N1201SA Series vector impedance analyzer
Analizzatore d’ antenna da 137.5 a 2700 MHz
Onorio Cenni I4CIV
i4civ.onorio@gmail.com
Questo strumento, prodotto dalla AAI (Accuracy Agility Instrument) (foto n.1) è un palmare in grado di eseguire misure e analisi nel settore della radiofrequenza. Lo strumento è acquistabile su Internet ad un ottimo rapporto qualitá/prezzo.
La serie denominata N1201SA è composta da tre sottomodelli che sono; N1201SA, N1201SA+,N1201SAC. Lo strumento denominato N1201SA è il modello base che copre un range di frequenza che parte da 137.5 MHz fino ad arrivare 2700 MHz. Per l’N1201SA+ il range di frequenza è più ampio del precedente; parte da 34.375 MHz ed arriva sempre a 2700 MHz. Infine l’N1201SAC è un prodotto “custom” basato sul modello N1201SA, con lo stesso range di frequenza ma con l’aggiunta di funzioni extra come l’uscita dei dati seriali, la misura della lunghezza cavi e le impedenze delle linee di trasmissione.
Nel presente articolo viene analizzato il modello N1201SA, che è quello meno caro ed il più venduto. Lo strumento permette di analizzare in maniera facile e rapida qualsiasi tipo di antenna in un definito intervallo di frequenza. Dallo schermo sul display è possibile visualizzare la frequenza di risonanza dell’antenna, il ROS, il valore dell’impedenza complessa, il valore resistivo ed induttivo dell’impedenza complessa ed il coefficiente di riflessione o perdita di ritorno. Si possono inoltre eseguire test di radiofrequenza in amplificatori RF senza applicazione di potenza. Inoltre, come generatore di segnali è ideale per la calibrazione di ricevitori e per i test di sensibilità e tracciamento del segnale.
L’analizzatore è racchiuso in un’elegante
scatola metallica di alluminio, dalle dimensioni 120 mm x 86 mm x 30 mm, verniciata di nero,
molto ben realizzata e dall’aspetto robusto. Lo strumento è provvisto internamente
di una batteria agli ioni di litio ad alta capacità per consentire un impiego mobile
all’aperto senza l’ausilio di cavi volanti provenienti da un’alimentazione esterna.
La curiosità di vedere l’interno lo
strumento era tanta ma, consapevole del fatto che avrei trovato diversi
circuiti integrati con una miriade di piedini montati accuratamente in tecnica
SMD, mi sono accontentato, almeno per il momento, di guardare una foto presente
sul Web, dalla quale si può notare un’accurata costruzione (foto n.2).
L’interfaccia utente è stata progettata per essere intuitiva e di facile utilizzo. Il menu sullo schermo del display fornisce una guida per l’utente ed il funzionamento è controllato principalmente dai tasti di navigazione. Quando il display è nella funzione di scansione viene mostrata l’impedenza grafica con la possibilità di poter visualizzare in maniera rapida le caratteristiche dell’antenna in un intervallo di frequenza selezionato dall’utente. Inoltre vi è la possibilità di poter selezionare, sull’asse delle ordinate (Y) del grafico, i giusti valori delle costanti di misura, con lo scopo di ottenere dei risultati accurati utlizzando una scala di misura maggiormente definita. Inoltre, sulla scansione del grafico è possibile posizionare, nel punto di nostro interesse, un marcatore di riferimento. E’ possibile ingrandire sulla traccia cambiando i valori delle costanti sull’asse Y e nel contempo anche sull’asse X, restringendo al minimo la larghezza di banda della scansione. Questo permette di visionare in maniera più precisa i risultati della nostra analisi.
Specifiche:
Frequenza di utilizzo: specificata da 140MHz a 2700 MHz, reale da 137.50 a 2700 MHz;
Passi di frequenza/risoluzione: 1 kHz;
Display; 2.4 inch TFT risoluzione 320 x 240 QVGA;
Capacità della batteria: 2000 mA (7.4 Wh);
Consumo energetico: < 1.5 W;
Corrente di carica: 400 mA;
Connettore di carica: USB ( mod. N1201SA e N1201SA+) – USB uscita dati porta seriale ( mod. N1201SAC;
Spegnimento automatico: può essere impostato da 5 a 60 minuti;
Parametri misurati: Resistenza, reattanza, onde stazionarie, S11;
Risoluzione: quattro cifre significative;
Precisione di frequenza: < +- 3ppm;
Connettore: SNA – k;
impedenza 0.1- 1000 Ω ( in valore assoluto)
Range di misura: onde stazionarie 1.000 – 65
S11 (dB) da 0 dB a – 60 dB
Direttività: < 35 dB (140 MHz – 2000 MHz calibrato) < 30 dB (2000 MHz – 2700 MHz)
Livello uscita: -10dBm (0.1 mW, 70.7 mV rsm) su carico 50 Ω;
Temperatura di lavoro: 0° C – 40° C;
Pressione atmosferica: 860 hPa-1060 hPa.
