QRSS ONTVANGER VOOR 80 METER

QRSS ONTVANGER VOOR 80 METER
(2020)

De QRSS ontvanger: Links de antenne ingang met HF verzwakker en rechts de temperatuur regeling voor het kristal.

QRSS ontvanger voor 80 meter
Ik wilde een simpele, minimalistische ontvanger, een heel uitdagend simpel en goedkoop ontwerp met alternatieve ideeen en experimenten! En ook nog een stabiele frequentie, dat is zeker een uitdaging. De temperatuur in de shack varieert tussen 8C en 31C! Is het mogelijk om met eenvoudige middelen zo'n ontvanger te maken? Met een heel simpele methode voor de zijband onderdrukking? Zal ik er ooit iets mee ontvangen? Slechts een enkel signaal is al voldoende om dit project succesvol te maken!

Het begint altijd met wat aantekeningen op een papiertje!

Uitdagende eenvoud en alternatieve ideeen!
Er lag een zakje met kristallen van 3579,5 kHz. De QRSS band van 3569,9 kHz ligt 9600 Hz lager. Een directe conversie ontvanger moet het dus worden met een laagfrequent uitgang van 9600 Hz. Best wel een hoge frequentie die 9600 Hz, alweer een uitdaging! De ongewenste zijband moet worden onderdrukt door middel van de fase methode. Het voordeel van die hoge audio frequentie is dat de QRSS band van 200Hz maar 1% rondom die 9600 Hz ligt. En kan er in het laagfrequent pad een heel eenvoudig fase netwerkje van maar 1 weerstand en 1 condensator worden toegepast!
Als mixer wil ik de 74HC4066 gebruiken, daar heb ik goede ervaringen mee en is... heel simpel! Er lagen hier nog een aantal van het merk Toshiba. En we gaan zoveel mogelijk transistoren gebruiken, geen IC's, behalve dan die 74HC4066 schakelaar die als mixer wordt gebruikt. Ik word heel enthousiast, het kan echt een minimalistische, simpele "Barefoot Technology" schakeling worden! En dat is wat ik graag wil!
Maar wacht even, de local oscillator frequentie ligt boven de QRSS band. Dus moet eerst de Lopora QRSS software aangepast worden voor de ontvangst van de lage zijband. Wat is QRSS toch een leuke, uitdagende hobby! Na een paar dagen is de Lopora software aangepast, er waren ook nog enkele andere aanpassingen nodig.

Schema, bijna allemaal transistoren! Er is toch wel wat uitleg nodig om alles te begrijpen!

HF versterker
Aan de ingang zit de HF verzwakker, een 1k ohm potentiometer, waarmee de gevoeligheid van de ontvanger optimaal ingesteld kan worden en oversturing door sterke signalen kan worden voorkomen.
Maar waarom zit er na de verzwakker een serie resonantie kring? Alweer een interessant alternatief experiment! Deze wordt afgestemd op de ontvangst frequentie van 3569,9 kHz en heeft alleen voor die frequentie een lage impedantie. Voor andere frequenties is dit een hoge impedantie. En dus kun je meerdere ontvangers voor verschillende frequenties parallel schakelen met de antenne zonder dat ze elkaar's signalen verzwakken!
Na deze serie kring zie je de afgestemde kring bestaande uit de spoelen van 1uH, 10uH en trimmer van 200pF. Deze selectieve kring laat alleen een kleine band rondom 3569,9 kHz door en verzwakt de ongewenste signalen op andere frequenties. Een trimmer van 200pF zul je niet zo gauw vinden. Maar de waarde wordt samengesteld uit een parallel schakeling van een condensator en trimmer met kleinere waarde. Bijvoorbeeld een condensator van 180pF en een trimmer van 40pF. Of een condensator van 150pF en een trimmer van 70pF.
Vanwege de hoge emitter weerstand van 470 ohm heeft de eerste transistor een hoge ingangsimpedantie. Hij zal de afgestemde kring dus weinig dempen. De condensator met een kleine waarde van 10pF en weerstand van 1k ohm beschermen de transistor een beetje tegen hoge spanningspieken en de weerstand voorkomt tevens oscilleren van de HF versterker. De tweede transistor heeft een laagohmige uitgang, dat is nodig om de fase netwerken aan te sturen. En beide transistoren en ook de afgestemde selectieve kring versterken het signaal ook nog eens.

