Florin Cretu YO8CRZ

Am achiziționat în primăvara anului trecut un NanoVNA-F V2, pe care l-am evaluat comparativ cu un VNA profesional. M-am gandit că experiența dobândită prin folosirea acestuia, poate fi folositoare și altora care se gândesc să achiziționeze acest produs, ori unul similar.

Cu un număr de ani în urma YO4UQ a facut o excelenta prezentare pe acest site a unui produs similar, împreuna cu un număr de aplicații practice. Era vorba de MiniVNA, un produs ce permitea analiza unor circuite până la frecvența de 200MHz. Prețul produsului, chiar dacă redus în raport cu un VNA profesional, era însă suficient de ridicat (300-400Euro) pentru a nu-l face foarte atractiv pentru mulți radioamatori. Lucrurile s-au schimbat odată cu apariția unei noi generații de VNA-uri pentru amatori, la un preț absolut accesibil, bazat pe un număr de circuite integrate moderne, cu cost redus și care a fost produs în cantități de masă. Este vorba de NanoVNA și care poate fi procurat la prețuri de  la $40 la $150, funcție de versiune.

Personal nu am dat o atenție prea mare acestui NanoVNA, în ciuda prețului, întrucât pentru aplicații hamradio acasă, în unde scurte, pot folosi cu succes SDR-ul propriu pe post de VNA. Câteva discuții pe care le-am avut recent mi-au schimbat însă opinia inițială, așa că am început prin a mă informa despre capabilitățile acestui nanoVNA. Există o mare cantitate de informație disponibilă pe internet referitoare la NanoVNA, deseori foarte confuză și care trebuie filtrată cu mare grijă.

NanoVNA-ul original apărut cu câțiva ani în urmă, ca un proiect ”open source” atât pentru software cât și pentru hardware și un grup de întreprinzători a trecut la fabricația în masă a acestuia.  Evident a fost clonat rapid și de alți competitori, au apărut apoi în timp diferențe între versiunile hardware și implicit software care pot fi folosite cu acestea. Firește, există și unele diferențe între capabilitățile și performanțele acestora. Există astăzi NanoVNA H, H4, V2, V2-4, NanoVNA-F, F-V2, SAA2,... etc., ceea ce duce firește la destule confuzii. Concuranța între aceste grupuri a fost benefică pentru cumpărători, pentru că prețurile au scăzut și performanțele tehnice au crescut în timp.

Au apărut și grupuri de discuție, în care utilizatorii au putut învăța multe despre folosirea unui VNA, după cum au fost lansate și idei care au contribuit la îmbunătățirea produselor în timp. Am constatat cu surprindere că nu odata pe aceste grupuri s-au purtat discuții cu un nivel tehnic surprinzător, între oameni cu pregătire de specialitate, cum ar fi cele legate de implementarea unui model de eroare evoluat, necesar pentru calibrarea unui VNA. Evident, sunt și destule discuții inepte... însa asta este evident de așteptat.

Puțină istorie

Înainte de a trece mai departe, pentru cei care nu știu deja aceste lucruri, iată câteva considerații legate de ceea ce se poate face cu un VNA.

Acronimul VNA provine de la Vector Network Analyser, și este deci un analizor vectorial ce poate fi folosit pentru măsuratea și caracterizarea unor circuite electrice. Multe din mărimile electrice pot fi analizate folosind vectori, ce conțin informații referitoare la amplitudine și fază. VNA-ul permite analiza informațiilor de amplitidine și fază în mai multe moduri de lucru.  Aceasta permite o caracterizare completă a circuitului  și permite determinarea calității adaptării, a pierderilor printr-un circuit, a întârzierilor prin circuit, a valorii unui condensator sau inductanță la o anume frecvență și multe altele.

Asemenea instrumente erau folosite în trecut exclusiv de profesionști și aveau un cost considerabil. Personal,  am  avut șansa să lucrez ca inginer stagiar cu un VNA în anii ‘80 (HP8601A+8407A, echipamente din generația ‘70), ce era alcătuit din VNA + generator vobulat (Fig. 1 și 2). Era unul dintre puținele instrumente de acest gen care existau atunci în țară. Performanțele erau bune pentru acea vreme și permitea o dinamică de măsură de peste 80dB cu o rezoluție relativă de 0.05dB. Era un instrument 100% analogic, nu conținea nici o parte digitală. Prețul de catalog al acestui instrument, actualizat la valoarea de astăzi este de peste $50000.

