Miniwhip jako aktivní E-field sonda

Různé E-field sondy lze koupit na čínských tržištích prakticky za pár korun (zvláště když to srovnáte s cenou dospělé sady E/H sond). Prakticky vždy je to kus 50Ω vedení zakončený kuličkou, ploškou, nebo krátkou anténkou, typicky to bývá realizované jako plošný spoj, může to být zalité do nějakého polyuretanu, nicméně princip je pořád stejný. Ideální je použít kuličku. Problém je v tom, že 50Ω (vstup spektráku) je poměrně málo, takže se na sondě nakmitá relativně malé napětí, čili nedílnou součástí takové věci je vhodně navržený zesilovač. Pokud nepotřebuji měřit úrovně (a to mi nějaká malá sada sond z čínského tržiště neumožní, protože tam neexistuje nějaká předvídatelná relace mezi polem a nakmitaným napětím), což nejde-li o EMC, tak ve většině případů nepotřebuji, nabízí se možnost integrovat zesilovač do sondy (nepotřebuji ho charakterizovat, o úrovně mi nejde), no a tady přišla druhá myšlenka, čím vyšší budu mít vstupní impedanci, tím vyšší napětí se mi na sondě nakmitá. Čili on by mi v extrémním případě stačil buffer s hodně velkou vstupní impedancí. Samozřejmě na nízkých kmitočtech, na vysokých nedokážu dosáhnout vysoké vstupní impedance, protože mi do toho hodí vidle vstupní kapacita bufferu, se kterou už v podstatě nejde nic moc dělat. Nicméně já potřebuji spíše kmitočty nízké, opravdu nechci přímo sahat nějakou kontaktní sondou do elektronkového rádia či podobné věci, nicméně vidět spektrum na mezifrekvenci, či vidět že mi běží LO atd. je užitečné. Toto vše jsou kmitočty do 30MHz. Pokud budu uvažovat nějaké VKV rádio, tak tam se kmitočtově vejdu do nějakých 120MHz, což věru není mnoho, čili není nereálné navrhnout buffer s vysokoimpedančním vstupem, potažmo tímto zesilovačem vybavenou sondu.

Realizace

Jak jsem předeslala, stačí mi buffer, definitivně to nemusí mít napěťové zesílení. Musím se snažit držet comožná nejmenší vstupní kapacitu a současně se musím dostat k vysokým kmitočtům, neb čím výše to bude chodit, tím lépe. Pak mi došlo, že nemá smysl objevovat kolo, v podstatě na stejném principu funguje aktivní anténa miniWHIP od PA0RDT. Pokud máte pocit, že miniwhip nefunguje, patrně jste zkoušeli stavět jeho verzi z amatérského rádia, která opravdu neměla nejmenší šanci fungovat. Těch zapojení se po internetu objevuje mnoho, nicméně funkční je patrně jen originál (přiložen) a některé velice staré úpravy, jako je například externí napájení namísto odbočky přes tlumivku. Aby to tedy fungovalo jako anténa (a e-sonda s vysokoimpedančním vstupem se zásadně neliší), musíte to postavit podle původního schematu:

 

Pochopitelně určité úpravy jsou potřeba, zvláště budete-li to stavět jako sondu. Předně. Tranzistor j310 je nesehnatelný, nicméně dá se koupit MMBFJ310 (myšovač, TME, Reichelt), což je totéž, ovšem v SMT provedení. V tento moment mi přišlo rozumné to celé překlopit do SMT, vyjímku v mém případě tvoří toliko jeden 1MΩ rezistor, protože jsem to prostě jinak nedokázala dostat na jednostrannou desku vyškrabanou zalamovákem z cuprextitu, no a BJT. Podotýkám, že u  j310 není rozdíl mezi zdrojem a odtokem, čili S a D můžete libovolně prohazovat, což vám může zjednodušit desku. Sehnat MMBFJ310 definitivně je problém (v GME), nicméně sehnat 2N5109 je prakticky nemožné, takže mi nezbylo než jej nahradit. S náhradou jsem si dlouze lámala hlavu, až mi pomohla náhoda — balíček součástek z Temu. Koupila jsem to s tím, že se to vyplatí už jen kvůli rezistorům a LED, nicméně byly tam i různé čínské tranzistory, mezi nimi i S9018, který se mi jevil jako ideální kandidát (f_t>1GHz), což posléze potvrdila i praktická zkouška. Koupit ten tranzistor u nějakého místního dodavatele je prakticky nemožné, ale naprosto běžně se vyskytují v sadách tranzistorů prodávaných na Temu či Aliexpresu. Nákup polovodičů v takových obchodech přirozeně nese určitá rizika, sama jsem si to vyzkoušela s TL071. Druhou špatnou věcí je, že pracuje velice blízko svých limitních hodnot, z čehož jsem měla obavy, nicméně snadná dostupnost těch tranzistorů a jejich nízká cena mne přiměly tranzistor v daném zapojení vyzkoušet a nezdá se, že by blízkost maximálním hodnotám představovala problém. Postavila jsem jak anténu, tak sondu. Další změnou je odpojení tlumivky 470μH od výstupu. V případě antény jsem ji připojila na napájecí konektor, v případě sondy jsem ji vypustila zcela a nahradila nacvakávacím feritem.

