NanoVNA

De "multimeter" van iedere radio amateur.

Dit "hebbedingetje", maakt een onmisbaar onderdeel uit van het meetinstrumenten arsenaal van een radio amateur en is door zijn eenvoud het tool bij uitstek voor het vinden van problemen in een antenne installatie.

Zonder de volledige theorie uit de doeken te doen, gaan we op deze pagina een aantal principes tonen, die radioamateurs kunnen gebruiken voor het verifiëren en uitmeten van antenne systemen.

How to use a nanoVNA

Basics of a VNA

Principe

Het principe van een VNA berust op een aantal metingen van spanning, stroom en fase, waardoor we ohmse, inductieve en capacitieve waardes kunnen bepalen.

SWR

Onze fameuze "SWR" meting berust eveneens op deze principes, alleen is het een andere voorstelling van het fasegedrag tussen spanning en stroom. Bij SWR 1: 1 weten we dat de spanning in fase is met de stroom. Hierdoor hebben we automatische een puur ohmse belasting. Indien de belasting is afgesteld op de inwendige weerstand van de bron en overeenkomt met de karakteristieke impedantie van de transmissielijn, is er maximale vermogensoverdracht, zonder fasedraaiing.  Dit is de ideale situatie.

TDR

Tevens bestaat er een principe, zoals "RADAR" waarbij een puls op een lijn wordt gezet en door een foutieve afsluiting, de puls wordt "weerkaatst".  In combinatie met de "verkortings- of vertragingsfactor"(velocity) van een transmissielijn, kan men zo de afstand tot de fout bepalen. Deze techniek "TDR" genaamd, kan gebruikt worden om breuken en slechte verbindingen op te sporen, een tweede toepassing voor onze nanoVNA.

Smith-chart

Een antenne is in essentie een "resonantiekring" op de gebruikte frequentie. Buiten deze frequentie, gedraagt deze kring zich niet zuiver ohms. Dit kunnen we eenvoudig tonen in een Smith-chart.  Een Smith-chart wordt dus gebruikt om het verloop van een antenne impedantie over een bepaald frequentiegebied in kaart te brengen. De uitslag van de Smith-chart kan gebruikt worden om "aanpassingen" te doen, dmv een aanpassingsnetwerk of door het aanpassen van de antenne zelf, om uiteindelijk tot een antenne te komen met de juiste ohmse impedantie (50 ohm) op de gewenste frequentie.

DUT en DET

De benaming voor de poorten Device Under Test en Detector kunnen wat verwarrend over komen, evenals de soms gebruikte kanaal aanduidingen CH0 en CH1, of de S parameters S11,S12, S21, S22, maar slaan allemaal op dezelfde aansluitingen.

DUT, CH0, S11

Dit is de poort waarop de generator draait, de "stimulus" of zender. Op deze poort meten we de fase, stroom,  spanning zodat we de reflectie kunnen meten. Dit is tevens de poort die we het meest gaan gebruiken.

DET, CH1, S21

Deze poort is in essentie een "signaalsterkte meter" binnen onze nanoVNA. Bij professionele toestellen kan dit anders uitgevoerd zijn, waardoor sommige metingen die wij gaan tonen niet exact hetzelfde gebruikt kunnen worden. Echter voor de radio-amateur is het concept van deze nanoVNA ideal voor het uitmeten van antennesystemen en filters.

Calibration of Reference plain (port extension)

Het grote voordeel van een VNA tov een SWR meter is, dat we het meetpunt kunnen kalibreren. 

Bij een standaard SWR meter, wordt er gemeten aan het begin van een transmissielijn of zelfs binnenin de meeste toestellen. Dit wil zeggen, dat voor deze meter zowel de transmissielijn als de antenne als één geheel worden gezien(één belasting). Het corrigeren van deze SWR meting, door het aanpassen van de antenne is "systematisch fout". Deze correctie zegt helemaal niets over de antenne zelf. Vandaar ook dat bij het aanpassen van de kabel door een verplaatsing van je toestel of een herinrichting van je shack, dikwijls de SWR waarde plots niet meer correct is. 

Om dit probleem te kunnen oplossen zou men "de antenne zelf" moeten kunnen afstemmen op 50ohm resonant, waardoor de lengte van de transmissielijn (coax) geen rol meer gaat spelen. Echter dit is praktisch niet mogelijk met een SWR meter.

De VNA bied hier een oplossing.

Een VNA moet "gekalibreerd" worden zodat afwijkingen kunnen gecorrigeerd worden (automatisch). Deze kalibratie gebeurt op het "einde" van de aansluitkabels. Zo kan je de kalibratie aan het antenne einde van de transmissielijn uitvoeren, waardoor de meting "virtueel" verplaatst wordt naar de antenne. Men verplaats het "reference plain" tot aan de antenne en het toestel herrekent voor ons automatisch alle metingen, zodat wij op het toestel "virtueel" de waardes  aflezen die we in werkelijkheid aan de antenne zouden meten. Handig, niet?

