NanoVNA connect

Algemeen

Het tool NanoVNA connect, laat je toe om verschillende metingen te doen met je nanoVNA vanuit SimNEC alsook calibratie en filtering toe te passen op de naakte meetdata.

Algemeen is geweten dat het meten van RF toepassingen in de buurt van sterke signalen nooit een goede optie is.
Dit is eveneens zo voor de nanoVNA, die met een bepert vermogen fouten kan aangeven wanneer je grote antenne's meet door de onvangst van sterke signalen uit de buurt.

De nanoVNA is de "multimeter" voor een radioamateur.
Meer info over de verschillende meetprincipes kan je vinden op limburg.myuba.be/education/technical-training/nanovna 

NanoVNA Connect

De omschrijving van NanoVNA connect kan je vinden in de handleidingen.
De informatie om deze site vervangt de handleiding niet.

Met deze software kan je zowel S1p(reflectie of SWR) als S2p files(DUT) maken met meer meetpunten dan de nanoVNA zelf toelaat (max 401).
Echter hierdoor zal de meettijd merkelijk langer worden.

nanoVNA fysieke opstelling

Het is absoluut noodzakelijk om bij het meten met de nanoVNA, gekoppeld aan een PC, de nodige voorzorgen te nemen tegen grondlussen en foute RF connecties.

In bijgaande foto zie je een meetopstelling waarin een aantal principes zijn gebruikt:

Interface scherm

Het interface scherm laat je toe om verschillende waardes in te stellen en verschillende types van metingen te doen, al dan niet herhaaldelijk (average).

Het aanmaken en gebruiken van een calibratie file, gebeurt liefst met dezelfde settings als deze die je zal gebruiken voor je meeting en in dezelfde omgeving om de hoogste nauwkerigheid te bereiken.
De average setting (max 10) zorgt voor een virtueel hoger dynamisch bereik.

Je kan een calibratie maken met een hoge resolutie (kleine step), gemiddelde meting (average) en bandbreedte (from-to) die je nadien kan hergebruiken voor meer nauwkeurige metingen, wanneer je niet de hoogste nauwkeurigheid nastreeft.
Het maken van zulk een calibratie op het beoogde "reference plane" vraagt heel wat tijd, hou daar rekening mee, maar geeft je de mogelijkheid om nadien "in the field" snel een meting te doen.

Controle van je nanoVNA calibratie kan je bekomen door de SOL meeting uit te voeren met een gecalibreerde nanoVNA Connect (calfile aanwezig) en het uitlezen van de nanoVNA zonder calfile (<none>) .
Zo zie je het effect van een correct gecalibreerde nanoVNA Connect op jouw specifieke nanoVNA.
Hoe je een plot ervan kan bekomen zie je op Simnec/NEC RUSE block gebruik/Plot code/nanoVNA checkup.

Vergelijken meeting met model

Het uiteindelijk resultaat van je model wordt gemeten en vergeleken met je model.
De bedoeling van deze meting is je model "tweaken" zodat het overeen komt met de werkelijkheid.
Dit is noodzakelijk omdat een model maar zo goed kan zijn als alle parameters correct worden ingegeven.

Parameters zoals de diameter van de draad, cladding, isolatie dikte en type maar ook de Loss Tangent, bepalen allemaal de resonantiefrequentie en impedantie van een antenne.
Na het maken van een referentiemeting van het type draad, kan je de bekomen waardes gebruiken om verdere gelijkvormige antennes te ontwerpen.

Reference plane

In het voorbeeld hier getoond is de nanoVNA gecalibreerd met een BNC SOL set, op het einde van een coax om zo een 2m gevouwen dipool te kunnen meten.
Echter de coax alsook het SOL kit hadden beide een mannelijke BNC, waardoor de calibratie moest gebeuren met een female-fmale BNC adapter.
Hierdoor is het reference plane iest te ver geijkt.
In SimNEC kan je dit compenseren door het toevoegen van een stuk coax met een negatieve lengte, om zo beide curves op elkaar te krijgen.

zonder compensatie van de F-F BNC

met compensatie van de F-F BNC

Insulation en conductivity

Het spreekt voor zich dat je de keuze van het materiaal en de lengte van de antenne overeen laat stemmen met de werkelijke antenne.

