Измерения: NanoVNA

ВЧ-плату без измерений нельзя считать готовой. Расчёт линии, референс-дизайн, правильный забор — всё это повышает шанс, что тракт заработает. Но реальная антенна в реальном корпусе почти всегда отличается от расчёта. Ещё полвека назад для таких измерений нужна была лаборатория со стойками приборов. Сегодня векторный анализатор цепей (VNA, vector network analyzer) размером с пачку сигарет стоит как хороший мультиметр. В этом уроке — как им пользоваться, чтобы цифрам на экране можно было верить.

Что меряет VNA

VNA посылает в устройство синусоиду и сравнивает то, что ушло, с тем, что вернулось или прошло насквозь, — и по амплитуде, и по фазе. Аналогия — эхолот: он посылает звук и по эху узнаёт, что под водой. Отражение от входа — S11, прохождение с порта 1 на порт 2 — S21 (урок 12.1).

У простых NanoVNA порт 1 (CH0) и передаёт, и принимает отражение, а порт 2 (CH1) только принимает. Поэтому прибор меряет S11 и S21, а S22 и S12 — переворотом устройства.

Одно и то же S11 показывают в разных форматах:

S11, дБ	Обратные потери (return loss), дБ	|Γ|	КСВ (VSWR)	Отражается мощности	Потери на рассогласование
−6	6	0,50	3,0	25 %	1,25 дБ
−10	10	0,32	1,92	10 %	0,46 дБ
−14	14	0,20	1,5	4 %	0,18 дБ
−20	20	0,10	1,22	1 %	0,04 дБ

Формулы: |Γ| = 10^(S11/20), КСВ = (1 + |Γ|)/(1 − |Γ|), потери на рассогласование = −10·lg(1 − |Γ|²). Обратные потери — то же число, что S11, но со знаком плюс. Для антенны ориентир — S11 ≤ −10 дБ (КСВ ≤ 2) во всей рабочей полосе. Обрати внимание: между −10 и −20 дБ выигрыш по мощности меньше 0,5 дБ. Гнаться за −30 дБ на антенне бессмысленно, а вот −6 дБ уже ощутимо съедает дальность.

Третий формат — диаграмма Вольперта–Смита (Smith chart). Она показывает не только «сколько» отражается, но и комплексное сопротивление: куда сдвинуть точку, чтобы попасть в центр (50 Ом). По ней подбирают П-цепь (урок 12.5).

Какой прибор взять

Прибор	Диапазон	Что важно
NanoVNA-H	до 900 МГц в основной полосе	868 МГц — у верхней границы; для LoRa 433 МГц хватит
NanoVNA-H4	до 1,5 ГГц с динамическим диапазоном около 40 дБ	экран 4″; выше 1,5 ГГц — сильный шум
NanoVNA V2 Plus4 (NanoRFE)	50 кГц – 4,4 ГГц	около 90 дБ на 1 ГГц и 80 дБ на 3 ГГц (с усреднением); подходит для 2,4 ГГц
LiteVNA	до 6,3 ГГц	клон ветки V2; дрейфует с температурой, калибровку повторяют чаще

Динамический диапазон важен для S21: глубину подавления фильтра нельзя измерить ниже шума прибора. Для антенн на 868 МГц хватит H4 или V2. На рынке много копий. Сайт проекта NanoVNA прямо предупреждает: приборы «NanoVNA plus на 2,7 ГГц» — как правило, подделки. Покупай у официальных продавцов, указанных на сайтах проектов. Прошивки бывают разные (у NanoVNA-H/H4 популярна прошивка DiSlord). Названия пунктов меню у них отличаются, поэтому ниже шаги описаны по смыслу. Точные названия сверяй с инструкцией своей прошивки [ПРОВЕРИТЬ по своей прошивке].

Калибровка

Без калибровки прибор показывает вместе с устройством свои кабели, разъёмы и собственные ошибки. Калибровка (calibration) — это измерение известных мер, из которых прибор вычисляет и вычитает свои ошибки.

Рис. 12.10а. Порт 1 (CH0) излучает и принимает отражённый сигнал — по нему меряют S11. Порт 2 (CH1) только принимает — по нему меряют S21. Калибруют на концах тех кабелей, которые потом подключат к плате: Open, Short, Load на порту 1, затем Thru между кабелями (и Isolation — с нагрузками на обоих портах). Плоскость калибровки — конец кабеля; всё, что дальше, прибор считает «измеряемым устройством».