Hoogfrequent fase netwerken
Na de HF versterker wordt het signaal gesplitst in twee signaal wegen. Er moet met behulp van fase netwerken 90 graden fase verschil worden gerealiseerd. De trimmers van 95pF en weerstanden van 470 ohm doen dit. Met de trimmers kun je fase optimaal afregelen zodat de onderdrukking van de ongewenste zijband maximaal is. Het ene fase netwerk staat op -45 graden en de andere op +45 graden, het verschil is dan 90 graden. En heeft de ene signaal weg wat meer signaal nodig en de andere wat minder? Dan regel je de ene trimmer af op -50 graden en de andere op +40 graden. Dus de trimmers regelen niet alleen de optimale fase af, maar ook de optimale amplitude!
En als de laagfrequent fase netwerken niet exact 90 graden verschillen, kun je dit corrigeren met de trimmers. Dan is de het fase verschil in de hoogfrequent fase netwerken een beetje minder of meer dan 90 graden. Dat de ontvangst gevoeligheid daardoor iets afneemt merk je niet, is waarschijnlijk niet eens meetbaar!

Echte simpele "Barefoot Technology"! De 74HC4066 mixer is net gemonteerd.
Alles wordt op een printplaat gesoldeerd en vastgelijmd met een drupje lijm van een lijmstift (zie linksboven).
Knip een stukje van de lijmstift af en smelt dit met de soldeerbout. Daarna de soldeerbout wel even schoonmaken!

Mixers
Mijn QRP setjes hebben meestal een 74HC4066 als ontvanger mixer. Een eenvoudige, goedkope oplossing en dat werkt prima, geen audio detectie van sterke omroep stations en een prima gevoeligheid. Dus logisch om die hier ook te gebruiken, ik heb nog een aantal liggen! Maar je kunt ook een betere, modernere FST3253 chip gebruiken.
De mixers zijn simpele halfgeleider schakelaars die door de kristal oscillator van 3579,5 kHz wordt geschakeld. Het IC 74HC4066 bevat vier van die schakelaars, we gebruiken er maar twee. Een nadeel is dat ook HF signalen en audio frequente signalen worden doorgegeven van de ingang naar de uitgang. Bijvoorbeeld ruis op audio frequenties afkomstig van de HF versterker. Maar het hoogdoorlaat filter direct na de HF versterker bestaande uit een condensator van 1000 pF en een weerstand van 470 ohm laat alleen HF signalen door en blokkeert deze audio frequente signalen.
De spanningsdeler met twee weerstanden van 10k stelt de ingang van de mixer in op de halve spanning, dat is 2,5 volt.
Na de mixers zie je laagdoorlaat filters, ieder bestaande uit twee condensatoren van 1 nF en een weerstand van 470 ohm. Dit filter laat alleen laagfrequent signalen door en blokkeert HF signalen afkomstig van de HF versterker. Zo voorkom je detectie van sterke AM omroep stations in de audio versterker.

