NanoVNA i tinySA Ultra w praktyce: co można nimi sprawdzić?

Cykl: NanoVNA i tinySA Ultra w praktyce: anteny, nadajniki i pomiary radiowe. Część 3 z 3. Wszystkie opublikowane części cyklu znajdziesz na stronie tagu „NanoVNA i tinySA”.

Dołączone nagranie jest skróconą wersją audio tej części poradnika.

1. Dwa przyrządy, dwa różne zadania

NanoVNA wysyła własny, niewielki sygnał pomiarowy i sprawdza, co wraca od podłączonego elementu lub przechodzi przez niego do drugiego portu. Dlatego nadaje się do badania anten, przewodów, filtrów i innych obwodów radiowych.

tinySA Ultra jest analizatorem widma. Pokazuje poziom sygnałów na różnych częstotliwościach: może obserwować wyjście nadajnika podłączone przez odpowiedni tłumik albo sygnały odbierane anteną. Ma również tryb generatora, przydatny do podawania sygnału testowego na inne urządzenie.

W poprzednich częściach wykorzystałem NanoVNA-H do pomiarów anten i kontroli toru, a tinySA Ultra do pomiarów pięciu nadajników. Dalsze zastosowania opisują możliwości przyrządów; nie są wynikami dodatkowych prób.

LoRa jest jednym z zastosowań. Oba przyrządy przydają się także w krótkofalarstwie, pracy z odbiornikami SDR, czyli radiami wykorzystującymi programową obróbkę sygnału, oraz przy budowie filtrów, wzmacniaczy i instalacji antenowych. Za każdym razem trzeba sprawdzić, czy badana częstotliwość oraz poziom sygnału mieszczą się w możliwościach konkretnego modelu.

Nazwy NanoVNA i tinySA obejmują różne modele. Tutaj punktem odniesienia są NanoVNA-H i tinySA Ultra z wcześniejszych pomiarów. Zakres częstotliwości, dokładność i dostępne funkcje trzeba sprawdzić dla konkretnej wersji sprzętu oraz oprogramowania.

2. NanoVNA: budowa i strojenie anten

Przy budowie anteny SWR i impedancja pomagają ocenić skutki zmian wymiarów oraz dopasowania. Kalibrację i odczyt tych wielkości pokazałem w części 1; tutaj wykorzystuję je do strojenia własnej konstrukcji.

Wykres Smitha pokazuje również impedancję. Pozwala zobaczyć, czy obciążenie ma charakter pojemnościowy lub indukcyjny, i pomaga przy doborze elementów układu dopasowującego. Samo minimum SWR nie zawsze oznacza rezonans, a dobry SWR nie mówi jeszcze, jak skutecznie antena wypromieniowuje energię.

Przy budowie własnej anteny analizator pozwala śledzić skutki każdej poprawki. Zamiast przycinać przewód na podstawie jednego odczytu, można obejrzeć przebieg w całym interesującym paśmie. Dla prostego dipola skrócenie ramion zwykle przesuwa jego rezonans w stronę wyższej częstotliwości, a wydłużenie – niższej. W antenie z cewką lub rozbudowanym dopasowaniem trzeba uwzględnić również te elementy.

Przykładowa kolejność prac przy prostym dipolu wygląda tak:

1. Wybierz projekt anteny dla docelowego pasma. Pozostaw niewielki zapas długości do późniejszego strojenia.
2. Ustaw zakres NanoVNA obejmujący częstotliwość docelową i jej otoczenie. Przewód pomiarowy podłącz do PORT1/S11 (CH0), a kalibrację wykonaj na jego wolnym końcu, w miejscu późniejszego podłączenia anteny. PORT2/S21 (CH1) przy tym pomiarze pozostaje wolny.
3. Umieść antenę w warunkach zbliżonych do docelowych. Zachowaj ten sam sposób prowadzenia kabla podczas kolejnych odczytów.
4. Zapisz przebieg SWR i impedancji. Sprawdź, gdzie znajduje się minimum SWR oraz gdzie część urojona impedancji, czyli reaktancja, przechodzi przez zero. Ten drugi warunek wskazuje rezonans w miejscu pomiaru.
5. Zmieniaj długość obu ramion symetrycznie i małymi krokami. Po każdej zmianie odsuń dłonie i ponów pomiar. Zmieniaj jeden element naraz, żeby wiedzieć, co wpłynęło na wynik.
6. Po zakończeniu sprawdź dopasowanie w całym potrzebnym paśmie i powtórz pomiar po ostatecznym zamontowaniu anteny.

Rezonans nie musi oznaczać dopasowania do 50 Ω. Antena może mieć niewielką reaktancję, a mimo to zbyt dużą lub zbyt małą rezystancję. Dlatego warto obserwować zarówno SWR, jak i impedancję, zamiast szukać wyłącznie najniższego punktu wykresu.