Stappenplan metingen

Om met een VNA correcte metingen te kunnen uitvoeren, zijn er een aantal stappen nodig. Voor onze nanoVNA sommen we deze even op, ze worden nadien in de video's toegelicht.

nanoVNA1.mp4

Settings en kalibratie

In deze video wordt de basis structuur van de menu's uitgelegd, als hoe een kalibratie wordt uitgevoerd. 

Het is zeer belangrijk dat je het besef hebt om je kalibratie steeds uit te voeren op het einde van de aansluitkabel. Zo niet reduceer je je VNA tot een SWR meter en gaat het grote voordeel van een VNA verloren!

Port extension Electrical Delay settings

Wanneer je virtueel de lengte van je meetpunt wil verleggen, een truck die handig kan zijn als je de lengte van je coax kent, maar niet meer beide uiteinde kan samenbrengen voor een ijking, kan je hiervan gebruik maken.

De video legt dit mooi uit. 

Let op: Je kan dit alleen gebruiken indien de 50ohm coax tot het punt waar je wil meten ook exact 50 ohm blijft, geen connectoren kent of fouten in de impedantie.

Transmissie lijn impedantie uitmeten

Het zou je verbazen hoeveel "foute" coax er op de markt is. Zelf heb ik nieuwe coax met de correcte labeling gekocht, die absoluut niet voldeed aan de norm.

Het uitmeten van een coax kan je eenvoudig door een niet te hoge STOP frequentie(10Mhz) te nemen en een "regelbare weerstand"(niet draadgewonden) van om en bij de 200 ohm.

Zo kan je "onbekende" coax kabel impedanties uitzoeken. Er bestaan namelijk coax in 50, 75, 120 etc waardes en "slechte coax", die een niet stabiele impedantie heeft.

Het meetprincipe kan ook gebruikt worden bij het maken van een balun, omschreven op de site: "Balun en transformers/testen".

nanoVNA2.mp4
nanoVNA3.mp4

Balun en choke uitmeten

In de meeste antenne systemen is de overgang van een asymmetrische bron, een transmissielijn die aan de zender of antenne zijde aan één zijde aan de aarde ligt, naar een symmetrische antenne een standaard gebeuren.

Om dit te kunnen realiseren, moet de antenne op RF vlak geïsoleerd worden van de bron.

Hiervoor worden balun-chokes gebruikt, niet te verwarren met "impedantie transformators".

Een choke zorgt enkel voor het "isoleren" van de antenne aansluitingen tov de grond op hoogfrequent vlak en kan dus ook als balun gebruikt worden.

De eigenschappen zijn dan ook:

Het controleren wordt in de video hiernaast getoond.

Velocity factor coax bepalen

Je kan de nanoVNA eveneens gebruiken om de verkortingsfactor  van een coax te bepalen.
De volgende video geeft je de nodige uitleg.

Antenne resonantie en efficiëntie

Wanneer we de resonantie van een antenne meten, zien we duidelijk een dip in SWR(rode) en Return-loss(geel) op de resonantiefrequentie. Tevens zien we dat de Smith-chart op resonantie (groen en marker) nagenoeg op het midden punt kruist (50 ohm resistief).

Wanneer we aan de DET ingang van onze nanoVNA een kleine antenne hangen, desnoods verlengt met wat meters coax, waardoor deze op wat afstand van de te meten antenne kan geplaatst worden, meten we hierop de "veldsterkte" van de antenne (blauwe lijn). Hiermee kan je het stralingsdiagram meten of de efficiëntie van je aanpassingen aan een antenne. Bij een sterker signaal op gelijke opstelling, zal de efficiëntie zijn gestegen. Dit zal je snel merken bij verkorte antennes, waarbij spoelen en condensatoren gebruikt worden voor de frequentiecorrectie en impedantie aanpassing.  Waar de resonantie afhangt van het LC product, hangt de Q factor(en efficiëntie) af van de verhouding. Samen met de ohmse verliezen kan je hierdoor snel de invloed zien van bepaalde keuzes.

Calibration on/off

Vermits de kalibratie van het reference plain je toe laat om metingen te doen alsof je op de klemmen van de antenne zelf meet, aan het einde van de coax, kan je het effect hiervan zien als je de kalibratie uit schakelt. 

Met uitgeschakelde kalibratie meet je op de plaats waar de nanoVNA is aangesloten, dus op de positie waar je ook met een SWR meter zou meten, of aan het begin van je coax. Dit is niet helemaal correct, maar voldoende voor een snelle controle. 

Hierdoor zie je dat de antenne "virtueel" een betere SWR krijgt(blauw), de return loss beter wordt (geel) en de Smith-chart cirkel (groen)kleiner wordt, wat op een lagere Q factor duid.

Dit zou je verkeerd kunnen interpreteren als een "betere antenne". Het is deze "foute" veronderstelling die meestal gebeurt door een meting met een ordinaire SWR meter en gebruikt wordt om te beweren dat een antenne "breedbandig" is, als je de juiste lengte coax gebruikt. De antenne is nog steeds dezelfde, maar je transceiver ziet een betere SWR over een groter frequentie bereik. Hoe langer de coax, hoe minder uitgesproken mis aanpassingen kunnen gezien worden op een SWR meter.

