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Ensemble de filtres passe-haut et passe-bas universel (SDR ou superhétérodyne classique) de 0 à 100W

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Radio Radios logicielles, transmissions numériques, expérimentations HF

Architecture générale du filtre Alexiares Retrofit

Pourquoi

Début 2017, trois idées de projets "radio logicielle" (SDR) ont mûri au sein de l'Electrolab.

• Réalisation d'un émetteur-récepteur décamétrique (0/30 MHz) d'entrée de gamme architecture DDC/DUC, échantillonnage 60 MSPS sur 12 bits (Hermes Lite)
• Réalisation d'un émetteur-récepteur décamétrique (0/60 MHz) haut de gamme architecture DDC/DUC, échantillonnage 120 MSPS sur 16 bits, double récepteur (Angelia)
• Prise en charge d'un émetteur-récepteur décamétrique (0/60 MHz) commercial, architecture DDC/DUC, échantillonnage 120 MSPS sur 14 bits, double récepteur (Red Pitaya)

Le premier projet, Hermes Lite V 2.0, a été développé par Steve KF7O et est décrit sur le site Hermeslite.com.

Ensemble open source, open hardware, il reprend les fonctions principales du projets Open HPSDR initié par le Radioclub de Tucson, Arizona (TAPR pour les intimes).

Le second projet, Angelia, part du circuit imprimé nu d'un SDR également issu des travaux du TAPR : Hermes, évolution et intégration d'Open HPSDR. Angelia est la seconde génération de cette carte, également open source, open hardware

Le troisième projet, Red Pitaya, utilise une base matérielle initialement prévue pour jouer le rôle d'instrument de mesure polyvalent destiné au marché de l'éducation. Piètre appareil de mesure, il est en revanche, moyennant quelques modifications et ajouts décrits sur une page wiki spécifique, un excellent émetteur-récepteur.

Avec ce SDR, il est également possible d'utiliser une interface Alexandrie (voir l'architecture Angelia) et ainsi bénéficier de l'intégralité des fonctions de PowerSDR

A noter que pour l'heure, avec la carte AlexI2C, les commutations antenne TX et RX ne gèrent que deux voies et non 3 comme dans le projet originel. Ce n'est bien entendu pas le cas si l'on utilise la carte Alexandrie (voir plus bas la description respective de ces cartes)

Architecture Red Pitaya, de son interface Alexi2C et de son frontend Alexiares

SoC Red Pitaya, architecture DDC/DUC 14 bits 120 Msps "closed" hardware

Si tout est fait pour que le Hermes Lite soit un transceiver autonome et complet, l'Angelia et le Red Pitaya en revanche, ne peuvent absolument pas fonctionner "tel que". Il leur manque notamment :

• Une alimentation régulée filtrée propre
• Une série de filtres à bande passante variable
• L'électronique de commande de ces filtres
• Les cartes de commutation d'antenne coté émetteur
• Les cartes de commutation d'entrées des récepteurs
• Un amplificateur de puissance HF couvrant de 1 à 60 MHz (chacun choisissant selon son budget la puissance qui lui conviendra). Angelia "nue" ne délivre que 500 mW et le Red Pitaya 10mW
• Un module de mesure de puissance directe et réfléchie
• Un module de prélèvement du signal en sortie d'émetteurs, destiné à un système de pré-distorsion (aka "pure signal" en langage marketing Apache)
• Éventuellement un module d'affichage en façade fournissant les indicateurs de bon fonctionnement de la station radio (puissance de sortie, signal réfléchi, température de l'amplificateur, indicateur d'émission, système de sécurité et de protection dudit amplificateur)

Accessoirement, le frontend de l'Hermes-Lite est certainement pratique si l'on souhaite se limiter à une station portable de faible puissance, mais on est loin des performances et de la souplesse offerte par Alexiares. Notamment en termes de filtrage paramétrable, de sélection des périphériques extérieurs (antennes, convertisseurs) ou de pilotage d'amplis de puissance.

Filtrage : les héritiers d'Alexiares

Ce sont les premières extensions conçues par l'Electrolab, car indispensables au fonctionnement d'Angelia. En outre, une approche modulaire devrait ouvrir ce dévelopement à toute personne cherchant un ensemble de filtres émission/réception pour faible puissance -50 W maxi, quel que soit le type de transceiver utilisé.

A l'origine, le projet OpenHPSDR utilisait trois filtres et au moins deux protocoles d'adressage pour lesdits filtres

Les protocoles :

• Penelope, alias "Penny", une commutation paramétrable sur 7 bits par le truchement d'un tableau de cases à cocher, et délivrant, sur un connecteur baptisé "J16", un mot décimal ou binaire qui servira à commuter des périphériques capables de réagir aux états de ce mot de 7 bits.
• Alexiares, alias "Alex", une commutation strictement définie et véhiculée par un bus SPI.

L'interface "7 bits" de Penelope

Protocole Alex, commutation des antennes

Protocole Alex, commutation des filtres HPF et LPF

Les filtres :

• Apollo, un filtre passe-bas faible coût destiné à suivre un petit amplificateur HF de 10/15W baptisé Pennywhistle. Pour information, Pennywhistle fonctionne sur le Hermes Lite V 1.0 d'un membre de l'Electrolab depuis plus d'un an. Des liaisons de plusieurs centaines, voir milliers de km sont envisageables avec un tel ampli.
• Alex est un filtre plus évolué. Il combine le passe-bas Apollo et un passe-haut. En jouant avec les fréquences de coupure de ces deux filtres, on obtient un filtre à bande passante variable. Alexiares est constitué de 7 passes-bas, 7 passe-haut, et d'un circuit de contournement (pas de filtre du tout). Selon les combinaisons, il peut se limiter à la fonction passe-bas uniquement, passe-haut uniquement, et passe-bande en combinaison. Alex intègre également d'autres fonctions telles qu'une triple commutation d'antennes à l'émission, une quadruple commutation coté réception pour ajouter d'éventuels filtres spécifiques, transverters, amplificateurs faible bruit, antennes spécifiquement réception (beverage par exemple), un amplificateur faible bruit, un atténuateur 0/10/20/30 dB, un filtre antialiasing, l'aiguillage du signal émis vers un récepteur secondaire (à des fins de pré-distorsion par exemple), la prise en compte des paramètres de fonctionnement de l'amplificateur de puissance -tension, courant, puissance directe et réfléchie, température- ... pour ne citer que les principales.
• Anicetus, un passe-bande en L qui n'a jamais vraiment été réalisé en série

Tous ces filtres ont été originellement conçus pour le système OpenHPSDR. Mais avec le temps, seul Alex a survécu. L'évolution de la partie SDR, avec l'arrivée de la carte Hermes et de ses variantes Angelia et Orion, n'a pas entraîné de modification majeur de ce filtre. Et ce malgré plusieurs ajouts, notamment un second ADC sur la chaine de réception, l'apparition de fonctions de traitement de signal évolué (prédistorsion, EER, diversité... ). Mais depuis sa première version, bien des choses ont changé. Certains composants ne sont plus disponibles, d'autres SDR situés dans la mouvance OpenHPSDR utilisent des protocoles différents, les circuits imprimés initialement revendus par le Radioclub de Tucson (TAPR) ne sont plus disponibles...

C'est la raison d'être de cette nouvelle version d'Alex un "fork" matériel du filtre originel. La principale différence avec Alexiares réside dans dans le fait que la section "interface" entre le SDR et le filtrage est indépendante. De cette manière, les lpf, hpf, commutateurs d'antenne etc peuvent être utilisés sur d'autres équipements moyennant une nouvelle interface adaptée.

Signal Path

Le chemin du signal n'est pas particulièrement simple, surtout en réception, et passe par une foultitude de relais. Lesquels assurent plusieurs fonctions :

• - Basculement de l'entrée du LPF soit vers la sortie de l'ampli de puissance (TX) soit vers l'entrée du HPF ainsi que vers le sélecteur XVTR/EXT1/EXT2
• - Basculement de l'entrée RX1 soit vers l'entrée directe sans filtrage (RX_Bypass_Out)soit vers un second relais qui récupère un signal soit du feedback Pure Signal (TX) soit de la sortie du HPF (RX)

le synoptique ci-après dresse le schéma du relayage. Les labels sont ceux utilisés dans les schémas des cartes Angelia.

Chemin de commutation émission/réception, sélection des signaux d'entrée et de sortie Pur Signal

La commutation du signal de sortie émission (Alexiares_TX_Out) n'est pas représentée, car elle se limite à un sélecteur avec 3 sorties. C'est un commutateur d'antenne simple piloté par logiciel, onglet "Ant/Filters", sous-onglet "Antenna"

Les entrées Ext1, Ext2, Xvtr sont également commutées en fonction des paramètres logiciels de cet écran

Ecran de contrôle des commutations antenne. A noter qu'il est possible d'utiliser bypass, EXT1 ou EXT1 en émission, ce qui permet d'expédier Pure Signal vers RX1 en fonction de l'alternat TX/RX

Le véritable "RF Path" est fournis par le synoptique ci-dessous

Chemin du signal HF entre les différentes cartes Alexiares, et interconnexion avec les I/O du SDR.

