DIY
Proste i tanie nadajniki radiowe mają sporo zalet, jak np. niski stopień złożoności oraz rozsądne koszty zakupu. (…) Ostatnimi czasy eksperymentowałem z samodzielnie wykonanymi nadajnikami na 2 metry, będącymi niczym innym jak oscylatorem na kwarcach 48 MHz w układzie Pierce’a:
Banalnie prosty układ – mikrokontroler pozwala na uzyskanie prymitywnej modulacji FM/AM, włączając lub wyłączając nadajnik odpowiednio często. Kondensator w szeregu z rezonatorem kwarcowym pozwala podjechać kilka kHz w górę z częstotliwością, ale nie za mocno – overtonowy kwarc niechętnie zmienia swoją fabryczną częstotliwość pracy. Moc na wyjściu to niecałe -20 dBm na interesującym nas paśmie UKF – więcej na 48 MHz. Pobór prądu to ok. 2-3 miliampery. Z anteną typu dipol, taki nadajnik słychać w płaskim, lekko zalesionym terenie na ok. 300 m, słuchając na ręczniaku z małą anteną. Napięcie zasilania – od 2 do kilkudziesięciu V.
Podstawowe wady w/w układu, to brak możliwości regulacji częstotliwości w sensownym zakresie oraz niewielka moc. Przeprojektowując układ na oscylator Collpittsa i stosując lepszy tranzystor, dodając obwody pasmowe, pewnie dałoby się uzyskać lepszą elastyczność strojenia, większą moc i sprawność – kosztem złożoności konstrukcji. W Internecie nie ma zbyt wiele źródeł inspiracji, a proces eksperymentatorski jest dość powolny. Podobne układy tworzone są często przez… biologów – którzy wykorzystują je do śledzenia zwierząt, ale brakuje im solidnej, inżynierskiej ręki osoby dobrze zaznajomionej z technikami konstrukcji w. cz.
BUY
Klubowy kolega SQ3NIK podesłał mi link do ciekawych modułów nadawczych na pasmo ISM 433 MHz, wykorzystujących układ scalony SYN115.
W odróżnieniu od “klasycznych” nadajników ISM, tutaj od razu w oczy rzuca się oscylator kwarcowy o częstotliwości 13,56 MHz. Większość modułów ISM, które spotykałem do tej pory, zbudowana była na “pastylkowym” oscylatorze, który cechował się bardzo słabą stabilnością, jak i totalnym brakiem możliwości przestrajania. Ten układ jest niczym innym jak powielaczem częstotliwości *32 (13,56 * 32 = 433,92) wykorzystującym PLL. Niewątpliwą zaletą jest koszt – ok. 2 PLN za sztukę, tj. całą płytkę, odpowiadającą przykładowej aplikacji układu SYN115 z noty katalogowej.
Pierwszą rzeczą którą zrobiłem po otrzymaniu płytek, było sprawdzenie możliwości przestrajania. Odlutowałem jedną nogę kwarcu i w szereg z nią podłączyłem trymer – okazało się, że bez problemu mogę odstroić urządzenie z fabrycznej częstotliwości 433,960 MHz aż do 434,250 – prawie 300 kHz! Odpowiednio zmniejszając pojemność da się uzyskać jeszcze większą zmianę, aż do ok. 0,5 MHz.
Niemiłym zaskoczeniem była natomiast moc wyjściowa. Widząc pobór prądu w okolicach 12-14 mA, spodziewałem się, że układ da na wyjściu moc zbliżoną do tego co jest napisane w PDFie, czyli ~10 mW (+10 dBm). Niestety, trzy zmierzone sztuki na wyjściu produkowały tylko -10 dBm (0,1 mW), sto razy mniej niż oczekiwałem. Sprawność na poziomie 0,3% to także nie jest rewelacja. Tymbardziej dla urządzenia, które ma być zasilane bateryjnie i zostawione w jakiejś lokalizacji terenowej, żeby ktoś wyposażony w kierunkową antenę mógł je znaleźć.
