Review: De NanoVNA V2 Vector Network Analyzer

Wat is de NanoVNA V2?

Een Vector Network Analyzer (VNA) bestaat uit een afstembare hoogfrequente generator en een synchroon afgestemde ontvanger. De ontvanger meet de amplitude en fase van het signaal op elk punt. Hierdoor kan men het reële deel van het signaal en het imaginaire deel meten, oftewel de magnitude en fasehoek, die samen kunnen worden weergegeven als een vector, vandaar de 'V' in VNA. Iedere schakeling met weerstanden, condensatoren en spoelen is een ‘Netwerk'. De VNA heeft twee poorten, een uitgang en een ingang. Men kan er bijvoorbeeld een bandpass filter tussen plaatsen om de frequentierespons te meten.

Jaren geleden zag ik voor het eerst zo'n apparaat toen ik een vriend bezocht die als RF-technicus bij een zendmast voor tv's werkte. Hij had thuis een ouder apparaat staan, omdat zijn werkplaats een nieuwere had aangeschaft. Het was een enorme, zware kist vol met buizen. Op dat moment was ik niet overtuigd van het praktische nut ervan. We wilden een resonantiecircuit bouwen voor een specifieke frequentie in het kortegolfbereik om een DRM transmitter te ontvangen. Omdat de poorten van de VNA een impedantie van 50 Ω hadden, moesten we koppelwikkelingen toevoegen aan de resonantieschakeling. Dat lukte, maar ik vond het te veel moeite. Ik gaf de voorkeur aan het gebruik van een dipmeter of het schatten van de windingen van de spoel en fijnafstelling met de schroefkern.

De compacte NanoVNA V2

Tegenwoordig zijn er kleine, compacte en betaalbare apparaten zoals de NanoVNA V2 met uitstekende functies. Ik ben nu de voordelen van zo'n apparaat gaan waarderen. De reis was echter niet gemakkelijk, omdat ik in het begin het display en de vele menufuncties erg verwarrend vond. Ik ben er nog steeds niet helemaal klaar mee, maar ik heb software gevonden waarmee ik alles vanaf mijn PC kan bedienen: VNA View.

 

Eerst moet men de USB-kabel aansluiten en de juiste COM-poort selecteren in het Device menu. Zodra de verbinding tot stand is gebracht, wordt het display van de NanoVNA V2 leeg en verschijnt het bericht USB MODE.

Praktische metingen

De eerste praktische meting bestond uit het onderzoeken van een kleine UHF-modelantenne. De sweepparameters werden ingesteld voor het meetbereik van 300 MHz tot 3000 MHz met 450 meetpunten.

Voor elke meting moet het apparaat worden gekalibreerd met de verbindingskabels die gebruikt worden bij de meting. Elke kabel heeft capaciteit en inductie, die tijdens het kalibreren worden gecompenseerd. Meestal gebruikt men de meegeleverde coaxiale kabels met SMA-connectoren. De antenne moet rechtstreeks worden aangesloten op een van de twee halfstijve blauwe verbindingskabels. Daarom wordt de NanoVNA gekalibreerd met deze kabel. Er zijn drie eindconnectoren voor de drie condities: kortsluiting, open circuit en 50 Ω belasting. Door op 'Clear Measurements' te klikken wordt de oude kalibratie gewist. Bevestig vervolgens de connector voor kortsluiting en klik op 'Short'. De meting duurt relatief lang vanwege het grote aantal meetpunten. Als de meting klaar is, wordt de knop 'Short' blauw. Hetzelfde proces wordt herhaald voor open circuit (Open) en 50 Ω belasting (Load). Zodra alle drie velden blauw zijn, is de kalibratie voltooid. Men moet alleen maar op 'Apply' klikken om het effectief te maken voor volgende metingen.

Antennemeting met de NanoVNA
 

Nu kan de antenne worden bevestigd. In dit geval bestond hij uit een massaplaat met twee radialen onder een hoek naar beneden. Alles was gemaakt van 0,6 mm dik verzilverd koperdraad. Zowel de kwartgolf straler als de twee radialen waren precies 10 cm lang. Daarom kan men een golflengte van 40 cm en een frequentie van 750 MHz verwachten.