Dans ce schéma, les relais (remplacés par un symbole "commutateur") sont en position réception. Les trait pleins de couleur bleu illustrent les câbles coaxiaux qui devront être fabriqués.

• En fonctionnement normal, la sortie du coupleur (PS_Out) doit être bouclée avec l'entrée "PS_Feedback". Cette entrée bascule automatiquement sur la tête de réception RX1 durant l'émission, afin que le signal émis soit échantillonné et puisse servir au système de pré-distorsion (aka "pure signal").Ce câble de bouclage, non représenté, peut être externe ou interne au boitier.
• Le chemin "RX_Master_In" relie le filtre passe bas au filtre passe-haut en réception,ainsi que le commutateur d'entrée "réception". En temps normal, ces entrée sont laissées "en l'air" et ne sont pas utilisées. En émission, seul le HPF est relié à ces entrées, qui peuvent alors être utilisées notamment pour injecter une portion du signal émis lorsque l'on utilise un coupleur externe destiné à la fonction "pure signal" par exemple. Ce raccordement nécessite donc l'insertion d'un "T" femelle SMA pour relier à la fois la sortie LPF, l'entrée HPF et la sortie RX_Master du commutateur Alexiares_Coax_Out RX. Ce connecteur en "T" est inutile aux possesseurs de carte Alex_Coax_Out V3.0 (laquelle possède deux sortie RX_Master)

Alexandrie, ses frères et soeurs

Plus de 11 PCB différents constituent le "nouvel Alexiares"

• Alexandrie (Ἀλεξάνδρεια), interface SPI qui pilote la totalité des cartes Alexiares
• Alexi2C ( Ἄλεξις), interface I2C qui pilote la totalité des cartes Alexiares
• Alexiares_lpf (Ἀλεξιάρης) filtre passe-bas de la famille Alexiares
• Alexiares_hpf (Ἀλεξιάρης) filtre passe-haut de la famille Alexiares
• Alexiares_Coax_Out (Ἀλεξιάρης ) commutateurs d'antennes de la famille Alexiares
• Télémaque (Τηλέμαχος), capteurs U/V/C°/HF précédant Mentor pour SSPA
• Mentor (Μέντωρ) Précepteur de Télémaque, controleur (MCU) tension/intensité/température/puissance directe/puissance réfléchie pour SSPA
• Ulysse ou Odysseus (Ὀδυσσεύς), père de Télémaque, réflectomètre pour SSPA
• Themis (Θέμις), version de base d'Ulysse, réflectomètre et commutation de prédistorsion
• Aiôn (αἰών), horloge de référence 10 MHz
• Hébé (Ἥβη), système d'asservissement EER pour amplificateur de puissance
• Nectar (νέκταρ), bloc de régulation/filtrage 5A par rail (LM1084) et interrupteur on/off pour Angelia, Red Pitaya et Hermes Lite

Le "set de base" comprend Alexandrie (ou Alexi2C), les quatre cartes Alexiares filtres et coax out, Thémis et Aiôn (soit un total de 7 PCB

L'ensemble Mentor, Télémaque, Odysseus et Hébé fait partie d'un autre jeu non encore disponible (actuellement en voie de test et/ou de conception), lequel n'est destiné qu'aux propriétaires d'amplificateurs de puissance SSPA (solid state power amplifier)

Nectar est une carte optionnelle, et ne sera produite que si elle est demandée par les participants

L'utilisation du trio Mentor/Télémaque/Odysseus ne dispense pas d'installer le coupleur Thémis. Cette carte prélève une partie du signal émission (branche forward)pour l'envoyer vers un récepteur durant les périodes d'émission pour faire fonctionner le mode "pure signal". En général, l'amplificateur linéaire intégré au boitier d'Angelia est déconnecté en cas d'utilisation d'un SSPA, mais le chemin "Pure Signal In" reste inchangé. Seul le câble de bouclage "PS-Out" vers "PS-In" est supprimé, remplacé par un câble et un atténuateur reliant "PS-In" à la sortie "FWD" d'Odysseus.

Alexandrie

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Une BOM interactive et un fichier tableur recensant les composants du projet peuvent être téléchargés depuis le dépôt Github

Principe de fonctionnement

Le SDR (Carte Hermes ou connecteur E1 du Red Pitaya) utilise 4 entrées/sorties en mode sériel pour piloter les filtres et périphériques d’Alexiares.

• - Un port « horloge » SPI CLK
• - Un port « données » SPI Data
• - Un port de sélection des fonction réception SPI RX Load
• - Un port de sélection des fonction émission SPI TX Load

Ces flux respectifs sont tout d’abord tamponnés par une paire de buffers inverseurs -74HCT04- puis envoyés dans quatre registres à décalage TPIC6B595. Lesquels convertissent les informations séries en données « parallèles » qui conservent leur état tant qu’un nouveau train de données sérielles ne vient pas annuler l’ordre précédent.

Les TPIC6B595 fournissent une logique négative (commutation vers gnd) sur les connecteurs de sortie J6, J7, J8 et J3. Ces sorties sont directement reliées aux bobines des relais à commander. Ce qui implique que ces bobines de relais sont alimentées d'un coté en permanence par une tension de 12V, et sont activées lorsque l’autre borne de la bobine est mise à la masse par le biais du TPIC6B595.

Au total, 29 relais différents sont activés par Alexandrie :

Coté réception

• - 4 relais d’entrée antenne RX
• - 2 relais d’atténuateur d’entrée
• - 16 relais de sélection des filtres passe-haut, de bypass et d’amplification faible bruit

Coté émission

• - 3 relais de sortie antenne TX
• - 2 à 3 relais de basculement d’émission-réception (selon les configurations)
• - 14 relais de sélection des filtres passe-bas, d’isolation/fermeture du circuit « pure signal »
• - 3 relais -ou plus- excités par la commutation émission-réception (Bias control, mise en série hpf/lpf, connexion pure signal, liaison ampli...)

Les utilisateurs de cartes Hermes, Angelia et semblables peuvent également utiliser les connecteurs J2 et J4 (selon configurations), lesquels servent à relier Alexandrie aux cartes de contrôle de sortie HF, Mentor et/ou carte rosmètre/wattmètre située après l’étage d’amplification finale. Ces deux connecteurs permettent de commander un circuit de protection qui coupera l’émission de puissance en cas de problème :

• - En cas de signal réfléchi important si l’on utilise la carte rosmètre/wattmètre
• - En cas de signal réfléchi important, de température trop élevée, de surconsommation ou de surtension si l’on utilise la carte Mentor

BOM

La BOM est disponible au format CSV

Github/Gerber

https://github.com/F6ITU/Alexandrie/tree/master/Gerber

Réalisation

 Il existe deux versions de cette carte, la seconde édition corrigeant des erreurs de masque de soie et déplaçant un
 contact du connecteur J6 au connecteur J7. Les fonctionnalités des deux versions sont strictement identiques. 
 La seconde édition se distingue aisément : J7 est un connecteur kk 7 broches (6 broches sur la première version),
 et un extrait du poème Ozymandias de Shelley est imprimé coté pistes.

Aucune précaution de montage particulière n’est nécessaire pour monter cette carte.

• - Penser à souder les composants de petite taille avant les connecteurs,
• - Vérifier le bon sens des diodes LED avant de les souder, modifier le cas échéant la valeur de la résistance série de chaque diode en fonction du courant spécifié par la feuille de donnée de la LED utilisée (une valeur entre 220 et 330 Ohms devrait convenir, des diodes ne servent qu’aux tests de mise en fonction et sont masquées par le blindage par la suite)
• - Vérifier le sens des circuits intégrés avant de les souder se référant au schéma

Les composants passifs sont des modèles génériques, qu’il s’agisse des résistances ou des condensateurs céramique multicouche, tous en 0805. Il en va de même pour les LED ou la diode schottky de protection (entrée +12V). le niveau de qualité n’est pas un facteur critique.

Idem pour les connecteurs Molex kk. Tous les prototypes et premières cartes de production de série ont été assemblées avec des connecteurs achetés par quantités de 50 sur ebay, à des prix moitié moindre que ceux pratiqués par les distributeurs européens

En revanche, il est vivement recommandé de se fournir chez RS Composants, Farnell et consorts pour ce qui concerne les composants actifs, pour d’évidentes raisons de qualité et de fiabilité.

  Note importante pour les possesseurs de carte Red Pitaya
  Contrairement à la carte Angelia, aucune précaution n'a été prise par les constructeurs de la carte Red Pitaya
  pour protéger les sorties du FPGA (lequel travaille en logique 3.3V)
  Il est donc nécessaire de ne pas monter les résistances de "pull up" à 5V R1 à R6 situées en entrée des deux 74HCT04

Un grand merci à F1CHM pour avoir attiré notre attention sur ce point, et à F4GRX pour avoir fourni la solution.

Angelia, quant à elle, intègre un buffer sur chaque entrée du connecteur Alexiares. Les résistance de pull-up sont donc recommandées pour les signaux logiques. Ce n'est cependant pas le cas des deux entrées analogiques "FWD" et "REFL" (broches 9 et 7 de J1) qui, elles, ne devront jamais dépasser 3V à pleine puissance d'amplificateur, que cette tension soit émise par Thémis ou le trio Odysseus/Télémaque/Mentor.