Datele se puteau extrage doar manual... pe tabele pe hârtie... iar atunci când aveam acces la un calculator cu două procesoare HP9845A, introduceam datele manual. Calculatorul permitea analiza și simularea unor circuite simple folosind programe scrise în HP-BASIC.   O tempora.....

Astăzi performanțele acestor VNA-uri au crescut substanțial, prețul relativ al unora dintre aceste echipamente profesionale a mai scăzut, deși un VNA ”High End” ce funcționează în domeniul microundelor poate astăzi să treacă mult de $300000. (vezi Fig. 3 și 4)

Acestea pot efectua măsurători complete pe 4 porturi, la frecvențe de peste 40GHz, unele chiar 220GHz, pot extrage parametrii neliniari, pot măsura distorsiuni de intermodulație cu două tonuri, punctul de compresie, măsurători de zgomot și multe altele.

Nu însă toate aplicațiile și măsurătorile necesită asemnea performanțe și o comparație între un VNA din această clasă și un NanoVNA ar fi de-a dreptul indecentă. Pentru un VNA profesional ”high end”, doar cablurile coaxiale de test pot costa peste $5000 bucata, iar un set de standarde de calibrare chiar mai mult. Chiar și un set de calibrare ”second-hand”, ce poate fi folosit doar până la 6GHz, poate fi peste $3000.

Am dat aceste date ca punct de referință pentru că am văzut destule comentarii pe internet, în care se afirma cu convingere că NanoVNA-urile au ”au dat o lovitură” productătorilor tradiționali de echipamante de măsură, cu prețurile lor prohibitive.  Nimic mai greșit, pentru că NanoVNA-ul se adresează unei piețe complet diferite.

NanoVNA poate însă servi perfect necesitățile unui radioamator. Acesta ne permite accesul la un număr considerabil de parametrii, cu mult dincolo de clasicul VSWR, care nu spune decât prea puțin despre o antenă sau un circuit. Un alt fapt pozitiv este că utilizatorul unui astfel de echipament poate învăța cu ajutorul acestuia despre teoria circuitelor.

Performanțe

În Tabelul 1 am listat principalele versiuni de nanoVNA-uri care existau la data scrierii acestui articol și câțiva parametrii esențiali.

Tabel 1   Câteva din versiunile de NanoVNA existente

* FW experimental,  ** Val. medie x20, ***Val. medie x5, **** Val. medie x1, ***** 60dB sub 300MHz

Ca să fie lucrurile și mai confuze, există și alte versiuni cu ecran mai mare sau mai mic, cu conectori N, etc.

Performanțele și capabilitățile depind și de versiunea de firmware.

Câteva cuvinte despre parametrii esențiali.

1.       Gama de frecvență. Cu cât mai mare, cu atât mai bine.

2.       Gama dinamică S11. Cu cât mai mare, cu atât mai bine. Pentru măsurători uzuale 40dB este suficient, însă pentru a măsura cu acuratețe impedanțe mari (>1kOhm) sau foarte mici (<1Ohm) e utilă o gamă S11 cât mai mare. Echipamentele profesionale trec de 60dB. Pentru a măsura însă impedanțe foarte mari (balun/ șoc de RF) sau foarte mici (plan de alimentare/masă) se folosesc de obicei metode speciale.

3.       Gama dinamică S21. Cu cât mai mare, cu atât mai bine. Dacă măsurăm un filtru  cu atenuarea la bază de 100dB avem devoie de un instrument cu o dinamică de cel puțin 110dB. Un echipament profesional are peste 110dB, în unele cazuri chiar 140dB.

4.       Numărul de puncte de măsură (frecvențe), respectiv puncte de calibrare a instrumentului. Cu cât mai multe, cu atât precizia și rezoluția este mai bună. Numărul de puncte de măsură afectează însă viteza cu care se face măsurătoarea. Multe echipamentele profesionale folosesc valoarea standard de 201 puncte, însă poate fi și de 401, 801, 1601 (HP 8753E) sau chiar mai mult la echipamentele mai noi.

