ВЧ-измерения: анализатор спектра и анализатор цепей NanoVNA

Анализатор спектра

Анализатор спектра Keysight определяет как частотно-избирательный пиковый вольтметр, откалиброванный так, чтобы показывать действующее значение синусоиды; это не измеритель мощности, хотя мощность он и отображает (AN150, введение). Классический прибор — супергетеродинный приёмник, который перестраивается по диапазону: вход → аттенюатор → смеситель → фильтр ПЧ → детектор → экран.

Основные настройки

Время развёртки у аналоговых фильтров ПЧ растёт как квадрат сужения полосы: ST = k · Span/RBW², где k — от 2 до 3 (AN150, гл. 2). Наш расчёт для k = 2: обзор 100 МГц с RBW 30 кГц — 0,22 с, с RBW 10 кГц — уже 2 с. Приборы с цифровой ПЧ и БПФ развёртываются быстрее, но направление то же: узкая RBW стоит времени.

Шумовой порог и чувствительность

Собственный шум прибора на экране при входе, нагруженном на 50 Ом, называется DANL (displayed average noise level). Сигнал ниже него не виден. Шум на экране зависит от двух настроек (AN150, гл. 5):

• RBW: шум меняется как $10 \lg (\text{RBW}_2 / \text{RBW}_1)$ — сужение RBW в 10 раз опускает порог на 10 дБ, а уровень синусоиды не меняется.
• Аттенюатор: ослабление на входе поднимает порог на столько же децибел; лучшая чувствительность — при минимальном ослаблении.

Теоретический предел — тепловой шум −174 дБм в полосе 1 Гц. По порогу можно оценить коэффициент шума прибора: $NF = P_\text{шума} - 10 \lg(\text{RBW} / 1\ \text{Гц}) + 174$. В примере Keysight шум −110 дБм в RBW 10 кГц даёт −110 − 40 + 174 = 24 дБ (AN150, гл. 5).

Защита входа

Входной аттенюатор и разделительный конденсатор защищают смеситель, но не беспредельно. Конденсатор на входе спасает от постоянного напряжения, однако ограничивает нижнюю частоту прибора — у разных моделей 9 кГц, 100 кГц или 10 МГц (AN150, гл. 2). Конкретные пределы надо брать из описания своего прибора, причём для того входа, которым вы пользуетесь. Пример — tinySA Basic (спецификация и страница Safe Operation). У него два входа: LOW — от 100 кГц до 350 МГц, со встроенным аттенюатором 0–31 дБ и входом 50 Ом при ослаблении от 10 дБ, и HIGH — от 240 до 960 МГц, без встроенного аттенюатора, с импедансом, который зависит от частоты и отличается от 50 Ом. Диапазон 2,4 ГГц tinySA Basic не перекрывает. Пределы входа LOW и общие правила:

Для входа HIGH, которым меряют 433 и 868 МГц, числа другие: абсолютный максимум без ослабления тот же, +10 дБм, но сжатие на 1 дБ наступает уже при −6 дБм (у входа LOW при 0 дБ ослабления — при −1 дБм), а точка пересечения IIP3 — −5 дБм. Встроенного аттенюатора нет: опциональный аттенюатор 25–40 дБ увеличивает погрешность уровня до ±10 дБ. Сильные сигналы вне 240–960 МГц вход не отфильтровывает, и они искажают картину в полосе.

Пример (наш расчёт). Модуль на 868 МГц с выходом +20 дБм (100 мВт) хотим измерить tinySA. Частота выше 350 МГц, поэтому работает вход HIGH — без встроенного аттенюатора, и всё ослабление должно быть внешним. Без него +20 дБм на 10 дБ выше абсолютного максимума. Внешний аттенюатор 30 дБ даёт −10 дБм: прибор цел, но до сжатия входа HIGH (−6 дБм) остаётся всего 4 дБ, и гармоники и интермодуляция на экране будут частично собственными. Аттенюатор 50 дБ даёт −30 дБм — на 24 дБ ниже точки сжатия. Если прибор показал −31,5 дБм, а кабель с аттенюатором вместе ослабляют 50,8 дБ (ослабление измеряют заранее), мощность передатчика — −31,5 + 50,8 = 19,3 дБм, то есть около 85 мВт. К паспортной погрешности ±2 дБ добавляется ошибка из-за того, что вход HIGH не 50 Ом; аттенюатор прямо на входе прибора её уменьшает. Свой аттенюатор рассчитывает калькулятор аттенюатора, перевод дБм в милливатты — калькулятор децибел.

Полоса антенны по анализатору спектра

Без анализатора цепей полосу антенны оценивают так: передатчик с испытуемой антенной перестраивают по диапазону, а излучённую мощность принимают анализатором спектра на другую антенну (AN058, разд. 6.1). Без безэховой камеры результат относительный: он показывает, где у антенны максимум и насколько мощность проседает к краям диапазона. В примере TI для 2,4 ГГц разброс по диапазону около 2 дБ с максимумом в середине. Приёмная антенна сама должна иметь ровную характеристику во всём диапазоне, иначе её неравномерность попадёт в результат.

Векторный анализатор цепей и NanoVNA

VNA излучает сигнал известной частоты и измеряет по амплитуде и фазе три величины: падающую волну, отражённую от устройства и прошедшую через него. Из них прибор вычисляет коэффициент отражения S₁₁ и коэффициент передачи S₂₁, а из S₁₁ — импеданс, КСВ и обратные потери (nanovna.com, «Start using NanoVNA»).