Alexi2C

Interface I2C universelle 16 sorties tamponnées

Schéma

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Principe de fonctionnement

Note liminaire : Alexi2C a été dessiné pour répondre à l'éventuelle demande d'utilisateurs de carte Red Pitaya souhaitant exploiter le protocole I2C géré par le firmware de Pavel Denim.

Ce même firmware gère également le protocole SPI originel, plus "complet" et plus conforme aux spécifications du groupe OpenHPSDR. En d'autres termes, un propriétaire de Red Pitaya cherchant à coller au mieux au standards OpenHPSDR aura mieux fait d'opter pour une carte Alexandrie.

Mais... un utilisateur de carte Red Pitaya pilotant un jeu de carte Alexiares avec le bus ISP (via Alexandrie donc), peut tout à fait ajouter une AlexI2C qu'il utilisera en mode "penny", afin d'émuler le connecteur et les commandes J16. En faisant ressortir ces commandes sur une prise dB25 conformément à la "norme de fait" Hermes/HPSDR, il est possible de piloter par exemple un bpf externe ou les lpf d'un ampli de puissance (ainsi que son passage en émission-réception). AlexI2C n'est pas tout à fait un remplaçant d'Alexandrie... c'est également un complément dans le cadre de certaines configuration matérielles.

Alexi2C est surtout destiné à des utilisateurs qui ne veulent qu'une interface simplifiée, minimaliste, limitée aux commandes des filtres, des atténuateurs, de quelques commutations antennes (mais pas toutes). La majorité des utilisateurs du bus I2C cherchent surtout à commuter des BPF restreints aux seules bandes radioamateur.

Un PCA9555 est chargé de décoder les informations du bus I2C, lesquelles activent les 16 entrées-sorties du circuit. Soit une à une, soit plusieurs à la fois.

Une paire de réseaux de transistors darlington -ULN2803- tamponne les sorties du décodeur I2C et adapte les tensions de fonctionnement des périphériques extérieurs (les relais 12V des cartes Alexiares HPF et LPF par exemple). A noter que si la sortie directe du PCA9555 est en logique positive -état "haut" lorsqu'actif-, le signal en sortie des ULN2803 est en logique négative (sortie à GND lorsqu'active). Ainsi, la sortie d'Alexi2C est strictement identique à celle d'Alexandrie et peut donc piloter les mêmes filtres, avec les mêmes arrangements.

Si l'on utilise le firmware de Pavel Denim, en fonction de l'adresse sélectionnée -0x20 ou 0x21- le circuit décodeur PCA9555 interprète soit le mode par défaut Penelope (aucun jumper), soit le mode Alexiares (jumper sur 0x21)... soit les deux si l'on chaîne les deux cartes en leur assignant une adresse différente. Dans ce cas, le Red Pitaya peut piloter 32 sorties.

Les adresses 0x22 et 0x23 sont réservées à des développements ultérieurs dans le cadre des applications "Red Pitaya".

BOM

La BOM est disponible au format CSV

Github/Gerber

https://github.com/F6ITU/Alexi2C/tree/master/Gerber

Réalisation

La réalisation de cette carte n'appelle aucun commentaire particulier. Il est à noter que les premières cartes prototype pouvaient accepter un régulateur 5V optionnel utilisable dans des conditions très particulières et assez rares (câblage de l'I2C en "trois fils", SCL et SDA en logique TTL). La version "de série" n'intègre pas ce régulateur

La tension appliquée sur le commun des ULN2803 (J3) ne doit pas dépasser 20 V

Lorsque branché à un Red Pitaya, les entrées SCL, SDA et GND sont à repiquer sur le connecteur E2, mais la ligne d'alimentation I2C du PCA9555 doit partir du rail 3.3V (connecteur E1).

Le décodeur I2C ne fonctionnera pas si les signaux I2C sont en 3V et la tension de bus supérieure à 4V

Utilisations annexes

Cette carte peut être utilisée pour interfacer n'importe quel "maitre" I2C (Arduino, Raspberry etc) avec des composants de puissance ou des charges inductives. Le chaînage de 4 cartes identiques utilisant les adresse 0x20, 0x21, 0x22 et 0x23 offre 64 sorties de 300 mA chacune sous 3 à 20 V.

Si l'on omet de monter les ULN2803, il est possible de ressortir les gpio du PCA9555 en n'installant pas les connecteurs J4 et J5, et en soudant les connecteurs J6 et J11. J3, J12 et J13 sont également inutiles, ainsi que la diode D1

Si l'on ne souhaite installer que les ULN2803 -dans le but de tamponner en mode parallèle les gpio d'un Arduino ou d'un Raspberry par exemple- il faut monter tous les connecteurs sauf J1 et J2, ne pas installer R4 à R7, C5, C6 ni le PCA9555.

Alexiares_lpf

Modèle 3D d'Alex LPF

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Ressources

L'ensemble des fichiers KiCAD est disponible sur la branche V4 du dépot (ou la la branche master régulièrement mise à jour)

La BOM interactive, nécessaire à l'assemblage pas à pas de la carte, ainsi que la BOM de commande Mouser sont disponible sur ce même dépôt.

Ainsi que les fichiers Gerber nécessaire à la production en série du pcb

Un répertoire "images" regroupe tous les documents graphiques du projet :

• vue 3D de la carte,
• captures d'écran des différentes plans du pcb,
• photographie du projet achevé,
• fichier pdf du schéma général,
• courbes de caractéristiques du filtre "IRL" relevées à l'analyseur vectoriel.

Ce pcb est un "quatre couches" donc une consacrée à l'alimentation des relais. Une série de vias en "stitching" sépare franchement chaque section de filtre.

Principe de fonctionnement En fonction des commandes délivrées par la carte Alexandrie, les relais de chaque section de filtre sont activés automatiquement en fonction de la fréquence de travail. Il est important de noter qu’il existe deux modes de commandes, choix devant être effectué sous l’onglet «Alex/ hpf/lpf ». Si l’option « firmware est cochée, les filtres sont commutés selon la table indiquée ci-dessous.

begin    
    if  	(frequency > 29700000) LPF <= 7'b0010000;	// > 10m so use 6m LPF 
	else if (frequency > 21450000) LPF <= 7'b0100000;  	// > 15m so use 12/10m LPF 
	else if (frequency > 14350000) LPF <= 7'b1000000;  	// > 20m so use 17/15m LPF 
	else if (frequency > 7300000)  LPF <= 7'b0000001;  	// > 40m so use 30/20m LPF   
	else if (frequency > 4000000)  LPF <= 7'b0000010;  	// > 80m so use 60/40m LPF 
	else if (frequency > 2000000)  LPF <= 7'b0000100;  	// > 160m so use 80m LPF   
	else LPF <= 7'b0001000;                                // < 2MHz so use 160m LPF 
 end  

Pour plus d'informations, se reporter au code originel de Phil Harman vk6ph

Si l’option « manual » est cochée, les filtres sont commutés en respectant la table de fréquence paramétrée dans les tableaux situés dans ce même écran de réglage.

Ecran de paramétrage des filtres Alex

La version originelle d'Alexiares intégrait un filtre 64 MHz permanent, non commuté, en série avec le lpf. Ce filtre a été ré-intégré comme une bande à part entière dans cette version.

BOM

Une BOM détaillée des condensateurs spécifiquement utilisés dans les filtres est disponible au format XLS

On peut utiliser soit des condensateurs 500 V porcelaine (ATC) assez coûteux (environ 2 euros pièce), soit des condensateurs multicouche 500V ou 1kV prévus pour travailler en HF, de la série Vishay "Quad HiFreq" (format 1111, disponibles chez Farnell et Mouser).

Les Vishay sont moins coûteux et offrent peu ou prou les mêmes performances que les condensateurs porcelaines sur les fréquences inférieures à 100 MHz et pour des puissances de 200 W et moins.

Il est tout à fait possible d’utiliser des capas 500V céramique multicouche format 1206 qualité NP0 au moins pour toutes les bandes basses jusqu’à 21 MHz si l’on souhaite alléger la facture finale (condensateurs de marque Johanson, vendus par Mouser). Le facteur de qualité des filtres s'en ressentira nécessairement.

