A Homebrew Poor Man Antenna Analyser (HPMAA) Scalar Methode – 1st Report

HPMAA Prototype

This sharing was written in Bahasa Indonesia, for foreign readers please download english version here. English Version

Dari dahulu saya telah penasaran dengan sebuah RF Tool yaitu Antenna Analyser, karena secara cerdas ia mampu memberikan interpretasi terhadap nilai impedansi dan SWR dari seutas kabel sekalipun, padahal untuk menurunkan rumus impedansi sebuah antenna yang tidak standar bentuknya sangatlah sulit, kecerdasan alat ukur ini berkat sebuah jembatan resistive yang berfungsi sebagai timbangan. Metode dan teknik yang dipakai untuk membangun sebuah antenna alayser rupanya cukup beragam, mulai dengan menggunakan teknik paling sederhana yang membandingkan tegangan maju dan mundur sehingga terbaca hanya SWR-nya saja sampai dengan yang lebih rumit, yang mampu menampilkan berbagai informasi seperti frekuensi, SWR, Resistansi Input Antenna (R) dan Reaktansi Input Antenna (X) yang lengkap dengan polarisasinya, juga termasuk efisiensi antenna. Bahkan tidak sedikit antenna analyser tersebut dibangun dengan menggunakan mikrokontroller untuk menyelesaikan operasi-operasi matematika, penghitungan frekuensi, Huff-Puff bagi VFO-nya atau juga sebagai data logger bersama dengan sebuah PC atau Laptop.

PCB Development

Kali ini saya tertarik dengan sebuah metode yang cukup moderate, yaitu tidak terlalu sederhana namun juga tidak terlalu komplek. Operasi-operasi matematika, pembacaan frekuensi dan data logger via RS-232 ke komputer dilakukan dengan bantuan sebuah mikrokontroler AVR ATMEGA-8. Week end project ini cocok mensolusikan para AR yang sensitive terhadap cost, sehingga saya sebut dia sebagai “A Homebrew Poor Man Antenna Analyser [HPMAA] – Vector Methode“. Sebutan terakhir yaitu Scalar Methode mendeskripsikan metode matematis yang digunakan dalam week-end project ini. Metode ini cukup umum dan banyak digunakan dalam berbagai anatenna analyser komersial (misalkan MFJ) maupun homebrew. Beberapa design homebrew yang menggunakan metode ini diantaranya adalah VK5JST dan ZL2PD. Namun demikian, rancangan VK5JST yang paling populer, karena dia membuatnya ke dalam kit dan dijual secara internasional melalui South Coast Amateur Radio Club (SCARC) Australia, seharga sekitar Rp.1.5 Juta dengan ongkos kirim. Karena saya hanya berkonsentrasi untuk memenuhi rasa penasaran saya, maka saya memutuskan untuk membuatnya dengan komponen lokal dan penyesuaian-penyesuaian seperlunya. Pada saat menulis sharing ini, project belum komplit selesai 100%, karena tujuan utama saya adalah melakukan eksploring dan memenuhi rasa penasaran saya, sambil memberikan alternatif solutif bagi AR di YB-Land yang membutuhkan membuat Antenna Analyser sendiri dengan berbahan komponen lokal.

Schematic

Beberapa modifikasi dan penyesuaian yang saya lakukan dari design asli VK5JST adalah sebagai berikut:

