nanoVNA
Onorio Cenni I4CIV
Descrizione
La rincorsa alle dimensioni
sempre più ridotte ed alle prestazioni sempre più evolute continua senza tregua
al punto che tanti piccoli strumenti di misura, piccoli come dimensioni fisiche
ma grandi come prestazioni, sono facilmente disponibili. Recentemente la mia
attenzione si è rivolta verso un interessante strumento, in vendita on-line,
frutto di un insieme di progetti sviluppati nel corso di diversi anni: Si
tratta di un analizzatore di rete vettoriale portatile VNA (Vector Network Analyzer)
in grado di misurare tutti i parametri di ampiezza e fase dei segnali relativi
alla trasmissione e riflessione in funzione della frequenza. La gamma di
frequenza di funzionamento può spaziare da 50 kHz sino a 300 MHz con una
dinamica migliore di 70 dB ed una elevata accuratezza. Lo strumento è comunque in
grado di arrivare sino a 900 MHz con prestazioni leggermente ridotte. La banda compresa da 300 MHz - 600 MHz offre
una dinamica migliore di 50 dB mentre la banda compresa da 600 MHz – 900 MHz ha
una dinamica migliore di 40 dB. Lo
strumento viene abilitato di default con il firmware esteso 4 tracks per un funzionamento
fino a 900 MHz, comunque a scelta si possono caricare i cinque firmware di
cui tre in funzione delle prestazioni
richieste, mentre gli altri due permettono allo strumento di lavorare a più
alte temperature. Il firmware definito nanoVNA_800_ch: 50K-900MHz 5*7 Bitmap
font 4 tracks è quello raccomandato. Lo strumento è portatile poiché viene alimentato
mediante una pila al litio entro-contenuta che ha una autonomia prevista di
circa 2 ore.
Le prestazioni di base dichiarate
sono molto interessanti così come è buono il rapporto qualità prezzo:
- Dimensioni del case: 54 mm x 85,5 mm
x 11 mm (senza connettori ed interruttore)
- Frequenza di impiego: 50KHz-300 MHz
da 50 kHz a 900 MHz abilitato con firmware esteso.
- Potenza di uscita: -13 dBm (massimo -9 dBm)
- Gamma di misurazione: 70 dB (50
kHz-300 MHz), 50 dB (300 MHz-600 MHz), 40dB (600MHz-900 MHz)
- SWR ai connettori SMA: < 1.1
- Display: TFF da 2,8 pollici
- Interfaccia USB: modalità di comunicazione USB tipo C : CDC (seriale)
- Alimentazione: USB 5 Volt 120 mA, batteria integrata da 400 mAh, massima corrente di carico 0,8Amper
- Numero di punti di taratura: 101
(fisso)
- Numero di punti di scansione: 101
(fisso)
- Monitoraggio display: quattro
marcatori, quattro tracce e cinque impostazioni risparmio energia.
- Tolleranza di frequenza: < 2,5 ppm
- Precisione della frequenza: < 0,5 ppm
Lo strumento mi è stato
recapitato, mediante corriere, esattamente nei tempi previsti in riferimento alla data dell’ordine/pagamento.