1. Задай полосу и число точек до калибровки: например, 800–950 МГц. Калибровка действует для этой полосы. Если потом сильно расширить полосу, прибор будет интерполировать или калибровка сбросится.
2. Плоскость калибровки — там, куда потом подключишь плату. Если меряешь через кабель, калибруй на конце кабеля, а не на разъёме прибора.
3. Open, Short, Load — по очереди на конец кабеля порта 1. Это и есть калибровка SOL. Мера Load — нагрузка 50 Ом из комплекта.
4. Isolation и Thru — для S21: нагрузки на оба порта, затем кабели портов 1 и 2 соединяют проходным переходником.
5. Сохрани калибровку в ячейку памяти. Проверь её: подключи Load — S11 должен уйти ниже −40 дБ, точка на диаграмме Смита — в центр.

Калибровка привязана к концу кабеля, а плата начинается дальше — за разъёмом SMA и отрезком линии. Если нужна точность на площадке П-цепи, используй электрическую задержку (electrical delay, port extension): прибор «перенесёт» плоскость отсчёта вперёд на заданную длину линии. Второй способ — сделать на краю платы свой калибровочный набор: такие же разъём и линия, а на конце — обрыв, перемычка и резистор 50 Ом.

Подстройка антенны П-цепью

1. Собери плату целиком и поставь её в корпус — именно в той конфигурации, в которой она будет работать, с батареей. Пластик и металл рядом сдвигают резонанс.
2. В П-цепи 0 Ом последовательно, параллельных элементов нет. Измерь S11 от 800 до 950 МГц. Запиши частоту минимума и импеданс на 868 МГц (маркер на диаграмме Смита).
3. По импедансу рассчитай согласующие элементы (урок 12.5) — вручную, в онлайн-калькуляторе или в программе для диаграммы Смита.
4. Поставь ближайшие номиналы из ряда. Бери ВЧ-серии конденсаторов и катушек с частотой собственного резонанса выше рабочей частоты.
5. Измерь снова. Повторяй маленькими шагами. Держи руки подальше от антенны: рука — это тоже «корпус».

Рис. 12.10б. Модельные кривые |S11| антенны (не измерение). До подстройки минимум ушёл вниз, на 835 МГц: корпус, пластик и соседняя медь «утянули» резонанс. На 868 МГц |S11| всего около −3,5 дБ — назад отражается почти половина мощности. После подбора элементов П-цепи минимум стоит на 868 МГц, и вся полоса 863–870 МГц ниже уровня −10 дБ (КСВ ≈ 2).

S21 фильтра и TDR

S21 показывает, сколько сигнала проходит насквозь. Для фильтра смотрят вносимые потери (insertion loss) в полосе пропускания и подавление за её пределами — например, на второй и третьей гармониках 868 МГц (1736 и 2604 МГц). Это уже за пределами NanoVNA-H4, нужен прибор уровня V2.

TDR (time-domain reflectometry, рефлектометрия во временной области) — некоторые прошивки и программы для ПК пересчитывают S11 во «временную» картину. Она показывает, на каком расстоянии от разъёма неоднородность: плохая пайка, перегиб кабеля, переход. Разрешение ограничено полосой прибора. Грубо: разрешение по расстоянию ≈ v / (2·полоса). Для кабеля (v ≈ 0,7c) и полосы 1,5 ГГц это около 7 см. Значит, TDR на NanoVNA хорош для поиска дефектов в кабелях и пигтейлах, но миллиметровую неоднородность на плате он не разглядит.

Анализатор спектра

VNA проверяет пассивную часть: антенну, линию, фильтр. Чтобы проверить, что излучает передатчик, нужен анализатор спектра (spectrum analyzer). Бюджетный вариант — tinySA:

Прибор	Диапазон
tinySA (базовый)	100 кГц – 350 МГц на одном входе, 240–960 МГц на другом
tinySA Ultra	до 800 МГц в основном режиме, до 5,3 ГГц в режиме Ultra
tinySA Ultra+ (ZS407)	до 900 МГц в основном режиме, до 7,3 ГГц в режиме Ultra

⚠️Внимание

Максимум на входе tinySA — +10 дБм. Модуль на +22 дБм подключай только через аттенюатор, например 30 дБ: на входе окажется −8 дБм. Никогда не включай передачу прямо в порт VNA и не запускай передатчик без нагрузки 50 Ом. В режимах с гармоническим смешением (Ultra) tinySA может показывать ложные сигналы — проверь, сдвигается ли пик, если добавить аттенюатор: настоящий сигнал ослабнет ровно на столько дБ, а ложный — иначе.