W antenie z przeciwwagami można sprawdzić wpływ ich liczby, długości i ułożenia. W niewielkim urządzeniu przyda się porównanie przed zamknięciem obudowy i po jej zamknięciu. Uchwyt, metalowe elementy, kabel, bliskość dłoni i wysokość nad ziemią mogą zmienić wskazania. Strojenie najlepiej zakończyć w docelowym układzie, z dala od przypadkowych przedmiotów, które nie będą towarzyszyły antenie podczas pracy.

Po strojeniu pozostaje sprawdzenie działania anteny. Dobry SWR nie zastępuje pomiaru zysku, charakterystyki kierunkowej ani próby łączności.

3. NanoVNA: przewody, tłumiki i filtry

Pomiar S21 z części 1 można wykorzystać także do badania filtrów. PORT1/S11 (CH0) połącz z wejściem filtra, a jego wyjście drugim przewodem z PORT2/S21 (CH1). Wykres pokazuje, które częstotliwości filtr przepuszcza, a które osłabia.

W przypadku filtra interesują przede wszystkim pasmo przepuszczania, straty w tym paśmie i osłabianie sygnałów poza nim. Pomiar S11 uzupełnia ten obraz o dopasowanie wejścia. Gdy trzeba sprawdzić drugi kierunek transmisji lub dopasowanie wyjścia, w podstawowym NanoVNA-H element trzeba odwrócić i odpowiednio wykonać pomiar.

Taka kontrola przyda się przed włączeniem filtra do odbiornika lub toru nadajnika. Nie potwierdza jednak jego dopuszczalnej mocy. Mały sygnał NanoVNA nie pokaże, czy filtr albo tłumik wytrzyma kilka watów i dłuższe nadawanie.

Głębokie tłumienie poza pasmem można oceniać tylko w granicach dynamiki analizatora, czyli zakresu poziomów, które potrafi wiarygodnie rozróżnić.

4. NanoVNA: uszkodzenia kabla i elementy elektroniczne

Funkcja przeliczenia pomiaru na dziedzinę czasu, często nazywana TDR, pomaga oszacować długość przewodu i położenie nieciągłości impedancji. Może wskazać miejsce przerwy, zwarcia albo problematycznego złącza. Dystans jest obliczany z opóźnienia odbicia, dlatego trzeba podać właściwy współczynnik skrócenia kabla. Od zakresu i liczby punktów pomiaru zależy, jakie odległości da się rozróżnić.

Z odpowiednim uchwytem pomiarowym można także badać cewki, kondensatory i obwody rezonansowe. Program NanoVNA-Saver potrafi przeliczać impedancję na zastępczą indukcyjność lub pojemność oraz wspiera pomiary rdzeni magnetycznych. Przy wysokich częstotliwościach sam uchwyt, przewody i złącza wpływają na wynik, więc wymagają uwzględnienia w kalibracji.

NanoVNA-Saver przydaje się również do zapisywania wykresów, porównywania pomiaru z przebiegiem odniesienia i zbierania większej liczby punktów w kilku kolejnych skanach. To wygodne przy strojeniu filtra, gdy po każdej zmianie chcesz porównać jego charakterystykę.

UWAGA: do NanoVNA nie podłączaj pracującego nadajnika. Przy badaniu zasilanych obwodów trzeba dodatkowo zabezpieczyć porty przed napięciem stałym i nadmiernym sygnałem. Pomiar wzmacniacza wymaga sprawdzenia poziomów, zasilania, stabilności i odpowiednich zabezpieczeń.

5. tinySA Ultra: nadajnik, harmoniczne i krótkie transmisje

Pomiar mocy i szukanie harmonicznych opisałem w części 2. Podobną kontrolę można przeprowadzić dla innych nadajników, dobierając tor pomiarowy do ich częstotliwości, mocy i rodzaju sygnału. Przydatna jest również obserwacja dodatkowych prążków z generatora lub oscylatora podczas budowy własnego układu.

Tryb zero span przydaje się poza LoRa do obserwacji impulsów z prostych pilotów i czujników. Można sprawdzić ich długość i odstępy między nimi, jeśli pasmo filtra oraz szybkość pomiaru wystarczą. Sam wykres nie dekoduje treści transmisji.

UWAGA: przed połączeniem nadajnika z tinySA trzeba dobrać zewnętrzne tłumienie, moc tłumika i dopuszczalny poziom na wejściu RF. Nadajnik podłączaj przez odpowiedni tłumik do RF; CAL jest wyjściem odniesienia i pozostaje wolne. Wpisanie korekcji w menu nie zabezpiecza analizatora. Szczegółowe połączenie i przykład obliczeń znajdują się w drugiej części poradnika.

6. tinySA Ultra: zakłócenia i sygnały testowe

Z anteną podłączoną do RF można porównywać aktywność w paśmie i obserwować, czy po włączeniu konkretnego urządzenia pojawiają się dodatkowe sygnały. Przykładowa próba to porównanie wykresu przy włączonym i wyłączonym zasilaczu węzła, z zachowaniem tego samego położenia anteny i ustawień analizatora.

