NanoVNA w roli omomierza część 1 

Celem dwuczęściowego artykułu jest wyjaśnienie na przykładzie taniego modelu NanoVNA zasady działania oraz możliwości wykorzystania nowoczesnych przyrządów, nazywanych VNA oraz rozwianie obaw i fałszywych wyobrażeń. Przyrząd znakomicie nadaje się też do testowania elementów elektronicznych, co jest przedstawione w kolejnych artykułach.

Patrząc z jednej strony, jest faktem, że coraz mniej układów elektronicznych robimy od podstaw, a coraz więcej wykorzystujemy gotowych modułów i innych półproduktów.  Współczesny elektronik coraz bardziej jest informatykiem, a coraz mniej „klasycznym elektronikiem analogowym”. Z drugiej strony, postęp sprawił, że dziś hobbysta elektronik ma dostęp do przyrządów, do jakich dawniej mieli dostęp jedynie nieliczni profesjonaliści.

Oto przykład: wśród radioamatorów coraz większą popularność zyskuje w ostatnich latach malutki i niedrogi przyrząd pomiarowy o nazwie NanoVNA. Ja zainteresowałem się nim, przygotowując materiały do cyklu opisującego niedoskonałości elementów elektronicznych. Nigdy nie byłem i zapewne już nie będę ekspertem od techniki w.cz. Gdy jednak na początku lat 90. pracowałem w jednym z państwowych zakładów Telkom przy systemie przesyłania przez linię telefoniczną więcej niż jednej rozmowy, na biurku miałem kosztowny przyrząd: analizator sieci (Network Analyzer) produkcji Hewlett Packard. Po tylu latach nie pamiętam dokładnie typu, ale wszystko wskazuje, że był to HP3577A (fotografia 1).

W każdym razie kosztował majątek, dużo więcej od również stojących wtedy na moim biurku oscyloskopu Tektroniksa i generatora Philipsa, zwłaszcza w porównaniu z ówczesnymi zarobkami w państwowych przedsiębiorstwach, rzędu 20…30 dolarów. Gdy zwalniałem się z tego zakładu najbardziej żałowałem, że nie będę już miał dostępu do tego kosztownego analizatora, którego możliwości wykorzystywałem wtedy zresztą w znikomym stopniu.

I oto po 30 latach w moje ręce trafił kolejny analizator sieci: zakupiony za niecałe 150 złotych NanoVNA pokazany na fotografii tytułowej. Szybko przekonałem się, że jest to nieprawdopodobnie pożyteczny przyrząd pomiarowy, który powinien znaleźć się w pracowni każdego elektronika, nie tylko zajmującego się techniką w.cz.

Problem m.in. w tym, że w literaturze i w opisach handlowych zwykle nosi on nazwę Analizator antenowy 50kHz…900MHz. A dostępne są też wersje opisane jako Analizator antenowy 10kHz…1500MHz. Większość elektroników nie zajmuje się antenami, więc nawet nie zwraca uwagi na taki antenowy analizator. Po co wydawać pieniądze na niepotrzebny „radiowy” przyrząd do pomiaru anten?

Nawet jeżeli ktoś spróbuje się zainteresować: co to jest to NanoVNA, to już na początku trafia głową w mur! Po pierwsze straszy skrót VNA, czyli Vector Network Analyzer, czyli analizator sieci i do tego wektorowy. Nie mini, nie mikro, tylko nano – a więc jakiś bardzo maleńki wektorowy analizator sieci. Maleńki, a więc zapewne nędzny pod wieloma względami, a przy tym z ekranem poważnie straszącym już na pierwszy rzut oka.

Na pewno mocno straszy domyślnie ustawiony na ekranie kołowy wykres Smitha. Ze zrozumieniem jego sensu i znaczenia ma kłopot nawet wielu radioamatorów – również ich peszą różne dziwaczne krzywe pojawiające się na ekranie NanoVNA, niektóre tak poszarpane, że od razu zniechęcają do dalszej analizy.

Mocno straszą też opisy dwóch gniazd przyrządu: S11 i S21, oznaczające dwa tak zwane parametry S, z angielskiego Scattering parameters, czyli po naszemu parametry rozproszenia albo żeby było jeszcze groźniej: dyspersji.

