Mijn (lange) weg naar communicatie via QO-100.

Net als waarschijnlijk een hoop andere amateurs het hele QO-100 gebeuren vanaf dag 1 met veel interesse en met veel belangstelling gevolgd.
Al vrij snel werd duidelijk dat er toch wel behoorlijk geïnvesteerd moest worden in apparatuur om een beetje respectabel station op te bouwen.
Nu klotst het geld bij mij nou niet echt over de plinten en de loterijen weten mij ook niet echt te vinden dus het moest toch wel een redelijke low budget oplossing worden.
Door het lage budget vielen de meeste kant en klaar oplossingen eigenlijk direct af en de wat goedkopere koop oplossingen waren 9 van de 10 keer uitverkocht voordat ik ze zag of erop gewezen werd.
De wens was eigenlijk toch wel om iets zelf te maken in plaats van kopen ook al zou dit veel langer duren maar vermoedelijk voordeliger uitvallen en in ieder geval modulair worden waardoor de kosten gespreid worden.
Na veel studie en brain-storm sessies met mede amateurs in de omgeving is er een plan ontstaan wat haalbaar leek en met de bouw hiervan begonnen.

transverter2

Bovenstaand blokschema geeft in grote lijnen weer wat ik denk nodig te hebben voor het complete station.

Ik ga uit van een 88 cm. Triax schotel en Megasat Diavolo Twin op een tegelvoet met vrij zicht op de satelliet.
In eerste instantie met een simpele Bias-T voor de voeding en SDR ontvanger goed uitgericht op de satelliet.
Later komt daar met wat 3D geprint werk een 'POTY' op zodat zenden en ontvangen met 1 schotel gaat.
(wel afgeweken van de daar voorgestelde montage)

Voor de 70 cm. transceiver gebruik ik mijn Yaesu FT-991A met een vermogen van 5 Watt tot maximaal 10 Watt.
Voeding komt (voorlopig) van de bestaande voeding voor de FT-991A.
Voor de GPSDO kan ik in eerste instantie mijn huidige BG7TBL apparaat gebruiken maar wordt later de GPSDO die ik zelf aan het maken ben.

Dan komen er naast alle kabels en kasten toch ook wat koop onderdelen zoals een 10dB verzwakker om te zorgen dat de up-convertor niet teveel vermogen krijgt en dat er nog enige vorm van vermogens regeling mogelijk is met de transceiver. (Misschien is 6dB meer op zijn plaats omdat anders het signaal naar de up-convertor wel erg laag wordt.)
Voor de up-convertor voorlopig gegaan voor de Mark 2 van DX patrol. (ondertussen zitten zij op MK3 met iets meer power en evt. een behuizing)
De 13 cm. versterker is de welbekende EP-AB003 Wifi-amplifier die in het begin nog redelijk leverbaar was.

De aanschaf van de Schotel, lnb, Poty, verzwakker, up-convertor en Wifi-amplifierr deden toch al een stevige aanslag van ongeveer € 250,- op het toch al beperkte budget maar ook bij een kant en klaar transverter was het meeste toch ook noodzakelijk geweest.

Buiten de noodzakelijke GPSDO bleven er 3 blokken over die nog zelf geknutseld moesten worden.

Als eerste moest er een behoorlijke rx/tx omschakeling komen om te zorgen dat het zendvermogen van de FT-991A niet op de down-convertor en /of LNB kon komen.
Vroeger pakten we hier gewoon een coax-relais voor maar tegenwoordig moet je dan eerst een stevige prijs winnen voordat je die kan aanschaffen.
Gelukkig is tegenwoordig schakelen met diodes niet echt een probleem meer en dit maar als eerste blok opgepakt.
In de Razzie van mei 2019 was hier een leuk artikel aan gewijd wat er veelbelovend uitzag. Zoals de auteur zelf al aan gaf had hij niet echt rekening gehouden met de RF eigenschappen van de print en ik zag zelf eigenlijk een groot probleem in het toepassen van gewone transistoren in de H-brug voor de sturing van de bias in verband met het daar te verwachten spanningsverlies.
Ook de voeding voor de H-brug was niet extra gestabiliseerd wat zeker bij mobiel gebruik een rimpel op de stroom door de diodes met bijbehorende vervorming op zou kunnen leveren.
Ook iets zwaardere Pin diodes (bap64-03) gebruikt zodat er zeker 10 Watt geschakeld kon worden.

