Yaesu FT-450D RF Tap Modifica per SDR: 8 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Salve a chiunque possa essere interessato, Penso che farei meglio a spiegare prima di cosa tratta questo istruibile. Ci sono tre componenti principali coinvolti in questo progetto come segue:

Lo Yaesu FT-450D è un moderno ricetrasmettitore compatto HF/50MHz in grado di coprire le bande amatoriali di 160-6 metri con una potenza di 100W. Troppe funzioni da elencare, quindi basta cercare su Google la radio se vuoi saperne di più.

SDRPlay è una superba Software Defined Radio a banda larga che copre una gamma di frequenze da 1KHz a 2GHz e consente di visualizzare lo spettro con una larghezza di banda fino a 10MHz.

SDRPlay:

(Non ho alcun legame con l'azienda se non per aver acquistato il loro eccellente prodotto)

Entrambi questi pezzi di equipaggiamento sono superbi di per sé. Tuttavia, lo scopo di questo istruibile è quello di riunire i due pezzi di equipaggiamento e di essere in grado di sfruttare il meglio di entrambi i mondi. Con questo intendo essere in grado di utilizzare la radio FT-450D come è stato concepito (come un ricetrasmettitore radio a banda stretta) ma allo stesso tempo essere in grado di utilizzare il ricevitore SDRPlay per visualizzare il canale a banda larga.

Ciò pone intrinsecamente un problema in quanto sia l'FT-450D che l'SDRPlay devono vedere un'antenna. Un approccio consiste nell'usare semplicemente due antenne. Un secondo approccio potrebbe essere quello di utilizzare una singola antenna ma dividere il percorso RF e trasmettere/ricevere utilizzando la commutazione in linea. Un terzo e preferibile approccio consiste nel prelevare il percorso RF di ricezione dall'interno dell'FT-450D utilizzando un opportuno circuito a basso rumore e presentare il segnale prelevato all'SDRPlay. Quest'ultimo approccio fa sì che sia l'FT-450D che l'SDRPlay vedano essenzialmente la stessa antenna. Il circuito a basso rumore viene alimentato solo durante la ricezione e quindi durante la trasmissione fornisce un sostanziale isolamento proteggendo l'ingresso al ricevitore SDRPlay. Il circuito a basso rumore ha un ingresso ad alta impedenza presentando così un carico minimo al punto di presa all'interno dell'FT-450D. Quest'ultimo punto è importante poiché i punti di presa adatti all'interno dell'FT-450D si trovano su entrambi i lati dei filtri passa banda passivi da 50 ohm. Qualsiasi carico o cambiamento di impedenza introdotto da un circuito aggiuntivo cambierà la funzione di trasferimento dei filtri e ridurrà anche la potenza nel percorso del segnale desiderato.

La maggior parte degli amplificatori a basso rumore (LNA) disponibili in commercio utilizza il feedback per generare guadagno e ha anche un'impedenza di ingresso di 50 ohm - nessuna di queste caratteristiche è desiderabile.

Un semplice circuito tap ad alta impedenza è stato progettato da Dave G4HUP ed era disponibile per l'acquisto. Sfortunatamente, mi risulta che Dave sia morto. Ho preso una parte del progetto e, con modifiche, ho prodotto il mio circuito stampato, testato e montato sul mio FT-450D. È questo processo che costituisce l'oggetto di questo istruibile.

Passaggio 1: creazione dello schema LNA e del layout del PCB

Panoramica

Negli anni ho generato alcuni circuiti stampati (PCB) per prodotti e per uso domestico. All'inizio questo prevedeva l'uso di pannelli rivestiti in rame, trasferibili e penne speciali per disegnare il disegno sul rame. La scheda verrebbe quindi incisa con cloruro ferrico per rimuovere il rame esposto e lasciare le tracce desiderate. È stato anche possibile acquistare una scheda rivestita di rame sensibile alla luce e utilizzare una maschera per produrre un resist prima dell'incisione. Avere una tavola una tantum prodotta commercialmente era molto costoso e richiedeva strumenti che non erano disponibili per gli hobbisti.

