Stavba MSA – Modulárního Spektrálního Analyzátoru

Na mikrovlnném setkání ve Třech Studních (2017) mě nejvíce zaujala přednáška Tomáše OK1DXD, který prezentoval stavbu modulárního spektráního analyzátoru – MSA. Projekt Scottyho Prowlse jsem potkal v minulosti již několikrát, vždy jsem ho ale přecházel s nezájmem. Nikdy mi nedošlo, že by mohl mít tak skvělé parametry.
Ve svém HAMshacku sice spektrální analyzátor mám, ale bez tracking generátoru, který znatelně chybí. Rozhodl jsem se tedy pro stavbu MSA. Ten, kromě spekt. analyzátoru s tracking generátorem nabízí i SNA/VNA, Component tester, hned několik generátorů, analyzátor vedení a antén.

Navíc je okolo projektu poměrně rozsáhlá a živá komunita na Yahoo groups, kde se jakýkoliv záludný dotaz rychle rozebere.

Spektrální analyzátor měří velikost/amplitudu vstupního signálu vzhledem ke kmitočtu v celém frekvenčním rozsahu přístroje. Primárním použitím je měření síly/složení spektra známých a neznámých signálů.

Zobrazovat rádiové spektrum lze dvěma základními způsoby:

1. Digitálně navzorkovat analogový signál, tak jako to dělá digitální osciloskop a pak se na daném vzorku udělá rychlá Fourierova analýza FFT.
2. Klasickým analogovým selektivním přijímačem proběhnout dané spektrum a změřit intenzity na jednotlivých bodech/kmitočtech spektra. Z nich se pak vykreslí příslušná křivka.

“Fourierova řada matematicky ukazuje sčítání sinusovek, spektrální analyzátor ty sinusovky hledá a zobrazuje…”

MSA je tedy druhý případ, jak jsem již zmínil v úvodu. Jedná se o modulární koncept, kdy každý jednotlivý prvek (VCO,Xtal filtr, Logaritmický detektor, atd.) je ve vlastní pocínované krabičce, ke které vede signálový semirigid zakončený SMA konektorem + kontrolní a napájecí vodiče.

Blokové schéma

• Zeleně– jsou bloky potřebné pro základní spektrální analyzátor
• Žlutě – jsou bloky potřebné pro Tracking generátor
• Červeně – jsou bloky potřebné pro měření fáze a vektorový analyzátor VNA

• 

Popis funkce

MSA má dvojí směšování, 1.mezifrekvence je na 1013,3MHz – na tomto kmitočtu je stříbřený čtyřdutninový pass filtr. To znamená, že PLO1 oscilátor musí dodávat do Mixer1 takový kmitočet, který po odečtení (na součtový zrcadlový kmitočet není filtr naladěn) s měřeným kmitočtem dá výsledných 1013,3MHz, kde je právě naladěna čtyř-dutinová Band-pass propust 1. mezifrekvence (Pass: -3,8dB/1013,3MHz, Notch: -88dB/1034MHz).Výsledný signál se dále mísí v Mixer2, do kterého přichází již pevný kmitočet 1024MHz. Výsledným produktem je 2. MF kmitočet, tentokrát 10,7MHz. To je kmitočet hojně rozšířený v komerčních zařízeních a není problém sehnat vhodné a kvalitní filtry v tomto rozsahu. Signál z výstupu Mixer2 je zesílen v IF amplifieru, který má zesílení 40dB, dále projde příslušným filtrem až do Logaritmického detektoru (ten je osazen obvodem AD8306), jehož výstupní stejnosměrné napětí odpovídá intenzitě přijímaného vf signálu.
To je tedy cesta měření magnitudy/amplitudy signálu na kmitočtovém intervalu rovnu šířce finálního X-tal filtru.

Možné varianty MSA

MSA lze postavit ve třech variantách:

• Pouze spektrální analyzátor
• Spektrální analyzátor + Tracking generátor
• Spektrální analyzátor + Tracking generátor + Vektorový analyzátor VNA

Tracking generátor (sledovací generátor) – je vysokofrekvenční generátor, který běží synchronně-sleduje  kmitočet, který zrovna měří spektrální analyzátor. Takže vždy na daném kmitočtu můžeme změřit přenosovou charakteristiku připojeného obvodu.