 

De meting laat inderdaad een scherpe resonantie zien bij 739 MHz. De impedantie van het voedingspunt ligt toevallig dicht bij 50 Ω. Een paar kleine experimenten toonden aan dat deze impedantie kan worden aangepast door de hoek van de twee radialen te veranderen. Het bereiken van een exacte 50 Ω match is eenvoudig uitvoerbaar.

De meting laat ook een tweede resonantie zien op ongeveer drie keer de frequentie, de driekwart golflengte-resonantie, op 2272 MHz. Hier is de impedantie ongeveer 97 Ω.

Men zou de antenne kunnen inkorten om een hogere frequentie te bereiken. Dit is een gebruikelijke procedure bij radioamateurs: eerst de antenne iets te lang maken en dan geleidelijk inkorten tot de resonantie op de gewenste frequentie ligt. Antennemetingen zijn een van de meest gebruikte toepassingen van de NanoVNA, maar hij kan nog veel meer.

Componenten meten

Omdat ik vooral geïnteresseerd ben in korte golf, heb ik voor de volgende metingen het frequentiebereik ingesteld op 1 MHz tot 30 MHz. Ik heb ook op 500 meetpunten ingesteld. Dit is veel en geeft een goede resolutie, maar resulteert ook in relatief langzame metingen. Het uitgangsvermogen van de generator is ingesteld op -20 dBm.

 

Voor mijn experimenten heb ik een coaxkabel gemaakt met twee krokodillenklemmen aan de uiteinden, waarbij de vrije uiteinden slechts ongeveer 5 cm lang zijn. Tot 30 MHz werkt deze opstelling goed omdat de verbindingen veel korter zijn dan de kwartgolflengte van 2,5 m bij 30 MHz. De extra inducties van de aansluitingen hebben wel invloed op de meting, dus de kalibratie moet met deze kabel gedaan worden. Voor de standaard SMA-kabels zijn er drie eindconnectoren voor kortsluiting, open circuit en 50 Ω belasting. Bij een aangepaste kabel kan ik die echter niet gebruiken.

 

Als er al een kalibratie is uitgevoerd, zijn de drie velden 'Short', 'Open' en 'Load' blauw. Klik eerst op 'Clear Measurements' (Metingen wissen) om de oude kalibratie te verwijderen. De drie velden worden wit. Creëer vervolgens een kortsluiting aan het uiteinde van de testkabel, in dit geval door de twee krokodillenklemmen kort te sluiten. Klik op ‘Short’. Het apparaat zal alle meetpunten doorlopen en de resultaten voor de kortsluiting opslaan. Als het klaar is, wordt de knop ‘Short’ weer blauw. Open vervolgens de verbinding, klik op 'Open' en wacht tot ook dit veld blauw wordt. Sluit ten slotte een weerstand van 50 Ω aan (51 Ω of twee parallel geschakelde weerstanden van 100 Ω werken ook), klik op 'Load' en wacht tot dit veld blauw wordt. Klik daarna op ‘Apply’ om deze kalibratie effectief te maken voor de volgende metingen.

 Ik heb alleen de CH0-poort gebruikt, zoals in de UHF-antennemeting, om S11-metingen uit te voeren, d.w.z. het meten van de complexe impedantie van componenten of antennes. Het signaal op CH2 wordt echter altijd rood weergegeven. Meestal ziet men hier de achtergrondruis bij -70 dB. Door het meetbereik te verkleinen, wordt het blauwe CH0-kanaal beter zichtbaar en stoort het rode kanaal niet langer. Onder ‘View/Graph Limit' heb ik -30 dB tot +20 dB met vijf divisies geselecteerd.

 

 Nu beginnen de eigenlijke metingen. Met dezelfde weerstand die ik voor de kalibratie heb gebruikt, zie ik een punt precies in het midden van het Smith diagram. Het rechter diagram, mag(S11), toont het gereflecteerde vermogen rond de -30 dB, wat duidt op een bijna perfecte afstemming. Na langdurig gebruik kan de kalibratie iets verschuiven. Daarom kan ik nu bij 1 MHz een weerstandswaarde van 53 Ω aflezen. De gemeten parallelcapaciteit van 3,5 pF is verwaarloosbaar.