Al giorno d'oggi, gli strumenti informatici sono gratuiti e ampiamente disponibili per progettare schede in poche ore, non giorni. Anche i costi di fabbricazione sono crollati con molti produttori economici disponibili in Cina e altrove al di fuori del Regno Unito. Tuttavia, detto questo, avere una singola tavola realizzata non è ancora così economico una volta inclusa la spedizione.

Un altro approccio, e il metodo che ho utilizzato in questo progetto, è quello di fresare la tavola utilizzando una fresatrice CNC. Ovviamente, non compreresti una macchina CNC per fare una tavola, ma avevo già una macchina che è stata utilizzata per molti altri progetti che coinvolgono la fresatura di legno, metallo e vetro.

Per fresare un PCB utilizzando una macchina CNC comporta l'utilizzo di uno strumento di taglio molto fine per fresare l'isolamento attorno alle tracce desiderate, ma non per fresare via tutto il rame. Questo approccio è particolarmente utile quando si costruiscono circuiti RF poiché è preferibile che le restanti isole di rame agiscano come un piano di massa migliorando stabilità e prestazioni. In questo progetto ho utilizzato una scheda rivestita in rame a doppia faccia e ho perforato il collegamento tra le superfici di rame superiore e inferiore.

Progettazione PCB con EasyEDA

Ho provato vari pacchetti di progettazione PCB e mi sono davvero accontentato di un pacchetto chiamato DipTrace. Tuttavia, è sempre più diffuso che i pacchetti di progettazione siano basati sul Web piuttosto che utilizzare un'applicazione autonoma. Non usavo DipTrace da un po' di tempo ero un po' arrugginito, quindi ho guardato in giro online e ho trovato uno strumento di progettazione basato sul web chiamato EasyEDA. Ho trovato questo strumento eccellente, molto intuitivo e semplice da usare. Molto facile generare uno schema in pochi minuti e poi convertirlo in un PCB, l'intero processo ha richiesto meno di un'ora comprese alcune modifiche e perfezionamenti. I progettisti di strumenti ovviamente sperano che utilizzerai le strutture di fabbricazione fornite, ma è ancora possibile esportare un progetto in formato gerber standard del settore per l'utilizzo da parte di una catena di strumenti successiva.

Passaggio 2: utilizzo di FlatCAM per creare percorsi di geometria e utensili

Dopo che EasyEDA è stato utilizzato per creare lo schema e il layout del PCB, il passaggio successivo consiste nel creare percorsi di utensileria e infine gcode per controllare la fresatrice CNC. Ho provato vari software per raggiungere questo obiettivo e alla fine ho optato per FlatCAM. Questo software è gratuito, stabile e abbastanza intuitivo da usare. Utilizzando i percorsi degli utensili FlatCAM per la scheda, il taglio e la foratura possono essere creati molto rapidamente. C'è anche un editor di geometria molto facile da usare se qualcosa richiede un ritocco. Nel video che fa parte di questo passaggio mostro come viene utilizzato FlatCAM per importare file gerber ed eseguire alcune modifiche di base. Sono disponibili molti video dettagliati che mostrano come utilizzare lo strumento end-to-end. Ho coperto solo le modifiche che dovevo fare specificamente per questo progetto.

Passaggio 3: il processo di fresatura - Macchina CNC in azione

Ok, negli ultimi passaggi è stato ottenuto quanto segue:

- Lo schema del circuito è stato acquisito utilizzando EasyEDA.

- Dallo schema è stato realizzato il layout del PCB anche utilizzando EasyEDA.

- Sono stati creati file Gerber per la scheda e sono stati generati anche file di drill.

- FlatCAM è stato utilizzato per creare/modificare la geometria del percorso e generare gcode per la scheda e il ritaglio.

- FlatCAM è stato utilizzato per importare e ridimensionare il file di drill risultando anche in gcode.

Quindi ora abbiamo tre file gcode per la scheda, il ritaglio e la perforazione.

La fase successiva consiste nell'iniziare effettivamente a fresare alcune schede. La scheda che ho usato è una scheda rivestita in rame a doppia faccia in fibra di vetro. Avrei potuto ordinarlo online, ma in realtà ho scoperto che Maplin ha fatto un bel foglio grande a un buon prezzo e l'ho avuto in mano entro un'ora - volevo solo ottenere la fresatura!