Réalisation

• - Soudez les 13 relais D2n 12v, le connecteurs IDC coudé, les 3 connecteurs coudés SMA. Vérifiez, avant de braser toutes les pattes des relais, que le boitier soit bien plaqué sur le corps du pcb

(Cliquez sur le document pour l'agrandir)

• - Soudez la totalité des ferrites coté inférieur, les condensateurs de découplage, puis les diodes de roue libre. En soudant les diodes, prenez garde au sens de branchement : la cathode (la barre) se trouve du coté opposé à celui de la piste de commande (celle qui aboutit à la perle de ferrite en 0805)

Les découplages, ferrites de filtrage et diodes de roue libre du LPF (Cliquez sur le document pour l'agrandir)

• - Avec une petite alimentation équipée de deux pointes de touche (pos., neg.),
• Injectez une tension de 12V environ sur l’œillet du connecteur J1 marqué « 12Vcc » sur la face inférieure, et « + » sur la face supérieure
• avec l’autre pointe de touche (négatif) faites contact avec les entrées de commande de ce même connecteur : 10m, 15m, 20m, 40m etc (sauf les contacts marqués gnd, bien entendu). Chaque test doit faire entendre le cliquètement caractéristique des contacts des relais qui se ferment.
• En cas de non-réponse d’un des filtres -absence de bruit- vérifiez le sens de la diode de roue libre, la qualité de la brasure du ferrite inséré dans chaque ligne d’alimentation ou l’absence de pont de soudure sur les condensateurs de découplage.
• De l'autre coté de la carte, soudez les condensateurs HF 500V. Attention, ces Vishay ne sont pas "marqués" comme le sont les ATC. Procédez valeur par valeur, progressivement, en cochant chaque référence de la BOM interactive une fois le composant soudé.

Alexiares_LPF coté condensateurs. (Cliquez sur le document pour l'agrandir)

• Si vous ne parvenez pas à vous procurer la valeur exacte du condensateur, associez plusieurs composant en parallèle afin d'atteindre la valeur désirée. Les empreintes peuvent aisément accueillir deux composants posés sur la tranche. Trois condensateurs en parallèle est un maximum qui demande un peu d'attention au moment de braser les contacts

Sur la droite du cliché, un condensateur de 2200pf réalisé avec deux capas de 1 nanofarad et un autre de 220 pf. Cette configuration est exceptionnelle. A une ou deux valeurs près, la totalité du montage peut être réalisé avec un composant unique.(Cliquez sur le document pour l'agrandir)

Il ne reste plus qu'à installer les inductances, en T50 pour les transceivers "petite puissance", en T68 pour les émetteurs de 100 à 150 W PEP.Les versions 150 W seront bobinées avec un fil de 8 dixième, hormis pour toutes les bandes "hautes" qui utilisent des tores T68-10. Pour ces inductance à faible nombre de spires, il est plus simple d'utiliser deux fils de 6 dixièmes bobinés en parallèle (technique "deux fils en main"). Ainsi ,la répartition du fil sur le tore est plus uniforme et le réglage de la self est grandement facilité.

La section 1.5 MHz est bobinée sur du matériau 1 (bleu), les filtres 4 et 7 MHz sur des T68-2 (rouge sombre), les basse-bas 14 et 20 MHz sur des tores en matériau 6 (Jaune) et les bandes 25 et 64 MHz sur des tores en poudre de fer numéro 10 ou 17 (noir ou bleu/jaune). On remarquera que ces derniers sont bobinés avec deux fils en main, afin de répartir plus facilement le fil de cuivre sur la surface du "noyau" et régler plus aisément la valeur relativement basse des inductances des bandes hautes.(Cliquez sur le document pour l'agrandir)

Reportez vous au schéma du filtre, et bobinez chaque tore en utilisant le nombre de spires et les longueurs de fil recommandés par le logiciel |"Mini Tore calculateur" de DL5SWB

Ajustez ensuite précisément chaque self à la valeur exacte indiquée dans le schéma à l'aide d'un capacimètre ou d'un VNA. Une fois la valeur atteinte, bloquez les spires au vernis. Ce vernis a tendance à accroître la réactance (capacitive) de la self. Il est conseillé de régler l'inductance à 1 ou 2 nH en dessous de sa valeur indiquée dans la BOM interactive.

Il est également conseillé de régler le capacimètre ou le VNA à la fréquence exacte du "roll off" du filtre en cours de montage, ce qui implique sept étalonnages successifs pour chaque bande couverte par le LPF.

Soudez ensuite les selfs en respectant bien l'ordre de chaque composant. Tout comme le HPF, ce filtre n'utilise pas d'inductances à valeur constante sur une même cellule

Connectez le port TX de votre analyseur vectoriel ou le générateur de suivi de votre analyseur scalaire sur le connecteur SMA marqué "RX_Master_In", et le port RX ou entrée de l'AS sur le connecteur marque "LPF Out"

Alimentez la carte en 12V

Reliez à la masse les uns après les autres, les contacts de J1 correspondant à chaque bande 10/15/20/40/80/160m en effectuant une mesure de chaque cellule sélectionnée (avec un VNWA, 3 secondes de temps total de mesure maximum, 1000 points de mesure, étendue de 100kHz à 100 MHz).

Si tout se passe bien, vous devriez obtenir une série de courbes comme ci-après

Courbe d'amplitude des 6 premiers filtres du lpf. La position "6 mètres" est absente de cette série de mesures pour des raisons techniques liée à l'instrument utilisé.(Cliquez sur le document pour l'agrandir)

Courbe d'amplitude des filtres sans la bande 4 MHz mais avec le lpf 64 MHz.(Cliquez sur le document pour l'agrandir)

Alexiares_hpf

Cliquez sur le document pour l'agrandir

Principe de fonctionnement

En fonction des commandes délivrées par la carte Alexandrie, les relais de chaque section de filtre sont activés automatiquement en fonction de la fréquence de travail.

Il est important de noter qu’il existe deux modes de commandes, choix devant être effectué sous l’onglet «Alex/ hpf/lpf ». Si l’option « firmware est cochée, les filtres sont commutés selon la table indiquée ci-dessous.

  if         (frequency <  1416000) HPF <= 6'b100000;  // bypass
    else if    (frequency <  6500000) HPF <= 6'b010000;    // 1.5MHz HPF    
    else if (frequency <  9500000)  HPF <= 6'b001000;    // 6.5MHz HPF
    else if (frequency < 13000000)  HPF <= 6'b000100;    // 9.5MHz HPF
    else if (frequency < 20000000)  HPF <= 6'b000001;    // 13MHz HPF
    else                                     HPF <= 6'b000010;    // 20MHz HPF

Si l’option « manual » est cochée, les filtres sont commutés en respectant la table de fréquence paramétrée dans les tableaux situés dans ce même écran de réglage.

Pour plus d'informations, se reporter au code originel de Phil Harman vk6ph

Ecran de paramétrage des filtres Alex

La section "6 mètres" est constituée non pas d'un hpf, mais d'un amplificateur faible bruit (LNA) suivi d'un passe-haut coupant aux environs de 20 ou 30 MHz, la chose est peu importante. C'est le filtre anti-aliasing 60 MHz, toujours en service, et situé sur le lpf, qui est utilisé "par défaut"en réception. Ce filtre est en série quelle que soit la bande sélectionnée.

BOM

La BOM est disponible au format CSV

Une BOM détaillée des condensateurs spécifiquement utilisés dans les filtres est disponible au format XLS

Ce sont impérativement des condensateurs format 1206, NP0, céramique multicouche

Comme pour la carte HPF, toutes les références des connecteurs SMA sont doublées pour que chacun puisse choisir entre un connecteur de sortie "coudé" ou un "Edge". Une seule référence doit être commandée et installée.

Github/Gerber

https://github.com/F6ITU/Alexiares_HPF

Réalisation

 Il existe deux versions de cette carte,la plus récente corrigeant l'erreur d'empreinte du transistor d'alimentation
 LNA (voir ci-après) et bénéficiant d'un masque de soie légèrement amélioré. Les deux versions ont été testées et
 strictement aucune différence de performance ou de câblage n'a été relevée.

• - Soudez la totalité des ferrites coté inférieur, les résistances des deux atténuateurs (attention à bien respecter les références et valeurs) ainsi que le condensateur tantale situé en milieu de carte

Ferrites de filtrage d'alimentation, détail

• - Face supérieure, soudez l’intégralité des capacités de découplage 10nF (et une seule 100nF). Cet ordre est absolument impératif : une fois les relais installés, il est impossible d’installer ces composants. Vérifiez scrupuleusement tous les points de brasure

Condensateurs de découplage du HPF, détail

• - Soudez ensuite les 16 relais EC2-12NU. Vérifier, avant de braser toutes les pattes, que le boitier est bien plaqué sur le corps du pcb

les relais HPF assemblés

• - Avec une petite alimentation équipée de deux pointes de touche (pos., neg.),
• injectez une tension de 12V environ sur l’œillet du connecteur J2 marqué du signe « + »
• avec l’autre pointe de touche (négatif) faites contact avec les entrées de commande de ce même connecteur : 6m/LNA, 20hpf, 13hpf etc (sauf les contacts marqués gnd, bien entendu). Chaque test doit faire entendre le cliquettement caractéristique des contacts des relais qui se ferment.
• en cas de non-réponse d’un des filtres -absence de bruit- la qualité de la brasure du ferrite inséré dans chaque ligne d’alimentation, l’absence de pont de soudure sur les condensateurs de découplage.
• Installez ensuite tous les condensateurs format 1206 associés aux filtres. Imprimez la liste, cochez ou barrez chaque valeur ou chaque référence une fois brasée sur le pcb. La moindre erreur dégradera les performances du filtre
• Effectuez un pré-bobinage de chaque self sur des tores T50, en vous aidant d'un programme tel que Mini Tore Calculator du regretté DL5SWB. Les deux bancs de fréquences les plus basses utilisent des tores en matériau 2 (rouge) et les trois bancs suivants des tores en matériau 6 (jaune)
• Calez ensuite chaque inductance sur sa valeur exacte à l'aide d'un LCmètre ou d'un analyseur vectoriel, bloquez les spires au vernis une fois la valeur atteinte. Attention, le vernis ajoute un léger effet capacitif, visez une valeur de 2 ou 3 nH inférieure à la valeur visée.
• Soudez chaque inductance à leur emplacement respectif. Attention à ne pas intervertir les selfs d'une même section, ce n'est pas là un filtre "à inductance constante" et toute erreur donnera des résultats catastrophiques.

