por eso que se me ocurrió usar el mismo DDS con el que estaba haciendo el VFO de mi equipo... y así nació la idea del SNA casero.

Ahora podría configurar desde un Arduino la frecuencia y así no tener que usar mi equipo!. La primer mejora ya estaba en camino; la otra gran mejora fue cuando me enteré que no era el primero con esta idea; asi que encontré dos proyectos muy interesantes en internet:

• RF Wobbulator (el concepto original)
• PHSNA (Poor Ham Scalar Network Analyzer)

Ambos proyectos usan microcontroladores para manejar un DDS y usan algo mejor que un diodo detector de germanio; usando un medidor de potencia de RF logarítmico AD8307. Finalmente el proyecto tiene mucha mejor forma, incluso mejor que algunos SNA comerciales de los años 80.

Ahora con este esquema, el Arduino podría no tener el Display, ya que se puede controlar completamente como hace el proyecto de PHSNA, de hecho abandoné mi desarrollo para modificar el de ellos, creo que fue mucho mas productivo!.

El detector de RF es el módulo AD8307; que le compré a SV1AFN; su web tiene muchos productos interesantes!
Esté circuito integrado funciona con una serie del amplificadores logarítmicos para poder entregar una respuesta lineal en voltaje DC proporcional (lineal); sin un buffer, puede entregar 25mV por dB.; si la señal leída es de 150mV, entonces sabremos que la señal es de 6dB.


DUT es el dispositivo a probar (Device Under Test); normalmente puede ser un cristal, un filtro LC, un tanque sintonizado, etc! y acá se pone interesante si usamos un RLB (Return Loss Bridge) para medir la potencia reflejada a su salida; podemos calcular la parte reactiva pero sin signo; aunque usando un AD8302 se podría... me enteré tarde.
Poniendo un RLB tenemos un analizador de antenas, que por supuesto podemos usarlo para medir la impedancia de entrada de algún otro dispositivo.

Para usarlo con el analizador de antenas, además del display le sumé un encoder rotativo, como cualquier VFO con un DDS. Otro elemento interesante de tener en el panel del equipo es un instrumento analógico que nos permita leer directamente la salida del detector logarítmico de RF. Podemos medir los dB directamente con el instrumento y visualizar de la misma manera que cuando usaba un multímetro al principio.

Diseño final
Sumamos un buffer para cambiar la rampa de mV/dB y una llave para poder cambiar entre las funciones de SNA y Analizador de Antenas.

 En el esquema se pueden ver los tres conectores BNC que se usaron, dos para usar con el SNA a la entrada y salida del DUT y la de la antena.
Cambiando el módulo detector, podremos mejorarlo midiendo la fase, para poder tener una lectura de magnitud y parte reactiva con su signo.

Construcción:

 

Arduino Nano y módulo DDS con salida senoidal AD9850, el modulo se conecta serialmente usando 4 salidas del Arduino; tambien se ve en la imagen el encoder rotativo de 24 puntos y botón pulsador incorporado; el mismo que se usa en muchos proyectos Arduino, por ejemplo el raduino de uBitx. La salida del módulo DDS es senoidal y tiene una frecuencia máxima de 30MHz.

Preparando el filtro pasabajos para la salida del módulo DDS, asi evitaremos falsas lecturas por parte del detector de RF que tiene capacidad hasta 500MHz

Los valores de capacidad para todo filtro deben ser lo más exactos posibles para asegurar la respuesta del mismo.

A la salida del DDS le agregué una transformador para acomodar los 200Ohms de impedancia de salida del DDS a los 50 OHms del filtro; tambien le agregué un -3dB Pad (atenuador resistivo de 3dB) que sirve para evitar distorsión en el acoplamiento. En la imagen se ve tambien que le dejé un compartimiento para un amplificador que luego no usaría. El módulo detector con el AD8307 debe quedar bien blindado.

El SNA terminado y con la parte de RF blindada con lata de leche, la salida de RF y la entrada los los cables coaxiales de la derecha. El display 2x16 LCD lo conecté usando el protocolo I2C para ahorrar pines en el Arduino Nano.