 

Met een 100 Ω carbonfilm weerstand werd 99,79 Ω gemeten. Het Smith diagram toont een punt op de middelste lijn, wat aangeeft dat eventuele capaciteit of inductie verwaarloosbaar is. De return loss is consistent over het hele frequentiebereik.

 

Om beter vertrouwd te raken met de metingen, is het handig om te beginnen met een aantal goed gedefinieerde objecten. Daarom werd een weerstand van 51 Ω parallel geschakeld met een condensator van 220 pF. Het Smith diagram toont een gebogen lijn. Het feit dat deze onder de middelste lijn ligt, duidt op een capacitieve component. Het rechterdiagram laat zien dat er meer vermogen wordt gereflecteerd naarmate de frequentie toeneemt. Wiskundig gezien is de reactantie van de condensator bij 14,5 MHz precies 50 Ω. Bij deze kantelfrequentie is de return loss 6 dB. Met het schuifje onderaan is deze frequentie ingesteld. Hieruit blijkt dat de reële en imaginaire componenten van de impedantie ongeveer even groot zijn en dat de capaciteit met 240 pF iets groter is dan gespecificeerd.

 

Om een variabele condensator te onderzoeken, werd deze op maximale capaciteit gezet, die 258 pF werd gemeten. Het Smith diagram toont een cirkelvormig segment precies op de eenheidscirkel. Lichte afwijkingen naar buiten geven aan dat een nieuwe kalibratie nodig is. De return loss is 0 dB, wat betekent dat er geen verliezen zijn gemeten in de variabele condensator.
 

Een 91 Ω, 10 W keramische vermogensweerstand vertoont een sterke inductieve component omdat deze intern uit opgerold weerstandsdraad bestaat. Deze 'spoel' heeft uiteraard een inductie, gemeten als 3,6 µH. De kromme in het Smith diagram bevindt zich volledig in de bovenste helft. Dit maakt duidelijk dat deze weerstand niet geschikt is voor hoge frequenties.

 

Daarentegen vertoonde een kleinere 68 Ω, 5 W vermogensweerstand geen inductie. Deze kan worden gebruikt als dummyload voor kleine HF-vermogensversterkers tot 30 MHz. Ik heb echter al een zelfgemaakte dummyload van 24 parallel geschakelde 1,2 kΩ, 1 W carbonfilm weerstanden. Ik heb deze ook gemeten en hij doorstond de test: een gladde 50 Ω zonder reactantie tot 30 MHz.

Een kleine spoel met een nominale waarde van 1,1 µH werd gemeten als 1,04 µH bij 1 MHz. De seriële verliesweerstand is ongeveer 4 Ω bij 1 MHz, maar loopt op tot 16 Ω bij 30 MHz. De verliezen blijken uit het feit dat de meetcurve in het Smith diagram duidelijk binnen de eenheidscirkel ligt.

 

Ik gebruik vaak eenvoudige luchtspoelen in laagdoorlaatfilters. Tien windingen van 0,2 mm geëmailleerd koperdraad met een spoeldiameter van 5 mm moeten resulteren in ongeveer 0,5 µH. De laatste winding wordt ook gebruikt om de bundel samen te binden. Het is duidelijk dat dit ontwerp tot grotere verliezen leidt. Maar nu kan ik eindelijk meten hoe groot deze verliezen zijn.

 

Met 495 nH komt hij heel dicht in de buurt. Bij 30 MHz zie ik echter al een seriële verliesweerstand van 10 Ω. Bij 7 MHz is dat nog maar 5 Ω. Grof geschat brengt een filter met zo’n spoel verliezen van ongeveer 10% met zich mee. Dit is iets wat ik met mijn vorige meetmethoden niet zou hebben ontdekt. De VNA bewijst zijn waarde!

 

De NanoVNA kan ook kabels onderzoeken. Een opgerolde 50 Ω kabel werd aan de ene kant aangesloten en aan de andere kant opengelaten. De meting toont capaciteit aan de lage kant en inductie aan de hoge kant. Bij 21,57 MHz kruist de curve in het Smith diagram de neutrale middellijn. Dit geeft de kwartgolfresonantie aan. De elektrische lengte van de kabel is dus 3,48 m. De mechanische lengte was echter slechts 2,95 m. Uit de verhouding kan een snelheidsfactor van 0,86 worden berekend, wat betekent dat golven met 86% van de lichtsnelheid door de kabel reizen.