inductances réglées, bloquées et installées

• Il ne reste plus qu'à souder, respectivement, les différents composants de l'amplificateur faible bruit (LNA). Aucun réglage n'est nécessaire sur cette section, puisque les 3 inductances critiques et la self d'alimentation du MMIC sont des composants CMS.

montage du FET de commutation LNA sur les versions 1.0 de la carte Alexiares HPF. Notez que l'une des pattes (la source) du FET zvp2106G doit être légèrement pliée pour faire contact avec la languette -sortie 5V- du régulateur de tension AMS1117-5

Une autre solution, suggérée par F1CHM, consiste à remplacer le FET d'origine par un BSS84 monté "à l'envers" (marquage du composant coté pcb) et orienté tel que sur la photo ci-dessous

montage du FET de commutation LNA sur les versions 1.0 de la carte Alexiares HPF, seconde possibilité avec un BSS84

L'erreur est corrigée sur la version 2.0. Aucune différence de performance n'est mesurable entre les deux éditions

montage du FET de commutation LNA sur les versions 2.0 de la carte Alexiares HPF

Le filtre une fois achevé, il suffira d'alimenter la carte via le connecteur J2, et mettre à la masse, les unes après les autres, les broches 1,5 MHz, 6,5 MHz.....60MHz/LNA tout en balayant le spectre de 0,1 MHz à 70 MHz avec un analyseur, pour vérifier la qualité de chaque section.

Résultats des mesures de tous les filtres passe-haut, hors LNA. La trace bleu horizontale est celle de l'atténuateur 20 dB

Alexiares_Coax_Out

 Il existe 3 versions différentes du jeu de cartes "Coax Out". 
 
 -La v1.0 de couleur bleu, qui est liée au système de relayage intégré au coupleur Thémis. 
  IL EST DECONSEILLE D'UTILISER CETTE VERSION, du moins la carte RX (celle avec les petits relais).
  Les pionniers possédant encore une version "bleu" peuvent se la faire échanger via l'Electrolab.
 
 -La v2.0, de couleur verte, qui compte un relais de plus que la version originelle sur la carte RX.
  Les PCB sont stockés à l'Electrolab, ils vous seront expédiés rapidement (hormis pour les parisiens
  qui pourront se servir sur place). Cette version annule et remplace la précédente.
 
 -La v3.0, également de couleur verte, mais portant l'indication "v3.0" sur le masque de soie. 
  Cette version compte un connecteur supplémentaire, lequel évite d'avoir à ajouter une prise SMA 
  en "Té" dans le circuit RX_Master_In (voir le chapitre "signal path").

  Une erreur de masque de soie frappe les 3 versions :  la sortie marquée PS_Feedback et la sortie HPF_Out sont inversées

carte de commutation émission vers 3 sorties antenne

Image 3D des deux cartes

carte de commutation antenne RX, Transverter et bypass

La carte RX V3.0 au premier plan, la V2.0 en retrait. Ces deux cartes sont considérées comme "bug free" et remplacent la version 1.0.

Schéma

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Principe de fonctionnement

Difficile de faire plus simple : des relais commutent différentes entrées "antenne" externes et les aiguillent vers la un circuit en fonction des ordre donnés par le logiciel client et commandés par la carte Alexandrie ou Alexi2C. Les cartes de commande utilisant une logique négative (liaison à la masse), une tension de 12V permanente est appliquée sur chaque bobine de relais, l'autre extrémité de la bobine étant connectée à l'une des broches de commande du connecteur de liaison.

Deux cartes relativement semblables, si ce n'est la taille des relais utilisés, constituent l'ensemble "Alexiares Coax Out". L'une utilisant 3 relais Omron G5LE pour la commutation des antennes émission -ces relais peuvent supporter des puissances de 200W ou plus-, l'autre des relais plus modestes, référence EC2-12NU

Chaque commande de relais est filtrée et découplée par des ferrites NFM41P.

BOM

La BOM est disponible au format CSV

 ATTENTION : Dans cette BOM, toutes les références des connecteurs SMA sont doublées. Une seule référence doit être commandée et installée
 en fonction des choix de chacun en matière de blindage (connecteur "edge", "vertical", "vertical coudé" 
 ou simple sortie de câble coaxial)

Github/Gerber

https://github.com/F6ITU/Alexiares_Coax_Out/tree/master/Gerber

Réalisation

Ce sont là probablement les deux pcb les plus simples à assembler.

Il est absolument nécessaire de souder les ferrites NFM41P avant tout autre composant. Une fois les relais installés, il est quasiment impossible d'accéder aux pads de soudure des ferrites en question.

Ensuite, par ordre, les condensateurs de découplage, le connecteur de raccordement, les relais.

Le vernis épargne de ces deux cartes est supprimé sur le pourtour de tout le circuit imprimé, ceci afin de pouvoir y souder les rappels de masse d'un éventuel blindage (fortement conseillé).

La découpe du blindage en question devra prendre en compte les traversées des prises coaxiales, verticales ou horizontales selon l'empreinte choisie.

Les utilisateurs de la carte Alexi2C ne monteront pas les relais RL5, RL6 et RL7 qui ne sont pas pris en compte par le firmware de Pavel à l'heure où nous rédigeons ces lignes.

Utilisations annexes

Enfermé dans un boitier métallique supportant des connecteurs coaxiaux plus résistants (prises N, BNC, TNC) et augmentée d'une entrée 12V et d'un commutateur 3 positions, ce petit circuit peut servir de boite de commutation d'antenne HF/VHF économique, capable de supporter des puissances de 150 à 200W.

Mentor

carte prototype Mentor

Mentor, carte contrôleur d'ampli à transistors MOS de puissance, lors des tests fonctionnels

Schéma

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Principe de fonctionnement

Mentor est le fruit du travail d’ON7EQ. La description complète du circuit est disponible [http://www.qsl.net/on7eq/projects/arduino_sspa.htm sur sa page QSL.net ]

Le code originel est disponible sur ce même site, et une version modifiée par John Melton G0ORX est régulièrement mise à jour dans la section « download » d’Apache Labs, sous la dénomination 8000DLE FRONT PANEL LCD Firmware

   Il existe deux versions de la carte Mentor : 
   - La V2.0 est destinée aux utilisateurs de SDR série OpenHPSDR version "open" ou "Apache Labs"
   - La V3.0 est à usage général, plus particulièrement adaptée aux utilisateurs de carte de contrôle W6PQL. Cette version ajoute la mesure et le contrôle
     des rails 12 et 24V qui ne sont pas nécessaires dans la version "Hermes et dérivés" 

De manière lapidaire, une série de capteurs situés sur la carte Telemaque -ou toute autre extension, telle que la carte de contrôle de W6PQL - mesure la tension et courant d’alimentation, la puissance du signal HF direct et réfléchi ainsi que la température de n’importe quel amplificateur de puissance. Ces informations se présentent sous la forme de tensions variables selon l’état de la mesure, situées entre 0 et 5V (0 et 3V pour ce qui concerne la mesure de puissance).

Le travail de Mentor consiste principalement à mesurer ces tensions et vérifier qu’elles restent dans les limites des points de consigne définis par l’utilisateur -quelques notions de lecture et de modification de code Arduino sont donc nécessaires pour « customiser » le programme. En cas de dépassement d’une cote d’alerte, le relais de contrôle du « push to talk » (signal « TX_RX_RLY » provenant du connecteur J4 d’Alexandrie et allant vers l’amplificateur) s’ouvre immédiatement et interdit toute émission par coupure de la tension de Bias, afin de protéger les transistors du final.

Les données mesurées -Temp., REFL, FWD, U et I- sont affichées sur un LCD 4 lignes 40 caractère, vendu notamment par Artronic, en Pologne, ou par Kamami.

Une feuille de caractéristiques de cet afficheur, difficile à trouver sur Internet, est précieusement conservée par ON7EQ sur son site

Mais revenons à la carte Mentor. Les tensions FWD et REFL sont également récupérées sur le connecteur J4 d’Alexandrie (qui ne sert que d'intermédiaire passif avec le coupleur moyenne puissance Thémis) ou d'une carte coupleur plus conséquente située dans le boitier du SSPA, pour être réexpédiées vers les sorties 7 et 9 de J1/Alexandrie. Ainsi, la carte principale (Hermes, Angelia, Orion…)pourra prendre en compte la valeur de la puissance et du ROS et permettre au logiciel client -PowerSDR, LinHPSDR, Metis- d’afficher les valeurs en question sur cette interface.