W Internecie jest sporo opisów i instrukcji do NanoVNA, ale wiele osób po pierwszych samodzielnych doświadczeniach skutecznie zniechęciło się z kilku względów. Głównie z uwagi na toporne wykonanie, nieintuicyjną obsługę, a przede wszystkim trudność uzyskania naprawdę wartościowych wyników. Taka jest smutna prawda: niestety, przy pierwszym kontakcie NanoVNA bardziej zniechęca, niż zachęca.

Najtańsza wersja NanoVNA w podstawowej wersji ma pasmo sięgające 900MHz, trochę nowsza wersja z literką H (NanoVNA-H) może mierzyć do 1,5GHz, czyli ewidentnie w zakresie mikrofal. Klony o takim samym lub podobnym schemacie, ale nieco innej konstrukcji mechanicznej są reklamowane jako mierzące jeszcze wyższe częstotliwości, do 3GHz, a ostatnio nawet 4,4GHz.

Dla mniej zaawansowanych to wszystko jest więc totalną mikrofalową czarną magią. A tym, którzy parametry S omawiają lub omawiali na studiach, od razu przypominają się znienawidzone macierze, nie tylko macierz rozproszenia S, ale i macierze parametrów Y, Z, H czy T. Macierze parametrów mających nie tylko część rzeczywistą, ale i część urojoną. Ponadto jeśli ktoś już miał z tymi macierzami do czynienia, to brak parametrów S12 i S22, niesłusznie zresztą, może uznać za ułomność przyrządu, mającą związek z niską ceną i przedrostkiem Nano w nazwie. Z której strony spojrzeć – totalna obrzydliwość!

A jeżeli ktoś nie jest biegły w tematyce w.cz. i zacznie szukać informacji o miernikach VNA, parametrach S i wykresie Smitha, to zapewne szybko się zniechęci, napotkawszy trudne pojęcia, związane z falami radiowymi wysokiej i bardzo wysokiej częstotliwości. W przypadku parametru S11 dowie się, że to współczynnik odbicia (return loss, reflection coefficient, Γ – gamma), a S21 to tłumienność, czyli straty wtrącenia (attenuation, insertion loss). A zniechęci się jeszcze bardziej, gdy zacznie analizować uproszczone blokowe schematy wewnętrzne, jak pokazany na rysunku 2

i dowie się o takim dziwactwie zawartym w VNA, jak sprzęgacz kierunkowy (directional coupler), którego schemat (rysunek 3),

budowa (przykład na fotografii 4) i działanie wydają się urągać logice.

Tak czy inaczej w sumie koszmar!

Nasuwa się nieodparte wrażenie, że VNA, czyli miernik parametrów S, to narzędzie do strojenia anten dla profesjonalistów i zaawansowanych radioamatorów zajmujących się mikrofalami. Do takiego wniosku skłania też okoliczność, że profesjonalne mierniki VNA są bardzo drogie i kosztują tysiące dolarów. Stosunkowo tani, wypuszczony na początku roku 2020 analizator Teledyne LeCroy T3VNA1500 (fotografia 5) o pasmie 9kHz do 1,5GHz ma cenę fabryczną 5799 dolarów.

Zdecydowana większość profesjonalnych VNA ma jeszcze szersze pasmo i oczywiście przyrządy o szerszym pasmie są zdecydowanie droższe.

A NanoVNA? W chwili pisania tego artykułu po skrupulatnych poszukiwaniach i przeanalizowaniu licznych ofert rynkowych: podstawową wersję NanoVNA o paśmie 900MHz najtaniej można było kupić za mniej więcej równowartość 120 złotych. Dziś są droższe głównie z uwagi na kurs złotówki. Wersje nieco ulepszone i z większym ekranem kosztują trochę drożej, do około 100 dolarów. Czego można się spodziewać po tak beznadziejnie tanim VNA?

Prawdą jest, że cena wskazuje na poważne ograniczenie parametrów: przede wszystkim dynamiki, ale także zakresu częstotliwości pracy. W wielu profesjonalnych VNA pasmo sięga do kilkudziesięciu GHz, a nawet ponad 100GHz, a dynamika (zakres pomiarowy amplitud) przekracza 140dB. W porównaniu z tym NanoVNA z pasmem do około 1 gigaherca i tysiące razy gorszą dynamiką (co najwyżej 70dB na najniższym zakresie do 300MHz) na kolana nie powala. Tym bardziej w zakresie 900MHz… 1,5GHz, dostępnym w nowszych wersjach NanoVNA, gdzie dynamika jest bardzo mizerna, rzędu 40dB i gdzie wyniki pomiarów są niepewne.

