Anteny SP3L - Pomiar dużych impedancji przy pomocy NanoVNA

Pomiar dużych impedancji przy pomocy NanoVNA - moje doświadczenia

Analizatory wektorowe obwodów (VNA) na ogół dokładnie mierzą parametry systemów 50-omowych, ale jeżeli chcemy za ich pomocą zmierzyć duże impedancje, to powinniśmy zachować ostrożność. Na przykład podczas pomiarów impedancji w obwodzie wspólnym dławików (balunów prądowych). Poniżej lista moich doświadczeń związanych z użytkowaniem dwóch analizatorów pochodnych od NanoVNA: SAA-2N i NanoVNA-H4.

1. Zaburzenie w okolicy 6 MHz.

2. Zastosowanie metody odbiciowej (reflection) do pomiarów dużych impedancji.

3. Pojemności pasożytnicze w układzie pomiarowym.

4. Pogorszenie dokładności pomiaru na skutek podłączenia do NanoVNA przez kabel USB zewnętrznego urządzenia.

5. Najlepsza metoda pomiaru impedancji w układzie wspólnym dławika, jaką mogę polecić.

Przejdźmy po kolei przez te tematy.

1. Zaburzenie w okolicy 6 MHz

Jakiś czas temu kupiłem SAA-2N - pochodną NanoVNA w metalowej obudowie ze złączami N i 4-calowym ekranem. Gdy zmierzyłem z jego pomocą kilka różnych rezystorów THT, zauważyłem dziwne zaburzenia impedancji poniżej 10 MHz. Poniżej moje wyniki pomiarów.

Powtórnie wszystko sprawdziłem, a nawet uaktualniłem oprogramowanie wbudowane do najnowszego, jakie znalazłem w sieci. Nic się nie zmieniło. Przyrząd musiał być wadliwy. Skontaktowałem się ze sprzedawcą i po długiej, jałowej dyskusji, uzyskałem zwrot kosztu zakupu (chociaż od Allegro, a nie od chińskiego sprzedawcy). Ale nie w tym rzecz. Kiedy pieniądze wróciły, zdecydowałem się na zakup innego modelu z 4-calowym ekranem - NanoVNA-H4. Jakież było moje zdziwenie kiedy w opisie analizatora ujrzałem: "Solve the abnormality of nanovna-h near 6mhz before", co tłumaczę jako "Rozwiązano problem z zaburzeniem w okolicach 6 MHz występujący wcześniej w NanoVNA-H". Nie znalazłem w sieci, co było powodem tego zaburzenia.

Wygląda na to, że przynajmniej trzy modele VNA mogą mieć ten problem: NanoVNA-H, SAA-2 i SAA-2N.

Mój znajomy, który ma LiteVNA-64, sprawdził swój przyrząd i okazało się, że mierzy on poprawnie. Zatem przynajmniej dwa modele są wolne od opisywanej wady: NanoVNA-H4 i LiteVNA-64.

Aby sprawdzić swój model VNA, wystarczy zmierzyć rezystor w zakresie 1-20 MHz. Wykresy Rs i Xs powinny być gładkie bez żadnych zaburzeń.

Przy okazji, to zaburzenie ma bardzo niewielki wpływ na pomiary SWR anteny. Jeśli wasze VNA ma ten problem, ale stosujecie ten przyrząd przede wszystkim do strojeni anten i pomiarów systemów 50-omowych, nie macie się czym przejmować.

2. Zastosowanie metody odbiciowej (reflection) do pomiaru dużych impedancji

Przy pomocy VNA można mierzyć impedancję dwójnika w różny sposób. Firma Agilent Technologies opisała trzy metody pomiary. Poniżej slajd z ich prezentacji na ten temat, znalezionej w Internecie.

