Wektorowy Analizator Sieci VNA (Vector Network Analyzer)

Wektorowy analizator sieci VNA (Vector Network Analyzer) to przyrząd, którego można użyć do pomiaru parametrów anteny lub kabla koncentrycznego, mierząc SWR, impedancję i stratność. Jest to narzędzie bardzo przydatne podczas budowania i dostrajania domowych anten, filtrów lub innych obwodów RF. VNA może pomóc upewnić się, że antena jest odpowiednio dostrojona do właściwej częstotliwości. W porównaniu ze standardowym miernikiem SWR, VNA dostarcza również informacji o fazie. Podstawowe pojęcia związane z VNA są omówione przykładowo w artykule aplikacyjnym firmy Keysight.

VNA występują w bardzo różnych przedziałach cenowych. Większość z nich jest poza zasięgiem typowego hobbysty. NanoVNA z ceną poniżej stu dolarów zadziwia atrakcyjną ceną, miniaturowymi rozmiarami, zaawansowanymi funkcjami i wygodą obsługi. W jednym z postów porównano go przenośnym analizatorem N9952A FieldFox Handheld Microwave Analyzer produkcji firmy Keysight (dla ciekawych: możliwości pomiarowe analizatorów Keysight, konfiguracja analizatorów Keysight), jednego ze światowych liderów w tej dziedzinie. Profesjonalny N9952A w wypasionej opcji może pracować w zakresie aż do 50 GHz, ale jego cena jest o 3 rzędy wielkości większa i wynosi około 50 tysięcy USD.

Przykładowy pomiar dokonany tymi dwoma przyrządami sygnału odbitego S11 od testowej anteny GP 400 MHz daje porównywalne wyniki, a różnice nie mają istotnego znaczenia w warunkach amatorskich (niebieski – NanoVNA, czerwony – N9952A). Na wykresie zwraca uwagę nieciągłość pomiaru NanoVNA dla częstotliwości 300 MHz, co wynika z podziału jego pasma na podzakresy.

Otwarty projekt NanoVNA

NanoVNA jest rozwijany na zasadach otwartego oprogramowania (open source). Opublikowana jest pełna dokumentacja NanoVNA, dzięki czemu każdy może próbować włączyć się w rozwój tego urządzenia, a przynajmniej sporo się nauczyć. Można go samodzielnie zmontować lub kupić gotowy NanoVNA, który jest obecnie aktywnie rozwijanym w społeczności projektem analizatora sieci wektorowej i anten.

Projekt NanoVNA istnieje już od 2016 roku, ale dopiero niedawno chińscy sprzedawcy rozpoczęli masową produkcję urządzenia i sprzedaż na stronach takich jak Aliexpress, eBay czy Amazon. Ostatnio dostępna jest także ulepszona wersja NanoVNA-H pracująca do 1,5 GHz, którą w Polsce oferuje np. sklep Konektor. Zauważmy, że niektórzy tani sprzedawcy oferują NanoVNA bez obudowy i wewnętrznych ekranów, więc może warto dokładnie przeczytać ofertę, zanim go zamówimy. Warto też sprawdzić, czy oferta zawiera niezbędne elementy do kalibracji (widoczne obok).

Są też produkowane różne mutacje, jak np. większy gabarytowo (140 x 75 x 20 mm) NanoVNA-F ze znacznie większym wyświetlaczem 4,3 cala IPS TFT (800 x 480 pikseli) i z innymi drobnymi usprawnieniami oraz z większą dynamiką (dzięki lepszemu ekranowaniu).

Historia projektu o otwartym kodzie źródłowym, który wymknął się z pod kontroli pierwotnego dewelopera, wydaje się obecnie dość powszechna. Choć oryginalnym projektem „open source” eddy555 zapoczątkował coś naprawdę wspaniałego, jednocześnie smutne jest to, że nie zobaczy zbyt dużego zysku z masowej produkcji swojego opracowania mimo, że nie wyraził zgody na komercyjne nieodpłatne powielanie jego rozwiązania. O ile wiadomo, jedynym dystrybutorem NanoVNA, który zdecydował się zapłacić honoraria dla eddy555 (po tej wymianie zdań na Twitterze) jest NooElec, który sprzedaje pełny zestaw NanoVNA za 110 USD.

Klony NanoVNA są oferowane przez wielu producentów w Chinach, dlatego najtańszy z Aliexpress nie zawsze oznacza dobry, więc może warto kupić w kraju sprawdzony z gwarancją…

Konstrukcja NanoVNA

NanoVNA to urządzenie o wielkości zbliżonej karty kredytowej (wymiary zewnętrzne ze złączami: 60 x 100 x 17 mm). Ma wbudowany dotykowy 2,8 calowy kolorowy ekran TFT, który można używać do bezpośredniego wyświetlania wykresów i do konfiguracji. NanoVNA można także podłączyć do komputera lub smartfonu i przeglądać wykresy za pomocą oprogramowania NanoVNA na system Windows (NanoVNASharp.zip, NanoVNASaver) lub Android (NanoVNA WebApp).