Descrizione dell’apparecchio:
Lo strumento presenta sulla parte superiore del pannello frontale un display da 2.4 inch, mentre sotto questo schermo LCD sono posizionati quattro pulsanti. Partendo da sinistra, il primo pulsante è indicato con la lettera M, il secondo pulsante riporta la scritta CTRL ed una freccia con la punta rivolta verso sinistra, il terzo con la freccia punta verso destra, mentre l’ultimo con la scritta OK oltre al simbolo convenzionale di acceso/spento. Sul fianco superiore è presente una manopola ed un connettore SMA – k. Dalla parte opposta, vale a dire sul fianco inferiore, si intravede un foro attraverso il quale è possibile effettuare il reset, poi una presa USB che serve per caricare la batteria interna ed infine un LED di colore rosso. Per la descrizione delle funzioni dei pulsanti rimando alla lettura del manuale in dotazione, anche se un po’ scarno di informazioni. Ritengo invece che possa essere più importante spendere qualche riga nella descrizione del metodo di calibrazione, per comprendere come poter utilizzare al meglio questa modalità.
Descrizione delle funzioni:
Accensione e spegnimento. Per l’accensione occorre premere il pulsante CTRL assieme al pulsante di alimentazione Power. Per lo spegnimento, tenere premuto per un paio di secondi il pulsante Power.
Quattro sono le opzioni di interfaccia: Singolo punto di misura, funzione scansione, informazioni del sistema e calibrazione.
Singolo punto di misura: Per impostazione predefinita, lo strumento parte con l’opzione di interfaccia singolo punto di misura che presenta i parametri di impedenza completi riferiti ad una frequenza selezionabile dall’utente. Il singolo punto di misura è molto semplice da usare poiché il solo parametro da regolare è quello che ci permette di determinare la frequenza sulla quale dobbiamo fare la misura. Per selezionare il digit sul quale effettuare la variazione della frequenza occorre premere il pulsante destro o sinistro. Una volta selezionato il digit diventa di colore rosso e così il suo valore può essere cambiato ruotando la manopola superiore. Dopo la regolazione della frequenza, la misura risulta automaticamente adeguata. Premendo il pulsante OK, rimanendo ancora nel singolo punto di misura, è possibile commutare fra impedenza e parametro S11.
Funzione scansione: Dalla schermata del singolo punto di
misura, premendo il pulsante M, si commuta la funzione per l’interfaccia grafica
di scan che prevede la scansione di cinque tipi di parametri: S11, VSWR, 
, R, e X. Per l’utilizzo degli stessi rimando i
lettori alla consultazione dal manuale.
Informazioni del sistema: Sia dalla schermata singolo punto di misura che da quella di scan, premendo il pulsante CTRL (seconda funzione del pulsante) e il pulsante M, questi commutano la visione sul display nella interfaccia informazioni del sistema. L’interfaccia del sistema contiene molte informazioni circa lo strumento.
Calibrazione: Lo strumento è stato calibrato dal produttore direttamente all’uscita del connettore SMA, quindi collegando il DUT ( Device Under Test) direttamente al connettore potremo evitare di ricalibrarlo. Al contrario, inserendo un cavo fra lo strumento e l’oggetto da misurare, occorre eseguire la calibrazione dello strumento. Questa operazione è necessaria perché, nelle misure RF, le perdite che introducono i cavi di collegamento danno origine ad inevitabili errori sistematici che influenzano negativamente i risultati. La stessa lunghezza fisica dei connettori “doppio-maschio” o “doppia-femmina” usati come adattatori può influenzare il risultato della misura in quanto si va a modificare il “piano di riferimento” sul quale è fatta. Occorre quindi spostare il piano di riferimento, che normalmente si trova in corrispondenza del connettore SMA-k, fino all’interfaccia con il dispositivo. Va precisato inoltre, sempre per ottenere risultati attendibili, che la calibrazione deve essere eseguita ogni volta che si effettua una misura ad una diversa frequenza di utilizzo. Pertanto la calibrazione elimina o quantomeno tiene conto degli errori sistematici della misura. Fra le diverse tecniche di calibrazione, questo strumento usa una delle più semplici denominata tecnica SOL, e questa si esegue usando un kit di calibrazione con caratteristiche note. Dall’acronimo SOL il kit è composto da tre plug: un cortocircuito (SHORT), un circuito aperto (OPEN),e un carico adattato (LOAD) (foto n. 3).