La mia fresatrice è una Sable 2015 e uso il software Mach3 per controllarla. Per fresare il rilievo del binario della tavola ho usato una fresa a candela da 0,5 mm. Per il taglio e i fori della tavola ho usato una fresa a candela da 1,5 mm. Per fresare attraverso la scheda ovviamente hai bisogno di qualcosa da fresare sotto il PCB - il mio letto di fresatura è in alluminio spesso e non vuoi fresare in quello! Ho scoperto che per i PCB il materiale migliore da utilizzare sotto il PCB è un pannello di gommapiuma spesso 5 mm. Puoi acquistare questo pannello di gommapiuma molto a buon mercato online o nei negozi di artigianato. È facile da tagliare con un coltello da modellazione e ha uno spessore molto uniforme. Il pannello rivestito di rame è montato sul pannello di gommapiuma utilizzando un sottile nastro biadesivo. Anche il pannello di gommapiuma è montato sul letto CNC utilizzando lo stesso nastro: non ho mai avuto un pannello che si liberasse o si muovesse durante la fresatura.

La fresa a candela da 0,5 mm è ovviamente piuttosto fragile e quindi mantengo la mia velocità di avanzamento a 60 mm/min. Uso la stessa velocità di avanzamento per il ritaglio in modo da non rimuovere il sandwich PCB/schiuma dal nastro di fissaggio.

In allegato è un video che mostra l'azione del processo di fresatura:)

In allegato anche tre immagini delle tavole finali. Un'immagine mostra il primo tentativo con la scheda e piccole aree di rame indesiderato possono essere viste in modo più evidente tra i pad dei transistor. Al secondo tentativo, queste aree di rame indesiderate sono state rimosse aggiungendo la geometria in FlatCAM. La terza immagine mostra la scheda finale popolata di componenti.

Dopo aver popolato la scheda è stato somministrato uno spray molto leggero con lacca per fermare l'appannamento e lo scolorimento del rame.

Passaggio 4: risposta in frequenza della scheda finita

La scheda popolata finita è stata caratterizzata mediante un analizzatore di spettro. L'analizzatore è stato impostato per spazzare la frequenza da 10KHz a 30MHz e misurare il guadagno. Il guadagno è stato misurato anche con l'alimentazione spenta per simulare ciò che accade nella radio quando stiamo trasmettendo e richiede un buon isolamento tra il ricetrasmettitore FT-450D e il ricevitore SDRPlay.

Il livello di ingresso all'LNA era -40dBm

Immagine 1 - Marker impostato a 7.1MHz il guadagno dell'LNA è +2.5dB

Immagine 2 - L'alimentazione all'LNA è disattivata e mostra un isolamento >34dB

Immagine 3 - Roll off a bassa frequenza -3dB a 1.6MHz

Essenzialmente sulle bande amatoriali HF l'LNA è piatto da 3 MHz a 30 MHz (era piatto fino a ~ 500 MHz)

Passaggio 5: analisi dello Yaesu FT-450D per un rubinetto RF e una presa di corrente adatti

Prima che la scheda LNA possa essere montata sull'FT-450D, è necessario identificare un punto di presa RF e un punto di alimentazione adatti. Ciò è stato ottenuto utilizzando il manuale di servizio radio e osservando prima lo schema a blocchi del ricevitore prima di perfezionare la scelta del punto di presa RF utilizzando lo schema.

Prima di tutto volevo che l'SDR vedesse l'antenna collegata all'FT-450D prima di qualsiasi fase di conversione IF, quindi questo ha ristretto considerevolmente l'indagine. Prima del primo mixer IF c'erano due ovvi punti da sfruttare. Una volta che il segnale Rx entra nella scheda RF-IF dalla scheda PA, passa attraverso le seguenti fasi:

- Protezione contro le sovratensioni in ingresso

- Attenuazione di ingresso commutabile (relè) 20dB

- Una serie di otto filtri passa banda commutati che si escludono a vicenda

- Preamplificatore IPO commutabile (relè)

- Mixer IF primo stadio (1° mixer guidato LO)

Quindi i due punti di interesse essenzialmente si sono ridotti a prima o dopo il filtraggio passa banda. Volevo che l'SDR vedesse più segnale possibile, quindi ho deciso di intercettare appena prima della rete del filtro passa banda. Ricorda che l'LNA utilizzato per intercettare il segnale ha un ingresso ad alta impedenza e quindi l'effetto sul percorso del segnale radio sarà minimo.

