Das Weihnachtsgeschenk

In der allseits bekannten Zeitschrift FUNKAMATEUR wurde in den Heften 3-4/2017 ein Bausatz für einen vektoriellen Antennenanalyzer FA-VA4 vorgestellt. Das Christkind hat mich dann am 24.12.2017 (nach genauer verheriger Instruktion ;-)) sehr zu meiner Freude mit diesem Bausatz "überrascht". Er kam, wie auf dem Bild ersichtlich, in einer stabilen bunt bedruckten Kartonbox beim Autor an. Den schützenden Überkarton hatte das brave Christkind bereits entfernt ;-))
Der einfach aufzubauende und hochwertige Bausatz wurde von OM Michael DG5MK entwickelt und zwar im Hinblick auf möglichst günstige Gestehungskosten, ohne jedoch an Messgenauigkeit einzubüssen. Ich muss nach meinen ersten Tests vorausschicken, das dies OM Michael in vervorragender Weise gelungen ist.
Laut Editorial im Heft 1/2018 der Zeitschrift war daher das Jahr 2017 "Das Jahr des Antennenanalysator Bausatzes FA-VA4". DIe Erste Serie war bereits vor dem Auslieferungsbeginn durch die bis dahin eingetroffenen Vorbestellungen komplett ausverkauft!

Auspacken!

Im Karton befindet sich zuoberst ein Heftchen mit der ausführlichen und reich bebilderten "Bau- und Bedienungansleitung".
Nach Herausnehmen desselben, findet man darunter linkerhand einen rosa gepolsterten ESD-Schutzbeutel. Er enthält die bereits vollständig mit den SMD-Bauteilen bestückte Platine und das grafische DIsplay mit der orangen LED-Hintergrundbeleuchtung.
Rechts daneben liegt das bedruckte und sauber vorgestanzte Gehäuse aus eloxiertem ALU. Nach Hochheben des Deckels findet man darin ein Plastiksäckchen mit den wenigen bedrahteten Bauteilen, die noch zu löten sind, den beiden AA-Batteriehaltern sowie diverses Befestigungsmaterial und vier Gummifüsschen.
In einem zweiten Plastiksäckchen befinden sich zwei BNC Crimpstecker, sowie ein 50R BNC-Abschlusswiderstand. Aus diesen wird später der SOL-Kalibrierkit für den Analyzer gefertigt.

Was ist im ESD Schutzbeutel?

Der ESD-Schutzbeutel enthält das Display und die vorbestückte Platine des Analyzers. Sie ist hier von der Lötseite zu sehen!
Die bedrahteten Bauteile wie Einschalter, BNC-Buchse, Display, Tasten und die Batteriehalter werden auf der hier nicht sichtbaren Bestückungsseite bestückt!
Das Display steckt mit aufgesteckter Hintergrundbeleuchtung in einem Polster aus leitendem schwarzen Schaumstoff. Zu beachten ist, dass zwecks Stromzuführung insgesamt acht pins vom Display laut Bauanleitung mit der Oberseite der Hintergrundbeleuchtung zügig (wegen der Wärme) verlötet werden müssen!
Quer über die Anzeigefläche erkennt man einen schwarzen Strich. Dieser Strich ist KEIN Fehler!  Er befindet sich auf der mit einer roten Abziehlasche (links unten zu sehen) versehenen Schutzfolie. Nach Abziehen der Folie (erst vor dem Schliessen des Gehäusedeckels) ist der Strich verschwunden und das Display einwandfrei ablesbar.

Beigepackte Bauteile und Materialien

Hier ein Foto aller beigepackten Bauteile. In die Platine müssen die BNC-Buchse, der Einschalter, die  Sockelleisten für das Display, die drei Tasten und die beiden Batteriehalter eingelötet werden.
An "mechanischen" Bauteilen findet man vier M3 Befestigungsschrauben für die Platine, vier Gummifüsschen für das Gehäuse und drei Tastenkappen.
Rechts am Bild eine Ansicht der Bauteile für den zu erstellenden Kalibrierkit, so wie sie dem Bausatz beigepackt sind.