Per eseguire la calibrazione i plug devono essere connessi sequenzialmente e collegati all’estremità del cavo di prolunga. Il punto dove questi carichi sono connessi durante la calibrazione è chiamato “ Reference Plane” (Piano di riferimento). (figura n.1)
L’analizzatore esegue una serie di misure con questi carichi, calcolando il coefficiente di errore che viene messo in conto ogni qualvolta che l’analizzatore esegue la misura. Occorre prestare attenzione: logo “CAL 0” in rosso sullo strumento indica di usare il sistema di calibrazione ad esempio eseguire la calibrazione dello strumento sulla porta RF; “CAL 1” sta ad indicare che lo strumento è calibrato.
Consigli d’uso:
- Al fine di garantire la precisione di misura e della calibrazione si consiglia di preriscaldare lo strumento per almeno 5 minuti;
- Il rumore prodotto all’interno dello strumento è minimo usando l’alimentazione mediante la batteria interna. Si raccomanda di fare le misure con la sola batteria interna, perché di solito la qualità del caricatore non è buona e può generare rumore;
- Utilizzare connettori a cavi RF di buona qualità;
- Dopo aver calibrato il cavo, nel caso di un successivo uso diretto potrebbe non essere necessaria la ricalibrazione;
- Prima di fare la calibrazione o le misure conviene assicurarsi di non essere vicini a forti campi elettromagnetici che potrebbero interferire sulla precisione delle misure.
Ci sono delle difficoltà di interpretazione del manuale, in quanto è stato tradotto dal cinese in un inglese un po’ approssimativo. Comunque, superato lo scoglio linguistico, è possibile utilizzare correttamente tutte le funzioni previste dallo strumento ed avere quindi la soddisfazione di scoprirne tutte le qualità. Io mi limiterò a descrivere la procedura di calibrazione per poi riportare, a titolo di esempio, i risultati ottenuti testando una antenna yagi da 10 elementi per i 70 cm. In conclusione, riporterò alcune analisi eseguite su di illuminatore auto-costruito, per illuminare una parabola in rete del diametro di 2m, per la gamma dei 23 cm e 13 cm.
Procedura di calibrazione:
Per l’analizzatore N1202SA è prevista una procedura di calibrazione che, come abbiamo accennato, serve a compensare e/o tenere in debito conto le perdite nei cavi di collegamento, dovute ad effetti capacitivi e/o induttivi. Queste perdite potrebbero originare misure imprecise. Nel caso non fosse possibile eseguire una calibrazione alla estremità del cavo coassiale che deve essere collegato all’oggetto da testare, suggerisco di tagliare la lunghezza del cavo coassiale pari ad un multiplo esatto di lamda/2 moltiplicato il fattore di velocità dello stesso cavo. In questo modo qualsiasi impedenza presente ad una estremità del cavo dovrebbe essere uguale all’altra estremità.
Dall’ interfaccia informazioni del sistema, premendo il pulsante CTRL contemporaneamente al pulsante M, si entra nella videata della interfaccia correzione e calibrazione. La scelta per l’opzione di correzione si presenta, sullo schermo, in alto sul lato sinistro; sono mostrate due opzioni denominate “system correction”(oppure CAL SEL) e “user correction”. Quando si seleziona “system correction” lo strumento esegue la misura standard sulla porta esterna del connettore SMA-k. Invece la scelta per l’opzione di calibrazione è ubicata nella parte bassa, sempre nel lato sinistro dell’interfaccia. Con una semplice pressione del pulsante destro o sinistro si commuta la scelta fra opzione di correzione e di calibrazione; lo stesso risultato si ottiene mediante la rotazione del pomello superiore. Dopo aver selezionato la calibrazione, questa inizia premendo il pulsante OK. Occorre tenere presente che una volta iniziata la calibrazione questa è irreversibile. Si tratta di una condizione tassativa perché la calibrazione, una volta iniziata, deve essere eseguita dall’inizio fino alla fine della procedura. In ogni caso prima di dare inizio alla procedura è bene valutare la sua modalità. Inoltre sempre allo scopo di assicurare l’integrità della calibrazione, durante la procedura viene inibita la funzione automatica del power-off come pure lo spegnimento dello strumento dal tasto power-on.