• Mikrokontroler, saya melakukan penggantian mikrokontroler dari versi aslinya PICAXE128 menjadi AVR ATMEGA-8, karena PICAXE tidak umum dijumpai di pasar lokal (khususnya Bandung). AVR jauh lebih gampang ditemukan, ATMEGA-8 harga normalnya hanya sekitar Rp.20.000/buah, sehingga cukup ramah bagi kantong kita. Karena mikrokontroler yang digunakan berbeda dari aslinya, maka saya harus memrogram firmware-nya sendiri dengan menggunakan basis teori matematika “Vector Analysis” yang diadopt oleh tool ini.
• Rangkaian dan PCB, beberapa blok rangkaian telah saya modifikasi diantaranya adalah bagian minimum system Mikrokontroler AVR ATMEGA-8 dan Ekstenal Pre-Scaler untuk Penghitung Frekuensi. Dengan demikian PCB juga berbeda dari aslinya, namun komponen layout saya sesuaikan dengan design asli. PCB saya design dengan menggunakan software gratis EAGLE, pada versi ini masih ada sedikit hal yang masih bisa diimprove. Namun demikian, PCB ini masih valid. Saya menggunakan design double side PCB, dimana salah satu sisi hanyalah clading ground dimaksudkan untuk memperkecil kemungkinan timbulnya parasitik, karena rangkaian bekerja pada band HF.
• Feature, feature atau fasilitas dari tool ini juga saya kembangkan berbeda dengan aslinya, yaitu mampu memberikan informasi hasil pengukuran frekuensi (Mhz), SWR, R (Ohm) dan X (Ohm) tanpa polarisasi, karena merupakan keterbatasan dari metode vector analysis. Selain itu, saya juga melengkapinya dengan kemampuan “Debugging Mode” dan “Data Logger Mode”. Pada posisi Debugging Mode, tampilan LCD akan memberikan hasil pengukuran jumlah clock untuk perhitungan frekuensi serta besar tegangan masing-masing detektor diode yang digunakan dalam pengukuran. Sementara pada Data Logger Mode, tool akan secara otomatis mengirimkan seluruh hasil pengukuran ke komputer melalui koneksi serial RS-232 (USART).

Component Layout

Untuk lebih memudahkan pembaca dalam mencerna sharing ini, maka saya tidak akan secara detail menggambarkan metode pengukuran yang digunakan didalamnya, yang melibatkan rumus-rumus matematika, hukum-hukum rangkaian elektronik dan logika-logika yang cukup membosankan. Namun cara kerja rangkaian akan saja sampaikan secara umum saja, sebagai berikut: Rangkaian ini secara umum terdiri dari 5 blok utama, yaitu:

1. Voltage Regulator
2. VFO (Variable Frequency Oscillator)
3. Diode Detector
4. DC Voltage Amplifier, dan
5. Mikrokontroler

Voltage Regulator

Blok ini menggunakan komponen umum regulator tegangan yaitu 7812 (12 Volt) untuk supplay sebagian blok VFO dan Voltage Amplifier serta 7805 (5 Volt) untuk supply sebagian blok VFO dan Mikrokontroler. Tidak ada yang istimewa disini, namun regulasi yang baik terhadap tegangan masuk perlu dilakukan karena akan berpengaruh terhadap kestabilan VFO dan juga batas-batas kerja Mikrokontroler yang digunakan disini. Dalam rangkaian, saya masih menggunakan 2 buah 7805, terpisah untuk Mikrokontroler dan Sisa rangkaian lainnya, namun kita dapat menyatukannya cukup dengan satu buah 7805.

VFO

The result is perferct and gain correct calculation

Design VFO asli tetap saya pertahankan, namun beberapa komponen dalam percobaan saya ganti dengan menggunakan komponen lainnya. Misalkan adalah transistor menggunakan 2N3904 dan 2N2222, Resistor 10 Ohm pada transistor pencuplik tegangan pada rangkaian feedback saya ganti dengan VR 1k Ohm untuk mencari titik terbaik feedback AGC. Walaupun rangkaian VFO didesain untuk mencover band HF sd 30MHz, namun dengan komponen yang saya gunakan, VFO dapat bekerja dengan baik hanya sampai dengan frekuensi 20MHz, frekuensi diatas 20MHz produksi sinyalnya bukan lagi sinusoidal murni, namun terkontaminasi dengan harmonik sehingga hasil pembacaan belum memuaskan (pada pengukuran beban 50 Ohm, masih terbaca beban > 60 Ohm) ini masih menjadi PR buat saya. Bentuk sinyal yang terbaca dari Oscilloscope terlihat cacat, walaupun masih dikenali sebagai sebuah sinyal sinusoidal. Bila ada perbaikan pada desain ini akan saya tuliskan pada part-part berikutnya.