Einschalter und Sockelstreifen für das Display einlöten

Zum Löten verwende ich 1mm Zinn mit 60/40% SnPb und meine zuverlässige alte Weller WECP20 Lötstation (50-80W) mit einer 1,5mm Flachspitze bei 375°C Löttemperatur.
Begonnen wird mit dem Einlöten des Einschalters. Danach sollten die Sockelleisten für das Display eingelötet werden. Dabei ist besonders zu beachten, dass diese möglichst genau senkrecht zur Platine stehen, damit das Display später mittig im Frontausschnitt sitzt.
Ich habe die Sockelleisten dazu vorab auf das Display mit dem bereits angelötetem Backlightprint gesteckt und dieses danach samt den Socklelleisten in die Platine gesetzt und verlötet. Damit ist wie am Bild ersichtlich ohne grossen Aufwand ein korrekter Sitz des Displays zu erreichen.
Bei den Sockelpins ist es wichtig, solange Wärme zuzuführen, bis das Zinn komplett durch die Leiterplatte durchgestigen ist und an der Oberseite ein kleinen Meniskus bildet! Nur dann ist auch eine gute mechanische Stabilität der (doch längeren) Sockelstreifen gegeben. Das Display kann dann später bei Bedarf ohne Probleme aus den Sockelstreifen gelöst und auch wieder eingesteckt werden.

Bedientasten und Batteriehalter

Anschliessend sind noch die drei Bedientasten und die beiden Batteriehalter einzulöten.
Während die Bedientasten keine Besonderheit bieten, ist vor und nach dem Einlöten der Batteriehalter mit besonderer Vorsicht vorzugehen, um die nachfolgend beschriebenen Probleme zu vermeiden.
VOR dem Einlöten ist unbedingt auf die Richtige Position der beiden Halter (wie am Bild zu sehen) zu achten!
Wenn man hierbei einen Fehler macht, dann verabschiedet sich die Elektronik des Analyzers im schlimmsten Fall (bei Verkehrtpolung beider Batterien) ins Nirwana und das wollen wir ja sicher nicht, Hi.
Auf diesem Bild ebenfalls gut ersichtlich: Die Displayschutzfolie mit der roten Abzuglasche bem Einschalter.

Das Kürzen der Drähte der Batteriehalter (= Tod meines Seitenschneiders ;-))

Die Drähte der Batteriehalter weisen nach dem Einlöten eine Überlänge von ca. 5mm auf. Sie müssen daher auf ca. 1mm freie Länge gekürzt werden!
ACHTUNG: Die Anschlussdrähte der Batteriehalter sind aus Stahldraht! Da dies in der Bauanleitung nicht erwähnt wird, bin ich zunächst ohne weiter zu überlegen mit meinem feinen Elektronikseitenschneider zu Tat geschritten. Das Ergebnis könnt Ihr am Bild rechts sehen: Der zu kürzende Draht war völlig unbeeindruckt und mein Schneidgerät hat zwei heftige Schmisse in den Schneiden davongetragen. Zwei deshalb, weil ich es beim ersten Versuch nicht glauben konnt, dass es nicht funktioniert ;-))
DAHER: Unbedingt ein Schneidgerät verwenden, mit dem man 0,3mm Stahldraht einwandfrei abkneifen kann!

Montage der BNC-Buchse

Die Montage der mitgelieferten hochwertige BNC-Buchse von AMP ist in zweierlei Hinsicht eine Herausforderung:
1)   Die Buchse muss wie im Bild ersichtlich, möglichst genau in einem Winkel von 90° zur Vorderkante der Leiterplatte montiert werden, da sie mithilfe der mitgelieferten Zahnscheibe und Sechskantmutter am Gehäuse befestigt wird. Ist sie beim Verlöten nicht exakt ausgerichtet, dann sitzt der Print beim Zusammenbau mehr oder weniger schief im Gehäuse, was seine Befestigung mit den mitgelieferten Schrauben erschwert oder gar unmöglich macht. In diesem Fall kommt es jedenfalls bei der Befestigung der Leiterplatte zu mechanischen Verspannungen. Dies kann auf längere Sicht wegen der verlöteten SMD-Bauteile zum Ausfall des Analyzers führen!
2)  Die zweite Herausforderung ist löttechnischer Natur! Wie auf dem Bild der Lötseite ersichtlich, sind die beiden Lötpfosten für die mechaniche Fixierung der Buchse sehr stabil ausgeführt. Die Buchse selbst ist aus Metall und die beiden Lötstellen befinden sich beiderseits in einer weitläufigen Massefläche der Platine. Dadurch wird die beim Löten zugeführte Wärem optimal abgeleitet!
Die beiden Lötungen sind mit der bisher eingesetzten 1,5mm Spitze nicht zu schaffen! Ich habe hierfür eine flache 4mm Meißelspitze verwendet und den Lötkolben bezüglich Temperatur auf "Vollgas" (ca. 420°C) gestellt ;-)) Damit habe ich dann mit etwas Geduld beim Aufheizen und reichlicher Zugabe von Zinn ein einwandfreies Ergebnis erzielt. Der Durchstieg vom Zinn sollte hier ebenfall bis zur Bestückungsseite der Platine reichen!

Der erste Funktionstest!