Что смотреть: несущую на нужной частоте, её уровень (с поправкой на аттенюатор и кабель), вторую и третью гармоники. Спектроанализатор на столе — не сертификационные испытания, но он покажет грубые ошибки: не та частота, лишние пики от DC-DC, гармоники без фильтра.

📖Из учебникаМалорацкий, гл. 2, §2.9, с. 198–208

Малорацкий описывает контроль ГИС СВЧ в два этапа: сначала проверяют подложку, потом — элементы до установки в корпус. Эффективную диэлектрическую проницаемость меряют кольцевым резонатором: по его резонансным частотам видно и дисперсию — на поликоре 0,5 мм εэфф начинает заметно расти выше примерно 4 ГГц. По ширине резонансной кривой находят добротность Q = f/(2Δf), а из неё — потери в линии: α = 27,27/(Q·λ) дБ на длину волны. Неоднородности (например, повороты) оценивают парой резонаторов, с неоднородностью и без. Самое современное в этом параграфе — учёт неидеальных переходов: их исключают из результата пересчётом через матрицы передачи и рассеяния. Подстройку готовых схем автор делает винтами, магнитными сердечниками и ступенчатым подбором конденсаторов.

Тогда и сейчас. Исключение переходов через матрицы — это ровно то, что сегодня делает калибровка и de-embedding в любом VNA, только автоматически и за секунды. Кольцевой резонатор до сих пор используют, чтобы измерить εr и потери нового материала на нужной частоте, — фабрики и производители ламинатов публикуют такие данные. А ступенчатый подбор конденсаторов при подстройке — это наша П-цепь с площадками DNP. Изменилось главное — цена: прибор, который в 1976 году был стойкой в лаборатории, сейчас доступен каждому, кто разводит ВЧ-платы.

🧯 Типичные ошибки

Откалибровали прибор на его разъёмах, а меряют через кабель длиной полметра

Почему Кабель добавляет фазу и потери. На диаграмме Смита точка «закручивается», и подбор П-цепи по такому импедансу даст неверные номиналы.

Как исправить Калибруй на конце того кабеля, которым меряешь, или вводи электрическую задержку. Проверяй калибровку мерой Load.

Антенну подстроили на голой плате на столе

Почему Корпус, батарея и крепёж сдвигают резонанс на десятки мегагерц. В корпусе антенна снова окажется расстроенной.

Как исправить Подстраивай в финальной конфигурации, в корпусе, вдали от металла и рук.

Подключили выход модуля +22 дБм к tinySA без аттенюатора

Почему Предел входа +10 дБм. Входной смеситель анализатора выходит из строя.

Как исправить Аттенюатор 30 дБ нужной мощности на входе анализатора, затем поправка на его ослабление при чтении уровня.

Проверь себя

1. 1. Антенна показала S11 = −10 дБ на 868 МГц. Чему равны КСВ и доля отражённой мощности?

   КСВ 1,22; 1 %КСВ ≈ 1,92; 10 %КСВ 3; 25 %КСВ 10; 50 %
2. 2. Где должна находиться плоскость калибровки?

   Всегда на разъёмах прибораВ том месте, куда подключается измеряемое устройство: на конце рабочего кабеля или дальше, через электрическую задержкуГде угодно — калибровка не зависит от кабеляПосередине кабеля
3. 3. Почему TDR на NanoVNA с полосой 1,5 ГГц не покажет неоднородность длиной 2 мм на плате?

   TDR вообще не работает на платахРазрешение по расстоянию ограничено полосой: порядка v/(2·полоса), это сантиметры, а не миллиметрыНужна калибровка ThruМешает маска платы
4. 4. Чем ступенчатый подбор конденсаторов у Малорацкого похож на современную практику?

   Ничем, сегодня всё считается заранееЭто та же идея, что площадки П-цепи с DNP: схему подстраивают по измерениям на готовом изделииСейчас конденсаторы не используют на ВЧЭто то же, что калибровка SOL

🎯Практическое задание~60 мин

Если есть NanoVNA: откалибруй его на конце кабеля в полосе 800–950 МГц и проверь калибровку мерой Load. Измерь S11 любой антенны на 868 МГц (штыревой на SMA или своей платы из урока 12.9): запиши частоту минимума, S11 и КСВ на 868 МГц, импеданс по диаграмме Смита. Повтори с рукой в 5 см от антенны и опиши, куда сдвинулся резонанс. Если прибора нет: возьми таблицу из урока и для S11 = −8 дБ и −15 дБ посчитай |Γ|, КСВ, долю отражённой мощности и потери на рассогласование. Затем рассчитай, какой аттенюатор нужен, чтобы подать сигнал +22 дБм на вход с пределом +10 дБм с запасом 10 дБ.