Views: 4
Per molti anni possedere un analizzatore di rete vettoriale significava investire migliaia, se non decine di migliaia di euro.
Poi è arrivato il NanoVNA.
Questo piccolo strumento ha reso accessibili al radioamatore misure che una volta erano riservate quasi esclusivamente ai laboratori professionali: impedenza complessa, Return Loss, fase, parametri S, Smith Chart, misura dei filtri, caratteristiche dei cavi e molto altro.
Ma proprio perché il NanoVNA costa relativamente poco e sembra semplice da utilizzare, è facile commettere un errore:
guardare soltanto il valore del ROS.
Un VNA può dirci moltissimo di più.
Vediamo quindi come utilizzarlo correttamente.
Che cos’è un VNA
VNA significa:
Vector Network Analyzer, analizzatore vettoriale di rete.
La parola importante è vettoriale.
Lo strumento non misura soltanto quanto segnale viene riflesso o trasmesso, ma anche la sua fase.
Questo permette di ricostruire grandezze complesse come:
- resistenza;
- reattanza;
- impedenza;
- coefficiente di riflessione;
- fase;
- perdita d’inserzione;
- attenuazione;
- risposta dei filtri.
Un VNA può quindi analizzare sia dispositivi a una porta, come un’antenna, sia dispositivi a due porte, come un filtro.
S11 e S21: i due parametri fondamentali
Quando iniziamo a utilizzare il NanoVNA incontriamo subito sigle apparentemente misteriose.
S11
S11 misura quanto del segnale inviato sulla porta 1 ritorna indietro verso la stessa porta.
È quindi il parametro principale per studiare:
- antenne;
- carichi;
- circuiti di adattamento;
- impedenze.
Da S11 possiamo ricavare ROS, Return Loss e impedenza.
S21
S21 misura invece quanto segnale passa dalla porta 1 alla porta 2.
È utile per analizzare:
- filtri;
- attenuatori;
- amplificatori, entro i limiti ammessi dallo strumento;
- cavi;
- duplexer;
- circuiti RF.
Prima regola: calibrare
La calibrazione è probabilmente il passaggio più importante nell’utilizzo di un NanoVNA.
Senza calibrazione possiamo ottenere valori apparentemente plausibili ma non rappresentativi del dispositivo realmente misurato.
Per le misure S11 utilizziamo normalmente tre riferimenti:
OPEN
circuito aperto.
SHORT
cortocircuito.
LOAD
carico da 50 Ω.
Per le misure di trasmissione entra in gioco anche il collegamento:
THRU
tra le due porte.
Da qui l’acronimo SOLT:
Short – Open – Load – Through.
Il piano di calibrazione
Supponiamo di voler misurare un’antenna sul tetto collegata tramite 15 metri di cavo coassiale.
Abbiamo due possibilità.
Possiamo calibrare il NanoVNA direttamente sul suo connettore.
In questo caso misureremo:
antenna + cavo.
Oppure possiamo portare il piano di calibrazione fino all’estremità del cavo.
In quel caso lo strumento cercherà di presentarci ciò che avviene effettivamente al punto di alimentazione dell’antenna.
Questo concetto si chiama reference plane, piano di riferimento.
Capirlo è fondamentale.
Ogni centimetro di cavo inserito dopo il piano di calibrazione entra a far parte della misura.
Impostare correttamente l’intervallo
Prima della calibrazione scegliamo l’intervallo di frequenze che ci interessa.
Se dobbiamo analizzare un dipolo per i 40 metri non serve necessariamente effettuare una scansione da 1 a centinaia di MHz.
Meglio, per esempio, restringere la misura attorno alla banda interessata.
Più lo span è adeguato al fenomeno che vogliamo osservare, più semplice sarà interpretare il risultato.
Una volta modificato sensibilmente l’intervallo di misura, è buona pratica verificare se la calibrazione debba essere ripetuta.
Misurare il ROS
È probabilmente la prima misura che tutti provano.
Colleghiamo l’antenna alla porta utilizzata per S11.
Sul display impostiamo una traccia:
SWR.
Vedremo immediatamente come varia il rapporto d’onda stazionaria con la frequenza.
