Materiał uzupełniający trzyczęściowy cykl „NanoVNA i tinySA Ultra w praktyce: anteny, nadajniki i pomiary radiowe”.
Antena działa na biurku, a po zamknięciu obudowy wynik się pogarsza. To możliwe nawet wtedy, gdy na opakowaniu widnieje „50 Ω”. Wpływ mają obudowa, płytka, akumulator i metalowy uchwyt. Zmienia się impedancja, czyli obciążenie elektryczne widziane przez radio. Tę zmianę widać na NanoVNA.
Potrzebne będą NanoVNA, krótki przewód koncentryczny, wzorce kalibracyjne OPEN/SHORT/LOAD oraz antena w docelowej obudowie. Do montażu układu LC, czyli cewki i kondensatora, przydadzą się lutownica, pęseta i miejsce na elementy. Punktem odniesienia jest NanoVNA-H z firmware’em 1.2.44, jak w pierwszej części. Układ menu zależy od wersji oprogramowania. Przykład doboru LC jest obliczeniowy.
1. Przygotuj antenę tak, jak będzie pracować
Poradnik dotyczy anteny ze złączem 50 Ω, do której dokładasz osobny układ dopasowania, np. na małej płytce między radiem a anteną. Na prototypie warto zostawić miejsce na układ typu pi: element szeregowy i dwa elementy do masy. Taki układ pól pozwoli zmontować oba warianty opisane w kroku 5. Zachowaj docelowe położenie anteny, płytki i obudowy.
Podczas pomiaru odniesienia nie dotykaj anteny, bo ręka zmienia wynik. W przykładzie z noty Texas Instruments antena 868 MHz w obudowie i dłoni miała rezonans przy 847 MHz. Jeśli urządzenie będzie używane w ręku, zmierz je również w takich warunkach. TI proponuje jako przybliżenie wpływu ciała plastikową butelkę z 0,33 l wody, przymocowaną taśmą do urządzenia. Pozwala to zachować podobne warunki kolejnych prób i mieć obie ręce wolne.
Wpływ obudowy pokazują zdjęcia z poradnika Karman’s Tube Solar. To domowa antena J-pole z drutu miedzianego, strojona przycinaniem w docelowej rurce PVC. Na obu zdjęciach jest ta sama antena, bez zmiany długości. W rurce dołek wypada w pobliżu 869 MHz, a po wyjęciu przesuwa się do około 880 MHz. Znacznik pomiarowy, czyli marker, na obu zdjęciach pozostaje na 869 MHz.
UWAGA: przed podłączeniem analizatora wyłącz radio i odłącz jego tor nadawczy od badanej anteny. Sygnał z nadajnika może uszkodzić NanoVNA. Samo wyłączenie zasilania nie usuwa wyjścia radia z obwodu pomiarowego.
Jeśli antena jest częścią płytki drukowanej (PCB), znajdź na schemacie punkt pomiarowy 50 Ω. Zachowaj płytkę i jej masę, które współpracują z anteną. Nie każde wyprowadzenie układu radiowego ma 50 Ω, a fabryczne elementy przy nadajniku mogą również filtrować sygnał. Bez schematu nie zastępuj ich własnym LC.
2. Skalibruj NanoVNA na końcu przewodu
Podłącz przewód do PORT1/S11; drugi port pozostaw wolny. Ustaw zakres obejmujący pasmo anteny: STIMULUS → CENTER i SPAN. Dla naszego przykładu wpisz CENTER 869,618 MHz i SPAN 100 MHz. We własnym urządzeniu wybierz jego częstotliwość pracy.
Wykonaj kalibrację jednego portu. Wybierz CALIBRATE → RESET, potem CALIBRATE → CALIBRATE. W starszym firmware’ze główne menu kalibracji nazywa się CAL. Podłącz wzorzec OPEN (rozwarcie) i naciśnij OPEN. Zastąp go wzorcem SHORT (zwarcie) i naciśnij SHORT, a następnie podłącz LOAD (obciążenie 50 Ω) i naciśnij LOAD. Wybierz DONE; otworzy się lista pamięci, w której zapiszesz kalibrację. Wzorce zakładaj na końcu całego przewodu, dokładnie tam, gdzie później podłączysz antenę z dopasowaniem. Pełną procedurę pokazuje pierwsza część poradnika.