Taki wynik jest wskazówką do dalszej diagnostyki. Sam wzrost tła nie dowodzi jeszcze, że znaleziono jedyne źródło problemów z odbiorem. Silny sygnał może przeciążyć wejście i wytworzyć pozorne prążki, a włączenie LNA zwiększa podatność na przeciążenie. Dokumentacja opisuje również sygnały pochodzące z elektroniki samego tinySA.

W trybie generatora tinySA Ultra podaje sygnał o ustawionej częstotliwości i poziomie przez złącze RF na wejście odbiornika. Złącze CAL służy do sygnału odniesienia kalibracji. Umożliwia to kontrolę, czy tor odbiorczy reaguje na sygnał testowy. Dokładny pomiar czułości wymaga jednak znanego poziomu na wejściu, odpowiedniej modulacji i ustalonego kryterium poprawnego odbioru.

Sam sygnał generatora nie zastąpi pakietów LoRa. Do sprawdzenia skuteczności odbioru wiadomości potrzebny jest nadajnik wysyłający poprawne pakiety oraz sposób zliczania odebranych i utraconych transmisji. Nie należy również zakładać, że jeden tinySA Ultra będzie jednocześnie generował sygnał i mierzył odpowiedź badanego układu.

7. Pomiary wymagające dodatkowego wyposażenia

Oba przyrządy można wykorzystać przy badaniu wzmacniaczy, ale nie wystarczy podłączyć modułu i odczytać jednej liczby. NanoVNA może pokazać wzmocnienie małego sygnału i dopasowanie, jeśli tor jest właściwie zasilony oraz zabezpieczony. tinySA z osobnym generatorem pozwala obserwować poziom wyjściowy i dodatkowe prążki.

Można także wyznaczać punkt kompresji 1 dB – poziom, przy którym wzmacniacz daje o 1 dB mniej, niż wynikałoby z jego pracy liniowej. Potrzebny jest regulowany sygnał wejściowy i kontrola, czy ograniczenie nie powstaje w przyrządzie pomiarowym.

Dokumentacja tinySA pokazuje również pomiary intermodulacji, czyli dodatkowych sygnałów powstających przy jednoczesnym podaniu kilku częstotliwości, oraz współczynnika szumów wzmacniacza. Wymagają one dodatkowego wyposażenia i znajomości błędów stanowiska. Wyższy poziom tła po włączeniu LNA nie jest sam w sobie pomiarem jego współczynnika szumów.

Poza LoRa tinySA może służyć do wybranych pomiarów modulacji AM i dewiacji FM, czyli zmian częstotliwości podczas modulowania sygnału. Takie próby wymagają właściwego sygnału testowego i metody pomiaru; nie są automatycznym odczytem jakości całej transmisji.

8. Zastosowania poza LoRa

W krótkofalarstwie te same metody służą do kontroli całej instalacji: od własnej anteny, przez przewód i filtr, po sygnał nadajnika. Dobór pasma zależy od badanego sprzętu, a nie od tego, czy pracuje on z LoRa.

Przy odbiorniku SDR NanoVNA pomoże skontrolować antenę i filtr wejściowy. tinySA może pomóc znaleźć silny sygnał, który przeciąża tor odbiorczy, albo sprawdzić, czy zakłócenie pojawia się po włączeniu konkretnego urządzenia. Są to pomiary radiowej części zestawu; nie wyjaśnią same z siebie problemów ze sterownikiem, programem czy dekodowaniem transmisji.

Przy budowie własnej elektroniki przyrządy pomagają kolejno sprawdzać poszczególne bloki układu. Podłączenie do zasilanego obwodu wymaga uwzględnienia napięcia stałego, poziomu sygnału i wpływu obciążenia pomiarowego na jego działanie.

Żaden z przyrządów nie daje automatycznie wiarygodnego pomiaru w każdym paśmie. Możliwość wpisania częstotliwości w menu nie oznacza takiej samej dokładności jak w podstawowym zakresie pracy. Jest to szczególnie istotne przy wyższych częstotliwościach i pomiarach bardzo słabych sygnałów. Wynik trzeba odnieść do specyfikacji danego modelu.

9. Który przyrząd wybrać do konkretnego zadania?

Przy budowie anteny lub diagnozowaniu zestawu radiowego zacząłbym od konkretnego pytania. Do strojenia promiennika, sprawdzania przewodu i filtra sięgnąłbym po NanoVNA. Do obserwacji nadajnika oraz szukania sygnałów zakłócających odbiór przyda się tinySA Ultra. Po pomiarach na stole pozostaje próba w docelowym montażu i warunkach pracy – wtedy można ocenić cały zestaw, niezależnie od tego, czy służy do LoRa, krótkofalarstwa czy odbioru SDR.

Opisy możliwości przyrządów opierają się na dokumentacji NanoVNA, NanoVNA-Saver i tinySA.

Skrócona wersja wideo ze slajdami na YouTube: Część 3/3 — strojenie anten, filtry i zakłócenia.