Laagfrequent fase netwerken en de opteller (adder)
Na de laagdoorlaat filters komen de twee laagfrequent fase netwerken. Dit zijn de condensatoren van 2000pF en weerstanden van 8200 ohm. De gebruikte frequentie band loopt van 9500 Hz tot 9700 Hz. Dit is een hele kleine afwijking van de centrale frequentie van 9600 Hz. En daarom voldoen deze simpele netwerken bestaande uit maar 1 condensator en 1 weerstand. Het ene fase netwerk draait de fase met -45 graden en de andere met +45 graden, het verschil is dan 90 graden. En het hoeft niet zo heel nauwkeurig, het is niet nodig om heel nauwkeurige componenten te gebruiken. Is het verschil niet exact 90 graden, geen probleem! Dit kun je dit corrigeren met de trimmers in de hoogfreqhent fase netwerken. Dat de ontvangst gevoeligheid daardoor iets afneemt merk je niet, is niet eens meetbaar!
En het werkt! De onderdrukking van de ongewenste zijband (3589,1 kHz) is meer dan 45dB en zelfs meer dan 55dB op de centrale frequentie!
De signalen van beide netwerken moeten worden opgeteld. Dat gebeurt in de schakeling met twee transistoren en gezamelijke 4700 ohm collector weerstand. De 1k ohm emitter weerstanden zetten de ingangsspanning om in een stroom en de beide stromen worden in de 4700 ohm weerstand opgeteld en weer omgezet in een spanning. Je hoeft geen "gepairde" transistoren met identieke versterking te gebruiken. De schakeling versterkt ook een beetje: 4700 ohm / 1000 ohm oftewel 4,7x.

Laagfrequent versterker
En dan zijn er nog twee transistoren, de laagfrequent versterker. De eerste transistor heeft een emitter weerstand van 330 ohm en een collector weerstand van 6800 ohm. Door de 330 ohm emitter weerstand heeft deze trap een hoge ingangs impedantie en een behoorlijke tegenkoppeling, waardoor er praktisch geen vervorming optreedt. De versterking is weer ongeveer 6800 ohm / 330 ohm = 20x. Niet helemaal waar, de versterking is maar 12x, omdat de laatste trap de 6800 ohm weerstand belast met 10k ohm.
Ook de laatste trap heeft behoorlijk wat tegenkoppeling. Aan de basis zit een 10k ohm weerstand en tussen collector en basis een 100k ohm weerstand. De versterking is 100k / 10k = 10x. De 47k ohm weerstand zorgt voor de juiste gelijkstroom instelling.
De 1 nF condensatoren verzwakken de hoge frequenties. En de 1k weerstand aan de uitgang zorgt ervoor dat de eindtrap minimaal belast wordt met die 1k impedantie en is ook nog een beveiliging indien je iets geks aansluit op de uitgang.

Proefschakeling van de kristal oscillator.

Kristal oscillator
En dan nog een heel belangrijk onderdeel, de kristal oscillator die de mixer stuurt. Eerst maar even een proefschakeling van de kristal oscillator maken! Het oospronkelijke oscillator ontwerp was gebaseerd op een Clapp oscillator. Maar de hier gebruikte oscillator schakeling is veel universeler en werkt over een heel groot frequentie gebied zonder dat er condensator waarden moeten worden aangepast. Twee transistoren vormen de oscillator en deze wordt gevolgd door een extra trapje die er een blokgolf van maakt. Van deze laatste trap kun je de 100k weerstand eventueel wat wijzigen indien de duty cycle niet 50% is. Dit kun je meten door de gemiddelde spanning op de collector te meten, deze moet de halve voedingsspanning van de oscillator zijn, dus 2,5 volt.
De frequentie van de oscillator hoeft niet precies 3579,5 kHz te zijn. Die van mijn ontvanger is 3579,077 kHz oftewel 423 Hz lager. Het midden van de band ligt op de audio frequentie van 9177 Hz in plaats van 9600 Hz, maar dat is geen probleem.

Wanneer we het kristal verhitten tot het vrij vlakke turnover punt is de frequentie drift veel minder!
Dat verhitten doen we heel eenvoudig met een weerstand, een echte "Barefoot Technology" oplossing!