Distortion signal, hence gains wrong calculation

VFO bekerja dengan dilengkapi sebuah rangkaian AGC. Penggenerasian atau osilasi dilakukan dengan tank L/C, dimana C dibentuk dari sebuah varco plastik monoband dan beberapa L untuk mengcover beberapa band frekuensi yang digerakkan dengan sebuah rotary switch 6 anak. Komponen aktif yang digunakan untuk menggenerasi osilasi adalah 2 buah transistor yang bekerja secara differensial, membuatnya mampu bekerja secara broadband. Sebuah buffer digunakan untuk mengosilasi oscillator dengan tingkat selanjutnya, disitu juga sinyal keluaran dicuplik untuk kemudian disearahkan dengan sebuah diode menjadi tegangan DC yang berayun sesuai dengan amplitudo sinyal tergenerasi. Tegangan DC ini kemudian menyetir sebuah transistor yang difungsikan layaknya sebuah potensiometer, yang akan mengecil resistansinya saat input yang berupa tegangan DC tadi membesar dan sebaliknya. Kala terjadi pembesaran resistansi antara kutub Collector dan Emitter dimaksud, maka arus yang melalui kedua transistor penggenerasi osilasi menjadi kecil, akibatnya gain juga mengecil, maka amplitudo sinyal keluaran juga akan mengecil. Demikian seterusnya, sehingga efek AGC dapat terjadi. Untuk mendapatkan amplitudo yang cukup besar pada diode detector, maka sinyal keluaran oscillator ini dikuatkan lagi dengan 3 tingkat broadband small signal amplifier.

Diode Detector

Vector Analysis

Diode detector yang digunakan dalam metode scalar analysis menggunakan 3 buah titik ukur, yaitu Vin adalah tegangan masukan ke diode detector, V50 tegangan pada sisi timbangan resistif 50 Ohm, dan Vout tegangan pada beban yang sedang diukur. Dengan melakukan evaluasi terhadap ketiga tegangan ini maka akan diketahui nilai input impedansi beban yang sedang diukur serta SWR-nya. Diode detector dibangun dengan diode germanium misalkan 1N34 atau sejenisnya, karena diode ini merupakan jenis rectifier diode yang dapat bekerja sampai band HF serta memiliki arus maju yang cukup kecil, sehingga memiliki akurasi diode detector akan menjadi lebih bagus kalau dibandingkan menggunakan jenis diode silikon yang memiliki arus maju lebih besar seperti 1N4148. Walaupun demikian, bukan berarti diode silikon tidak bisa digunakan disini. Dengan menggunakan diode silikon seperti 1N4148, maka anda akan kehilangan sedikit akurasi dari diode detector. Karena sifat alami diode yang tidak linear diawal-awal saat ON, maka dapat mengakibatkan ketidakakuratan pada daerah tersebut dan menjadikannya salah satu kelemahan dari diode detector. Pada metode-metode pengukuran antenna analyser lainnya, detector jenis ini dihindari dalam rangka mendapatkan akurasi lebih namun dengan menambah kompleksitas rangkaian.

DC Voltage Amplifier

Blok ini memiliki 2 fungsi sekaligus, yaitu mengkompensasi ketidaklinearan diode diatas dengan memberikan rangkaian feedback negatif dengan memanfaatkan diode yang identik dengan yang digunakan pada diode detector dan juga untuk memperkuat tegangan DC yang akan masuk ke mikrokontroler, yang dilengkapi dengan sebuah pengatur gain sehingga besar tegangan yang akan dijadikan sebagai input perhitungan dapat diadjust sesuai dengan kondisi idealnya. Pengatur gain ini merupakan kompensasi dari ketidakidealan pada diode detector, misalkan ketidakidentikan resistansi dalam diode, besarnya resistansi dan sebagainya. Blok ini dibentuk dengan memanfaatkan OP-AMP murah meriah, yaitu LM324, TL084 atau TL074 saling dapat menggantikan. Jenis OP-AMP lain juga bisa digunakan dengan penyesuaian letak kaki-kaki OP-AMP.