An dieser Stelle ist es angeraten, einen (bereits freudig erwarteten) ersten Funktionstest durchzuführen. Hiermit kann der Erfolg der bisherigen Arbeiten und die Funktion der vorbestückten Platine vor dem finalen Einbau ins Gehäuse getestet werden.
Zu diesem Zweck wird zunächst der Einschalter in Stellung AUS gebracht und danach die Batterien (richtig!) eingesetzt. Nun noch den mitgelieferten 50R Abschlusswiderstand auf die BNC-Buchse stecken, ein kurzes Stoßgebet und dann den Schalter entschlossen in Stellung EIN bringen.
Wenn alles in Ordnung ist, wird zunächst eine kurzen Einschaltmeldung angezeigt. Diese zeigt etwas Eigenwerbung, die aktuelle Version der Software (bei mir SW: 0.40.0) und (sehr hilfreich) die aktulle Batteriespannung (Bat: 2,94V) an. So wird man beim Einschalten auch über den ungefähren Batteriezustand informiert.
Danach schaltet das Gerät in den letzten verwendeten Messmodus. Bei der Erstinbetriebnahme wird dabei das SWR und die Impedanz des Abschlusswiderstands bei einer Frequenz von 2,0 MHz angezeigt.
Die Anzeige von "SOL -" rechts neben der Thermometerskala für das SWR informiert uns darüber, dass der Analyzer noch nicht kalibriert ist. Trotzdem ist das Messergebnis schon erstaunlich genau!
Auf den Kalibrierkit und den Kalibriervorgang werde ich im Folgenden noch zurück kommen.

 

Die Gehäusefüsse montieren und kürzen

Vor der Montage der soeben getesteten Leiterplatte in das Gehäuse müssen die mitgelieferten Gummifüsschen eingesetzt werden.
Dazu werden sie von der Unterseite her mit dem Nippel voran durch die vorgebohrten Löcher gesteckt und von der Innenseite mittels Flach- oder Kombizange durch gefühlvolles Drehen und Ziehen solange gedehnt, bis sie in die Bohrung einrasten. Ich habe die Füsschen zuvor mit Seifenlösung benetzt, damit sie besser rutschen.
Bei mir haben sich die Füsschen beim Durchziehen so stark gedehnt, dass ich vor meinem geistigen Auge bereits ein Abreissen des Nippels vor dem Einrasten in die Bohrung gesehen habe! Nichts davon ist jedoch eingetreten und schlussendlich waren alle Füsschen sicher eingeschnappt ;-))
Zuletzt müssen die Nippel noch auf der Innenseite mit einem scharfen Elektronikseitenschneider auf ca. 2-3mm freie Länge gekürzt werden, sodass sie später nicht an der Platine anstehen.

Einsetzen und Befestigen der Platine und BNC-Buchse

Nun können wir zur Fertigstellung des Analyzers schreiten.
Die Platine wird ohne Batterien mit der BNC-Buchse voran in das Gehäuse eingesetzt. Danach die BNC-Buchse mittels beigelegter Zahnscheibe und Mutter mit Hand festziehen. Dabei ist zu kontrollieren und ggfs. durch leichtes Verschieben der Platine sicherzustellen, dass sich die vier Befestigungsbohrungen möglichst genau mit den M3 Gewindelöchern im Gehäuse decken. Ist dies erreicht, dann können die vier M3x4 Zylinderschrauben von Hand (ohne sie anzuziehen)  leicht eingeschraubt werden.
Danach die Befestigungsmutter für die BNC-Buchse festziehen. Diese hat einen Schlüsselweite von 14mm. Für ein einwandfreies Ergebniss unbedingt einen passenden Gabelschlüssel verwenden! Der Einsatz von Spitz- oder Flachzangen führt nach eigener leidvoller Erfahrung fast unweigerlich zu einem zu geringen Drehmoment, unter Umständen zu einer beschädigten Mutter und im schlechtesten Fall sogar zu einem zerkratzten Gehäuse ;-))
Es müssen nun nur noch die vier Zylinderschrauben an der Platine mittels passendem Schraubendreher endgültig festgezogen und danach die Batterien erneut polrichtig eingesetzt werden. Jetzt kann endlich der Gehäusedeckel aufgesetzt und mit vier Senkschrauben befestigt werden.
VOR Aufsetzten des Gehäusedeckels unbedingt, wie am Bild zu sehen, die Schutzfolie vom Display abziehen!