Het oorspronkelijke schema vereenvoudigd door een motor stuur ic te gebruiken met low-Rds-on Fet's in de brug.
Ook een ompool beveiliging en stabilisatie voor de voeding toegevoegd.
Na wat prutsen een mooi prototype laten maken bij PCBway en na het bouwen netjes in een vertind blikje van 74x55x30 gemonteerd.

Bij het meten ging er het een en ander collectief mis waardoor het er even op leek dat het project mislukt was maar gelukkig bracht het goed aandraaien van de SMA connectoren uitkomst en ging het werken zoals bedoeld.
Minder als 0,2 dB verlies op 70 cm. is voor een hobby project van onder de  € 20.- (inclusief vertind doosje) aan onderdelen geen slecht resultaat.

Boormal: Nog niet definitief

Schema: PinSw3sma-sch.pdf

BOM: BOM-PinSw3sma.pdf

PinSw3sma v1 top 3d Aangepast 

De print is ondertussen in het 74x55x30 blikje geplaatst maar aan de randen nog niet door gesoldeerd omdat R4, R5, en R6 nog aangepast moeten worden.
Er zit hier nog 330 Ohm op de print maar 220 Ohm is beter.
Ook het geheel even poetsen met een flux remover moet nog gebeuren.

PinSW1 Aangepast

PinSW2 Aangepast

Om vanuit de 10 MHz. referentie de benodigde signalen te maken is er een printje gemaakt met een Arduino pro micro (3,3 Volt/8 MHz.), Si5351 Synthesizer en een aansluiting voor een printje met een ADF4350 of ADF4351.
(Het printje compleet is dezelfde prijs als de losse chip in NL bestellen)

Het grote voordeel van de Arduino pro micro is dat de USB poort al op de print zit en dat er voor de programmering dus niet met een FTDI-adapter geknoeid hoeft te worden.
Klein nadeel is dat de standaard Arduino IDE deze variant niet ondersteund. Gelukkig is dit vrij simpel op te lossen en de informatie hiervoor rijkelijk aanwezig op het internet.
Ook is er voor het programmeren een kabel met een micro-usb plug nodig.
Let wel op dat dit een data kabel is en geen laadkabel zoals er heel veel in omloop zijn.
Voor het programmeren hoeft de print niet extern gevoed te worden en de arduino mag ook gewoon op de print blijven zitten.
Met een laad kabel zullen alle leds wel oplichten maar krijg je nooit communicatie met de chip.

Soms moet zelfs de juiste driver nog geïnstalleerd worden naast de uitbreiding van de IDE.
Zelf heb ik de procedure op deze link gevolgd: klik hier.
Gewoon stap voor stap volgen en dan gaat het goed.

De usb chip op de pro-micro wordt ook in andere apparaten gebruikt dus het kan zijn dat na het aansluiten de arduino direct herkend wordt en een com poort krijgt toegewezen.

Om de software in de Arduino IDE te kunnen compileren en uploaden naar de chip moeten er wel 1 extra bibliotheek aan de IDE toegevoegd worden: 'Etherkit Si5351'
Het toevoegen hiervan is in de laatste versies van de IDE zo simpel geworden dat ik daar hier niet dieper op in ga.
Als de procedure voor het toevoegen van de Micro Pro goed gevolgd is kan nu bij 'Hulpmiddelen'--> 'Board' de 'Sparkfun Pro Micro' geselecteerd worden en bij 'Proccessor' de 8MHz/3,3Volt variant.
Programmeren van het hier te downloaden bestand zou dan probleemloos moeten gaan.
Het programma is zeer minimalistisch en stelt de 4 uitgangen in op een frequentie en verder niet. Verdere uitbreiding zijn aan iedereen om dat zelf te programmeren.