Transform TDR instellingen

De nanoVNA met de laatste firmware bevat ook een TDR functie om fouten in een kabel op te sporen.

Het principe van een TDR is een puls die gereflecteerd wordt. De tijd die de puls doet over de reflectie is een maat voor de  afstand waar de fout zich voorgedaan heeft.

De TDR functie vinden we terug onder de menu Display met de naam Transform. 

Volgende setting geeft een bevredigend resultaat om een afstand te bepalen en te kijken wat de impedantie is van de transmissielijn.

In het voorbeeld zie je een open coax van iets meer dan 6 meter.  Dit is een slechte kabel, die over zijn ganse lengte steeds van impedantie verandert. De gele lijn zou vlak moeten zijn tot aan de onderbreking (open einde).

Door het instellen van de Stimulus STOP frequentie, verander je de tijdschaal. Het is een beetje zoeken voor de juiste waarde, waarbij hogere frequenties voor kortere kabels zijn. Door het beperkt aantal meetpunten, kan het zijn dat een fout niet zichtbaar is op een bepaalde frequentie, maar op een andere wel. Dus even een aantal verschillende STOP frequenties meten kan geen kwaad.

TDR metingen

De gele lijn geeft in het midden een vlakke lijn bij geen fout. Een open kabel geeft een step up en een kortsluiting een step down.

We zien op het eerste voorbeeld dat er een fout zit op 6,66m. Hiervoor is de STOP frequentie ingesteld op 150Mhz.

In het tweede voorbeeld zoeken we een open fout en deze vinden we terug op ongeveer 51m. De ingestelde STOP frequentie is hier 15Mhz. Vermits de gele lijn hier voorbij de display gaat, is de cursor niet te zien en kan je enkel gokken op de piekwaarde. Als referentie kan je de beweging van de Smith-chart marker bekijken, die zijn oneindig waarde bereikt in het midden van de piek.


Extra info

nanoVNA

Door de opkomst van zeer goedkope meetinstrumenten, zoals de nanoVNA wordt het uitmeten van RF componenten haalbaar voor iedere radio-amateur. 

Het meten van een antenne om nadien een aanpassingsnetwerk te ontwerpen en te bouwen, is een oplossing die nu binnen ieders handbereik ligt.

De video voor het aanpassen van een 80m antenne laat dit mooi zien. Verwijzingen en info vind je onderaan.

Conclusie en aandachtspunten

De nanoVNA, door zijn specifieke bouw, is een ideaal toestel voor het uit meten van antenne's. Tot 300Mhz, is het materiaal wat je gebruikt zeker voldoende. Daarboven wordt de noodzaak voor goede calibratie kits en meet coaxen belangrijk en neemt het bereik van het toestel af.

De SOLIT calibratie (Short, Open, Load, Isolation, Through) moet een standaard onderdeel uitmaken van je metingen, om op deze manier het reference plain (meetpunt) virtueel te kunnen verplaatsen naar de antenne of het einde van de coax. Het uitschakelen van deze calibratie geeft je een snelle methode om bij benadering (HF) je reference plain te verplaatsen naar de uitgang van je VNA, de fameuze SWR meter positie.

De ingebouwde TDR functie laat je toe om kabelbreuken ed te meten. Hierdoor kan je fouten op afstand bepalen. Bij een "slechte" coax of een coax die geplet of beschadigd is, zal je een niet vlakke curve zien en kan je ongeveer bepalen waar het euvel zich voordoet.

De DUT ingang kan perfect gebruikt worden voor het uitmeten van een stralingspatroon of om de aanpassingen aan antennes ikv efficiëntie te verifiëren eventueel voorzie je een voorversterker om op veel grotere afstand te kunnen meten (let op met breedband ruis en signalen).

Door het "zwakke signaal" dat gebruikt wordt, zal een meting in de nabijheid van sterke zenders, niet correct kunnen gebeuren. Het is dan ook aangewezen om bij twijfel na te gaan of er in de buurt geen sterke signalen aanwezig zijn, desnoods met een diode RF veldsterkte meter.

SWR metingen alsook meters, die meestal in de toestellen zijn ingebouwd, meten aan het begin van de coax, waar dat je met een VNA "virtueel" aan het einde van de coax kan meten. Hierdoor meet je de werkelijke antenne waarde en niet de "gemaskeerde" waarde.

Tevens meet een SWR breedbandig, waar een VNA op één frequentie meet. Bij slecht gefilterde PA's, gebruikt op een smal band antenne (Loop, EH, AWM, dipool...) kan het voorkomen dat de VNA een goede SWR weergeeft, maar de SWR meter een hoge waarde aanduid. Oorzaak is de gebrekkige filtering in je PA, waardoor de SWR meter de reflecties ziet op je harmonische.  Verschil in meting, waarbij de SWR meter hogere waardes aangeeft dan de VNA duiden duidelijk op lineariteitsfouten in de PA (als er een filter in zit) of het ontbreken van goede filters, vooral te merken op de zeer lage banden op mobiele toestellen, waar men dikwijls gebruik maakt van een beperkt aantal filters voor de ganse HF band.