All’interno del pacchettino, realizzato mediante un generoso involucro in
bolla e confezionato in maniera da reggere adeguatamente gli stress da
trasporto, vi era contenuto tutto quanto previsto :
1) L’analizzatore vero e proprio
completo di batteria da 400 mAh,
2) il Kit di calibrazione composto da tre connettori in SMA,
3) un connettore SMA femmina-femmina,
4) due cavi RG174 lunghi 70 cm intestati con connettori SMA maschio – SMA maschio,
5) un cavo USB tipo C per collegamento al PC
6) oltre ad una custodia con coperchio in metallo satinato per contenere e proteggere dopo l’uso l’analizzatore ed i componenti a corredo. (foto n.1)
2) il Kit di calibrazione composto da tre connettori in SMA,
3) un connettore SMA femmina-femmina,
4) due cavi RG174 lunghi 70 cm intestati con connettori SMA maschio – SMA maschio,
5) un cavo USB tipo C per collegamento al PC
6) oltre ad una custodia con coperchio in metallo satinato per contenere e proteggere dopo l’uso l’analizzatore ed i componenti a corredo. (foto n.1)
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Questo strumento si presenta con
un display LCD a colori da 2,8 pollici ( 320 x 240 ). Il case in metallo è
grado di ridurre sufficientemente le possibili interferenze esterne e quindi
migliorare l’accuratezza delle misure. Guardando lo strumento dalla parte del
display notiamo che nella parte laterale sinistra sono posizionati due connettori
SMA. quello verso il basso, denominato CH1, che sul retro riporta la denominazione RX: quello posizionato verso l'alto, sul retro, riporta la denominazione TX. Il connettore TX (output port ) è quello del
generatore e si usa per le misure di S11, SWR e RL su antenne. Il connettore RX (input port) serve come ricevitore per altre misure, S21 quando si devono
fare misure su filtri RF, il guadagno di antenne, di un amplificatore od altro.
Sulla parte superiore possiamo notare un connettore USB per il collegamento al PC attraverso il quale è anche possibile caricare
la batteria interna, la batteria può essere caricata anche senza l’usare il PC collegando
tale presa USB ad un caricabatterie standard da 5 Volt. A fianco di
quest’ultimo connettore si trova un piccolo interruttore con la scritta ON – OFF
che serve per attivare o spegnere il VNA. Poi a fianco dell’interruttore è
posizionato un piccolo LED che emette una luce di colore azzurro. Questo LED lampeggia
durante la carica della batteria, mentre quando la luce si presenta costante
indica che la batteria è carica. Durante la scarica la luce emessa dal LED
resta fissa e costante mentre quando il LED inizia a sfarfallare significa che
la carica della batteria si sta esaurendo e quindi occorre collegare il
caricabatteria in tempo utile per provvedere alla sua ricarica. Infine sulla
destra è posizionato un selettore in
grado di svolgere diverse funzioni che di seguito saranno evidenziate .
Il manuale operativo, non fornito, può essere
scaricato dalla rete cercando l’ultima versione . All’interno di questo manuale,
composto da poche pagine, viene riportata una sommaria descrizione delle tante funzioni
che lo strumento è in grado di effettuare. Le informazioni riportate sono
comunque utili e servono come base di partenza per iniziare ad usare
correttamente lo strumento e per comprendere meglio come muoversi nel sostanzioso
“menù”. Le informazioni riportate fanno riferimento alla impostazione della gamma
di frequenza, alla calibrazione dello strumento, alla selezione della traccia e
del formato da visualizzare, al canale (display) ed al salvataggio dei dati
nella memoria interna. Nella terzultima pagina del suddetto manuale è riportato
lo schema a blocchi (figura1)
dispari del Si5351A al fine di supportare la frequenza di misura fino a
900 MHz. Il manuale riporta nell’ultima pagina lo schema elettrico del suddetto
dello strumento.
Come si evince la generazione dei segnali RF
è demandata al Si5351A, il segnale di clok è a 26 MHz. Un algoritmo di
frequenza provvede alla estensione armonica
Lo strumento può essere
interfacciato ad un PC mediante un semplice e pratico software, da scaricare in
rete. I vantaggi della visione delle varie misure sullo schermo di un PC, sono
innegabili, come pure la possibilità di
esportare i file che si possono generare durante l’esecuzione delle varie misure.