Что умеет NanoVNA-H

Данные — из руководства NanoVNA-H (2019-07-11). Синтезатор прибора работает от 50 кГц до 300 МГц, выше NanoVNA измеряет на гармониках: на 3-й до 900 МГц и на 5-й до 1500 МГц. Основная частота при этом тоже присутствует на выходе — это важно при измерении усилителей (nanovna.com, «Start using NanoVNA»). Ревизии от 3.4 по описанию разработчиков сохраняют около 40 дБ динамического диапазона до 1,5 ГГц, выше начинается сильный шум, а «NanoVNA на 2,7 ГГц» от сторонних продавцов, по их же предупреждению, обычно подделка (nanovna.com, «About NanoVNA»). Для антенн 433 и 868 МГц прибор подходит, для 2,4 ГГц — нет.

Калибровка

Прибор и кабели вносят свои ошибки, и калибровка их вычитает. NanoVNA учитывает пять поправок: направленность (D), трекинг отражения (R), согласование источника (S), трекинг передачи (T) и изоляцию между портами (X). Порядок калибровки (nanovna.com, «Calibration NanoVNA»):

1. Задать диапазон частот измерения.
2. Сбросить калибровку (CAL → RESET).
3. Подключить к концу кабеля порта CH0 меру OPEN (холостой ход), затем SHORT (замыкание), затем LOAD (50 Ом) и после каждой нажать соответствующий пункт.
4. ISOLN: нагрузки на оба порта или одна на CH0, если нагрузка одна.
5. THRU: соединить кабели обоих портов переходником.
6. DONE, затем сохранить в ячейку (SAVE 0…4).

Калибровку повторяют при каждой смене диапазона: строчная буква «c» вместо «C» в строке состояния означает, что прибор использует интерполированные поправки от другого диапазона (там же, «How to read NanoVNA screen»).

После калибровки плоскость отсчёта — разъём, к которому подключали меры. Для обратных потерь и КСВ этого достаточно: они зависят только от модуля |Γ|, и отрезок хорошего кабеля их почти не меняет. А чтобы увидеть импеданс в точке питания антенны, плоскость переносят на конец кабеля электрической задержкой: её подбирают, пока замкнутый конец кабеля не окажется точкой слева на диаграмме Смита, а разомкнутый — справа (AN058, разд. 6.2.2). TI советует делать калибровочные меры прямо на конце полужёсткого кабеля, который припаивают к плате, — тогда кабель тоже входит в калибровку.

Как измерить и настроить антенну

Порядок по AN058 (разд. 6.2):

1. Отключить антенну от радиочасти — убрать элемент между ней и микросхемой — и припаять к точке питания полужёсткий кабель: оплётку к земле как можно ближе к концу кабеля, центральную жилу — к дорожке антенны, неэкранированный участок как можно короче.
2. Отвести кабель от антенны и закрепить его: положение кабеля меняет результат, особенно на маленьких платах, где по земле текут большие токи. Помогают ферритовые кольца на кабеле.
3. Измерять в реальных условиях: в корпусе, с батареями, если устройство держат в руке — в руке.
4. Смотреть S₁₁ в дБ или КСВ. Полоса антенны — диапазон, где S₁₁ < −10 дБ (КСВ < 1,92, на практике говорят «меньше 2»). В примере TI у печатной антенны 2,4 ГГц эта полоса около 400 МГц, а пластиковый корпус и рука сдвигали резонанс вниз.
5. Настроить длиной: резонанс ниже нужной частоты — антенну укорачивают, выше — удлиняют.
6. Если резонанс на месте, а импеданс не 50 Ом — подобрать конденсаторы и катушки согласующей цепи последовательно или параллельно, глядя на диаграмму Смита (разд. 6.2.5). Номиналы на нужную частоту прикидывает калькулятор LC-контура.

Пример (наш расчёт). Четвертьволновой штырь для 433,92 МГц после установки в корпус показал минимум S₁₁ = −18 дБ на 425 МГц. Обратные потери 18 дБ — это |Γ| = 10^−18/20 = 0,126 и КСВ 1,29: согласование хорошее, но резонанс на 2 % ниже. Длина резонансной антенны примерно обратно пропорциональна частоте, поэтому штырь укорачивают примерно на 2 % — с 17,3 до около 16,9 см — и измеряют снова, небольшими шагами. Пересчёт S₁₁ в КСВ — калькулятор КСВ, длина волны — калькулятор частоты и длины волны.

Пределы входа NanoVNA

В руководстве NanoVNA-H нет допустимой мощности и постоянного напряжения на портах — указан только собственный выходной уровень −13 дБм. Поэтому:

• к портам не подключают передатчики, выходы усилителей и линии с постоянным напряжением;
• при измерении усилителя по S₂₁ на вход CH1 ставят аттенюатор с запасом, а его ослабление учитывают при калибровке THRU;
• помнят, что на гармониках выше 300 МГц на выходе NanoVNA есть и основная частота, и усилитель тоже её усиливает.

Частые ошибки

• Передатчик на вход без аттенюатора. Самый частый способ сжечь смеситель анализатора спектра; считать уровень заранее.
• Узкая RBW на широком обзоре. Развёртка становится очень долгой; сужайте обзор вместе с RBW.
• Сравнение уровней при разной RBW. Уровень шума зависит от RBW, уровень синусоиды — нет; сравнивайте шум только при одинаковой полосе.
• Измерение без калибровки или на чужом диапазоне. Калибровка годится только для своего диапазона, кабелей и разъёмов.
• Антенна «на столе». Корпус, батарея и рука сдвигают резонанс; настраивайте в конечном положении.
• Кабель VNA рядом с антенной. Кабель становится частью антенны; отводите его и ставьте ферриты.
• Покупка «NanoVNA 2,7 ГГц». По предупреждению разработчиков такие приборы обычно подделка; выше 1,5 ГГц даже оригинальный NanoVNA-H шумит.