Per calibrare lo strumento occorre usare l’apposito kit. Dopo aver connesso il cavo al connettore SMA-k dobbiamo selezionare la dicitura “ Port Calibration” che si presenta più illuminata rispetto alle altre diciture e premere il tasto OK per incominciare il processo di calibrazione. La procedura diventa operativa mostrando il messaggio “OPEN CAL” e quindi si deve connettere il plug denominato “OPEN CAL” e premere il pulsante sinistro per eseguire questa calibrazione. Viene quindi mostrata prima la percentuale di avanzamento della calibrazione ed alla fine la dicitura “ OPEN CAL” OK. Allo stesso modo ed in successione si procede alla calibrazione mediante l’inserimento dei plug denominati “SHORT CAL” e “LOAD CAL”. Il processo di calibrazione necessita di un breve tempo ed alla fine quando tutte le calibrazioni sono state completate a fianco di ogni dicitura appare la scritta OK.! Poi al completamento delle tre calibrazioni appare la dicitura CAL Complete 100% .
Misure su antenna commerciale yagi per 430 – 440 MHz
Terminato il processo di calibrazione, l’analizzatore può essere collegato all’antenna tramite il cavo di prolunga. Per una corretta misurazione è importante che l’antenna sia nella posizione del montaggio finale in modo da poterla analizzare così come verrà utilizzata. In questo modo si possono evitare gli eventuali effetti parassiti che, durante la misura, potrebbero interferire sul suo corretto funzionamento. Come primo passo di verifica visualizziamo la schermata relativa al singolo punto di misura, effettuato alla frequenza di risonanza a 440.000 MHz il cui risultato è indicato nella (foto n.4) con R = 42.41 Ω, X = 0.955 Ω.
Commutando la funzione scansione visualizziamo lo schermo che mostra il grafico della curva del VSWR pari a 1.18 (foto n.5)
Misure su di un illuminatore per i 23 cm e 13 cm
Anche in questo caso il processo di calibrazione va fatto per ciascuna frequenza da analizzare. Per primo testiamo l’illuminatore per i 23 cm e poi l’illuminatore per i 13 cm. La procedura di analisi è simile a quella precedentemente descritta.
Per l’illuminatore dei 23 cm e 13 cm (foto n.7) riporto la schermata del singolo punto di misura effettuato alla frequenza di 1296.200 MHz (foto n.8)
Analogamente riporto le due schermate delle misure effettuate sull’illuminatore per i 13 cm, la prima relativa alla curva del VSWR effettuata alla frequenza di 2320.000 MHz
(foto n.10) e la seconda è quella riferita alla curva di S11 (foto n.11). In questo grafico la frequenza del marcatore è stata impostata al valore di 2320.000 MHz con start della frequenza a 2200.000 MHz e stop a 2500.000 MHz. Il marcatore risulta posizionato attorno al punto di risonanza dell’antenna. Ricordo che alcuni anni fa avevo realizzato due illuminatori uguali; uno è stato posto in opera per illuminare una parabola in rete da 2 metri mentre l’altro, e cioè quello di questo test, l’ho tenuto di scorta ed a tutt’oggi non l’ho ancora utilizzato. Questi due illuminatori erano stati testati in occasione della “Due giorni del microndista”. I risultati di questo test sono stati riportati su Radio Kit Elettronica n.6/2015 a pagina 17. Ebbene i valori che ho riscontrato, sull’illuminatore che avevo di scorta, sono analoghi a quelli che avevamo ottenuto durante le precedenti prove eseguite con strumentazione professionale.
Misure istantanee comparative fra questo analizzatore ed uno strumento di classe professionale non le ho potute eseguire, però ho trovato sul Web un post di chi ha fatto delle prove comparative (1). Dalle varie schermate, postate in rete, risulta evidente che le misure ottenute impiegando questo analizzatore siano molto simili a quelle eseguite con apparati professionali. Questo risultato rafforza la mia ottima opinione per questo strumento. Personalmente sono molto soddisfatto di questo acquisto, perché lo strumento può essere facilmente utilizzato ovunque, in laboratorio oppure all’aperto, è molto preciso nelle misure e vale senza alcun dubbio i soldi spesi.
referenze: (1) http://www.afu-nord.de/n1201sa-2/
La presente descrizione è stata pubblicata su Radio Kit Elettronica del mese di marzo del anno 2018 da pagina 40 a pagina 44.