Praktická realizace sondy

Praktická realizace sondy je celkem patrna z fotek. Ano, umístila jsem ji do expirované injekční stříkačky. Je to ideální materiál,ta věc by se musela vyhodit, už když jsem z injekční stříkačky vytahovala píst, velmi malé části se ho odtrhly, tohle nechcete dostat pod kůži, byly to tak malé částečky, že by to tlustší jehlou v pohodě prošlo. V případě sondy toto však nevadí, není problém takové částečky vyfouknout. Injekční stříkačka má potom pro konstrukci sond další výhody, kupříkladu konus pro jehlu je přímo předurčen pro umístění nějakého hrotu, nebo (jako v tomto případě) maličké antény. Proto je konus ještě překryt smršťovací bužírkou, nechci náhodný kontakt antény s nějakou částí DUT, na anténě je bias voltage, čili musí být izolovaná. Zadní část se zase dobře drží v ruce. Injekční stříkačky se navíc vyrábí v různých objemech, já použila 10ml. Po vytažení pístu jsem válec umyla acetonem. Není to nutné, nicméně aceton umyje veškerý potisk, čili to potom lépe vypadá. Dále jsem ustříhla kus cuprextitu o šířce 1cm a délce odpovídající délce injekční stříkačky. Ustřižený kus je třeba dopilovat tak, aby si vše perfektně sedlo. Upozorňuji, že válec injekční stříkačky je zvenku konický a totéž platí i zevnitř (musí to vypadnout z formy, plastové díly jsou mnohdy velmi lehce konické či lichoběžníkovité, právě z tohoto důvodu), čili obdélníková deska jde v injekční stříkačce lehce „do kopce“, to ale nepovažuji za problém. Větším problémem je délka injekční stříkačky, jenže menší injekční stříkačka bude příliš úzká, navíc se bude špatně držet v ruce, potřebujete mít nějaký mechanický odstup od antény sondy. Vzhledem k požadováné vysoké impedanci vstupu a z toho plynoucí nízké kapacitě vstupu nelze dost dobře tahat vysokoimpedanční část po desce, čili zesilovač musí přijít comožná nejblíže přednímu konci injekční stříkačky. Směrem vzad je tedy nutno vést výstup zesilovače, což však nepředstavuje problém. Zde je 50Ω impedance, což odpovídá šířce cesty 109mils při volném okolí a měděném plátu z druhé strany desky. Ten jsem vyrobila samolepicí měděnou folií. Zadní plátování spojené se zemí musí být striktně jen pod vedením, avšak nikoliv pod zesilovačem samotným, tam by způsobilo problémy. Layout jsem do desky vyřezala zalamovákem. Jsou pochopitelně i jiné možnosti, jako vyrobit DPS fotocestou, nicméně toto je prostě vzhledem k jednoduchosti zapojení nejrychlejší. Po vyřezání samotném je třeba povrch DPS důkladně očistit, zabrousit do roviny (nesmí se to přehnat, aby se neodbrousila všechna měď, účelem je odbrousit části vyhnuté vzhůru tvořící hrany po řezání zalamovákem), dále vyvrtají otvory pro THT součástky a v závěru je třeba desku lehce naleptat. K tomuto účelu používám směs octového čističe z Lídlu s trochou izopropylu a saponátu (nějaký saponát obsahuje už samotný čistič, pozor, nepřehnat, jinak vypěníte jak zajíc). Směska je použitelná opakovatelně, avšak strašidelně smrdí a její výpary budou leptavé, čili ji uchovávám v uzavřeném relativně velkém kontejneru (tak aby se do něj vešla celá deska). Octový čistič nedokáže měď odleptat, ale dokáže jí perfektně vyčistit a v této směsce na to při pokojové teplotě potřebuje zhruba dvě minuty. Výkres desky neuvádím, rozměry nejsou nikterak kritické (s vyjímkou vedení ke konektoru), obrazec vyřezávám vyloženě od oka, nikdy s tím nebyl problém.

Oživení

Po zapájení všech součástek a zběžné kontrole připojte sondu ke zdroji 12V s proudovým omezením nastaveným na 80mA. Příkon sondy by měl odpovídat 47mA, neměl by se lišit o více než 4mA. Dále doporučuji zkontrolovat pracovní body, především napětí v bázi a emitoru BJT, dále pak napětí na vstupu potažmo gate JFETu a napětí na jeho source. Podotýkám, že na měření napětí v gate JFETu je třeba voltmetr se vstupním odporem minimálně v jednotkách GΩ, čili běžný multimetr s 10MΩ nevyhoví (nebo musíte akceptovat, že vám napětí krapet přitáhne k zemi proti které měříte, ve všech ostatních místech již vyhoví). Poté připojte výstup sondy ke vstupu spektrálního analyzátoru. Při přiblížení antény ke kusu drátu či k ruce byste měli vidět aktivitu ve VKV rozhlasovém pásmu a něco málo na VHF DAB kanálech (pokud jste tedy v oblasti, kde je DAB vysílání aktivní). Při přiblížení antény sondy k důkladně uzeměnému kusu plechu by naopak veškerá aktivita měla zmizet a prakticky vše by mělo výrazně spadnout dolů. Pokud vše funguje, nezbývá než sondu usadit ve válci injekční stříkačky a zafixovat proti vypadení. To jsem nakonec udělala pomocí kusu vyřezaného z gumy na gumování (nevím jaxe tomu říká česky). Je to pružný snadno opracovatelný, snadno dostupný a navíc levný materiál.

Závěr

Jedná se o jednoduchou a levnou sondu, nicméně její citlivost až překvapující. Pracuje do cca 200MHz, což je většinou dostačující. Občas je třeba sondu přikládat a oddalovat od zkoumaného místa aby se zjistilo, co pochází ze zkoumaného zařízení a co pochází z okolí. Okolí se s pohybem sondy příliš nemění, zato signály pocházející ze zkoumaného zařízení se mění v amplitudě značně. Takováto jednoduchá sonda dokáže být dobrým pomocníkem, navíc za velmi přívětivou cenu.