Já jsem se rozhodl pro stavbu úplnou, cenový rozdíl není velký a nárůst možností použití je enormní.

Měření fáze – VNA, tedy vektorový analyzátor měří nejen amplitudu/magnitudu příslušného signálu, ale samozřejmě i jeho fázi. Pouhá hodnota fázového posunutí je poněkud neuchopitelná, pokud ji nesrovnáváme s jiným signálem o stejné frekvenci. Proto všechny VNA mají sledovací (tracking) generátor použity jako referenční signál.

• Komerční VNA používají svůj výstup z tracking generátoru jako referenční signál.
• MSA / VNA využívá mezifrekvenci (10,7MHz) jako svou referenční hodnotu.

Účelem každého VNA je získání přenosových parametrů daného obvodu. Signál změní svou amplitudu a fázi při průchodu kterýmkoliv obvodem, analýzou těchto změn a provedením některých matematických operací lze vypočítat vlastnosti připojeného zařízení. Tím může být aktivní nebo pasivní součást, kus koaxiálního kabelu, reflexní most nebo dokonce anténa. V mnoha případech může být zařízení kombinací několika těchto položek (zařízení s konektory, s testovacím vedením, umístěním v testovacím lůžku).

VNA pracuje ve dvou režimech:

• Režim přenosu (transmise)
  MSA / VNA může mít několik různých funkcí. Nepotřebujeme ani žádnou složitou matematiku, prostě jsou porovnávány čtyři veličiny. Výstupní signál DUT (který se skládá z amplitudy a fáze) je porovnáván se vstupním signálem. Toto se nazývá přechodové srovnání. Všechny VNA jsou “přechodové komparátory”, i když častěji užíváme termín “měření přenosové charakteristiky”. Výsledné srovnání je vyjádřeno jako poměr výstup k vstupu tedy, jako S-parametr S21.
• Režim odrazu (reflexe)
  Měří se obdobně jako režim transmise (přenosu). SW MSA poté překonvertuje parametr S21 na S12.

Výroba PCB

K dispozici jsou všechny potřebné podklady včetně MSA_gerber dat pro výrobu plošných spojů, které jsem si nechal vyrobit v Prago Boardu.

PCB jsou vyrobeny v jejich “Pool servisu”. Jedna sada vyjde na cca 2021,-kč. Kvalita desek je rovněž skvělá, ke standardu patří elektronická kontrola a chemické zlacení.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

Nákup součástek

Součástky je potřeba shánět na více místech, v mém případě tyto:

• Farnell – Většina pasivních
• Mouser – DDS, fázové závěsy, logaritmický detektor
• Mini Circuits – Směšovače, širokopásmové zesilovače, VCO
• GES – PC konektory na datové vodiče
• Ebay – semirigid RG-402, SMA konektory

• 

• 

• 

• 

• 

• 

Osazování

Dokumentace, která je dostupná na http://scottyspectrumanalyzer.us/ , je dobře zpracovaná a není problém podle ní všechny moduly osadit. Na jednotlivých stránkách ke konkrétním modulům jsou vždy i poslední zmámé úpravy, které mají pozitivní vliv na funkčnost a parametry.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

V dostupném návodu je dobře rozepsán postup činností a jednotlivých “oživovacích” kroků.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

Dutinový filtr 1013,3MHz

Dutinový filtr band-pass, 1. mezifrekvence 1013,3MHz:
se skládá ze 4 dutin spojených podkritickou vazební smyčkou. Celkový průchozí útlum je -3,8dB (1013,3MHz) rejekce 20MHz vedle je -88dB (1034MHz).
Konstrukce filtru je jednoduchá, prostě je v plechovce zavřená 1/4λ anténa/rezonátor. Ta je pak buzena sondou, další sondou se energie přenáší do dalších sekcí filtru.

• 

• 

• 

Stříbření

Prováděno v roztoku AG1 od Elchemca (Thiomočovina, kyselina sírová, dusičňan stříbrný). Roztok je určen pro slitiny mědi, stačí vše jen důkladně očistit a odmastit. Po ponoření do lázně se do 15min vyloučí cca 7μm vrstvička stříbra.