Der Kit für die SOL Kalibrierung

Beim FA-VA4 handelt es sich bekanntlich um einen vektoriellen Analyzer, bei dem im Unterschied zum skalaren Analyzer von der der zu messenden Impedanz nicht nur der Betrag, sondern auch deren Phasenverschiebung (Induktiv/Kapazitiv) ermittelt wird. Daher müssen die in der gesamten Messanordnung auftretenden Phasenfehler (z.B. durch Laufzeiten in Kabeln etc.)  bei der Ausgabe der Messwerte bekannt sein und kompensiert werden.
Um die im Analyzer selbst auftretenden Fehler zu messen, damit sie später bei der Messung Kompensiert werden können, sind je nach Frequenzbereich und Einsatzfall mehrere gängige Kalibrierverfahren in Verwendung. Eines davon ist die Short-Open-Load Methode, welche hier zur Anwendung kommt.
Der interessierte OM findet im Internet bei Eingabe von Suchstrings wie "VNA Basics" oder "VNA Calibration" jede Menge bis ins kleinste Dateil gehende Unterlagen über Verfahren zur vektorielle Netzwerkanalyse und die dabei eingesetzten Kalibriermethoden.
Beigepackt sind zwei BNC-Crimpstecker, ein Drahtstück und ein 50R Abschlusswiderstand.
Um den SOL Kit zu finalisieren, muss man aus einem der BNC-Stecker durch Einsetzen und Einrasten des Mittelstifts das Open Element produzieren. Aus dem zweiten Stecker fertigt man durch Einsetzen eines mit dem Mittelstift verlöteten Drahtstücks und Verlöten desselben mit der (zwecks Lötung) angefeilten Crimphülse das Short Element (rechts im Bild). Das Load Element (50R Abschlusswiderstand) ist ohne weitere Massnahmen einsatzbereit.
Wenn man die Bauanleitung liest fällt auf, dass ich den Innenleiter vom Short Element nicht wie dort beschrieben an die Oberkante der Crimphülse gelötet, sondern die Crimphülse fast bis zum Steckerboden hälftig aufgefeilt habe und dort verlötet habe. Dies ergibt rein theoretisch eine genauere Kalibrierung. Korrekterweise sei jedoch angemerkt, dass diese Modifikation in dem vom Analyzer abgedeckten Messbereich von 0,1-100MHz praktisch ohne Auswirkung bleibt ;-))

Durchführung der Kalibrierung

Zweckmässigerweise führt man zunächst eine Masterkalibrierung des Analyzers durch. Es handelt sich dabei um eine SOL Kalibrierung über den gesamten Messbereich von 0,1-100MHz mit dauerhafter Abspeicherung.
Dieser Vorgang wird im Menü Betriebsmodus/Einstellungen SOL Alle Frequenzen gestartet. Er beginnt mit dem Short Element. Der gesamte Messbereich wird nun in 100kHz Schritten durchfahren. Dies dauert einige Minuten. Der Vorgang wiederholt sich mit dem Open Element und abschliessend mit dem Load Element.
Der gesamte Ablauf sollte an keiner Stelle unterbrochen werden, da die Kalibration dann hinfällig ist und komplett wiederholt werden muss! Je nach Anforderung an die Messgenauigkeit sollte die Masterkalibrierung von Zeit zu Zeit wiederholt werden, um z.B. Bauteilalterung und sonstige Umwelteinflüsse zu kompensieren.
Eine erfolgreich durchgeführte Masterkalibration wird bei der SWR Messnung durch "SOL M" rechts neben der Thermometerskala für das SWR angezeigt. An dieser Stelle sei noch darauf hingewiesen, dass der Analyzer auch eine SOL Kompensation für eine vorher festgelegte Einzelfrequenz ermöglicht. Sie geht flott vonstatten und stellt die genauest mögliche Messung für diese Frequenz sicher.

Noch zum vorläufigen Schluss...

Der Aufbau und die Inbetriebsetzung des FA-VA4 Bausatz von DG5MK und FUNKAMATEUR hat dem Autor zugegebenermaßen sehr grosses Vergnügen bereitet ;-))
Nach ersten Tests und Versuchen mit dem offenbar sehr genau messenden Gerätchen gäbe und gibt es in Zukunft sicher noch einiges zu berichten!
Als extrem nützlich hat sich aus meiner Sicht bisher der Betriebsmodus "SWV 5 Frequenzen" erwiesen. Dabei werden fünf vor der Messung festzulegende Fixrequenzen (vorzugsweise die Amateurbänder, Hi) laufend zyklisch durchgemessen und das SWR in fünf untereinander liegenden Thermometerskalen am Display dauernd angezeigt.
Dieser Modus eignet sich damit hervorragend z.B. zur Abstimmung von Multitrap Dipolen oder Groundplanes, da die Auswirkung der Abstimmung einer Bandtrap auf die anderen Amateurbänder sofort am Analyzer ersichtlich ist.
In diesem Sinne wünsch ich Euch viel Erfolg beim Aufbau und viel Vergnügen beim Einsatz dieses genialen Messinstruments.

 

vy 73 de OE3RDW, Reinhard
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