Materiaal

Voor het materiaal moet je vooral kijken naar de plating.
Een vertinde draad heeft een dun laagje tin, echter door het skin effect, moet je deze draad als een volle tin draad zien in je model.

Aders (stranded)

Een meeraderige draad (stranded) kan de diameter beïnvloeden.
Mijn ervaring leert dat een meeraderige draad (24 aders) een verhoging van de diameter creëert van ongeveer 15%. Dus een 1,2mm diameter wordt dan ingegeven in het model als 1,35mm.

Isolatie

De keuze van de isolatiedikte kan je ongeveer bepalen.
 Hoe nauwkeuriger, hoe beter.
De permetivity moet je empirisch bepalen.
Je past deze waarde aan totdat de resonantie frequentie overeen komt met de gemeten waarde.
Er is echter één uitzondering:  een blanke koper draad.
In principe zou je hier geen isolatie kiezen, maar het blijkt dat de werkelijke waarde en het model niet overeen komen.
Ook hier kan je het model voorzien van een kleine isolatie waarde om zo het model in overeenstemming te brengen met je meeting.

Tangent Loss

De tangent loss is eveneens een extra "verlies" factor van een draad, die eveneens zorgt voor het aanpassen van de impedantie.


Procedure

In ons voorbeeld gebruikt de antenne dezelfde parameters als deze die gebruikt worden voor de definitie van de T1 transmissielijk.(zie Anvil code antenne)
Dit liet mij toe om beide met één instelling te parametreren en het verschil te zien in de curves in een vergelijk waarbij een kortgesloten transmissielijk werd gebruikt om de draad te catalogeren.

In ons voorbeeld hebben we gebruik gemaakt van een blanke koperdraad voor het maken van een gevouwen dipool met een afstand tussen beide delen van 86mm.
Om het model in overeenstemming te brengen  met de meeting hebben we alle waardes moeten voorzien, dus ook isolatie, ondanks dat de draad blank is.

//Dipole

NECUnits meters,meters;

LT;

NECOptions.wireDiameter = T1.dia1;

NECOptions.insulationThickness = T1.thick;

NECOptions.insulationPermittivity = T1.Pr;

NECOptions.insulationLossTangent = LT;

BodyGraphic(antenna);

SelectOneOf {free,Perfect,MiniNEC,Sommerfeld} env;

SelectOneOf (Conductivities) material;

NECOptions.mhosPerMeter = Conductivities[material];

NECGround(env,.005,13);

Preferences.Features.NEC2_insulation_K6OIK_not_W4RNL=0;

Stap 1:

Bepaal de resonantiefrequentie van de meeting, die je best doet zodat er zowel een serie (lage Z) als parallel resonantie (hoge )te zien is.
Dit zijn de punten op de horizontale as, zoals in ons geval op 303,5Mhz en 141.3Mhz.
Je kan deze ook zoeken in een plot, door beide X.M waardes te vergelijken.
Waar de X .M waarde van de impedantie = 0, heb je een resonantiepunt.

Stap 2:

Pas de isolatie permitivity aan totdat de resonantie van het model overeen komt met de meeting.
Hier kan je de resonantie kiezen aan de lage impedantie kant, daar deze nauwkeuriger te bepalen is owv de logaritmische schaal (meeting) van de VNA.
In ons geval is dat de resonantie op 303.5Mhz(2).

Stap 3

Bekijk de SmithChart zodat je kan zien of de cirkel van de meeting en het model overeen liggen.
Zet om te starten de LT (loss Tangent) parameter op 0.

In principe zal het model een grotere cirkel hebben dan de werkelijke meeting. (foto hierlangs)
We zien dat de resonantie van beide ongeveer overeen komen en op de horizontale as liggen (controle regelen Pr)

Pas nu de LT parameter aan, totdat beide cirkels op elkaar liggen.(zie bovenaan)
Hierbij heb je de parameters gevonden voor de draad die je gebruikt hebt in je meeting.