Eigenbau Spektrumanalyzer bis 3 GHz (MSA – TG – VNA)

Auf die Schnelle die Direktlinks:

  1. Baubeschreibung CB – Control Board Rev. WSS mit USB
  2. Baubeschreibung PDM – Phasendetektor-Modul
  3. Baubeschreibung ADC – AD-Wandler 16 Bit (in Arbeit)

 

Motivation

Der Wunsch als Funkamateur auch HF zu messen bzw. messen zu können, sei es für Abgleicharbeiten an Duplexer-Weichen oder von Oszillatoren, Empfängern, Sendern, Filtern usw., kam in mir immer größer auf. Bei der Suche nach geeigneten Spektrumanalysatoren mit weiterführenden Zusatzgeräten, wurde mir bei den Preisen -auch gebraucht noch- recht schwindelig. Es sei denn, jemand schenkt einem ein solches Gerät; nur wer macht das schon!? Nach etwas über einem halben Jahr auf der Suche nach einem Selbstbau bin ich nun im Internet fündig geworden. Ich habe mich für dieses Projekt entschieden, da es in Anbetracht der Umstände recht günstig erscheint (< 500,-), man es modular nach und nach aufbauen kann, und es (für mich) eine Herausforderung bezüglich SMD-Löten, Mechanik (Kavitätsfilter, Gehäuse) darstellt. Das Gerät wird als 1000MHz-Spektrumanalysator beschrieben, ist aber mit einem Dynamikumfang von mehr als 100dB auch bis 3GHz einsetzbar, oder höher bei Nutzung von Oberwellen des Masteroszillators. Hinzu kommt eine Menge Bauspaß, der Erwerb von HF-Kenntnissen im Bau und in der Anwendung, und man hat etwas eigenes zuhause auf dem Basteltisch für weitere Projekte. 

Nun, es gibt mittlerweile dank der chinesischen Entwicklungskultur im Elektroniksektor schon recht brauchbare Geräte für den schmalen Geldbeutel, die ich allerdings nicht für eine Mars-Mission einsetzen würde. Darunter gibt es aber Fertiggeräte, die sogar einem wetterfesten Außeneinsatz standhalten würden. Nur dann habe ich nicht die Möglichkeit gehabt, meine Fähigkeiten im Selbstbau unter Beweis zu stellen und mein Wissen um die Funktionsweise dieses Messgerätes zu erweitern. Und im Team mit mehreren Leuten seine Erfahrungen auszutauschen und gemeinsam Tribute zu zollen oder Erfolge zu erzielen sorgt – wie oben schon geschrieben – für einen gewaltigen Bauspaß. Der Weg ist das Ziel!

Ein paar technische Daten:

Basic MSA, Baustufe 1

Drei Bandbereiche: 0-1 GHz, 1-2 GHz, 2-3 GHz
(oder höher bei entsprechender Oberwellenmischung des Masteroszillators)
Frequenzauflösung: < 3 Hz
Unmittelbarer Dynamikbereich: > 100 dB, durchschnittlich 110 dB
Empfindlichkeit: -20dBm bis -120 dBm
Auflösung der Bandbreite: optional mit Auflösung Bandbreiten Filter Auswahl
Frequenzgenerator für: – feste 64 MHz Takt, 50 Ohm, Rechteck (MO – Masteroszillator)
– variabel 1-1.5 GHz, 50 Ohm, Sinus, in Schritten (PLO 2)
– variabel 1-2 GHz, 50 Ohm, Sinus, < 3 Hz Auflösung (PLO 1)
– variabel 0-1 GHz, 50 Ohm, Sinus, < 3 Hz Auflösung (PLO 1 – PLO 2)
– variabel 2-3 GHz, 50 Ohm, Sinus, < 3 Hz Auflösung (PLO 1 + PLO 2)
– DDS Signal Generator fest oder durchlaufend, 0-32 MHz, 50 Ohm, Sinus, 0,014 Hz Auflösung (DDS 1)

 

 

Vorbereitung

Der Analyzer wird in drei Stufen aufgebaut:

  • Stufe 1: MSA = (Basic) Modularer Spektrum Analyzer
  • Stufe 2: MSA & TG = Stufe 1 & Tracking Generator
  • Stufe 3: MSA & TG & VNA = Stufe 2 & Vektor Network Analyzer

Bei allen Stufen ist ein Personalcomputer mit einem (noch) Windows Betriebssystem notwendig. Die Software für den MSA/TG/VNA, die unter Liberty Basic entwickelt wird, ist auf der Internetseite des Autors kostenlos erhältlich. Erste Erfolge konnten aber auch schon auf einem Linux Betriebssystem mit einer Entwicklung unter Python erzielt werden. Diese Software (msapy.py) ist ausschließlich über ein Yahoo-Forum zu bekommen.