Po kalibracji LOAD powinien wypaść blisko środka wykresu Smitha. Nie dokładaj potem przypadkowego odcinka kabla: zmieni odczyt impedancji. Pomiar bezpośrednio na PCB wymaga przygotowania punktu kalibracji; przykład opisuje nota Texas Instruments o dopasowaniu anten. Po zmianie zakresu pomiaru skalibruj analizator ponownie.
3. Znajdź dołek S11
Włącz pomiar odbicia S11 i widok LOGMAG. W NanoVNA-H z firmware’em 1.2.44 wybierz DISPLAY → FORMAT S11 (REFL) → LOGMAG. W starszym menu prowadzi do niego DISPLAY → CHANNEL → CH0 REFLECT, a potem DISPLAY → FORMAT → LOGMAG. Na początek wyłącz pozostałe przebiegi, aby łatwiej zobaczyć jeden dołek.
S11 pokazuje, jak duża część sygnału wraca od badanego układu. W skali logarytmicznej odczytujesz wynik w decybelach (dB): −20 dB oznacza mniejsze odbicie niż −10 dB. Ustaw marker na częstotliwości radia. To wynik w tym miejscu ma znaczenie, nawet jeśli najgłębszy dołek leży obok.
Przy −10 dB wraca 10% mocy, przy −20 dB tylko 1%. SWR, czyli współczynnik fali stojącej, pokazuje to samo niedopasowanie w innej skali: odpowiednio około 1,92 i 1,22. Próg −10 dB bywa wygodnym kryterium, lecz wymagania zależą od urządzenia. Jeżeli analizator podaje return loss, czyli stratę odbicia, znak jest odwrotny: 10 dB odpowiada S11 równemu −10 dB. Więcej o tych skalach wyjaśnia osobny artykuł o SWR i stracie odbicia.
4. Na wykresie Smitha odczytaj dwie liczby
Wybierz DISPLAY → FORMAT S11 (REFL) → SMITH i naciśnij SMITH ponownie. Otworzy się lista formatów markera; wybierz R + jX. Tak działa NanoVNA-H 1.2.44, a także NanoVNA-D. Nie musisz odczytywać całej siatki. Na początek potrzebujesz położenia punktu i dwóch liczb przy markerze.
R to rezystancja. X to reaktancja – część impedancji związana z zachowaniem cewki lub kondensatora. Obie liczby mają jednostkę Ω, czyli om. Znak plus przy X oznacza charakter indukcyjny, minus – pojemnościowy. Zapis jX oznacza część reaktywną impedancji. Do kalkulatora przepisujesz samą liczbę X wraz ze znakiem, np. −15.
Środek oznacza 50 + j0 Ω. Samo X równe zero jeszcze nie wystarcza: 25 + j0 Ω nadal nie jest dopasowaniem do 50 Ω. Uważaj też na format R + L/C. Pokazana tam cewka lub pojemność opisuje zmierzoną antenę, a nie gotowy element do wlutowania. Format Re + Im pokazuje natomiast bezwymiarowy współczynnik odbicia, nie impedancję w omach. Właśnie ten format widać na zdjęciach Karmana. Do kalkulatora potrzebujesz R + jX.
NanoVNA-H 1.2.44 ma też wbudowany kalkulator MEASURE → L/C MATCH. Dla punktu markera podaje elementy w kolumnach Src shunt (do masy od strony radia), Series (szeregowo) i Load shunt (do masy od strony anteny). Poniżej użyjemy kalkulatora w przeglądarce; jego wynik możesz porównać z propozycją analizatora.
5. Przepisz wynik do kalkulatora LC
Załóżmy odczyt 25 − j15 Ω przy 869,618 MHz. To przykład obliczeniowy, odrębny od zdjęć powyżej. Otwórz RF Impedance Matching Calculator firmy Analog Devices i wpisz:
- Characteristic Impedance: 50 Ω – do takiego wejścia dopasowujesz antenę.