Possiamo posizionare un marker sul minimo.
Supponiamo di ottenere:
7,020 MHz → SWR 1,8
7,100 MHz → SWR 1,15
7,200 MHz → SWR 1,6
Possiamo concludere che il sistema presenta il miglior adattamento attorno ai 7,1 MHz.
Ma non sappiamo ancora tutto.
Il ROS da solo non basta
Due antenne possono mostrare entrambe ROS 2:1 e trovarsi in condizioni completamente diverse.
Per comprenderne il motivo dobbiamo osservare l’impedenza.
Un carico ideale per il nostro ricetrasmettitore è:
Z = 50 + j0 Ω.
Il primo termine rappresenta la componente resistiva.
Il secondo la componente reattiva.
Un’antenna potrebbe presentare:
25 + j0 Ω
oppure:
50 + j35 Ω.
Entrambe producono disadattamento, ma per motivi completamente differenti.
Nel primo caso abbiamo un problema principalmente resistivo.
Nel secondo abbiamo una forte componente reattiva.
Ed è qui che il NanoVNA diventa enormemente più utile di un semplice rosmetro.
R e X
L’impedenza può essere espressa come:
Z = R + jX
dove:
R è la componente resistiva;
X è la componente reattiva.
Quando X è positivo il comportamento è prevalentemente induttivo.
Quando X è negativo è prevalentemente capacitivo.
In prossimità della risonanza:
X ≈ 0.
Attenzione però:
risonanza non significa automaticamente adattamento a 50 Ω.
Un’antenna può essere perfettamente risonante e avere 25 Ω.
Oppure 80 Ω.
Il ROS non sarà quindi 1:1 anche se la reattanza è praticamente nulla.
Lo Smith Chart
Uno degli strumenti più potenti del NanoVNA è lo Smith Chart.
All’inizio sembra un insieme incomprensibile di cerchi.
In realtà è una rappresentazione grafica dell’impedenza.
Il centro della carta rappresenta, quando normalizzata a 50 Ω:
50 + j0 Ω.
Se la traccia passa per il centro significa che abbiamo un adattamento perfetto.
La metà superiore rappresenta reattanze induttive.
La metà inferiore reattanze capacitive.
Muovendoci lungo il grafico possiamo capire immediatamente come cambia l’impedenza dell’antenna con la frequenza.
Dopo qualche ora di utilizzo, lo Smith Chart diventa spesso più informativo della semplice curva del ROS.
Come tarare un dipolo
Supponiamo che il nostro dipolo risuoni troppo in basso.
Abbiamo progettato l’antenna per 7,1 MHz ma il NanoVNA mostra il minimo di reattanza a 6,9 MHz.
L’antenna è troppo lunga.
Dovremo quindi accorciare progressivamente i due bracci.
Se invece la risonanza si trova a 7,3 MHz, l’antenna è troppo corta.
Dovremo allungarla.
La regola pratica è:
frequenza troppo bassa → antenna troppo lunga.
frequenza troppo alta → antenna troppo corta.
Le regolazioni vanno effettuate gradualmente.
Tagliare 30 centimetri alla volta può trasformare rapidamente la taratura in una collezione di giunzioni e imprecazioni.
Misurare un cavo coassiale
Il NanoVNA può diventare estremamente utile anche per diagnosticare un impianto.
Un cavo apparentemente perfetto può avere:
- connettori difettosi;
- infiltrazioni d’acqua;
- schiacciamenti;
- discontinuità;
- perdite anomale.
Mediante opportuni strumenti e funzioni derivate dalla misura in frequenza possiamo anche stimare la distanza di una discontinuità lungo il cavo.
È il principio della misura nel dominio del tempo o TDR virtuale.
Possiamo quindi scoprire che il problema non si trova sull’antenna a 20 metri d’altezza, ma in un connettore installato a pochi metri dalla stazione.
Misurare un filtro
Colleghiamo:
porta 1 → ingresso filtro;
porta 2 → uscita filtro.
Visualizziamo S21.
La curva mostrerà quanto segnale attraversa il dispositivo alle diverse frequenze.