Górny schemat przedstawia metodę transmisyjną (series-thru) . DUT (badane urządzenie) włączone jest między źródło sygnału a miernik mocy (między portami CH0 i CH1). Gdy zmierzymy s21, możemy obliczyć Z. Według tego slajdu, ta metoda nadaje się do impedancji w zakresie od 1 oma do 100 kiloomów, co w zupełności wystarcza do pomiaru dławików sygnału wspólnego.

Środkowy schemat nie jest dla nas interesujący, ponieważ przedstawia układ do pomiaru bardzo małych impedancji.

Dolny schemat przedstawia metodę odbiciową (reflection), w której DUT ma jedną końcówkę uziemioną. W tej metodzie wykorzystuje się tylko jeden port VNA - CH0. Po zmierzeniu s11 oblicza się Z. Według autorów, metoda ta nadaje się do pomiaru impedancji w zakresie od 0,1 oma do 1 kilooma. Ale ten zakres ma nadal zastosowanie we współczesnych VNA?

Aby na to odpowiedzieć, zmierzyłem szereg rezystorów od 51 omów do 20 kilomow stosując NanVNA-H4 i dwie metody: odbiciową i transmisyjną. Aby uzyskać najwyższą dokładność w metodzie transmisyjnej, nie tylko przeprowadziłem pełną kalibrację NanoVNA-H4 (OPEN, SHORT, LOAD, ISOLN i THROUGH), ale także wprowadziłem dodatkowe korekcje do otrzymanych wyników. Takie korekcje są wymagane wtedy, gdy impedancja wewnętrzna źródła portu CH0 i impedancja obciążenia portu CH1 nie są idealnie równe 50+j0 omów. Metodą poprawiania dokładności pomiarów w takiej sytuacji została opisana przez Owena Duffiego:

https://owenduffy.net/blog/?p=20343

Poniżej wykresy z porównaniem wyników obu metod.

Wyniki dobrze zgadzają się ze sobą do 2 kiloomów. Przy 8 kiloomach różnica wciąż nie jest duża: 2% przy 1 mHz i 10% przy 30 MHz. osobiście uznałbym, że metodę odbiciową można wykorzystać do 10 kiloomow.

3. Pojemności pasożytnicze w układzie pomiarowym

Nawinąłem dławik sygnału w układzie wspólnym (common-mode-choke) i zmierzyłem jego impedancję przy pomocy NanoVNA stosując metodę odbiciową i metodę transmisyjną. Ponadto wykonałem pomiar analizatorem EU1KY, który wykorzystuje zmodyfikowaną metodę transmisyjną. Badany dławik nawinięty został na rdzeniu 240-43 i miał 12 zwojów kabla koncentrycznego RG-174.

Maksimum modułu impedancji |Z|, które koresponduje rezonansem własnym, wystąpiło w następujących częstotliwościach:

10 MHz dla NanoVNA-H4 i metody odbiciowej
18 MHz dla NanoVNA-H4 i metody transmisyjnej
12 MHz dla analizatora EU1kY

Która zatem wartość jest poprawna i dlaczego w ogóle są różne?

Aby dojść do przyczyny, zmierzyłem dławik jeszcze raz, ale tym razem w sposób pośredni. Dodałem na dławiku dodatkowe 1-zwojowe uzwojenie i zmierzyłem jego impedancję (fotografie poniżej). Taki sposób wykorzystania VNA z luźnym sprzężeniem magnetycznym do badanego obiektu nazywa się często trybem grid-dip-meter. Chociaż dzisiaj, kiedy nie stosujemy już lamp radiowych poprawniejszą nazwą będzie dip-meter.

Tym razem uzyskałem wysoka zgodność wyników, wszystkie wykresy miały maksimum przy 12,5 MHz.

Jak można się było spodziewać, zmierzona impedancja okazała się (Npri/Nsec)^2 = 144 razy mniejsza niż rzeczywista wartość DUT. Ale czemu tym razem nie ma różnic w częstotliwości rezonansu wewnętrznego?