NanoVNA mierzy współczynnik odbicia i współczynnik transmisji dla 101 punktów w wybranym zakresie częstotliwości. Częstotliwość lokalnego generatora Si5351A wynosi od 50 kHz do 300 MHz. W przypadku wyższych częstotliwości pomiaru dokonuje się z wykorzystaniem harmonicznych generatora. W wersji NanoVNA-H pomiary są prowadzone w trzech podzakresach (przełączanych automatycznie, w sposób niewidoczny dla użytkownika):

• od 50 kHz do 300 MHz: pomiar na częstotliwości podstawowej (z dynamiką około 60 dB),
• od 300 MHz do 900 MHz: pomiar na 3-ciej harmonicznej (z dynamiką ograniczoną do 40 dB),
• od 900 MHz do 1500 MHz: pomiar na 5-tej harmonicznej (z dynamiką ograniczoną do 20 dB).

Pomiar w szerokim zakresie jest mało precyzyjny ze względu na liczbę jednocześnie wyświetlanych punktów pomiarów ograniczoną do 101, dlatego należy zawęzić przedział mierzonych częstotliwości do minimum. Należy pamiętać, że na wyjściu NnaoVNA zawsze jest obecny sygnał o częstotliwości podstawowej, co jest szczególnie ważne podczas pomiarów wzmacniaczy szerokopasmowych.

Sygnały pomiarowy, heterodyny i zegara dla przetwornika i procesora wytwarza generator Si5351A. Mierzone sygnały RF są podlegają przemianie w trzech mieszaczach SA612AD na częstotliwości pośrednie 5 kHz, które są zamieniane z próbkowaniem 48 kHz w przetworniku analogowo-cyfrowym TLV320AIC3204 na dane cyfrowe, obrabiane następnie przez mikrokontroler STM32F072CBT6, co ilustruje schemat blokowy (obok) i schemat ideowy NanoVNA.

NanoVNA mierzy na wyjściu generatora TX (CH0) amplitudy i fazy sygnałów: wychodzącego (o poziomie w zakresie -13 …-9 dBm) i powracającego (odbitego), a na wejściu RX (CH1) – sygnału przechodzącego przez badany układ DUT (Device Under Test). Przy badaniu SWR anten korzystamy oczywiście tylko z wyjścia TX. Z tych pomiarów wyliczane są zespolone wyniki pomiarów: współczynnik odbicia S11 i współczynnik transmitancji S21 badanego obiektu. Na ekranie NanoVNA można wyświetlić te wyniki w dziedzinie częstotliwości w innych postaciach, np. jako oporność i reaktancję naniesioną na wykres Smith’a lub współczynnik fali stojącej SWR.

Otwarte oprogramowanie wewnętrzne (firmware) mikrokontrolera, decydujące o właściwościach analizatora, jest aktualizowane i jest dostępne w kilku wersjach różniących się dodatkowymi opcjami pomiarowymi i sposobem wyświetlania wyników (np. rozmiarem fontów na ekranie). Sposób aktualizacji firmware NanoVNA opisał szczegółowo DW1ZWS. Nowy firmware może przykładowo symulować pomiary w dziedzinie czasu za pomocą pomiarów dokonanych w dziedzinie częstotliwości, pokazując odpowiedź obiektu (np. filtru) na sygnał impulsowy. Pozwala to także na wykorzystanie metody TDR (Time Domain Reflectometer) do pomiaru parametrów kabli (długości, współczynnika skrócenia) i identyfikacji ich uszkodzeń (brak ciągłości, luźne połączenia, uszkodzenia izolacji).

Obsługa NanoVNA

Przed pomiarem niezbędna jest kalibracja NanoVNA, którą należy przeprowadzić po kilku minutach wygrzewania urządzenia niezbędnego dla ustabilizowania parametrów analizatora. Kalibrację można przeprowadzić w pełnym zakresie lub w paśmie ograniczonym do interesującego nas przedziału częstotliwości, dzięki czemu pomiary będą dokładniejsze. Analizator umożliwia zapisanie do pięciu różnych kalibracji w wybranych przez nas zakresach.

Analizator ma rozbudowane menu ekranowe (obok),  a jego angielską wersję instrukcję obsługi zamieszczono na stronie  https://nanorfe.com/nanovna-v2.html.  Na stronie cho45.github.io jest wersja japońska instrukcji, którą całkiem nieźle tłumaczy Google na język polski (chętnym do ewentualnych dalszych uzupełnień załączam edytowalną wersję roboczą instrukcji NanoVNA).

Na YouTube przesłano ostatnio sporo filmów demonstrujących i oceniających NanoVNA. Ogólny konsensus jest taki, że urządzenie jest dokładne i działa dobrze. Dodatkowe wsparcie dostępne jest na forum Groups.IO. IMSAI Guy, użytkownik YouTube, recenzując NanoVNA, umieścił także sporo filmów testując dokładność NanoVNA podczas pomiarów filtrów i anten.

Niestety, z zakupionym urządzeniem nie dostaniemy żadnej sensownej dokumentacji, dlatego na „szybki start” polecam skróconą i praktyczną instrukcję obsługi przestawioną dobrze w filmie autorstwa SQ3SWF. Takich materiałów w sieci jest więcej, np: https://www.youtube.com/watch?v=_pjcEKQY_Tk&t=3s .

Wolne tłumaczenie nieformalnej instrukcji obsługi wykonane przez SP5GNI jest dostępne TUTAJ .

Uwaga !

NanoVNASaver jest to znakomite narzędzie do zapisywania plików Touchstone z NanoVNA, przemiatania zakresów częstotliwości w segmentach dla uzyskania ponad 101 punktów danych, a także do wyświetlania na ekranie komputera i do analizowania uzyskanych danych. Do ściągnięcia: https://nanovna.com/?page_id=90

Nowy NanoVNA 2.0 jest dostępny!!!