Un filtro passa-basso dovrebbe presentare basse perdite nella banda utile e un’attenuazione crescente oltre la frequenza di taglio.
Un filtro passa-banda mostrerà invece una finestra relativamente stretta nella quale il segnale viene trasmesso.
Il NanoVNA diventa così uno strumento eccellente per chi costruisce:
- filtri;
- diplexer;
- duplexer;
- trappole;
- circuiti di adattamento.
Return Loss
Un altro parametro utile è il Return Loss.
Esprime in decibel quanta energia viene riflessa rispetto a quella incidente.
Maggiore è il Return Loss, migliore è generalmente l’adattamento.
ROS e Return Loss raccontano sostanzialmente lo stesso fenomeno utilizzando rappresentazioni differenti.
Il Return Loss è particolarmente utilizzato in ambito professionale.
Un errore comune: tenere il NanoVNA in mano
Alle frequenze più basse e con sistemi ad alta impedenza, la presenza del nostro corpo può alterare la misura.
Lo stesso accade con cavetti volanti, adattatori e collegamenti improvvisati.
Se osserviamo il grafico mentre muoviamo il NanoVNA e la curva cambia vistosamente, qualcosa nel sistema di misura sta diventando parte del circuito RF.
Bisogna quindi utilizzare collegamenti corti, ripetibili e meccanicamente stabili.
Altro errore: adattatori ovunque
Ogni adattatore inserito tra il VNA e il dispositivo introduce:
- capacità;
- induttanza;
- perdita;
- discontinuità.
A basse frequenze l’effetto può essere trascurabile.
Salendo di frequenza diventa progressivamente più importante.
La calibrazione dovrebbe essere effettuata il più vicino possibile al punto nel quale inizierà effettivamente il dispositivo sotto prova.
Non trasmettere dentro il NanoVNA
Un NanoVNA genera segnali di misura estremamente piccoli.
Non è progettato per ricevere i 5, 50 o 100 watt provenienti da un ricetrasmettitore.
Prima di collegarlo a un impianto d’antenna dobbiamo essere certi che nessun trasmettitore possa mandare potenza verso lo strumento.
In una stazione complessa è buona pratica scollegare fisicamente il ricetrasmettitore.
Un errore può distruggere istantaneamente l’ingresso del VNA.
Procedura pratica consigliata
Per misurare una nuova antenna:
- accendere il NanoVNA;
- impostare START e STOP;
- effettuare la calibrazione;
- salvare la calibrazione;
- collegare l’antenna;
- visualizzare SWR;
- aggiungere R e X oppure lo Smith Chart;
- posizionare i marker;
- individuare la risonanza;
- modificare l’antenna;
- ripetere la misura.
È importante modificare una sola cosa alla volta.
Altrimenti sarà difficile capire quale cambiamento abbia prodotto il risultato osservato.
NanoVNA e accordatore
Un esperimento particolarmente istruttivo consiste nel collegare un accordatore manuale a un carico o a un’antenna e osservare lo Smith Chart mentre regoliamo condensatori e induttanze.
Vedremo letteralmente l’impedenza spostarsi attraverso la carta fino ad arrivare vicino al centro.
È probabilmente uno dei modi migliori per comprendere visivamente cosa faccia realmente un accordatore.
L’accordatore non “accorda l’antenna”.
Trasforma semplicemente l’impedenza presentata al trasmettitore.
La differenza è fondamentale.
Conclusioni
Il NanoVNA è probabilmente uno degli strumenti che più hanno cambiato la sperimentazione radioamatoriale negli ultimi anni.
Ma utilizzarlo come semplice rosmetro significa sfruttarne forse il 10% delle possibilità.
La vera rivoluzione arriva quando iniziamo a osservare:
- R;
- X;
- fase;
- Smith Chart;
- S11;
- S21.
Da quel momento non ci limitiamo più a sapere che “il ROS è alto”.
Possiamo iniziare a capire perché è alto.
Ed è proprio questo passaggio — dalla semplice misura alla comprensione del fenomeno — che trasforma il NanoVNA da simpatico gadget economico a vero strumento da laboratorio radioamatoriale.