Analizador de antena con Arduino y AD9850

El analizador de antena es un instrumento que mide los parámetros eléctricos de una antena. Los parámetros más conocidos es la Relación de Ondas Estacionarias “ROE” en inglés “SWR” y la impedancia “Z”. En general la impedancia tiene dos parámetros: el resistivo y el reactivo por lo que se expresa como un numero complejo  Z = R + jX donde “R” es la parte resistiva y ”X” es la parte reactiva. “J” es un numero imaginario (raíz cuadrada de -1) utilizado para indicar que el número es complejo.

Una de las actividades preferida de los Radioaficionados es construir modificar y probar antenas con la motivación de experimentar que es la esencia de la radio-afición.    Para trabajar con antenas, un instrumento que pueda medir sus características se convierte en una necesidad.

En el campo profesional de instalaciones de radio, ejemplo telefonía celular y estaciones comerciales de radio,  las antenas deben ser probadas exigentemente para lo cual utilizan analizadores de antena de uso profesional.

En el mercado hay varios fabricantes que ofrecen analizadores de antena, un ejemplo es el ANRITSU S820E y similares con precios del orden de US 10.000 inalcanzables para uso en radio afición pero requerido en operación comercial.

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Los radioaficionados prefieren usar medidores menos sofisticados pero con precios  mas asequibles como ha sido el MFJ-259 con un precio de US 300. Hay una versión actualizada MFJ-266 que extiende el rango de mediciones hasta UHF pero con costos de US 400 y una versión economica MFJ-266 a USD 350.

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Los anteriores modelos presentan los resultados en una pantalla alfanumérica de 2 líneas.  Con el desarrollo de nuevos componentes los nuevos analizadores de antena reemplazan las pantallas LED y TFT.  Ejemplos de ello son el MFJ-223 con precio de USD 280 y el Ring Expert AA-54 de USD 350.

analizador-rig-expert-it-24 MFJ-223_THUMB

Con el uso de pantallas gráficas es posible presentar un diagrama con los resultados de las mediciones en un rango dado de frecuencia. En los primeros analizadores la medición correspondía al resultado en una frecuencia especifica, en cambio en los gráficos se programa una frecuencia mínima y máxima y el instrumento realiza un barrido en el rango de las frecuencias especificadas y presenta una curva con las mediciones logradas. Esta ultima información resulta muy útil porque con una sola medición uno tiene una visión clara de como es el comportamiento de la antena en una banda de frecuencias.

MI PROYECTO

Tengo la idea de desarrollar y construir un analizador de antenas para uso de aficionado pero utilizando componentes electrónicos de nueva generación. Empezando con un modelo básico y continuar el desarrollo para conseguir analizadores de mejores prestaciones.

En el mercado electrónico se consigue un sintetizador de frecuencia con referencia AD9850 el cual actúa como un generador de señales de 0-50 Mhz.  Su costo es menor a 10 USD y genera una onda sinusoidal muy precisa a la frecuencia que se desee.  El AD9850 necesita que le informemos la frecuencia que se desea por un enlace de datos. Entonces hay otro componente que coopera con él y son los micro-controladores los cuales pueden encargarse de programar el AD9850 a la frecuencia deceada y además nos sobran puertos para realizar funciones de contro. Otra ventaja de los microcontroladores es que algunos de sus puertos se pueden usar como convertidores análogos digitales permitiendo usar estos puertos como medidores de tensión necesario para lograr las mediciones de la antena.

Entre los controladores a usar esta los fabricados por Micro-Chip como son lo de la seria 16F… y 18F… pero últimamente han adquirido popularidad los ARDUINOS que en una pequeña tarjeta con un micro incluido y otros componentes como cristales, resistencias y condensadores necesarios para su funcionamiento

Los Arduinos vienen ya preparado para conectarse a un PC a través de un puerto USB lo que los hace muy rápidos para desarrollar nuevos circuitos porque a través del USB el chip puede ser programado directamente desde una computadora y en lenguaje de alto nivel.

Para un proyecto como el de analizador de señales un Arduino NANO es as que suficiente y es el mas barato ya que su coste no alcanza los USD 10. Si un nano resultara insuficiente entonces podríamos escalar la solución a usar Arduinos UNO,  MEGA, y mas poderosos dentro de esta línea.