Primeras pruebas y calibración. Para calibrar se conecta la salida a la entrada con un cable y la respuesta tendrá una respuesta con una curva que tiende a caer a medida que sube la frecuencia, para ello debemos encontrar los factores haciendo una regresion polinómica; para eso me ayudó mucho Andrés LU3HO, con esta web se pueden encontrar facilmente!

Armando la cajita en aluminio de aislaciones térmicas, material que se consigue en las chacaritas industriales. Un poco de virulana y gracias a la plegadora que hizo LU5MDT. El tamaño final es similar a los viejos analizadores de antena MFJ.

Puerto USB Mini del Arduino Nano y alimentación.

Para el display diseñé una platina para imprimir 3D y asi mantener la separación exacta de 3mm en toda la superficie de apoyo; se puede descargar desde mi espacio en thingiverse. En la imagen tambien se puede ver los 3 conectores BNC, el encoder rotativo y el instrumento analógico.

Primeras pruebas con el software de PHSNA levemente modificado; aún la interface para las mediciones es por comunicacion serial a traves de la salida USB.

El RLB es uno comprado por eBay, asegura tener respuesta hasta 3GHz, la salida Ref, nos permite usar diferentes resistencias de referencia y así medir potencia reflejada en comparacion con dicha resistencia; interesante para medir diferentes impedancias. Por ahora quedará fija en 50 Ohms.

Aprovechando un día calido de otoño en Mendoza, hice las pruebas de medir la respuesta de una trampa de una antena multibanda JVP34. Hay mas info de las mediciones en esta publicación del blog.

Respuesta en frecuencia de la trampa de un barrido desde 7MHz hasta 30MHz (2300 mediciones). Se puede observar un mínimo alrededor de 26.5MHz donde la impedancia del circuito sintonizado resuena obteniendo una impedancia máxima en ese punto y luego un segundo punto de alta impedancia a partir de los 26MHz aproximadamente. Medición realizada en circuito serie.

Respuesta del barrido de un cristal de 3650KHz encapsulado HC6/U (grande). Puede observarse la frecuencia de resonancia fundamental y dos frecuencias cercanas tambien llamadas parásitas. Medicion realizada en circuito serie.

Una mejora impresa 3D que tambien se puede descargar desde mi espacio en thingiverse.

Circuitos y software

El circuito usado es una mezcla de dos versiones diferentes del circuito de PHSNA, y con los agregados que le hice por mi cuenta, sobre todo para usarlo con el Return Loss Bridge como analizador de antena.

Este circuito usa una version anterior del módulo DDS el cual no tiene salida balanceada como el que yo usé; por lo tanto tiene 6dB menos (4 veces menos potencia) y por eso es necesario un amplificador antes de la salida.

Circuito del detector de RF, diseño de SV1AFN

Click aqui para descargar el software para el arduino nano de PHSNA.

Agilizando las mediciones

Luego de realizar varias mediciones, con las trampas y circuitos LC, me di cuenta que era un poco lento, configurar el barrido y copiar y pegar en un archivo csv para luego abrirlo en libreoffice y luego configurar el gráfico; por suerte mi amigo Andy LU3HO escribió un script en python usando matplotlib que lee directamente el csv. Para tomar la captura estoy usando CuteCom; como mi entorno de usuario es Linux este tipo de programas permite mucha flexibilidad.


Click aqui para descargar el archivo escrito en python para graficar la salida
Acceso a CuteCom

Conclusión

Es un proyecto muy divertido de hacer y muy útil para cualquiera que le gusta experimentar para RF, nos da un poco mas de luz dando los gráficos de respuesta en frecuencia y es como tener un ojo mas!.
Hoy se consiguen versiones chinas y muy económicas de SNA y VNA con pantallas táctiles y todo! Tuve la suerte de no comprar uno de esos y tener el tiempo de hacerlo yo mismo.
Agradecimientos a mi familia por aguantarme! y a Andres LU3HO, a Marcelo LU1AET y a José LU5MDT, siempre atentos a luchar contra los desafíos que los radioaficionados nos proponemos.

73 de LU1MAW