We hebben een heel stabiele oscillator nodig, hoe lossen we dat nu weer op?
Voor QRSS ontvangst moet de oscillator heel stabiel zijn. Een drift van minder dan 1 Hz per uur is wenselijk. En ook een absolute nauwkeurigheid van 5 Hz. Een gewone kristal oscillator is niet stabiel genoeg, er is te veel frequentie drift door temperatuur variaties. Er is geen verwarming in de shack... Maar wanneer we het kristal verhitten tot het vrij vlakke turnover punt is de frequentie drift veel minder! Dat verhitten doen we met een weerstand, alweer een heel simpele "Barefoot Technology" oplossing! We kunnen de stroom door de weerstand regelen met de 1k potentiometer.

Positie 3: Winter!

Potentiometer schaal:

- 1: Zomer!
- 2: Lente - Herfst
- 3: Winter!

De "heater" weerstand wordt direct op de behuizing van het kristal gesoldeerd en vastgeplakt,
zodat er zoveel mogelijk warmte wordt overgedragen aan het kristal. Houd de draden van
de weerstand lang, zodat er geen warmte ontsnapt door geleiding via de draden.

Heater weerstand
De "heater" weerstand wordt direct op de behuizing van het kristal gesoldeerd en vastgeplakt, zodat er zoveel mogelijk warmte wordt overgedragen aan het kristal. Houd de draden van de weerstand lang, zodat er geen warmte ontsnapt door geleiding via de draden. Het werkt en is een heel interessant experiment, maar het kristal wordt wel erg heet en dat kost ook veel energie. De volgende QRSS ontvanger voor 40 meter krijgt daarom een temperatuur regeling met een NTC weerstand. Weer een nieuwe uitdaging!

Echte simpele "Barefoot Technology"!
Dit is het resultaat! Een heel eenvoudige ontvanger met
allemaal standaard componenten. En hij doet het prima!

Voeding
De 220 ohm weerstand, elco's en 100nF condensatoren zijn ontkoppel condensatoren voor de voeding om stoorsignalen uit te filteren. Toen de ontvanger klaar was, bleek dat de 220 ohm weerstand 10x zo groot was, 2200 ohm. Tijdens de verhuizing zijn er weerstanden in het naastliggende bakje gevallen... Is opgelost door er een 270 ohm weerstand aan parallel te schakelen!
En dan is er nog een 5 volt voeding met een simpele transistor. Dit is de voedingsspanning voor de 74HC4066 en de oscillator. Ik had geen geschikte zener diode. Maar op de basis staat 6 volt, op de emitter dus ongeveer 5 volt. De weerstand van 100 ohm in de collector is een stroombegrenzing, handig wanneer je per ongeluk kortsluiting maakt...

Voor het afregelen is de eenvoudige GPS frequentie standaard gebruikt.

Afregeling
Voor het afregelen is de GPS frequentie standaard gebruikt. De beschrijving daarvan kun je op deze website vinden. De frequentie kun je instellen op iedere waarde tussen 1 Hz en 10 MHz, zelfs nog een paar MHz hoger met verminderde kwaliteit. De laagfrequent uitgang wordt aangesloten op de audio ingang van de PC en een audio spectrum analyzer programma (er zijn er vele) wordt opgestart op die PC. De GPS frequentie standaard wordt via een hoogohmig weerstand of een "pick-up" draadje verbonden met de antenne ingang. Zet de frequentie van de GPS frequentie standaard op de QRSS frequentie van 3569,9 kHz. Regel de trimmers van de ingangskringen af op maximum. Je kunt het niveau van het test signaal varieren met de 1k verzwakker potentiometer.

Afregeling van de onderdrukte zijband. De oranje curve is het gewenste signaal op 3569,9 kHz.
De onderdrukking van de ongewenste zijband (3589,1 kHz) is meer dan 45dB
en zelfs meer dan 55dB in het midden van de band.