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TEORÍA DE UN ANALIZADOR DE ANTENA

La mayoría de los Analizadores de Antenas son instrumentos de medida basados en lo que se llama un puente se Wheatstone. En la siguiente figura se muestra como es el circuito del puente.

analizador antena 1

Consiste de una fuente de voltaje “V” y 4 resistencias. El voltaje en el punto A o B depende de la relación de las resistencia de cada una de las ramas.  Si el voltaje entre los puntos A y B es 0 voltios entonces la siguiente expresión matemática es correcta: R1/R2 = R3/R4 y decimos que el puente esta equilibrado.

El puente de Wheatstone se puede usar como instrumento para medir resistencias con el siguiente circuito:

analizador antena 2

en el cual la anterior resistencia R4 sera la resistencia que queremos medir (Rx) y Rv es una resistencia variable calibrada. R1 y R2 son resistencias de un valor fijo. Cuando queremos medir la reistencia Rx, colocamos un medidor de tension entre los puntos A y B y ajustamos la resistencia Rv hasta obtener lectura de 0 voltios en el instrumento. En ese momento se cumple que R1/R2 = Rv/Rx, si manipulamos la formula tendremos que Rx = Rv * (R2/R1).

Co R1 y R2 tiene valores fijos entonces R2/R1 es una constante y por consiguiente conociendo Rv podemos calcular el valor de Rx.

Para el caso de construir un Analizador de Antena el circuito se modifica un poco tal como se muestra en el siguiente circuito:

analizador antena 3

 

El suministro de voltaje va a ser generador de corriente alterna a la frecuencia que queremos medir la antena. Las tres resistencias R1, R2 y R3 serán de 50 ohms cada una. Este valor se ha escogido porque la resistencia esperada de la antena generalmente es de 50 ohms también y resulta mas fácil equilibrar el puente. La antena se conecta como si fuera la cuarta resistencia del puente.

La antena a la corriente alterna se comporta como una impedancia “Z” que tiene dos componentes: Una parte que es resistiva pura “R” en el sentido que el voltaje sobre la resistencia y la corriente que circula por ella esta en la misma fase de la corriente alterna. El segundo valor es la parte reactiva “X” en donde el voltaje y la corriente van desfasados 90 grados. La reactancia “X” puede ser capacitiva o inductiva (asimilables a un condensador o una bobina) que es determinado por el signo:

Z = R +jXl  o Z = R – jXc,

Xl es una reactancia inductiva mientras que Xc es una reactancia capacitiva.

Lo ideal de una antena es que no tenga reactancia capacitiva ni inductiva, es decir que X valga cero, en este caso decimos que la antena esta resonante.

La reactancia y la resistencia se mide en Ohms pero en la anotación matemática se utiliza el símbolo “j” para indicar que son valores con diferente concepto.  “j” es igual a raíz cuadrada de -1, pero no tiene relevancia en este nivel de análisis.

Ahora bien, si alimentamos el circuito con una fuente de voltaje alterno de frecuencia “F” y un voltaje Vac, entonces entre las resistencia van a aparecer unos voltajes que llamaremos:

Vf =  voltaje sobre la resistencia R2.

Vz = voltaje sobre la antena.

Vr = voltaje entre los puntos A y B. Si el puente estuviera equilibrado Vr debería ser cero.

Note que Vac, Vf, Vz y Vr son voltajes alternos y pueden tener fases diferentes.

Un aspecto importante en las antenas es que parte de la energía que se transfiere el transmisor a la antena es retornada por la antena hacia el transmisor. Se distingue la energía enviada hacia adelante (forward) y la energía reflejada o devuelta. La relación entre esta dos energías se conoce como “ROE” que significa Relación de Ondas Estacionarias y en ingles se conoce como SWR.

El ROE es calculado de acuerdo con la siguiente formula:

ROE = (energía directa + energía reflejada) / (energía directa – energía reflejada)

En el caso que la energía reflejada fuera cero, el ROE es igual a 1 independiente de la energía directa. Si la energía reflejada llegara a ser igual a la energía directa, el divisor tendría un valor de cero y el ROE tendría un valor infinito. Un caso particular es cuando la antena regresa la mitad de la energía directa, la formula reportaría un ROE de 3.

Entonces el ROE varia entre 1 a infinito. Una característica de la medición de ROE es que es independiente de la potencia usada, por lo tanto es un parámetro característico de la antena y se usa para valorar la antena. El ROE depende de la frecuencia a que se este midiendo, entonces existe una o varias frecuencias en las cuales se obtiene mínimo valor de ROE que son las frecuencia donde la eficiencia de la antena es mejor.