5.       Viteza de baleiere, este viteza cu care sunt efectuate măsurătorile din toate punctele de măsură. NanoVNA-urile au o valoare standard de 101 puncte de măsură și în mod uzual necesită cca. 1-1.5 secunde. Dacă se folosesc mai multe puncte, timpul necesar crește. Aceasta face mai dificil un acord în timp real al unui circuit. Echipamentele profesionale pot face același lucru în câteva ms.

Aspect  și mod de realizare NanoVNA-F V2

NanoVNA-F V2 este una dintre  versiunile mai scumpe ($150) din seria NanoVNA, și vine într-o cutie de plastic transparent, cu amortizor din burete, în care este plasat instrumentul și accesoriile.

La capitolul accesorii, conține două cabluri semirigide RG405 terminate cu mufe SMA la ambele capete, un număr de adaptoare SMA și un set de calibrare ce conține o sarcină etalon de 50 Ohm, un SMA în scurt și unul deschis, ca și o mufă SMA ”I” de trecere. 

Echipamentul conține un sandwich de 2 plăci PCB. Placa principală conține toată partea electronica (RF+ digital), ce are pe o parte atașat un touchscreen și pe partea opusă este plasată, cu distanțieri, o placă ce ține bateria de 5000mA (19Wh). Totul este introdus într-o cutie din profil de aluminiu extrudat, vopsită la exterior în negru, care-i dă un aspect decent, în raport cu versiunile ieftine care efectiv vând uneori doar un set de placi prinse cu distanțiere. Carcasa metalică asigură și o ecranare, măcar parțială.

Blocurile de RF principale sunt ecranate cu ecrane individuale, detașabile. Ecranul este de fapt inserat în niște cleme SMD lipite pe cablaj. Sistemul este ieftin și simplu de utilizat în fabricație, însă nu poate asigura o ecranare foarte bună la frecvențe mari.

Placa principală este prezentată mai jos și arată și principalele blocuri.

Iată mai jos aspectul ansablului de plăci din nanoVNA-ul meu, cu placa ce conține bateria detașată pentru a se putea vede placa principală.

Echipamentul conține conectori SMA, care asigură performanțe suficient de bune în gama de frecvență folosită. Evident, pentru a putea măsura echipamente ce folosesc altfel de conectori, trebuie să avem adaptoare adecvate.

Trebuie spus că unele din NanoVNA-urile de sub $40, pentru a ține prețul la minim, sunt vândute uneori fără setul de calibrare, nu au carcasă sau chiar și fără baterie... și sunt vândute într-o cutie din carton. Având în vedere modul sumar de ambalare al unora, este un adevărat miracol că acestea pot supraviețui șocurilor din timpul transportului. Evident, sunt și cazuri când produsul ajunge la destinație nefuncțional....

Unele din acestea au un set de calibrare mediocru, la care sarcina de 50 Ohm este doar o terminație rezistivă fără pretenții, de uz general. Cu oarecare surprindere am constatat că setul de calibrare care vine cu NanoVNA-F-V2 este de o calitate acceptabilă, sarcina de 50 Ohm fiind acceptabilă nu numai din punct de vedere electric dar și mecanic.

Precizia măsurătorii este evident afectată de calitatea referințelor și din acest motiv un set de referințe de calitate costă substanțial. Ca fapt divers, etalonul de 50 Ohm de la un kit profesional, este realizat pe substrat de safir și geometria stratului rezistiv este atent realizată și compensată în frecvență. Pentru aplicații amatoricești, un set de calibrare ca cel care însoțește NanoVNA-F V2 este suficient. Cei care doresc o precizie mai bună, pot folosi pentru sarcina de 50 Ohm elementul Mini-Circuits ANNE-50.

NanoVNA-ul folosește un model de eroare simplificat și din acest motiv, instrumentul nu poate utiliza datele kitului de calibrare, furnizate de producător. Programul pentru PC NanoVNA Saver permite însă aceasta, cu scopul creșterii preciziei absolute a măsurătorii, dincolo de precizia kitului în sine.

Pentru rezultate optime, un VNA trebuie calibrat pentru domeniul exact de frecvență pe care se face măsurătoarea. Frecvențele la care se face calibrarea sunt și frecvențele la care se face măsurătoarea. Cu cât se folosesc mai multe puncte de calibrare/măsurare, cu atât rezoluția măsurătorii este mai bună.