Zijband onderdrukking
Nu komt het moeilijke gedeelte, het afregelen van de zijband onderdrukking, daar ben je wel even mee bezig.
Zet de frequentie van de GPS frequentie standaard weer op de QRSS frequentie van 3569,9 kHz en regel het signaal met de 1k verzwakker zodanig af, dat het signaal bovenaan het spectrum display ligt. Lees de audio frequentie af. Bij mijn ontvanger is dat 9177 Hz. Zet de frequentie van de GPS frequentie standaard vervolgens op de ongewenste zijband, dat is 3569,5 kHz + 2x de afgelezen audio frequentie. Bij mij dus 3569,9 kHz + 2 x 9177 = 3588,254 kHz. Nu zul je op exact dezelfde plaats in het spectrum een zwakker signaal zien. Regel nu de twee trimmers van het hoogfrequent fase netwerk zodanig af, dat dit signaal minimaal is. Steeds een trimmer een beetje verdraaien, dan de tweede op minimum signaal afregelen en zo de meest optimale standen vinden.

Wanneer je de temperatuurregelaar van de minimum op de maximum stand zet, zie
je bij de pijl het turnover punt. Stel de potentiometer in op dit turnover punt.

Hoe regel je de temperatuur van het kristal af?
Zet de frequentie van de GPS frequentie standaard weer op de QRSS frequentie van 3569,9 kHz en regel het signaal met de 1k verzwakker zodanig af, dat het signaal in het spectrum display ligt.
Wanneer je de temperatuur verhoogd door langzaam aan de regelknop te draaien, zie je dat de frequentie eerst omhoog gaat en boven een bepaalde temperatuur weer naar beneden. Stel de potentiometer in op dit turnover punt.

Echte simpele "Barefoot Technology"! Een eenvoudige loop antenne voor de eerste experimenten!

En... hoe doet hij het?
De gevoeligheid is uitstekend. Aangesloten op een loopantenne kun je de ruis enorm horen afnemen wanneer je de HF verzwakker terugdraait. Ook de frequentie stabiliteit is prima. Er zijn geen ongewenste signalen hoorbaar die bij dit soort eenvoudige ontvangers vaak veroorzaakt worden door oversturing door sterke omroep zenders.
En de zijband onderdrukking van de ongewenste zijband (3588,3 kHz) is meer dan 45dB en zelfs meer dan 55dB op de centrale frequentie! Er zijn geen signalen hoorbaar afkomstig van die ongewenste zijband. Dat was wel het geval bij de eerste eenvoudige direct conversion ontvanger zonder die ongewenste zijband onderdrukking.
Nu maar afwachten of we eens QRSS signalen ontvangen en er zal zeker ge-experimenteerd worden met antennes! Vanwege de hoge audio frequenties van 9600 Hz moet je we een goede kwaliteit USB audio dongle gebruiken, niet alle goedkope zijn bruikbaar. Ik gebruik een Behringer type UFO202.
De NanoVNA kan ik gebruiken om een QRSS test signaal te genereren, dus ik zal in ieder geval 1 QRSS signaal ontvangen!

Het eerste QRSS signaal! Gemaakt met de NanoVNA!
Nu maar experimenteren met antennes!

Spannend!
Een heel vreemde, alternatieve ontvanger met een hoge uitgangsfrequentie. De heel alternatieve temperatuur compensatie werkt perfect! En prachtige signalen, de 80 meter grabber is een succes, zie de schitterende resultaten hieronder! Ik wil meer grabbers maken, 40, 20 en 10 meter!

En... al snel werden de eerste signalen ontvangen!
G0FTD en VE1VDM! Het project is dus al een groot succes!

Een heel goed signaal van Vernon VE1VDM

Een heel goed signaal van Andy G0FTD

Joze S52AB

Larry N8NJ

Robert M6GLD

Uitstekende signalen van Michael G6GN, Andy M0RON en Radovan OK1FCX (FSK3!)

Vier MEPTs! Martijn PA3GFE, G0FTD, G6GN, M0RON

QRSS Plus Automatically-Updating Active QRSS Grabber List by Scott Harden

Index PA2OHH