El trabajo de ajuste de antenas consiste en medir el ROE para lograr tener el mínimo valor (el mas cercano a 1) para la frecuencia en que se desea operar la antena.

Volviendo al circuito anterior, y si podemos leer los voltajes indicados, por analisis de circuitos se deduce las siguientes relaciones. Estas relaciones aparecen en varios textos por lo que las tomamos como valida sin entrar en su análisis en este momento.

El ROE puede ser calculado por la formula:

ROE = (Vf + Vr)/(Vf -Vr)

La impedancia en valor absoluto sera:

Z = 50*(Vz/V3)  donde V3 es el voltaje sobre la resistencia R3

La parte resistiva de la impedancia es:

R = (2500 + (Vz^2*ROE))/(50*(ROE^2 + 1))

La reactancia se calcula:

X = RaizCuadrada( Z^2 – R^2)

 

 

 

 

 

Continuara …

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VFO digital para el FT-101

Tengo un equipo FT-101F fabricado por YAESU en los años 70´s y está completamente funcional y excelente estado físico. Mi idea es desarrollar unos proyectos electrónicos que permitan a experimentar con componentes nuevos y electrónica antigua.
El FT-101F es un equipo hibrido. La mayoría de los circuitos son transistorizados pero la etapa final, amplificador de potencia, es de tubos. El VFO es análogo y la frecuencia se lee observando el desplazamiento de una aguja sobre un tablero calibrado.

Mi primer proyecto es construir una interface entre el radio y un PC para conseguir que desde el PC se le pueda indicar cuál es la frecuencia que se desea debe operar el radio. Si este primer proyecto funciona, me abre la posibilidad de otros proyectos para logra controlar mas funciones del Ft-101 desde un PC.
Para la interface he escogido los siguientes dos componentes:
AD9850 un sintetizador de frecuencia DDF relativamente barato que me suministra cualquier frecuencia exacta menor a 50 MHZ.
Un ARDUINO para programar el AD9850 y sostener la comunicación con el PC.

ft101-2

La conexión entre el PC y el ARDUINO es por cable USB. La conexión del AD9850 al FT-101 se logra mediante un cable conectado en la parte trasera de FT-101. Es un conector Octal previsto para conexión de un VFO externo por lo cual no es necesario hacer ninguna modificación al FT-101.
El ARDUINO recibe alimentación de +5V por el cable USB y este le puede suministrar los 5V requiere el AD9850 para funcionar. De esta manera toda la interface recibe alimentación desde el PC y el AD9850 suministra una señal sinusoidal de 0.1 voltio suficiente para alimentar la entrada de VFO externa al FT-101. Esto significa que con solo estos dos componentes podemos implementar la interface.
IMPLEMENTACION

Las conexiones entre el ARDUINO nano y el AD9850 son sencillas:

ad9850-arduino

Los puertos digitales D4 a D7 son conectados a las espigas de control del AD9850 RST, DAT, FQ y CLK respectivamente.
La espiga “SinB” del AD9850 da la salida de una onda sinusoidal para conectar a la entrada externa de VFO del FT-101. Esta conexión debe hacerse con cable blindado (coaxial).

la foto

La foto superior muestra la implementación del Arduino nano en la derecha y el AD9850 en la izquierda sobre una placa de circuito impreso.
El arduino soporta el cable USB para conexión a la PC.
En el lado superior se observa el conecto preparado para conectarse al FT-101.
La placa de circuito impreso tiene espacio para alojar otros componentes electrónicos para futuros desarrollos pero no están en funcionamiento actualmente.
CODIGO PARA EL ADUINO

El siguiente es el código fuente para el ARDUINO nano.