Tak, różnice możliwości w porównaniu z przyrządami profesjonalnymi są ogromne, jednak przy uwzględnieniu ceny NanoVNA, stosunek możliwości do ceny tego malutkiego przyrządu okazuje się wręcz rewelacyjny! NanoVNA to fantastyczne narzędzie o ogromnych możliwościach, które przez dziesiątki lat były absolutnie niedostępne dla amatora!

Co ważne, zakres zastosowań wcale nie ogranicza się do badania anten. NanoVNA może służyć do badania wielu różnych układów i obwodów, nie tylko radiowych. Może też służyć do pomiaru parametrów podstawowych elementów elektronicznych.

Najprościej biorąc, VNA, czyli Vector Network Analyzer, to… omomierz o ogromnych możliwościach!

Tak! Omomierz! Omomierz wysokiej częstotliwości.

Klasyczny omomierz w Twoim multimetrze mierzy oporność przy wykorzystaniu prądu stałego – dlatego mierzy jedynie rezystancję przy prądzie stałym. Natomiast VNA to nowoczesny omomierz, który precyzyjnie mierzy oporność przy prądzie zmiennym. Co istotne, po pierwsze oporność mierzy w bardzo szerokim pasmie częstotliwości, jak już wiemy, w profesjonalnych urządzeniach nawet do 100 gigaherców. Po drugie, dzięki sprytnej metodzie pomiaru mierzy też przesunięcie fazowe między prądem i napięciem, a dzięki temu mierzy nie tylko rezystancję, nie tylko wypadkową oporność (moduł impedancji), ale też pozwala precyzyjnie określić przesunięcie fazy między prądem i napięciem, czyli charakter mierzonej oporności – impedancji (rezystancyjna, indukcyjna, pojemnościowa). Tak! VNA można potraktować jako omomierz, tylko omomierz prądu zmiennego o dziwnej zasadzie działania i o dziwnej budowie. Zawiera generator przestrajany w szerokim zakresie – VNA jest omomierzem wysokiej częstotliwości. I może zostać wykorzystany do pomiaru pasożytniczych parametrów elementów, ktore były szeroko omawiane w serii artykułów, zaczynajacych się do ER001.

Dla zachęty – wyniki pomiarów

Najprostszy sposób pomiaru impedancji polega na dołączeniu jej do gniazda oznaczonego S11 i zobrazowaniu wyniku takiego pomiaru w odpowiedni sposób.

Na rysunkach 6, 7 pokazany jest przebieg modułu impedancji [Z] oraz kąta przesunięcia (Phase) między prądem i napięciem dla rezystorów.

Rysunek 6 dotyczy rezystora drutowego 120Ω 3W. Widać wyraźnie, że już od częstotliwości 1MHz rośnie impedancja, ale nie rezystancja, tylko reaktancja indukcyjna drutowego uzwojenia. Według widocznych na rysunku wskazań markerów, indukcyjność tego rezystora wynosi około 1,8 mikrohenra.

Rysunek 7 pokazuje wynik pomiaru impedancji rezystora przewlekanego (130Ω MŁT 0,25W) oraz malutkiego 120Ω SMD 0805. Tu oporność jest stała aż do częstotliwości rzędu 100MHz. A za zakrzywienie charakterystyki przy najwyższych częstotliwościach odpowiadają nie tylko pasożytnicze reaktancje rezystora, ale i pojemność złączki-nasadki, która nie została w pełni uwzględniona podczas wstępnej kalibracji. W każdym razie potwierdza się fakt, że każda cewka (dławik) jest w rzeczywistości równoległym obwodem rezonansowym.

Rysunek 8 pokazuje wyniki pomiaru miniaturowego dławika 22uH (średnica 3mm, długość 7mm). Wartość indukcyjności można też odczytać z markerów. Dławik ten wykazuje rezonans własny przy częstotliwości około 16,5MHz, co w pełni zgadza się z danymi katalogowymi.