Rozważmy układ pomiarowy, w którym występuje rozproszona pojemność pasożytnicza między masą sygnałową a różnymi fragmentami mierzonego dławika. Impedancja dławika została tu rozbita na szereg mniejszych impedancji o wartościach Z1, Z2,..., Zn-1,i Zn połączonych ze sobą szeregowo. Ich sumaryczna wartość równa jest poszukiwanej wartością Zdut całego dławika.

Ponieważ w metodzie odbiciowej jedna końcówka DUT jest uziemiona, możemy uznać, że wszystkie pasożytnicze kondensatory działają w taki sam sposób jak jeden kondensator połączony równolegle do całego DUT. A to oznacza obniżenie SRF (częstotliwości rezonansu własnego).

W metodzie transmisyjnej żadna z końcówek nie jest uziemiona i pojemności pasożytnicze tworzą z poszczególnymi fragmentami DUT wiele połączonych ze sobą szeregowy obwodów typu L. W takim układzie pojemności przesuwają minimum funkcji transmitancji w stronę wyższych częstotliwości. A skoro impedancja jest wyliczana na podstawie transmitancji, wygląda to tak, jakby SRF dławika się zwiększyła.

W konsekwencji uzyskujemy zbyt niską SRF w metodzie odbiciowej i zbyt wysoką w metodzie transmisyjnej

W analizatorze EU1KY potencjał lewej końcówki DUT jest bliżej potencjału masy, ponieważ dzieli ją od niej rezystancja 5,1 oma, a nie 50 omów. Dlatego wpływ pojemności pasożytniczej jest mieszanka wpływu z metody odbiciowej i metody transmisyjnej, z jakimi mamy do czynienia w NanoVNA-H4. I z tego powodu wynik analizatora EU1KY był najbliższy 12,5 MHz.

W układzie dip-meter mierzymy impedancję, która jest 144 razy mniejsza niż impedancja DUT. Oznacza to, że rezystancja i indukcyjność są zmniejszone 144 razy, natomiast pojemność jest zwiększona 144 razy. Stosunek pojemności pasożytniczej do pojemności w impedancji mierzonej jest teraz bardzo mały. Dzięki temu pojemność pasożytnicza wpływa w minimalnym stopniu na wynik pomiaru.

4. Pogorszenie dokładności spowodowane zewnętrznymi urządzeniami dołączonymi przez kabel USB

Kiedy do NanoVNA podłączymy zewnętrzne urządzenia (np. laptop, czy PC), zwiększamy pojemności pasożytnicze w układzie pomiarowym i zwiększamy systematyczny błąd pomiarowy.

Jeżeli używamy modelu NanoVNA wyposażonego w gniazdo na kartę SD, najlepiej jest zapisywać wyniki pomiarów na tej karcie, a dopiero później przenieść je na PC.

Jeżeli NanoVNA nie ma takiego gniazda, warto sprawdzić, czy dany model współpracuje ze smartfonem z systemem Android podłączanym krótkim kablem USB-C na USB-C. Dostępna jest aplikacja androidowa do sterowania VNA i zapisywania wyników pomiarów. Współpracuje ona przynajmniej z niektórymi modelami NanoVNA. Nie jestem pewien, czy ze wszystkimi. Wyniki pomiarów zapisać można wtedy na smartfonie, aby później po odłączeniu go od NanoVNA i podłączeniu do komputera, przesunąć je do docelowego folderu.

Mnie polecanym rozwiązaniem jest połączenie NanoVNA z bateryjnie zasilanym laptopem. Pojemności pasożytnicze przy laptopie będą większe niż przy smartfonie.

Najgorszą opcją jest trzymanie NanoVNA połączonego z komputerem PC zasilanym z sieci prądu przemiennego podczas wykonywania pomiarów. Otrzymujemy wtedy mocno zniekształcone wyniki pomiarów.