Le ventilateur du P.A. est directement contrôlé en PWM par le port D5 de l’Arduino, tamponné par un FET N Accessoirement, un buzzer est excité lorsque l’un des niveaux d’alarme est dépassé.

BOM

La BOM est disponible au format CSV

Github/Gerber

https://github.com/F6ITU/Mentor

Réalisation

Le temps de montage estimé est d’environ une petite heure.

 Trois erreurs entachent le masque de soie de la première version (pcb bleu) de cette carte
 - Les fils d'alimentation 12 V sont inversés... l'inscription 12V est en face du contact GND et l'inscription GND en face du picot 12 V (connecteur J1)
 - Les sortie vers l'afficheur DB4 et DB5 sont interverties (croiser les fils conduisant vers l'afficheur)
 - TOUTES les inscriptions de J2 sont à intervertir, du bas vers le haut. En partant coté relais, les contacts doivent être étiquetés comme suit : 
   TX/RX Status/TXRX_rly/+12V/Gnd/REFL/FWD

Ces erreurs sont corrigées sur la version V2.0 du pcb. Comme il ne s'agit que de hiatus purement esthétiques, cela n'affecte pas le fonctionnement de Mentor.

Des composants passifs standard peuvent convenir, à l'exception des ferrites découplées protégeant les entrées de l'Arduino, lesquelles ne sont pas courantes dans un atelier radioamateur. Mais des perles ferrites conventionnelles peuvent convenir.

Il est vivement conseillé de souder en priorité tous les passifs de petite taille avant d’installer les connecteurs de raccordement ou le support de l’Arduino. Ceci est particulièrement important pour ce qui concerne les ferrites découplées NFM41PC204F1H3L et les composants situés sous l’Arduino.

Astuce de montage : L'afficheur 4x40 n'étant pas particulièrement économique, nous ne saurions conseiller de prendre toutes les mesures nécessaires pour 
éliminer tout risque d'inversion de polarité.

Deux méthode pour y parvenir.

- Soit l'on utilise un connecteur IDC 2x9 mâle et femelle avec détrompeur 
 (mais la finesse des câbles plats pour IDC s'accorde mal avec les contacts à sertir 
 des connecteurs kk coté Arduino)
- Soit l'on soude une double rangée de brochez HE10 sur l'afficheur, le connecteur coté câble 
 utilisant une prise Dupont avec contacts femelles carrés à sertir, et l'on profite que 
 la broche 16 de l'afficheur soit inutilisée pour en faire un détrompeur.

Programmation :

Une fois le code original récupéré et adapté à la configuration matérielle de chacun, ne pas oublier de copier la bibliothèque de fonction de l'afficheur dans le répertoire "libraries" de l'IDE Arduino.

Le source n'appelle pas de commentaires particuliers.

Sur ce modèle, une plaque métallique de blindage (pcb simple face) a été vissé derrière l'afficheur, afin de limiter les rayonnements indésirables de l'afficheur, et surtout supporter la carte Mentor de manière à raccourcir la longueur de la nappe de raccordement entre le LCD et le microcontroleur.

Intégration :

Lorsque l'amplificateur est logé dans le même coffret que le SDR et l'ensemble Alexiares, la carte "Capteurs" Télémaque (ou son équivalent) est connectée sur J4 de Mentor, et un câble relie Alexandrie à Mentor via J2 (gestion de la commutation émission/réception et récupération des tensions du coupleur HF)

Lorsque l'amplificateur est extérieur au boitier contenant le SDR et l'ensemble de filtrage, la situation est un peu plus compliquée.

• La liaison entre la carte Themis et J2 d'Alexandrie doit être supprimée, un autre câble doit relier J2 et un connecteur extérieur "accessoires" (le mieux étant la prise dB25 reliée également à J6 qui permet de commuter les filtres de l'amplificateur externe)
• le câble coaxial sortant de Themis (PS_Out) et bouclant sur PS_Feedback -récupération du signal d'émission par le circuit de prédistorsion "pure signal"- doit également être supprimé
• Mentor et Télémaque et un coupleur Thémis de puissance sont logés dans le boitier de l'amplificateur.
• Télémaque est relié à Mentor via J4
• J2 doit, d'une part, recevoir les tensions du coupleur Thémis de puissance situé en sortie de SSPA, et d'autre part aboutir au connecteur "accessoire" provenant de l'extérieur. J2 peut ainsi recevoir la commande d'alternat TX/RX et émettre vers Alexandrie les tensions FWD et REFL.

Utilisations annexes

Mentor n'est pas nécessairement lié à l'ensemble Alexiares/Alexandrie. Il peut être intégré dans tout projet d'amplificateur de puissance à transistor. Il est compatible avec la carte de contrôle SSPA de W6PQL. Avec une carte capteur telle que Telemaque, elle peut également superviser un ampli EB104.RU.

Télémaque

Telemaque est l'oeuvre de F5BMI. Cette carte est actuellement en cours de développement

Schéma

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Principe de fonctionnement

Un circuit spécialisé ACS723LLCTR-40AU-T -capteur de courant à effet Hall- mesure en permanence l'intensité appelée par le SSPA et délivre une tension proportionnelle au courant passant. Un ampli op LMC6482 adapte cette variation de tension aux entrées de l'Arduino utilisé par Mentor.

Un simple diviseur de tension suivi d'un LMC6482 mesure la tension sur la borne positive de sortie située dans le circuit d'alimentation du SSPA et délivre une tension variant entre 0 et 5V pour une tension d'alimenatation ampli située entre 12 et 60V. Cette information est également envoyée sur le connecteur de sortie vers Mentor

Un troisième ampli op délivre lui aussi, toujours à destination des entrées de Mentor, une tension 0/5V proportionnelle à la tension délivrée par un capteur de température plaqué au radiateur du SSPA. Ce capteur est un LM35D en boitier TO220, facile à visser sur n'importe quelle surface métallique et offrant une bonne surface de contact avec l'élément à mesurer.

Enfin, un LMC6482 amplifie le signal HF redressé sortant du coupleur directionnel (Thémis). La tension en sortie de cet ampli -située entre 0 et 3V maximum- est envoyée elle aussi en direction de Mentor, et sert également à informer directement la carte Angélia de la puissance de sortie et de l'amplitude du signal réfléchi (via un connecteur de renvoi situé sur la carte Mentor)

En cas de dépassement d'une de ces grandeurs physiques, le bias de l'ampli de puissance est immédiatement coupé, par simple commande du microcontroleur situé sur Mentor.

BOM

tbd

Github/Gerber

tbd

Réalisation

tbd

Aiôn

modèle 3D de l'OCXO

Schéma

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Principe de fonctionnement

Aiôn remplace l’horloge de référence externe vendue plus de 150 dollars par Apache (un simple tcxo), et qui a d’ailleurs été supprimé de son catalogue Web.

Cette référence 10 MHz utilise un Ocxo (oven controled xtal oscillator) NDK ENE3311B, disponible sur eBay pour moins de 10 euros (objet 332386541571).

Une source 5V (78M05) fournit l’énergie nécessaire au chauffage de l’oscillateur, et alimente un régulateur de précision (0,1%) faible bruit LM4140. Un trimmer multitour situé entre la sortie et la masse délivre, sur son curseur, une tension ajustable de quelque milliampères, qui permet de régler précisément la fréquence de l’Ocxo.

Conseils de montage

C'est, de loin, la carte la plus simple à assembler de toute la famille "périphériques Angélia"

• Les broches de sortie de l'ocxo doivent être proprement nettoyée, toute sur-épaisseur d'étain empêchant l'insertion du composant dans les trous du pcb
• Le LM4140, comme spécifié sur le schéma, peut être un modèle 4,096 ou 4,1V, à la rigueur une version 2,5V. Les modèles 1,024V et 1 V ne conviennent pas, car ils n'atteignent pas la tension nécessaire à l'ocxo pour générer précisément 10 MHz.
• Trois empreintes de potentiomètres ont été prévue sur cette carte. N'en installer qu'un seul bien entendu. Il faut, en revanche, que ce potentiomètre soit un composant à variation de résistance la plus progressive possible, donc technique "accutrim" de Vishay ou autre pistes "Cermet" (Bourns notamment). Un potentiomètre bas de gamme fonctionne par "bonds" de valeurs de résistance et rend impossible un réglage fin de la tension de pilotage.
• La diode de protection en entrée n'est absolument pas critique. N'importe quel composant en boitier DO214 (sma, smb ou smc) conviendra (diode schottky SS36 ou SS38 en boitier SMC par exemple)
• La tension d'alimentation idéale se situe entre 7 et 8V. Une tension supérieure n'aura pour conséquence que de faire chauffer inutilement le régulateur 5V.
• La carte sera blindée et thermiquement isolée par un matériau interne en température et non conducteur (polystyrène expansé, vermiculite etc)
• Le réglage initial de la fréquence de fonctionnement doit s'opérer après au minimum une heure de chauffe.

L'oscillateur assemblé, dont un modèle avec son blindage

BOM

La BOM est disponible au format CSV

Github/Gerber

https://github.com/F6ITU/OCXO/tree/master/Gerber

Réalisation

Il est important d’utiliser un potentiomètre multitour à faible dérive thermique le plus « linéaire » possible (technologie « cermet » à piste fondue, Accutrim Vishay etc). Trois empreinte de trimmers différentes ont été prévues.