Rysunek 9a pokazuje wynik pomiaru modułu impedancji kondensatora 10nF. Na osi pionowej mamy podany moduł impedancji w omach. Ze wzrostem częstotliwości reaktancja się zmniejsza, ale osiąga ona minimum przy kilkunastu megahercach, a przy większych częstotliwościach – rośnie. Potwierdza się fakt, że każdy kondensator jest w rzeczywistości szeregowym obwodem rezonansowym. Nie widać tego dobrze z rysunku 9a, ponieważ oś impedancji jest tu liniowa. Jednak przeprowadzając pomiar w nieco inny sposób (z wykorzystaniem obu gniazd Ch0, Ch1) i przedstawiając wynik w skali podwójnie logarytmicznej, można uzyskać kanoniczny wygląd wykresów. Przykład na rysunku 9b, gdzie pokazane są wyniki pomiarów dwóch kondensatorów o nominałach 10nF (styrofleksowego i ceramicznego). Na osi wprawdzie mamy tu decybele, ale w rzeczywistości jest to moduł impedancji w skali logarytmicznej. Analogiczne, w nieco jeszcze inny sposób można też zmierzyć i przedstawić w skali logarytmicznej moduł impedancji dławika. Rysunek 9c pokazuje wynik takiego pomiaru, gdzie uzyskany wykres należy odwrócić – odbić (porównaj rysunek 8, gdzie impedancja przedstawiona jest w skali liniowej).

Podstawowe informacje są takie: najprostszy sposób pomiaru impedancji to dołączenie badanego elementu (obwodu) do wejścia oznaczonego S11. Z uwagi na zasadę działania, w tej najprostszej konfiguracji możemy z sensowną dokładnością mierzyć oporności o wartościach w okolicach 50 omów, mniej więcej od około 0,5 oma do 5kΩ. Aby z lepszą dokładnością i niższymi szumami mierzyć większe albo mniejsze oporności, trzeba zastosować inny układ pomiarowy, z wykorzystaniem obu gniazd S11, S21.

To omówimy później. A na razie…

S11 i S21 w telegraficznym skrócie

Przy pomiarach sygnałów o częstotliwościach radiowych, a tym bardziej o wysokich częstotliwościach rzędu gigaherców, czyli sygnałów mikrofalowych, bardzo silnie dają o sobie znać dziwne zjawiska falowe. Warto pamiętać, że zakres mikrofalowy rozciąga się aż do promieniowania podczerwonego, które często traktujemy jako światło, tylko niewidzialne.

Najprościej biorąc, już w zakresie  fal radiowych oraz mikrofal zaczynają występować takie same specyficzne zjawiska, z którymi na co dzień mamy do czynienia w związku ze światłem widzialnym. W szczególności chodzi o odbicia.

Jak pokazuje przykład z fotografii 10 (z Wikipedii, Justin Lebar, GFDL and CC-BY 3.0), w przypadku soczewek okularowych jakaś część światła przechodzi przez nie, a część odbija się jak od lustra. Tak samo jest w przypadku mikrofal: część sygnału mikrofalowego przechodzi dalej, a część odbija się jak od lustra. Ilustruje to pochodzący z materiałów Agilenta rysunek 11.

I właśnie najprościej biorąc, VNA mierzy, ile sygnału wejściowego zostaje odbite (S11), a ile przechodzi dalej (S21), co ilustrują pochodzące z materiałów Tektroniksa rysunki 12, 13.

W zasadzie parametry S11 oraz S21, a dokładniej S₁₁, S₂₁, to tak zwane parametry rozproszenia albo dyspersji, od angielskiego Scattering parameters, stąd literka S. Wykorzystuje się je przede wszystkim w technice mikrofalowej, gdzie wręcz niemożliwy jest pomiar prądów i napięć, gdzie występują zjawiska falowe, w tym szkodliwe odbicia.

Mówiąc absolutnie najprościej, parametry S określają, ile energii fal wysokiej częstotliwości odbija się, a ile przechodzi przez badany element, obwód czy układ, który jest traktowany jako czarna skrzynka (DUT – Device Under Test, urządzenie testowane). A konkretnie parametr S₁₁ określa, jaka część energii zostanie odbita, a S₂₁ – jaka część przechodzi dalej.