/*=====================================================================

Proyecto: VFO para Yaesu FT-101F
Por: HK3EU
Version: 0.1
Fecha: Diciembre 3 2014

=========================================================*/

//————————
// Definicion de pines
//————————

#define W_CLK 7 // Pin 7 conectado a AD9850 W_CLK
#define FQ_UD 6 // Pin 6 conectado a AD9850 FQ_UD
#define DATA 5 // PIN 5 conectado a AD9850 DATA
#define RESET 4 // Pin 4 conectado a AD9850 RESET

#define BAUD_RATE 9600 // define baud_rate puerto serial
#define START_FREQUENCY 8600000 // frecuencia inicial

//————————–
// Definición de variables
//————————–
double usedFrequency; // frecuencia en uso
double Frequency; // usada en loop

//————————-
// FUNCIONES
//————————-

//————————–
// pulse(pin)
// Envia un pulso en el pin especificado.
//————————–

void pulse(int pin)
{
digitalWrite(pin, HIGH);
digitalWrite(pin, LOW);
}

//—————————
// sendByte(data)
// Enviar el data al AD9850
//—————————

void sendByte(byte data)
{
int i;
// Serial.println(data);
for(i = 0; i >= 1; // desplace data una posicion a la derecha
}
}

//—————————-
// sendFrequency(frequency)
// Envia la frecuencia la AD9850
// es el valor decimal de la frecuencia
// primero se calcula el valor a enviar al ad9850 para la
// frecuencia escogia.
//—————————–

void sendFrequency(double frequency)
{
int32_t data_AD9850;
int i;

data_AD9850 = frequency * 4294967295/125000000; // 4294967295 = 2 potencia 32
// Serial.print(frequency);
// Serial.print(” – “);
// Serial.println(data_AD9850);
for(i = 0; i >= 8; // desplace 8 bit a la derecha
}
sendByte(0x00); // envie 0 final
pulse(FQ_UD); // hecho
}

//———————————
// Funcion — setup() —-
//———————————

void setup()
{
// Configurar los pin del arduino
pinMode(FQ_UD, OUTPUT);
pinMode(W_CLK, OUTPUT);
pinMode(DATA, OUTPUT);
pinMode(RESET, OUTPUT);
// Iniciar el AD9850
pulse(RESET);
pulse(W_CLK);
pulse(FQ_UD);

// iniciar el puerto serial
Serial.begin(BAUD_RATE);
usedFrequency = START_FREQUENCY;
sendFrequency(usedFrequency);
}

//——————————–
// Bucle principal
//——————————–

void loop()
{
int char_in = 0;

// Monitorial puerto serial
if(Serial.available() > 0) // hay informacion en el puerto
{
char_in = Serial.read(); // leer el puerto
char_in &= 0xFF; // solo 8 bits
switch(char_in) // axion depende del caracter recibido
{
case ‘0’: // recibiendo numeros
case ‘1’:
case ‘2’:
case ‘3’:
case ‘4’:
case ‘5’:
case ‘6’:
case ‘7’:
case ‘8’:
case ‘9’:
char_in -= ‘0’; // valor del caracter
Frequency *=10; // multiplique por 10, sigiente digito
// Serial.println(Frequency);
// Serial.println(char_in);
Frequency += char_in; // sumar digito recibido
char_in = 0;
break;

case ‘;’: // fin de la frecuencia
usedFrequency = Frequency; // salve la frecuencia recibida
sendFrequency(Frequency); // transfiera la informacion al AD9850
Frequency = 0;
char_in = 0;
break;
case ‘?’:
Serial.println(long(usedFrequency));
break;

}
}
}
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PROGRAMA PARA PC

El VFO del FT-101 suministra una frecuencia variable entre 8.700 y 9.200 KHz, un segmento de 500 KHz. El FT-101 traslada la frecuencia del VFO a la frecuencia de la banda en que se desea trabajar: 80, 40, 20, etc metros. Pero nosotros tenemos el problema de otra forma. Conocemos la frecuencia en que debemos trabajar y tendremos que hacer el cálculo inverso a que hace el radio para determinar la frecuencia que debe suministrar el VFO.
El cálculo de la frecuencia del VFO dependiendo de la banda de operación deseada y del modo de transmisión se realizara en un programa de PC diseñado en C#. El programa ha sido diseñado para presentar una interface amigable de usuario y calcula la frecuencia del VFO y esta información se la envía al ARDUINO. La función del ARDUINO es usar la información de frecuencia enviada por el PC y configurar el AD9850 para que emita esa frecuencia.

gui-pc

La figura superior muestra la interface de PC (GUI) diseñada para control de la frecuencia.

CONCLUCIONES

El circuito y los programas para ARDUINO y PC están funcionando. Si le interesa mas información, por favor, escríbame al correo hk3eu@yahoo.com que con gusto les contestare.
Como le he estado comentando este es el primer proyecto de una serie de ideas para lograr una mejora de equipos viejos, como el FT-101, mediante interfaces con componentes electrónicos mas modernos.