Das Gerät, sowie die Schaltungen, wurde bereits 2001 von Scotty Sprowls (Autor, HF-Ingenieur i.R., kein Funkamateur) eben auch für oben genannte Zwecke in der sog. SLIM-Technologie (Standarized Laboratory Integration Module) entwickelt und im Internet unter der Adresse http://www.scottyspectrumanalyzer.us/ veröffentlicht. Mittlerweile hat sich eine große Fangemeinde in einer Yahoo-Gruppe zusammengefunden, die Erfahrungen beim Bau und Entwicklungen weiterer Zusatzgeräte und -werkzeuge austauscht. Auch Sam Wetterlin hat diverse Tools entwickelt und stellt sie auf seiner Webseite zur Verfügung.

Im weiteren Verlauf dieser Seite möchte ich den Aufbau meines Gerätes hier dokumentieren.

  1. Studium der Anleitung
    Es empfiehlt sich dringend die Seiten durchzublättern, um einen Blick für den Umfang dieses Projektes zu bekommen. Das habe ich bereits getan, und es ist mir bewusst, auf was ich mich hier einlasse. Ich gehe auch davon aus, dass während der Bauphasen Probleme entstehen, die es aber zu lösen gilt. Es sind bereits eine Menge dieses Gerätes funktionierend aufgebaut worden.
  2. Beschaffung der Platinen
    Die Platinenlayouts (PCBs) und die Schaltpläne (Schematics) sind auf der Autorenseite kostenlos zum Download veröffentlicht. Leider (Nachteil) ist zum Lesen und Nachbearbeitung eine kostenlose Windows-Software von der Firma ExpressPCB (U.S.A.) notwendig. Allerdings (Vorteil) kann man direkt aus dieser Software bei dem Hersteller die Platinensätze ordern. Mittlerweile habe ich die Software auch unter Wine auf meinem alten Linux Mint 17.3 zum Laufen gebracht.
    Alle erforderlichen 16 Platinen der Module (alle Baugruppen für MSA, TG und VNA) sind auf einem Board zusammengefasst, sie müssen nur noch voneinander getrennt werden. Die Platinen sind doppelseitig beschichtet, gebohrt und durchkontaktiert. Zur Zeit teilen wir uns die Herstellungs-, Versand- und MWSt.-Kosten mit drei Interessenten und kommen auf einen Preis bei knapp 80,- Euro pro Board (noch ein Vorteil).
    Ein Anruf beim Zollamt ergab: bei Einfuhr nach Deutschland kommen bei einem Rechnungsbetrag über 22,- Euro 19% MWSt. auf den Rechnungsbetrag dazu. Zollgebühren sind ab einem Rechnungsbetrag von 150,- Euro zu erheben, sind in diesem Fall aber als “Gedruckte Schaltungen” zollfrei.
  3. Beschaffung der Bauteile
    Die Bauteile in den Stücklisten sind beim Autor jeweils mit einer Artikelnummer bei Digikey (U.S.A.) versehen, um sie dort direkt zu beziehen. Natürlich können diese Bauteile auch bei den in Deutschland üblichen Apotheken mit dem C und dem R beschafft werden. Dazu habe ich die angegebenen Stücklisten der Baugruppen in eine Exceltabelle umgesetzt und pivotiert. Daraus ergibt sich nun über alle Baugruppen hinweg die Anzahl und Kosten der Bauteile auf einen Blick.
    Einige HF-Bauteile sind jedoch so gut wie ausschließlich bei Minicircuits (U.S.A.) erhältlich. Normalerweise liefert dieser Hersteller nur in 20er oder 100er Chargen. Jedoch hat Minicircuit für den Spektrumanalyzer ein Kit zusammengestellt, das die notwendigen HF-Bauteile (Mischer, Verstärker etc.) für den Bau eines Gerätes (MSA/TG/VNA) enthält.