Pierwsze próby ustalenia “o co chodzi” zacząłem od wylutowania elementów L/C służących za dopasowanie/filtr i obejrzenia wyjścia za pomocą analizatora widma. Okazało się, że bez filtra, na wyjściu udało się uzyskać +5 dBm, czyli 3 miliwaty. Zmiana o 15 dB, w teorii (czyli: w pustej przestrzeni) powinna zwiększyć zasięg ponad pięciokrotnie. Dokładniejsza analiza wykazała, że wartości elementów tworzących filtr w nocie katalogowej nie są przewidziane dla wyjścia 50 Ohm, ale dla małej anteny w postaci ścieżki na PCB.
Pozbycie się filtru, oprócz zwiększenia mocy na pożądanej częstotliwości, zwiększyło też emisję harmonicznych – sygnały na 868 i 1296 MHz zbliżają się do -10 dBm, czyli tylko ~-15 dBc.
Układ SYN115 przewidziany jest do pracy w “europejskim” paśmie ISM 433, jak i w amerykańskim odpowiedniku na 315 MHz. Podmieniając kwarc z 13,56 na 13,5 MHz, układ ochoczo pracuje na 432 MHz. Częstotliwość można zwiększać, umieszczając (coraz to mniejszą) pojemność w szeregu z kwarcem, aż do ok. 432,500 – choć wtedy układ staje się dość czuły na otoczenie, a indukcyjności wyprowadzeń elementów zaczynają odgrywać widoczną rolę.
Sterowanie częstotliwością za pomocą pojemności można wykorzystać do zrealizowania prostego modulatora FM. Elementem zmiennej pojemności może być np. dioda krzemowa – popularna 1N4001. Pojemność złącza P-N jest zależna od przyłożonego do diody napięcia:
Włączając taką diodę w szereg z rezonatorem kwarcowym, możemy wykorzystać ją jako przestrajaną pojemność:
Układ jest banalnie prosty, ale działa – pozwala na przykład na realizację transmisji SSTV, podając audio z komputera. Działa.
Nie można wymagać przesadnie wiele od gotowego urządzenia kosztującego mniej niż puszka słodzonej, gazowanej wody, ale warto pamiętać o kilku podstawowych wadach i ograniczeniach:
- niska sprawność energetyczna – jeśli chcielibyśmy wykorzystać SYN115 jako nadajnik ARDF, to należy zapewnić mu sensowne źródło energii, gdyż niestety, zamiana prądu DC na RF odbywa się z bardzo niewielką sprawnością
- emisja harmonicznych – na poziomie -10 dBm, warto zadbać o dodatkowy filtr – dla przyzwoitości, bo jednak przy tak małej mocy, szansa na zakłócenie czegokolwiek jest dość nikła, ale nie zerowa, plus – nie można i nie wypada
- moim zdaniem największa wada – szum fazowy; układ oprócz generowania fali nośnej, generuje też szerokopasmową górkę szumu, o mocy ok. -30 dBc rozciągającą się wokół częstotliwości środkowej
Producent twierdzi, że wartości szumu fazowego powinny być lepsze niż -70 dBc w odległości 100 kHz i -80 dBc dla 1000 MHz, ale jak widać, to nie pierwszy raz kiedy datasheet ma mało wpsólnego z rzeczywistością. Nie podejrzewam reszty układu (oprócz samego scalaka) o wytwarzanie tak spektakulatnej górki szumu, bo tam nie ma zbytnio jak i czego zepsuć.
W praktyce i prostymi słowami: układ, oprócz pożądanego sygnału, generuje też szerokopasmowe zakłócenia o mocy o pięć eSów niższej, powodując zakłócenia dla innych użytkowników eteru. Z tego powodu, nie zalecam umieszczania nadajników zbudowanych w oparciu o SYN115 w wysokich lokalizacjach ani stosowania dobrych anten – szczególnie, jeśli zamierzamy nadawać sygnał o wysokim współczynniku wypełnienia.
Do małego nadajnika zawieszonego na drzewie – nada się w sam raz, tymbardziej, że rozmieszczenie kilku sztuk na sąsiednich kanałach to kwestia tylko dobrania kilku kondensatorów. Praktyczne testy SYN115 ogołoconego z filtra wyjściowego, z anteną 1/4 lambda na parapecie pierwszego piętra, modulowanego on/off, dały odbiór na dystansie ponad 1000 metrów, bez widoczności optycznej – za to z kilkoma solidnymi, 5-piętrowymi blokami po drodze, tak więc +5 dBm ~= 3 mW to wystarczająca moc do zabawy w szukanie nadajnika na ograniczonym terenie.
73 / SQ3SWF