Dopo aver acceso il VNA possiamo
entrare nel “menù” e selezionare le varie funzioni mediante due modalità
differenti. Una modalità detta Touch
Screen si attua toccando con la punta di una penna l’area a destra verso il
basso dello schermo per attivare la funzione dei tasti virtuali, mentre l’altra
modalità è quella di premere e ruotare verso destra o verso sinistra il
selettore posizionato sul lato superiore destro dello strumento. Prima di usare
lo strumento, al fine di garantire l’accuratezza delle misure, è necessario
effettuare la calibrazione. Per questa operazione è necessario prestare un minimo
di attenzione anche se si tratta di una operazione che richiede semplicemente di
collegare uno alla volta i campioni “
open, short e load ” forniti nel kit di calibrazione. (foto n 2)
Dettagli sulla calibrazione
Misure
sull’antenna a stilo in dotazione al RTX Yaesu FT817ND
L’antenna a stilo in esame è realizzata
mediante due stili che si possono avvitare fra loro. La composizione dei due
stili avvitati permette all’antenna di essere utilizzata per la frequenza dei
144 MHz che per quella dei 440 MHz. Il connettore dell’antenna è un BNC maschio
adatto per essere collegato all’apparato provvisto di un BNC femmina. Quest’antenna
per essere collegata alla porta CH0 del nanoVNA, provvisto di connettore SMA
femmina, necessita di un connettore di adattamento da BNC femmina a SMA maschio.
Utilizzando questo adattatore potremmo falsare la misura che andremo ad
effettuare. Conviene quindi calibrare la porta COM0 con il connettore di
adattamento avvitato sulla stessa in modo tale che il piano di riferimento di
misura diventi il punto di attacco dell’antenna vale a dire il connettore BNC. Inoltre
sarebbe necessario simulare la massa del “case” del RTX – FT 817, ma non potendo
avere la certezza di una simulazione precisa, si preferisce non tenerne anche perché
questo test è finalizzato solamente allo scopo di prendere confidenza con lo
strumento e non propriamente per “indagare a fondo” sulle risonanze
dell’antenna a stilo. Lo stilo collegato allo strumento deve trovarsi ad una sufficiente
distanza dagli oggetti circostanti al fine di evitare i possibili effetti
parassiti, in grado di simulare in maniera arbitraria il “case” dell’apparato ed
interferire sulla precisione della misura. Durante il test si nota inoltre che
i valori delle misure cambiano, anche se di poco, quando si modifica il piano
dello stilo da orizzontale a verticale. Sapendo che lo stilo in esame, può
essere utilizzato per la frequenza dei
144 MHz che per quella dei 440 MHz possiamo impostare sullo strumento di misura
la frequenza di inizio e la frequenza di arresto e la frequenza centrale.
Quest’ultima corrisponde alla frequenza di inizio più la frequenza di arresto
diviso due. La frequenza di “span” vale a dire la frequenza spaziata dallo
strumento nell’intervallo di scansione è definita dalla differenza fra la
frequenza di arresto e la frequenza di inizio.
Nota: in zero “span”, la
frequenza iniziale, la frequenza di arresto e la frequenza centrale sono sempre
impostate sullo stesso valore. In questo modo è possibile utilizzare la porta
CH0 come generatore di segnale ad onda quadra con uscita ad ampiezza fissa.
In pratica per avere la
visualizzazione completa delle due risonanze dell’antenna procediamo ad
impostare i necessari valori di frequenza. Per entrare nel “menù” tocchiamo
l’angolo in basso a destra della schermata quindi tocchiamo il riquadro STIMULUS poi START si presenta in questo sullo
schermo una tastiera alfanumerica. Digitiamo sulla tastiera i numeri e le
lettere relativi alla frequenza di inizio, poi con STOP digitiamo i numeri e le lettere relativi alla frequenza
di arresto. Per la misura di quest’antenna impostiamo 100 MHz come frequenza di
inizio e 600 MHz come frequenza di arresto, mentre la frequenza centrale
risulta essere di 350 MHz. Usciamo cliccando su BACK. Ritorniamo sul riquadro DISPLAY tocchiamo FORMAT
ed infine il riquadro SWR , lo schermo presenta la videata del swr (foto n 3).