Pentru a vedea care este acuratețea unor măsurători efectuate cu nano-VNA-ul, am efectuat un număr de măsurători, comparativ cu un instrument profesional. Pentru a nu supra-încărca acest articol, care și așa este destul de dens în informații, am preferat să prezint rezultatele măsurătorilor separat. Materialul din anexă conține de fapt cu mult mai mult decât rezultatul măsurătorilor.

Am efectuat de asemnea măsurători pe antene reale cu acest VNA, comparativ cu un analizor de antenă RigExpert AA55 Zoom. Când este folosit pentru măsurarea antenelor, am constatat că NanoVNA-ul poate fi afectat de existența unor emițătoare de radiodifuziune pe unde medii, de mare putere, din vecinătate. Din acest motiv, în cazul meu particular, rezultatul măsurătorilor la antenele de dimensiuni mari (80m și 160m) este incorect. AA55-Zoom este însă cu mult mai puțin afectat. În plus, NavoVNA-ul nu are protecții adecvate pentru sarcini electrostatice mari, cum sunt cele ce apar la antenele filare lungi într-o zi uscată. Din acest motiv, circuitul de intrare poate fi distrus cu ușurință, dacă nu se iau măsuri adecvate de descărcare.

Datele măsurate pot fi salvate intern în format Touchstone (S1P sau S2P) și instrumentul poate fi conectat la un calculator prin interfață USB. Singurul program  care este compatibil în acest moment  cu NanoVNA-F V2 este NanoVNA Saver. Pentru alte versiuni de NanoVNA există și alte programe ce pot fi folosite. Fișierele S1P sau S2P, pot fi folosite în orice program care poate analiza parametrii S.

Concluzii

Instrumentul permite măsurarea unui număr considerabil de parametrii, de la VSWR la impedanțe, elemente de reflectometrie în domeniul timp, sau chiar extragerea parametrilor S. Se pot măsura antene, filtre, valoarea unor condensatoare, inductanțe sau rezistențe la anume frecvențe. Se poate determina auto-rezonanțe în circuite (de exemplu rezonanța șocului anodic de RF, ori trapuri pentru antene) și multe altele  ce depind doar de imaginația și nivelul de cunoștințe a utilizatorului (exemplu: extragerea indirectă a componentei reale și imaginare a permeabilității magnetice pentru un miez de ferită).

Datele pot fi extrase din instrument dacă se dorește și pot fi apoi stocate și prelucrate pe un calculator pentru a putea obține o varietate chiar mai mare de informații despre circuitul măsurat.

Din testele prezentate în anexă, se poate vedea că  instrumentul are o precizie bună până la frecvențe de câteva sute de MHz, la frecvența de 1GHz precizia este limitată, iar la 2.4GHz în cel mai bun caz... instrumentul este doar orientativ.

Firmware-ul acestui instrument este  reactualizat periodic, de cele mai multe ori pentru corecția unor bug-uri dar și pentru îmbunătățirea performanțelor sau chiar adăugarea de funcțiuni noi.  În cursul testărilor inițiale am constatat o serie de probleme în funcționare pe care le-am semnalat producătorului, ce au fost remediate de acesta prin update de firmware, într-un timp rezonabil de scurt.

Compania care produce modelul cumpărat de mine menține un grup de discuții, unde pot fi puse întrebări sau se pot discuta în principiu diverse probleme legate de acest produs.

Dacă nu este necesar un instrument cu capabilități până la 3GHz, cu ecran mai mare care permite folosirea cu ușurință în portabil, atunci cred că versiunile mai ieftine NanoVNA H cu ecran de 2.8 inch sau NanoVNA H4 cu ecran de 4 inch, sunt poate mai potrivite. Acestea din urmă beneficiează și de o echipă cu mult mai activă, care produce frecvent noi versiuni de firmware, chiar dacă hardware-ul în sine este mai limitat.

Pentru prețul plătit,  consider că performanțele acestui NanoVNA-F V2 sunt acceptabile. Cred că este un instrument util pentru toți cei care vor să învețe ceva nou.

Sper ca acest articol să permită celor care sunt interesați de achiziționarea unui NanoVNA, o imagine mai clară a ceea ce este acest instrument și care sunt așteptările.

Anexă-  NanoVNA teste și măsurători

Florin Cretu YO8CRZ

Articol aparut la 23-10-2022

7745