Un soin particulier doit être apporté au blindage de l’ensemble, qui jouera également je rôle d’enceinte d’isolation thermique. Cette enceinte peut être garnie de matériau isolant (polystyrène expansé, vermiculite…)

La sortie de l’Ocxo utilise une double empreinte SMA, soit « edge », soit verticale droite ou coudée. Elle devra être adaptée aux parois du blindage. Prévoir également une lumière située au droit de la vis de réglage du trimmer.

L’appel de courant multiplié par la DDP aux bornes du premier régulateur 78M05 peut générer pas mal de chaleur. En cas d’élévation trop élevée de la température, il peut être conseillé de diminuer la tension d’entrée, et de passer de 12 à 8V à l’aide d’un régulateur ajustable intermédiaire externe.

Le régulateur faible bruit de précision est sensible aux variations de température.

Utilisations annexes

Aiôn est une référence de fréquence stable et à faible bruit de phase, totalement indépendante de l’écosystème Alexiares/Angelia/Hermes. Elle peut donc être utilisée comme référence dans tout instrument de mesure (géné HF, fréquencemètre, analyseur scalaire ou vectoriel). Son prix de revient ne dépasse pas 15 euros… pour une source qualifiée à 1x10E-8 en précision, 1x10E-12 en stabilité en fréquence, et 1x10E-9 en stabilité en température.

Themis

carte prototype Alexi2C

Schéma

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Schéma

Principe de fonctionnement Themis mesure avec précision le juste et l’injuste… la puissance directe et la puissance réfléchie.

Ce coupleur directionnel de type "Tandem Match" est directement inspiré des travaux de W6PQL. Il utilise un ferrite fabriqué par Laird, assurant un fonctionnement large bande supérieur au matériaux comparable de type 61 par exemple. Il s'insère entre la sortie du filtre passe-bas et l'entrée du commutateur d'antennes émission.

Une capacité de compensation rectifie les erreurs de variation de gain sur l’étendue du spectre de mesure. Elle doit être capable de tenir les tensions HF présentes sur la ligne de transmission (ATC 500V si possible, ou mica argenté de type F1)

Chaque sortie du coupleur est chargée à 50 Ohms, et suivie par une diode de détection et un ampli op chargé d'amplifier la tension du signal redressé.

La branche "direct" (FWD) est également utilisée pour prélever une petite portion du signal d'émission avant redressement, via un atténuateur de 10 à 30 dB (R1/R2/R3) selon la puissance de l'ampli local.

Ce signal"PS_Feedback" est envoyé à un relais situé sur la carte Alexiares_coax_out_RX (label PS_Feedback) par l'intermédiaire d'un câble coaxial. Relais qui, selon l'alternat émission/réception, aiguille soit vers l'entrée RX1_Line durant l'émission (pré-distorsion), soit est laissée en l'air.

Avec un amplificateur délivrant un signal HF de 20 W (43dBm)

• La tension FWD sur le connecteur Molex est de 0.8V
• La tension REF sur le connecteur Molex est de 0.05V
• Le niveau de sortie "pure signal" est de 10 dBm avec un atténuateur intégré de sortie de 3 dB (30 dB de couplage, 3 dB d'atténuateur, soit un affaiblissement du signal de 33 dB sur les 43 dB de HF délivrée)

En remplaçant R13 et R4 par des résistance des 0 ou 1 Ohm, la tension atteint 1,4V, toujours pour 43 dBm/20 W HF

Ce sont ces tensions qui sont envoyés sur l'ADC "commodity" de la cartes Hermes/Angelia Orion (ADC78H90CIMT) ou vers l'ADC interne du fpga de la carte Red Pitaya. Ces données sont transmises au logiciel client qui affichera la puissance émise et le ROS.

Ne pas perdre de vue que l'ADC78H90CIMT de l'Hermes et le FPGA de la Red Pitaya travaillent en 3.3V et qu'il ne faut en aucun cas dépasser cette tension en entrée de circuit. Les plus prudents ajouteront une diode zener 3.3V qui écrêtera toute surtension.

Les utilisateurs d'amplificateurs de moins de 40 W pourront donc remplacer R13 et R4 par des straps, les possesseurs d'ampli 100 W devront conserver les valeurs d'origine, et toute autre puissance supérieure nécessitera d'accroître proportionnellement cette branche du diviseur de tension de sortie.

BOM

La BOM est disponible au format CSV

Github/Gerber

https://github.com/F6ITU/Themis/tree/master/Gerber

Réalisation

Le circuit doit être monté dans un boitier métallique. Pensez à la tôlerie avant de vous lancer dans la soudure des composants (le pcb servant de gabarit de perçage et de taille des cloisons/couvercles).

Une cloison de séparation destinée à améliorer la directivité doit séparer les deux tores (voir photo)

La section destinée à recevoir le relais ne doit pas être câblée. On voit, entre les deux tores, la paroi de séparation destinée à améliorer la directivité du coupleur... attention, cette plaque ne doit pas court-circuiter les lignes HF qui passent d'un coté à l'autre de cette séparation. Sur la droite, au dessus du connecteur marqué "PS_Feedback", les résistances de l'atténuateur ont été supprimées afin de ne pas interférer durant la série de mesure (voir ci-après). Notez la capa ATC de 4.7 pf (en haut, à gauche) qui compense les composantes parasites de la ligne Cliquez sur le document pour l'agrandir

IL EST INUTILE d’installer le relais et les SMA marquées « ps_in », « RX1_line » et « HPF_Out », puisque les nouvelles versions d’Alexiares_coax_out possèdent un relais remplissant ces mêmes fonctions.

Aucun fil ne sera câblé sur le contact numéro 5 du connecteur Molex KK « J5 »

Le transformateur T2 (tore horizontal) est surélevé du circuit par 2 « entretoises » réalisée avec des colliers Serflex

Le réglage fin du réfléchi et amélioration de la directivité propre au coupleur s’effectue en centrant le primaire de chaque transformateur au centre de chaque tore.

Aucune précaution particulière n'est nécessaire concernant la partie électronique. Souder en premier lieu les composants CMS de petite taille -résistances, condensateurs, ampli op, diodes... puis les "gros traversants" , connecteur SMA, Molex, relais, tores.

L’atténuateur en amont de J17 (PS_Feedback) sera monté en fonction de la puissance de sortie de l’ampli HF utilisé (lire ci-après), en veillant à ce qu’à pleine puissance, la sortie couplées ne dépasse pas -10 dBm (your mileage may vary)

Les signaux Refl et Fwd couplés redressés et amplifiés sont récupérés sur le connecteur Molex kk 5 broches (J5), qui correspond au connecteur J2 d'Alexandrie. Aucun fil ne sera câblé sur le contact numéro 5 de ce connecteur.

Vérifications et mesures

• - Etalonnez un VNA (Open/Short/Load)
• - Branchez le port TX du VNA sur l’entrée du coupleur (marquée LPF_Out)
• - Branchez une charge 50 Ohms sur le port de sortie (marqué TX_Coax_Out)
• - Branchez le port RX du VNA sur le connecteur de sortie couplée (marqué PS_Feedback)
• - Réglez le VNA pour une mesure de 2000 points d’échantillonnage et un spectre de 100 kHz à 60 MHz
• - Lancez un balayage.

Vous devriez obtenir une courbe sensiblement équivalente à la capture d’écran ci-dessous

Mesure de la puissance directe sur une charge 50 Ohms

La trace bleu est celle du ROS. Sans réglage, un coupleur tandem-match peut présenter un réfléchi important (un comble pour un appareil qui mesure le réfléchi). C’est la raison pour laquelle il a été prévu une capacité de compensation (tout de suite à doite du connecteur LPF_Out) qui atténue fortement les composantes selfiques et capacitives parasites. Sur le prototype, cette capa avait une valeur de 4,7 pf. Elle doit pouvoir tenir obligatoirement 500V si le réflectomètre est parcouru par une puissance HF de 100 à 150 W, format 1206 ou 1210 -ou mieux, une capa ATC ou Vishay RF. Après quelques tâtonnements, la courbe VSWR devrait tomber en dessous de 1.1. La « bonne » valeur se situe entre 4 et 12 pf.

La trace rouge est celle de l’impédance vue coté transceiver. Elle est très proche des 50 Ohms (entre 49 et 51 Ohms de 1 à 60 MHz). La capacité de compensation joue énormément sur la constance de la courbe d’impédance en fonction de la fréquence de travail.

La trace orange est celle qui nous intéresse le plus. Il s’agit de l’énergie recueillie sur le port Forward/FWD (PS_Feedback). Ce niveau d’énergie est, dans le cas présent, de 30 dB inférieur (facteur de couplage) au niveau d’énergie injecté dans le circuit (donc 10 fois moins puissant). Une émission de 10 W/40 dBm fournira donc, sans le moindre atténuateur soudé sur la carte, une énergie de 40 -30 = +10 dBm. Comme ce niveau est un peu trop élevé pour l’entrée Pure Signal, il faudra souder un atténuateur de 20 dB en amont du connecteur PS_Feedback (résistances R1/R2/R3). Un émetteur de 100W/50dBm nécessitera un atténuateur de 30 dB, avec des résistances R3/R2 de ¼ ou ½ Watt.