Op de print blijven voorlopig een hoop lege plaatsen.
Met andere Arduino's nogal slechte ervaringen gehad met vastlopen dus er is vast voorzien in een watchdog schakeling met U3 (ATtiny85). De eilandjes kosten niets extra en indien nodig kan de chip er snel in gesoldeerd worden.
De jumpers op de print staan standaard allemaal open dus als er geen filtering op de uitgangen nodig is deze even met een druppel tin kortsluiten (JP2, JP3 en JP4).
Ook bij JP1 moet de keuze met een druppel tin nog gemaakt worden tussen wel of geen verzwakking van het 10 MHz. ingangs-signaal.
Waarschijnlijk zullen de plaatsen voor C's en L's in de uitgangen leeg blijven maar indien nodig kan er met een paar componenten van de bijna blokgolf een benadering van een sinus gemaakt worden.
Als hier een filter geplaatst wordt verdwijnt natuurlijk voor die uitgang wel de mogelijkheid om elke frequentie in het bereik van de chip te kunnen maken.

Er ligt dus nu een bruikbaar geheel voor krap € 17,- aan onderdelen.
(dit is zonder kastje en zonder ADF435x print)
Een ADF4350 is in het verre oosten voor rond de € 10,- te vinden. Beter is de ADF4351 maar die kost dan al snel € 18,- tot € 22,-..

 GPSDO1 Aangepast

Boormal: Nog niet definitief

Schema : Si5351Breakout-sch.pdf

BOM: BOM-GPSDO1.pdf

Software:

Het printje met de ADF435x chip voor de opwekking van een Local oscillator signaal  voor de down converter.
Let bij aanschaf wel op het juiste model anders past het niet op de print.
De keuze voor een ADF4350 of ADF4351 is voor al prijs technisch. De ADF4350 is een stuk goedkoper maar zou volgens de datasheet wel ongeveer 5 dB meer fase ruis geven.
Voor een betere passing wel 1 van de connectoren op de uitgang verwijderd en om problemen te voorkomen ook de spannings regelaar verwijderd.

Op de ongebruikte uitgang 2 100 Ohm weerstanden gemonteerd om deze goed af te sluiten.
R5 verwijderen om de externe ingang voor MCLK te kunnen gebruiken.
Eventueel L1 verwijderen om de oscillator op de print uit te schakelen.

IMG 0897 Aangepast

Eerst even alle SMD componenten gemonteerd met uitzondering van U3 (ATtiny85) en de componenten voor de eventuele filtering van de uitgangen.
U3 hoop ik niet nodig te hebben en de filters kunnen altijd later nog geplaatst worden omdat dit formaat 1206 is.
U1 (Si5351A) is wel even wat lastiger en die is met soldeer pasta (flux met tin korrels) en hete lucht gemonteerd.
Chip aan de ene kant gefixeerd met kapton tape en toen de andere zijde eerst goed laten vloeien. Daarna de kapton tape eraf en de andere zijde verwarmen. Op deze manier blaas je het component niet weg met de hete lucht en de pasta vloeit al goed bij 220 graden dus minder heet als de soldeerbout.

IMG 0899 Aangepast

IMG 0901 Aangepast

Na plaatsing van alle onderdelen bleek de rechte connector voor J5 niet helemaal te werken omdat de SMA van de ADF print geblokkeerd wordt.

IMG 0903 Aangepast

Hier dus toch maar een haaks model geplaatst zodat in ieder geval alles kan werken.

Een en ander snel getest met een minimaal stukje software en zonder filters op de uitgangen en alles werkt.
Tijdelijk de 10 MHz vanaf mijn bestaande BG7TBL GPSDO gebruikt als referentie en daar moest behoorlijk aan de potmeter gedraaid worden om hen niveau op de clock ingang van de Si5351 chip laag genoeg te krijgen.
Als dit niveau te hoog is werkt de chip wel maar ga je de 10 MHz ingangs-frequentie op alle uitgangen terug vinden inclusief alle harmonischen.
De afregeling is niet super kritisch maar ongeveer 1 Volt top-top op JP1 is voldoende.
De ADF435x chip maalt er niet om of er een sinus, blokgolf of iets daar tussen in binnen komt dus de Clk2 uitgang kan ongefilterd naar het opzet printje.
Het zelfde verhaal gaat ook op voor de Clk1 uitgang als je de up-converter van DX-patrol van gebruikt want die maakt ook gebruik van de ADF4351.
De Clk0 uitgang voor de LNB is nog even afwachten of daar een filter nodig is maar ik verwacht het eigenlijk niet omdat daar toch wel een paar meter kabel aan komt en dat zou wel eens genoeg filtering kunnen betekenen.
(Dit is nog iets wat later duidelijker zal worden)