Per
visualizzare la videata del return-loss con 10dB/per divisione verticale passiamo da FORMAT per cliccare su LOGMAC. A 145 MHz il return loss è di 20.02 (foto n.4)
Misura di
un filtro passa basso
Il filtro da testare è un LOW PASS FILTER 420 MC della Bird Electronic Corp. – Part NO C-2016-1D Cleveland, Ohio (foto n 5)
Il filtro da testare è un LOW PASS FILTER 420 MC della Bird Electronic Corp. – Part NO C-2016-1D Cleveland, Ohio (foto n 5)
Per l’esecuzione della misura procediamo a collegare il filtro come indicato nella (figura n 2).
LOGMAC alla quale si accede da DISPLAY e FORMAT . Possiamo visionare il “comportamento” del suddetto filtro sulla carta di Smith (foto n 6) cliccando sul riquadro SMITH
Infine sulle due tracce (firmware di default) colorate TRACE0 di colore giallo, TRACE1 di colore blu, selezionabili dal riquadro TRACE possiamo posizionare quattro marcatori ( triangolini numerati da 1 a 4 da posizionare sulle varie tracce ) selezionabili da MARKER1 a MARKER4 ai quali si accede da MARKER e selezionando SELEC MARKER. (foto n 7)
Misura di
un filtro notch sulla frequenza broadcasting FM da 88 – 108 MHz per ricezione
in 144 MHz
Il filtro notch da testare (foto n 8) è stato auto-costruito per essere utilizzato in quei casi in cui la ricezione risulta degradata dai forti segnali emessi dalle broadcasting. La vicinanaza ai ripetitori delle suddette radiopuò causare la saturazione del front-end per quei ricevitori che abbiano un preselettore in ingrasso poco efficente oppure siano stati progettati utilizzando stadi di amplificazione con scarsa dinamica.
Per l’esecuzione di questa misura colleghiamo il filtro notch come indicato nella (foto n 9)
Per l’esecuzione di questa misura colleghiamo il filtro notch come indicato nella (foto n 9)
lo schermo del nanoVNA ci mostra il SWR (foto 10 ) ed il return-loss (foto 11) del filtro da 10 MHz a 250 MHz.
Le note sopraindicate sono un riassunto
di una parte dei miei appunti che ho redatto durante i primi approcci con lo
strumento. A mio parere non conviene lasciarsi prendere dalla frenesia di
iniziare a “giocare” con questo strumento prima di aver letto il suo manuale.
Inoltre, almeno inizialmente, per muoversi con estrema semplicità all’interno
del “menù”, conviene stampare in formato A4 e tenere presso lo strumento la
tabella “Menù Structure Map (figura n 3) . Una attenta
lettura del manuale in unione ad un po’ di esperienza permette l’utilizzo dello
strumento nel migliore dei modi ed in tutte le sue funzioni. Durante l’uso lo
strumento riporta sul display tutti i parametri che sono stati impostati per essere
facilmente analizzati. I grafici ed i numeri si leggono facilmente anche in
piena luce. Sui grafici i parametri misurati si possono corredare con righe di
colore diverso ed abbinare ai diversi marcatori impostati. Alcune misure
eseguite su varie antenne hanno evidenziato, quasi sempre, gli stessi
valori che sono stati rilevati utilizzando un analizzatore di antenna calibrato.
La frequenza del segnale RF emesso dalla porta COM0, e campionata su alcuni
valori, è risultata molto precisa, mentre la potenza emessa in uscita cala leggermente
all’aumentare della frequenza pur restando entro le tolleranze previste. Infine
risulta molto comoda la possibilità di poter visualizzare i grafici sullo
schermo del PC, di poter salvare ed esportare i file generati. (figura n 4)
La presente descrizione è stata pubblicata su Radio Kit Elettronica anno 2019 mese di novembre a pagina 33