W układach w.cz. decyduje o tym stopień dopasowania. Dopasowanie wyznaczone jest przez współpracujące rezystancje, a ściślej impedancje. W technice radiowej powszechnie wykorzystywaną rezystancją standardową jest 50Ω – taką rezystancję charakterystyczną mają gniazda VNA, także NanoVNA.

Do pomiaru S₁₁, S₂₁ w przypadku sygnałów mikrofalowych rzeczywiście wykorzystuje się dziwne sprzęgacze kierunkowe według rysunku 3 i fotografii 4. Jednak w zakresie niższych częstotliwości decydujące o S₁₁, S₂₁ dopasowanie oporności można mierzyć i mierzy się inaczej, mianowicie z wykorzystaniem mostka. Ponieważ w technice radiowej standardową rezystancją jest 50Ω, tego rodzaju mostki pomiarowe zawierają rezystory 50-omowe. O tym, na ile badana oporność – impedancja Z_X jest dopasowana do nominalnej rezystancji 50Ω, świadczy amplituda i faza napięcia na przekątnej mostka.

Te informacje oddalają straszący obraz dziwnych mikrofalowych sprzęgaczy kierunkowych i  przybliżają nas do konstrukcji spotykanych w urządzeniach krótkofalarskich, takich jak sprzęgacz pokazany na rysunku 14, wykorzystywany do współpracy z prostszymi analizatorami skalarnymi NWT (które nie mierzą zależności fazowych, a tylko amplitudowe).

W analizatorze NanoVNA wbudowany jest mostek pomiarowy z rezystorami 50-omowymi, który jest wykorzystywany do pomiaru dopasowania i parametru S11. Szczegóły za miesiąc.

Jak pokazuje opis na obudowie (fotografia 15), gniazdo oznaczone Ch1 jest tylko wejściem – to Port 2 z rysunków 12, 13. Natomiast Port 1 z rysunków 12, 13 to gniazdo oznaczone Ch0, które jest jednocześnie i wyjściem, i wejściem, co dla mniej zorientowanych wydaje się bardzo dziwne. Ale tak jest i dlatego w wielu zastosowaniach gniazdo wejściowe Ch1 nie jest wykorzystywane. Pomiar S₁₁, czyli współczynnika odbicia, dokonywany jest z wykorzystaniem jedynie gniazda Ch0 (Port 1), które jest jednocześnie i wyjściem, i wejściem. W sumie polega to na pomiarze, czy może raczej porównaniu oporności dołączonej do gniazda Ch0 z rezystancją 50Ω. Można badać nie tylko wartość (moduł) tej impedancji, ale też przesunięcie fazy między napięciem i prądem. Dlatego mówimy, że pomiary są wektorowe, stąd nazwa VNA.

Jeżeli badany obiekt (DUT) ma dwa porty, czyli wrota, w praktyce wejście i wyjście, to według rysunków 12, 13 można jednocześnie mierzyć i jego parametr S₁₁, czyli w sumie impedancję wejściową, i jednocześnie parametr S₂₁. Parametr S₂₁ też związany jest z dopasowaniem do rezystancji nominalnej (50Ω), jednak w praktyce można uznać, że na gnieździe Ch1 (Port 2) po prostu mierzymy napięcie zmienne, które z wejścia DUT przechodzi na jego wyjście.

Radiowcy podchodzą do tego trochę inaczej, ale my możemy pomiar według rysunków 12, 13 śmiało potraktować jako badanie amplitudy i fazy napięcia, które z wewnętrznego generatora przychodzi na gniazdo Ch0 (Port 1) i ewentualnie przechodzi też przez DUT i dalej na wejście Ch1 (Port 2). Troszkę ściślej biorąc, mierzony jest stosunek napięć, występujących na gniazdach Ch0, Ch1 względem sygnału odniesienia z wewnętrznego generatora. W sumie VNA jest więc co najmniej dwukanałowym woltomierzem. Ale woltomierzem, który bada nie tylko wielkości napięć zmiennych, ale i przesunięcie fazowe między nimi. Rysunek 16 pokazuje schemat blokowy klasycznej wersji NanoVNA.

Dalsze szczegóły dotyczące budowy oraz wykorzystania NanoVNA podane są w następnym artykule MR092.

Piotr Górecki