L'altra area da considerare è dove la scheda LNA otterrà il suo potere. Fortunatamente lo schema dell'FT-450D è abbastanza chiaro e ben annotato e quindi è possibile localizzare un punto di alimentazione adatto. Il punto di alimentazione scelto alimenta l'LNA durante la ricezione ma spegne l'LNA durante la trasmissione. Questo isola l'ingresso SDR di >30dB durante la trasmissione. Il consumo di corrente dell'LNA alimentato è di ~9mA.

Le immagini allegate mostrano quanto segue:

- Il punto di presa RF mostrato sullo schema a blocchi

- Il punto di presa RF mostrato nello schema

- Il punto di prelievo RF mostrato sul layout della scheda

- Il punto di presa dell'alimentazione LNA mostrato nello schema

- Il punto di presa dell'alimentazione LNA mostrato sul layout della scheda

Passaggio 6: montaggio della scheda LNA sullo Yaesu FT-450D

Ora che la scheda LNA è stata fabbricata, caratterizzata e individuato un punto di presa adatto, è giunto il momento di adattare effettivamente la scheda all'FT-450D.

A questo punto è consuetudine sottolineare che si esegue questa modifica a proprio rischio. Non è complicato ma c'è sempre il rischio di danni e personalmente non effettuerei questa modifica su una radio che era ancora in garanzia - sono sicuro che la garanzia sarà nulla dopo la modifica. Ho acquistato il mio FT-450D di seconda mano da ebay, quindi nel mio caso non c'è alcuna garanzia di cui preoccuparsi.

Se decidi di eseguire una tale modifica, procedi con attenzione e metodicamente - usa il vecchio saggio detto che si applica alle situazioni più delicate … misura due volte e taglia una volta:)

Ho deciso di non praticare alcun foro nell'involucro dell'FT-450D, ma di montare l'SDR sul lato dell'FT-450D e di estrarre un cavo volante con terminazione SMA da avvitare direttamente nell'ingresso dell'antenna SDR. Il cavo volante è fissato al punto di uscita della radio per fornire uno scarico della trazione.

Vedi immagini allegate….

Passaggio 7: l'SDR in azione proveniente dal tap RF tramite la scheda LNA

A questo punto c'è un breve video che mostra la radio SDR in funzione con la sua sorgente d'antenna che è il collegamento dell'antenna FT-450D tramite la scheda LNA. Questo test è stato condotto a tarda notte e la band è un po' morta, ma la risposta dell'SDR è come previsto. Quando l'FT-450D sta trasmettendo, l'ingresso all'SDR viene effettivamente silenziato a causa dell'isolamento della scheda LNA quando non è alimentato.

Passaggio 8: conclusione

Beh, soprattutto questo istruibile è stato molto divertente e sono molto soddisfatto del risultato. Come tutti i buoni progetti ci sono tre obiettivi primari…. per apprendere nuove competenze, per rendere il progetto un successo e per condividere le conoscenze con chiunque abbia voglia di leggere fino a qui.

A questo punto tolgo il cappello al compianto Dave G4HUP. Se non fosse stato per il lavoro di Dave questo progetto non si sarebbe concretizzato. Non posso rivendicare il design originale dell'LNA come mio, ma solo di aver preso un design e di aver tentato di realizzarlo a modo mio. Posso solo sperare che Dave approvi che il suo lavoro venga sviluppato e condiviso con altri.

In conclusione il progetto è stato un successo.

Non esitare a rispondere a qualsiasi domanda e farò del mio meglio per rispondere.

Distinti saluti, Davide (G7IYK)