Wykresy poniżej pokazują jak zmieniają się wyniki pomiarów impedancji dławika sygnału wspólnego kiedy różne urządzenia są podłączone do NanoVNA-H4. Pierwszy wykres dotyczy metody odbiciowej, drugi — transmisyjnej.

Warto tutaj zaznaczyć, że PC był dołączony do VNA nie tylko podczas wykonywania pomiarów, ale także wcześniej, podczas kalibracji.

Jak widać, wyniki z podłączonym PC zasilanym z sieci wyglądają okropnie. Nic dziwnego zatem, że postanowiłem sprawdzić, czy coś się poprawi gdy zastosujemy układ dip-meter. Poniżej wykres pomiaru impedancji dławika w ten sposób, raz z podłączonym smartfonem i drugi raz z podłączonym PC. Oba pomiary wykonane metoda odbiciową.

Układ dip-meter doskonale sobie poradził z pasożytniczą pojemnością nawet w najtrudniejszej sytuacji z komputerem PC podłączonym cały czas do VNA!

5. Najlepsza metoda pomiaru impedancji w układzie wspólnym dławika, jaką mogę polecić

Układ typu dip-meter wydaje się być dobrym rozwiązaniem do mierzenia dławików sygnału wspólnego. Wystarczy tylko przemnożyć wynik przez stosunek zwojów podniesiony do kwadratu, czyli w naszym przypadku (12:1)^2 = 144 by uzyskać wartość impedancji dławika.

Ale, powoli. Dodając jednozwojowe uzwojenie dodatkowe, stworzyliśmy transformator. W tym transformatorze współczynnik sprzężenia nie jest bardzo bliski jedności, ponieważ dodatkowe uzwojenie jest luźno sprzężone z uzwojeniem dławika. Zatem wprowadziliśmy do układu indukcyjność rozproszenia, która jest na tyle znacząca, że nie możemy jej zaniedbać. Wpływ indukcyjności rozproszenia jest widoczny na ostatnim wykresie powyżej 45-50 MHz. Impedancja w układzie wspólnym nieoczekiwanie wzrasta z częstotliwością.

Powinniśmy pozbyć się wpływu tej indukcyjności na wynik i proponuje to uczynić w następujący sposób.

Wykonaj kalibrację SOL w analizatorze VNA. Nie ma potrzeby kalibrowacji ISOLN, ani THROUGH. Będziemy wykorzystywać tylko metodę odbiciową.
Nawiń jeden dodatkowy zwój na mierzony dławik
Wykorzystując metodę odbiciową, zmierz impedancję Zo na dodanym uzwojeniu przy pozostawieniu końcówek dławika rozwartych.

4. Wykorzystując metodę odbiciową, zmierz impedancję na dodanym uzwojeniu przy zwartych końcówkach dławika.

5. Oblicz impedancję w układzie wspólnym badanego dławika jako:

Poniższy wykres pokazuje impedancję dławika obliczoną metodą (Zo-Zs) oraz impedancję Zdut tego samego dławika, zmierzoną bezpośrednio metoda odbiciową.

Jak wyjaśniono wcześniej, pomiar bezpośredni obciążony jest błedem wywołanym pojemnoscią pasożytniczą w taki sposób jak gdyby do badanego dławik dołączony był równolegle kondensator. Okazuje się, że jeśli przyjmiemy, że cała pojemność pasożytnicza jest równoważna jednemu kondensatorowi o pojemności 0,67 pF, możemy uzyskać niemal identyczny wynik jak w metodzie Zo-Zs. Na wykresie poniżej, wartości z symbolem prim oznaczają oryginale wyniki pomiaru skorygowane poprzez usunięcie z nich równolegle dołączonej pojemności 0,67 pF.

Podsumowując, metoda Zo-Zs jest prostym i niezawodnym sposobem pomiaru impedancji w układzie wspólnym dławika. I można zastosować w niej VNA klasy budżetowej.