- Frequency: 869.618 MHz – kalkulator używa kropki dziesiętnej.
- Output Match Type: Single-Ended – połączenie względem masy.
- Input Type: Series Complex Load – odczyt w postaci R + jX.
- Real Load Impedance: 25 Ω; Imaginary Load Impedance: −15 Ω. Nie zgub minusa.
Kalkulator podaje dwa układy. W pierwszym kondensator C około 3,66 pF łączy wejście z masą, a cewka L około 7,32 nH jest w szeregu z anteną. W drugim cewka około 9,15 nH idzie do masy od strony wejścia, a kondensator około 18,3 pF jest w szeregu. nH i pF to nanohenry i pikofarady, jednostki bardzo małych indukcyjności i pojemności. Oba warianty dają obliczeniowo dopasowanie do 50 Ω; dalszy przykład pokazuje pierwszy z nich.
Nie mieszaj elementów z obu propozycji i nie zamieniaj ich miejscami. Te wartości dotyczą wyłącznie podanej impedancji i częstotliwości – twoja antena może wymagać zupełnie innych części.
6. Wlutuj elementy i sprawdź drogę do środka
Użyj elementów przeznaczonych do częstotliwości radiowych (RF). Dla pierwszego wariantu bliskie wartości z szeregu E24 to 7,5 nH i 3,6 pF. Sprawdź w karcie części tolerancję i przydatność do pracy przy około 870 MHz; po montażu układ trzeba dostroić pomiarem.
Nota TI wskazuje małe elementy w obudowie 0201 i zestawy do strojenia, np. kondensatory Murata GJM03 oraz zestawy kondensatorów i cewek Würth Elektronik. Dobierz obudowę również do możliwości lutowania. Połączenia powinny być krótkie, zwłaszcza od kondensatora do masy. Przy około 870 MHz płytka stykowa i długie przewody same stają się częścią dopasowania.
W tym przykładzie cewka przesuwa punkt z dolnej do górnej połowy Smitha. Dopiero kondensator doprowadza go do środka. Sama cewka może chwilowo pogorszyć S11, dlatego oceniaj cały układ.
Mierz od strony wejścia całego LC, w tym samym miejscu co wcześniej. Zapisuj wyniki i zmieniaj po jednej wartości. Rzeczywiste elementy, ścieżki i pola lutownicze różnią się od idealnego modelu, więc wynik kalkulatora jest punktem startowym do strojenia.
7. Sprawdź wynik po złożeniu urządzenia
Obejrzyj S11 i Smitha przy częstotliwości pracy oraz na krańcach używanego pasma. Głęboki, lecz bardzo wąski dołek może nie wystarczyć. Zamknij obudowę, ułóż przewód jak w gotowym urządzeniu i powtórz pomiar.
| Co poszło nie tak? | Co sprawdzić? |
|---|---|
| Wynik zmienia się przy poruszaniu kablem | Złącza, prowadzenie przewodu i masę współpracującą z anteną. Najpierw uzyskaj powtarzalny pomiar. |
| Po wlutowaniu LC jest gorzej | Znak X, jednostki nH/pF, kolejność połączeń i punkt kalibracji. |
| Dopasowanie znika po zamknięciu obudowy | Strojenie powtórz z obudową i docelowym rozmieszczeniem elementów. |
Jeżeli antena już spełnia wymagania radia, dodatkowe LC może tylko dodać straty. Dobry wynik S11 nie mierzy sprawności anteny ani zasięgu: część mocy może zamieniać się w ciepło, a stratny kabel maskować odbicie.
Zachowaj odczyty przed i po zmianie, częstotliwość, punkt kalibracji oraz wartości części. Dopiero potem porównaj łączność przy tych samych ustawieniach i w tych samych warunkach terenowych.
Poradnik powstał na podstawie not aplikacyjnych Texas Instruments (SWRA726 i AN058), materiałów Analog Devices i dokumentacji NanoVNA. Zdjęcia ekranów pochodzą z poradnika Karman’s Tube Solar społeczności Meshtastic España.