Als je toch filters wil plaatsen dan hieronder een paar voorbeelden:

Frequentie C3 / C6 / C9 C4 / C7 / C10 C5 / C8 / C11 L1 / L3 / L5 L2 / L4 / L6
10 MHz 220 pF 220 pF 220 pF 2700 nH (of 3300 nH) 2700 nH (of 3300 nH)
24 / 25 MHz 82 pF 82 pF 82 pF 1500 nH 1500 nH
27 MHz 68 pF 68 pF 68 pF 1500 nH 1500 nH
40 MHz 56 pF 56 pF 56 pF 820 nH 820 nH

Als sluitstuk is er dan nog een print met een mixer nodig om van de 739 MHz. uit de LNB een 70 cm. signaal te maken. Ook wordt hier de LNB van voeding voorzien en is er als extra een 739 MHz. uitgang voor een SDR ontvanger als monitor.

Print en onderdelen heb ik al maar kan pas getest worden als de frequentie generator klaar is

Boormal:

Schema: Down_convert-sch.pdf

BOM: BOM-DownConvert.pdf

BiasT Aangepast
IMG 0933 Aangepast

Ondertussen is de down converter ook gebouwd.
Ook hier is de volgorde voor het plaatsen ongeveer van klein naar groot en van binnen naar buiten.
Dit leverde bij mij de volgende plaatsing op:

U1 - MAX2680
L5 - 47 nH (0805)
C6 - 270 pF (0805)
C9 - 1,2 pF (0805)
C8 - 1 nF (1206)
C10 - 10 uF / 16 volt (1206)
L4 - 27 nH (0805)
L2, L3 - 8,2 nH (0805)
C5 - 3 pF (0805)
R6, R7, R8, R9 - 82 Ohm (0805)
R4, R5 - 220 Ohm (0805)
R1, R2, R3 - 24,9 Ohm (0805)
C7 - 10 nF (0805)
R10, R12 - 150 Ohm (0805)
R11 - 37,4 Ohm (0805)
C1, C12 - 100nF (1206)
C2, C3 - 220pF (1206)
C4, C11 - 1 nF (0805)
R13, R15 - 8,2 Ohm (0805)
R14 - 140 Ohm (0805)
L1 - 100 nH (1206)
D1, D2 - BAP64-03

Deze volgorde zal voor iedereen mogelijk anders zijn.
De verzwakkers zijn berekend met als uitgangspunt een korte kabel tussen LNB en print. Als deze kabel langer wordt en de demping te hoog dan kunnen de -10dB netwerkjes na de splitter eventueel aangepast worden naar -6dB met behoud van de inpedantie aanpassing van 75 naar 50 Ohm.
R4, R5, R6, R7, R8 en R9 moeten dan herberekend worden.
( -6dB R4, R5 -  2k7 / R6, R7 - 47 Ohm / R8, R9 - 86 Ohm)

!!! C10 zit op de foto verkeerd om gemonteerd !!!

De compleet opgebouwde print ziet er dan uit zoals rechts te zien is.

De print moet eigenlijk in een kastje komen en dan heb je niet het probleem met de lastig te solderen F-connector.
Voor de test werkt het maar deze montage is niet optimaal.

De voeding komt via de 3-polige connector vanaf de Si5351 print.

 

Ook deze print is weer gelukt en voor net € 13,-- een leuk stukje voor het satelliet verhaal erbij.

IMG 0936 Aangepast

En zo staat het dan klaar om getest te gaan worden als geheel.
Een van de uitgangen van Si5351 print op 25 MHz als referentie voor de ADF4351.
De uitgang van de ADF4351 als local oscillator naar de down converter.

IMG 0938 Aangepast

Als een en ander werkt zullen er foto's en meer details toegevoegd worden.

Nadat alles gebouwd was bleek de GPSDO1 print met zijn arduino en Si5351 chip toch wat over de top te zijn en daarnaast was er de wens om een "frequentie fabriek" te maken die wat eenvoudiger was en eventueel ook zonder GPSDO gebruikt kom worden voor vakantie/mobiel gebruik of een transvertor bij de schotel met een enkele 10 MHz ingang om alles op frequentie te houden.