La capture suivante respecte le même branchement que ci-dessus, mais la résistance de charge sur TX_Coax_Out a été portée à 100 Ohms. Cette situation simule un déséquilibre d’impédance dans le circuit d’antenne.

Mesure de la puissance directe sur une charge 100 Ohms

La ligne bleue du ROS s’est brusquement relevée, le réfléchi monte à 2.14 sur les environs de 60 MHz. La courbe d’impédance (rouge) joue les montagnes Russes, avec un Z tendant vers 100 Ohms lorsque l’on se rapproche des fréquences très basses.. Le couplage (orange), quant à lui, ne change pratiquement pas, et reste dans la zone des 30 dB.

Comme nous n’avons qu’un seul connecteur disponible pour les mesures des sorties couplées, nous allons tricher en transformant le port FWD en port REFL. Pour ce faire, l’on interverti les connecteurs « coté TX » (LPF_Out) et « coté antenne » (TX_Coax_Out). Le port TX du VNA vient donc sur la « sortie » du coupleur (TX_Coax_Out) et une charge 50 Ohms est vissée sur la SMA « LPF_Out ». Le port RX du VNA demeure sur le port PS_Feedback qui devient le port REFL.

Mesure de la puissance réfléchie sur une charge 50 Ohms

La ligne de ROS (bleue) est plate et indique une quasi absence de réfléchi (1.02, 1.08)... normal, l'énergie est absorbée par la charge 50 Ohms. La courbe d’impédance (rouge) est un peu moins parfaite, de 49,2 (valeur résistive exacte de la charge) à 46.3 Ohms (ce qui prouve que notre coupleur n’est pas exactement symétrique, un léger recentrage des « boucles » des transformateurs et une meilleur répartition des spires peut arranger les choses).

La courbe la plus intéressante est le relevé orange qui plonge à -66 dB et reste en dessous de -56dB à 54 MHz. C'est le nivau de la sortie couplée REFL.

Comme la directivité d'un coupleur équivaut à la différence entre le couplage direct et le couplage réfléchi, soit 56 -30 = 26 dB dans le pire des cas, et 66 -30=36 dB dans le meilleur des cas sur les bandes basses, la directivité est donc en moyenne de 30 dB.C'est pas terrible sur le haut de bande. En décamétrique, un coupleur acceptable doit offrir 30 dB de directivité d'un bout à l'autre de son spectre… quelques ajustements des transformateurs résout la question. A noter que l’on peut améliorer la directivité en diminuant le couplage (donc le nombre de spires sur les tores). On gagne en directivité ce que l’on perd en couplage, donc en niveau d’énergie dans le sens FWD.

Mesure de la puissance réfléchie sur une charge 100 Ohms

La dernière capture d’écran montre ce qu’il se passe sur le port REFL lorsque l’impédance de l’antenne grimpe anormalement à 100 Ohms.

• La courbe bleu du réfléchi grimpe à 2.0 de ROS
• La courbe d’impédance suit la même courbe en bosse de chameau que celle mesurée en direct, avec une pointe à 100 Ohms dans les fréquences basses, soit la valeur de la résistance de charge choisie pour perturber le circuit de mesure
• Et la courbe du signal couplé sur le port REFL est brusquement remontée à 40 dB de 1 à 60 MHz, soit une variation de 26 à 16 dB par rapport à des conditions « normales » de fonctionnement.

Le port FWD varie peu quel que soit la variation de charge coté antenne (la puissance émise ne change pas) mais la puissance réfléchie, quant à elle, augmente fortement (entre 5 à 9 fois plus importante qu’en condition normale d’exploitation).Le coupleur fonctionne donc moyennement bien. Les performances en termes de directivité seront nettement améliorées lorsque ce module sera totalement blindé, et après une petite séance de tripotage des spires sur chaque transformateur.

Themis V2.0

La seconde version de Thémis diffère en 4 points :

• Le relais a disparu
• Les différents composants du détecteur sont désormais situés sur le coté inférieur du pcb
• Le microstrip principal est rectiligne
• Le blindage interne sépare nettement les deux transformateurs

Ces modification améliorent l'isolation du coupleur.

Une version 2.5 du pcb renvoie l'atténuateur de la ligne "pure signal" sur la face inférieure. Ainsi, l'accès à cette section est plus aisée si l'on doit modifier sa valeur.

Themis V2 blindée

Themis V2, vue coté coupleur

Themis V2 face inférieure et les composants du du détecteur

Cerbère

Cerbère, filtre "triple play" pour SDR de la famille Red Pitaya

Cerbère, pcb vu de dessous

Alignement du premier filtre RLP-50 et brasure du premier contact de masse

Principe de fonctionnement

Cerbère fait précéder chacune des deux entrées réception (ADC) d’un double filtre Mini Circuits RLP-50+ coupant à partir de 50 MHz. Cette cascade garanti une élimination de plus de 70 à 80 dB tout signal présent notamment dans la bande 88/108 MHz (broadcast FM) ou des émissions de la bande aviation située au-delà de 110 MHz.

La troisième section utilise un filtre passe-bas LTCC également Mini Circuits Lab (MLCV-52+), qui atténue les produits harmoniques impairs au dessus de 52 MHz. Ce composant à peine plus gros qu’un condensateur MLCC 1210 peut encaisser 5W sans problème, et ainsi filtrer le signal de sortie d’un DAC associé à un pré-driver d’émission.

Les captures d’écran suivantes montrent successivement, pour une plage de fréquence couvrant de 1 à 120 MHz, le comportement des filtres réception en impédance (fig « Réception Smith »), en atténuation et en vswr (fig. « Réception Amplitude ») et enfin la courbe d’amplitude « gain/vswr » du filtre d’émission (fig. « Emission »)

Courbe d'amplitude et VSWR de deux filtres réception en cascade

Courbe d'amplitude et VSWR du filtre émission

Impedance d'entrée d'un filtre réception, bien centré sur 50 Ohms dans la plage "passante"

Ressources

Le schéma, le dessin du PCB au format KiCad, les différentes feuilles de caractéristiques des deux composants principaux sont disponibles sur le dépôt github

https://github.com/F6ITU/antialiasing_filter

BOM

Bien que peu utile, (trois références de composants seulement) la BOM interactive peut être téléchargée depuis le lien

https://github.com/F6ITU/antialiasing_filter/blob/main/Documentation/ibom.html

Réalisation

Le montage du boitier GP731 (filtre réception RLP-50+) demande un peu d’attention.

• Badigeonnez l’empreinte du circuit imprimé avec une légère couche de flux
• Positionnez le filtre dans l’alignement du microstrip. Attention, le signal entre et sort des broches 2 et 6, les broches 1, 3, 4, 5, 7 et 8 étant reliées à la masse.
• Déposez un point de brasure sur l’un des contacts de masse 4 ou 8 (contacts latéraux) en veillant à l’alignement général. Il est possible d’utiliser les « via » du pcb comme repères de positionnement (Fg 1)
• Vérifiez l’alignement des contacts 2 et 6, retouchez éventuellement l’orientation du composant en chauffant le point de brasure réalisé précédemment.
• Ancrez le composant en déposant un point de soudure sur le contact de masse diamétralement opposé
• Achevez en soudant les 6 autres points de brasure, en prenant garde de ne pas créer de « pont » entre le microstrip « signal » et la masse.

Répétez l’opération pour les trois autres filtres RLP-50+

Le montage du filtre émission LFCV-52+ est légèrement différent.

• Badigeonnez l’empreinte du circuit imprimé avec une légère couche de flux
• Positionnez le filtre dans l’alignement du microstrip.
• Déposez un point de brasure sur l’un des contacts « Signal » (et surtout pas les contacts de masse latéraux).
• Vérifiez l’alignement du contact signal opposé, corrigez éventuellement la coaxialité du composant avec le microstrip en chauffant le point de brasure réalisé précédemment.
• Ancrez le composant en déposant un point de soudure sur le contact « signal » diamétralement opposé
• Achevez en soudant les 2 autres points de brasure sur les faces latérale (GND).
• Installez et soudez les 6 connecteurs SMA femelle
• Reliez Cerbère aux ports 1 à 3 de la carte Red Pitaya

En réception, la réjection hors bande sur les portions stratégiques du spectre (bande FM, bande aviation…) se situe entre 80 et 90 dB. L’adaptation d’impédance « in band » demeure dans l’immédiat voisinage des 50 Ohms.

A l’émission (LFCV-52+), H3 à 50 MHz est à -32 dB, mais seulement à -3 dB pour H3 à 30 MHz. C’est donc un filtre assez « mou » mais pouvant être installé après le premier driver. Il vient donc assister les autres systèmes de filtrage (lpf émission, mécanisme de pré-distorsion) et minimise de 3 à 30 dB les risques d’émissions indésirables dans la secondes zone de nyquist et au-delà.

Schéma tbd

BOM

Github/Gerber

Réalisation