• 

• 

• 

Celková montáž

Celá konstrukce MSA je umístěna do hliníkové “Teslácké” krabice, kterou jsem koupil na setkání v Holicích 2016 za 100,- kč. Na šasi jsem použil 5mm pásky cuprexidu (Umatex).

• 

• 

• 

• 

• 

• 

Datové signálové cesty pro řízení jednotlivých funkčních bloků jsou realizovány pomocí klasických 2,54mm headrů, stejné jako v PC. Vysokofrekvenční cesty pak pomocí semirigidů RG402/405 zakončených SMA konektory.

• 

• 

• 

Na závěr několik obrázků celkové konstrukce.

• 

• 

• 

Ovládání spektrálního analyzátoru je řešeno pomocí PC a řídící SW je napsán v liberty Basicu:)

Testy parametrů

Na následujícívh screenech je vidět kalibrace – žlutá křivka 0dB při propojení portů (Bypass),  -94dB při jejich rozpojení. Dosažená dynamika ve VNA režimu je 94dB! Na pravém snímku je signálová odezva RX části duplexeru.

• 

• 

• 

Na prvních dvou obrázcích je filtr 5-ti krystalový 450Hz – kompenzovaný/nekompenzovaný, na pravém obrázku je jednorezonátorový keramický filtr 210kHz.

• 

• 

• 

Na těchto obrázcích je vidět spektrum TTL oscilátoru 16MHz:

• 

• 

• 

• levý obrázek ukazuje měření na MSA
• prostřední na Rohde&Schwarz FSB
• pravý pak FFT analýzu na digitálním osciloskopu HMO1002

Mezifrekvenční filtry ∼ 10MHz

Zatím jsem zkonstruoval pouze 3 MF filtry (pro f∼10MHz), konkrétně tyto:

• 210kHz keramický
• 100kHz keramický zdvojený
• 430Hz 5-ti krystalový

FIltry přepínám pomocí elektronického přepínače s dvěma obvody ADG704, přepínač má poměrně nízký vložený útlum, asi -0,8dB. Izolace mezi jednotlivými větvemi dosahuje až -80dB.

• 

Izolační zesilovače

Úkolem izolačních zesilovačů není zisk, ale zvýšení zpětné izolace. Ta by měla dosahovat až -38dB.

• První se nachází mezi PLO2 (J3) a Mixer3 (J3) – zvýšení izolace při S12
• Druhý pak mezi PLO1 (J2) a Mixer4 (J1) – Minimalizace přeslechů při měření fáze.

• 

• 

Srovnání měření s Rohde&Schwarz FSH8

• 

• 

Co nejdříve bych rád doplnil:

• elektronický přepínač režimu 1/2/3GHz
• elektronický přepínač Video Bandwidth filtru

Parametry MSA/VNA:

• dvojí směšování, 1. 1013,3MHz, 2. 10,7MHz
• pracovní kmitočtový rozsah: 50kHz-1013MHz / 913-2126MHz / 2028-3039MHz
• kmitočtová stabilita: < 3Hz
• citlivost: <-108dB – závisí na šířce pásma
• dynamický rozsah: 105dB (spektrální analyzátor)
• dynamický rozsah VNA: 94dB!!!
• rozlišení měření amplitudy: 0,05dB
• rozlišení měření fáze: <0,1°
• šířka pásma: 210kHz/100kHz/430Hz – závisí na 2. MF filtru
• fázový šum: <-91dBc/Hz, 10kHz od nosné
• maximální vstupní signál: +13dBm (bez HW poškození, neměřitelný)
• výstupní úroveň generátoru:
  • 50kHz – 1013MHz @ -12dBm, +/- 1dB
  • 916MHz – 2016MHz @ +7dBm, +/- 1dB (bypass)
  • 2028MHz – 3039MHz @ -14dBm, +/- 1dB

Stavba MSA celkem zabrala cca 280hodin, cena součástek dosáhla cca 18.000,- kč.

Průběžná aktualizace…
Poslední: 26.3.2019