Na het testen van een aantal probeersels is uiteindelijk de Smallref-V3 ontstaan die aan deze eisen voldoet.
De print afmetingen zijn gelijk aan de down-convertor en kan dus eventueel hiermee gestapeld worden.
Er zijn 2 10 MHz uitgangen waarvan er 1 voor de up-convertor is en 1 voor het ADF4351 printje voor de down-convertor.
Daarnaast is er een stabiele 25 MHz uitgang als referentie voor een LNB.
Deze 25 MHz is gekoppeld aan de 10 MHz en loop dus in de pas met up- en down-convertor.

Voor de 10 MHz is weer gekozen voor de Vcxo van CTI die gezien de prijs haast niet te overtreffen is in stabiliteit.
Bij zelfstandig gebruik kan deze met een potmeter op frequentie gezet worden en als de print een beetje beschut gemonteerd wordt gemonteerd geeft dit al een zeer stabiele 10 Mhz die heel goed bruikbaar is.

Voor de mensen die het onderste uit de kan willen hebben qua stabiliteit en nauwkeurigheid is er voorzien in een 10 MHz referentie ingang waarmee de Tcxo aan een externe referentie gekoppeld kan worden.

Er is hier een print voor ontworpen die wel wat drukker is als normaal door de ontwerp keuzes en vaste maat van de down-convertor.
De 10 MHz tak loopt op 5 Volt en de ADF4351 en 25 MHz tak loopt op 3.3 Volt.
Om deze reden en om terugwerking in de IC's te voorkomen is er zoveel mogelijk gekozen voor single poort flip-flop's en xor gates.
Dit maakt de print wel een stuk voller waardoor ook de achterkant gebruikt moest worden.

De opbouw vraagt alleen een vaste hand en gezond verstand.
Om te voorkomen dat je klem loopt met monteren is het zaak om goed na te denken over de montage volgorde.

Zelf ben ik in het midden begonnen met U7 en U8 en toen naar de randen toe de andere IC's en de 25 MHz tcxo X2.
Deze moet in een vrij vroeg stadium gemonteerd worden omdat deze geen pootjes heeft en er eigenlijk tegen de zijkant aan gesoldeerd moet worden.

Hierna kan aan de bovenzijde de rest van de SMD componenten geplaatst worden zoals het voor je gevoel het beste uitkomt.

Zelf heb ik per waarde gemonteerd en C's, R's en L's in willekeurige volgorde.

bouw1 Aangepast

Daarna is de onderkant aan de beurt.
Dit zijn maar een paar onderdelen en vraagt weinig voorzorgen.

Let wel op de polariteit van de elco's.

!!! Klein foutje bij C27. De + staat aan de verkeerde kant !!!

Deze foto is in een iets later stadium gemaakt dus daar zitten ook al wat van de trough-hole componenten gemonteerd.

bouw2 Aangepast

Uiteindelijk kunnen dan aan de bovenzijde alle trough-hole componenten gemonteerd worden.
Het resultaat moet er dan uitzien als rechts op de foto.

SMA links boven is 25 MHz voor de LNB

SMA midden links is 10 MHz uit 1.

SMA links onder is 10 MHz uit 2.

SMA midden rechts is de 10 MHz referentie ingang.

10 polige header rechts onder is voor de ADF4351 module.

4 polige molex midden onder is voor de voeding.
Er zijn 2 aansluitingen.
12 Volt voor de LNB voeding. (mag 13,8 Volt zijn)
7 tot 8.5 Volt voor de logica.. Deze moet laag zijn i.v.m. de stroom van de Tcxo's en de dissipatie van de spannings regelaars.

3 polige molex is voor de voeding naar de down-convertor.

Schema: Smalref-V3-sch.pdf
BOM: BOM-Smallref-V3.pdf

bouw3 Aangepast

Afhankelijk van de uitgangs frequentie van de down-convertor moet de DIP switch in de juiste stand gezet worden om de ADF4351 module de juiste LO frequentie te laten genereren.

 switch00 Miniatuur

10 meter

switch01 Miniatuur

2 meter

switch10 Miniatuur

70 cm

switch11 Miniatuur

Speciaal

In de PIC processor is er ruimte voor een vierde frequentie.
Standaard wordt die voor 70 cm geprogrammeerd +500 kHz.
Om dit te kunnen gebruiken moet de PIC in de up-convertor ook vervangen worden om RX en TX gelijk te trekken.