Mikrokontroler

FreqCounter Testing

Mikrontroler menerima dua macam input eksternal, yaitu ketiga tegangan keluaran DC Voltage Amplifier yaitu Vin, V50 dan Vout dan Sinyal Clock dari Pre-scaler eksternal untuk digunakan menghitung frekuensi. Keluaran dari DC Voltage Amplifier masuk ke mikrokontroler melalui 3 buah port ADC (Analog to Digital Converter), sementara sinyal clock melalui TCK0. Ketiga tegangan masukan DC dimaksud kemudian diolah untuk mendapatkan nilai yang ditampilkan ke LCD berupa Input Impedansi Antena R dan X serta SWR, sementara sinyal clock setelah diproses akan ditampilkan dalam bentuk Frekuensi (MHz). Saya melengkapi sebuah port pemrograman in circuit sehingga kita tidak perlu mencabut IC mikrokontroler dari socket-nya ketika kita melakukan programming terhadap mikrokontroler. Selain itu port komunikasi serial via RS232 (USART) juga disediakan untuk digunakan sebagai logger. Terminal untuk mengaktifkan menu maupun sending data ke PC juga tersedia, termasuk terminal untuk melakukan resetting mikrokontroler. Pengatur backlight dan contrast LCD disediakan dan terinstal pada PCB, sehingga mudah untuk mengatur penampilan LCD. Untuk memudahkan instalasi LCD, disediakan port khusus yang bisa dipasang dan dilepas. Karena secara teori dengan Xtal clock 8MHz mikrokontroler hanya mampu mengukur sinyal masukan setinggi 8MHz, maka saya menambahkan sebuah prescaler eksternal sebelum masuk ke mikrokontroler. Prescaler berfungsi untuk menurunkan periode pencacah/sampler. Sebuah penguat depan sederhana ditambahkan untuk memperkuat amplitudo sinyal sebelum masuk ke prescaler.

PERFORMANSI SEMENTARA

Saya menyebutnya sementara disini, karena memang week-end project ini belum selesai 100%, masih saya kembangkan dan evaluasi, sebab tujuan utama membuat tool ini memang untuk mengobati rasa penasaran saya terhadap tool antenna analyser. Secara umum antenna analiser ini cukup akurat dalam menerjemahkan nilai load resistive murni yang saya gunakan, yaitu mulai 26, 50 dan 110 Ohm pada range frekuensi antara 1.6 sd 18 MHz. Pada frekuensi diatas 18MHz pembacaan mulai tidak akurat. Setelah dievaluasi hal ini disebabkan oleh sinyal keluaran VFO diatas 18MHz masih belum berbentuk sinusodal sempurna sehingga sinyal tersebut memiliki harmonik yang cukup banyak, yang menyebabkan response load akan memberikan resultan untuk beberapa frekuensi sekaligus, baik fundamental maupun beberapa harmonik frekuensi yang diproduksi oleh VFO. Improvement terhadap performansi VFO ini masih menjadi PR saya dengan tetap menggunakan komponen lokal. Material terkait dengan week-end project sampai dengan tahap ini dapat didownload dibawah ini, dapat bila ada perbaikan akan saya tuangkan dalam update pada part-part berikutnya.

FILE-FILE PROJECT

Development Diary This diary describes several added information and proggress during development, It has not been over yet and will be update to the next reports.

YD1CHS_HPMAN_AT8.hex [Please remove a pdf extension *.pdf to become *.hex]

PCB Top Layer

PCB was designed using double layer in order to minimize a parasitic effect since it was worked at High Frequency (HF). Please keep the connection as short as possible. Left PCB is the top layer, it should be connected into ground lead on the bottom layer.

PCB Bottom Layer

The left PCB is bottom layer. Several added connection are required, please refer to the Development Diary above. I will update the PCB on the near future at next blog page, so that please stay tune on this blog.