dinsdag 14 juni 2016

GPS onder de kap - deel 2

Enige tijd geleden schreef ik over een oplossing voor het gps probleem in mijn (carbon) DF. Zeker met de racekap erop komt er bijna geen signaal bij de gps ontvanger. Zie hier voor het vorige bericht. Ik heb er nu enkele weken tot grote tevredenheid mee gereden, het werkt echt perfect, veel beter dan de "normale" werking van de Garmin op mijn racefiets. Daar zie ik wel eens afwijkingen onder een bladerdak of in de bergen langs een rotswand.
De oplossing die ik eerder beschreef, heeft als nadeel dat de antenne in de fiets een omgebouwde gps antenne is. Standaard hebben gps antennes een ingebouwde versterker en die moet worden uitgeschakeld om als zendantenne in de fiets te kunnen werken. Ik had een paar goedkope antennes besteld via aliexpress.com, maar helaas bleken de antennes niet open te krijgen zonder bruut geweld. De antennes uit de rommeldoos bleken wel van schroefjes voorzien. Verder is zo'n gps antenne een relatief zwaar ding omdat er een blokje keramische materiaal in zit. Tijd dus voor een andere oplossing, zelf een antenne maken!
Op zich is van allerlei geleidend materiaal wel een antenne te maken. Wat echter lastig is, is om de antenne op de juiste frequentie (1575 MHz) te laten werken en om de impedantie rond de 50 Ohm te krijgen. Meestal begin ik met een "educated guess" en sluit dan een speciaal metaapparaat aan, een vector network analyzer (vna). Dan kun je door de antenne in te korten of te vergroten (koperfolie) de antenne tunen. Op de vna zie je meteen het resultaat. Nadeel is dat zo'n (professionele) vna peperduur is, ze beginnen bij de prijs van anderhalve velomobiel en dat loopt door tot prijzen waar je een huis van koopt! Ik heb dan ook een budget vna uit de hobbysfeer. Helaas is de gps frequentie te hoog voor mijn vna en moet ik het dus op goed geluk doen.
Om de kans op succes te maximaliseren kies ik een antenneontwerp met een grote bandbreedte. Een beetje afwijking in de maat is dan niet meteen een probleem. De keus is gevallen op een zogenaamde bow tie antenne, die lijkt op een vlinderstrik.

Wat koperfolie, een sma - sma verbinding met spoeltje en een kabeltje
Tijdens het uitknippen van de koperfolie besluit ik om de vorm iets te wijzigen omdat één kant van de vlinderstrik tegen het (geleidende) carbon komt. Ik begin met een te grote antenne, die kan ik nog net meten met mijn vna. In het algemeen schalen de afmetingen van een antenne met de golflengte (lichtsnelheid gedeeld door frequentie). Als ik weet op welke frequentie mijn antenne nu werk, kan ik hem in principe verkleinen tot de juiste maat voor de gps frequentie.
In de eerste versie had ik de kabel van de interne antenne direct gesoldeerd ipv via een sma connector. Nu wel een connector en ook de oude antenne voorzien van een sma connector, kan ik ze uitwisselen. Van twee sma female connectoren maak ik een koppelstukje met in het midden de aansluiting voor de voeding. Via een spoeltje (een paar windingen om een potlood) wordt de batterij (+3V) aangesloten, de min-pool gaat aan de buitenkant van de sma connectoren. Om het mechanisch stabiel te houden nog een condensator (220 pF) er aan toegevoegd, maar zonder werkt het ook.

detail van de antenne

Het elektrisch schema is eenvoudig. Voor de indicatie heb ik er ook nog een ledje aan toegevoegd. De weerstand weet ik niet meer, wel dat ik de stroom heel zuinig heb ingesteld op ca 0.5 mA. Geeft voldoende licht om te zien of het spul aan of uit staat. In een volgende versie komt een automatische schakelaar die op beweging reageert. Hardware heb ik wel liggen, nu nog tijd vinden om software te maken en om een en ander te knutselen.
Het elektrische schema


twee ma connectoren aan elkaar gesoldeerd met een zelfgemaakt spoeltje een een condensator

De antenne om een blokje schuim gevouwen

De metingen gaan alle kanten op als ik de antenne in de buurt van iets anders hou. Dit wordt een drama vrees ik. Min of meer op goed geluk knip ik een stuk van de antenne af en sluit hem aan op de officiele gps antenne. Mijn Garmin Edge 800 stel ik in op het satellietenscherm. Duidelijk is te zien dat als de voedingsspanning aanwezig is, er een veel sterker signaal is van de satellieten. De antenne zit om het schuimblokje gevouwen en dat pak ik vervolgens in met tape. Tegen de zijkant (het grote koperoppervlak) komt nog een stukje klittenband. In de fiets had ik daar al klittenband zitten. De antenne hangt nu op z'n kop vlak boven de gps ontvanger.
The proof of the pudding is in the eating zoals de Engelsen zo mooi zeggen. Daarom het hele spul in de fiets gemonteerd en er mee op pad. De externe GPS antenne zit met klittenband midden op het middelste bevestigingspunt van het minivizier. Zonder vizier pas het dan ook en met kap ook. Nu werkt het ook weer uitstekend, ik zie nauwelijks verschil met de "deftige" versie van de omgebouwde gps antenne. De knutselantenne doet het gewoon prima, weegt heel weinig en kost nagenoeg niets.
schakelaar aan, prima ontvangst

schakelaar uit, slechte gps ontvangst
Toen ik bij Intercitybike was, werd daar aan de fiets van Marloes ook een gps antenne bevestigd. Zij heeft een gps ontvanger waarop een externe antenne kan worden aangesloten, dat kan niet op mijn Edge 800. Bij Marloes zit de antenne achter aan de staart. Nadeel is dat de antenne niet omhoog kijkt en er zo minder satellieten zichtbaar zijn, maar praktische gesproken zal het wel werken. Voordeel is dat het netjes is opgelost in de zin van dat je geen los ding bij het instapgat hebt. Misschien ga ik mijn antenna daar ook wel monteren.

GPS antenne op de achterzijde gemonteerd

Voor de zelfbouwers: in principe zijn alle spullen voor een habbekrats te koop op Aliepress.com, kost je alleen wel een week of 4 voordat je alles in huis hebt. kabeltjes met sma connectoren, batterijhouders, klittenband etc. Ik heb 0.1 mm koperfolie gebruikt voor de antenne, maar dat kun je ook doen van blik, bijvoorbeeld een leeg colablikje dat je openknipt en plat drukt. Het moet wel te solderen zijn, aluminium wordt lastig.
Ondertussen al weer een paar honderd kilometer tot volle tevredenheid gereden met de nieuwe antenne. Het zal vast niet door die paar gram lichtere antenne komen, maar ik was nog nooit zo snel op mijn woon werk route. Die DF rijdt toch wel heel lekker!