Векторный анализатор для чайников NanoVNA V2 SAA2

На высоких частотах вещи иногда совсем не то, чем они кажутся. Казалось бы — идет провод, и должен идти по нему сигнал — на самом деле ничего подобного, этот провод сигнал блокирует. Или несколько кусков проводника, не соединенные друг с другом — а это прекрасный полосно-пропускающий фильтр.
Так что относитесь к СВЧ инженерам просто, как к магам — и жизнь будет проще и веселее.

Ниже читайте, что же я купил, как до такой жизни докатился и причем тут пункт 18. Сразу предупреждаю — ничего особо серьезного и высоконаучного вы в обзоре не найдете. Более того, меня терзают смутные сомнения, что товар сейчас вообще не доступен для заказа из России — так что это никакая не реклама, а просто очередной ни к чему не обязывающий рассказик.

Посмотрите на рисунок — это всего лишь навсего дешевая головка от спутниковой антенны, работает на частотах в районе 10ГГц.



В ней нет практически ничего лишнего, и все имеет причину. То, что покрыта только часть платы паяльной маской — это не зря. Где плата немного поцарапана или на куске меди почему-то нанесено немного припоя — это настраивались фильтры.

И когда за направленный ответвитель, представляющий из себя несколько линий на печатной плате просят несколько десятков баксов — поверьте, он того стоит. Вы платите не за текстолит (или поликор — не знаю, что сейчас модно использовать), а за магию.



Я когда-то в молодости мог бы стать магом — в Питерском НИИЧаВо ВНИИРА писал диплом, темой которого был СВЧ приемник радионавигации. Навигация была не в современном понятии спутниковой навигации, но работала не хуже.
Мне надо было посчитать цепи приемника, там были направленные ответвители, фильтры и какие-то микрополосковые цепи согласования транзисторов. По нынешним временам это простая задача с использованием Microwave Office или чего-то подобного. Но тогда в отделе была одна на всех вычислительная машина МИР (Место Инженерных Расчетов) со своим языком «Алмир» и, где-то в вычислительном центре, были новейшие ЕС-1022, куда студента бы не подпустили. Большую часть нужно было посчитать ручками. Матрицы величиной со стол, комплексные числа и еще Бог знает что, я даже таких страшных терминов сейчас не помню. Три раза брался за подсчеты — и три раза получал разные результаты.
В итоге решил, что проще научить считать мою подругу, у которой только средняя школа была за плечами. Она посчитала, сделали модуль согласно ее расчетам. Мой руководитель потом сказал — это было первый раз, когда все заработало согласно расчетам, безо всяких дополнительных подстроек. Естественно, как честный человек, я просто обязан был жениться на подружке :)
Потом мы гостили у ее родителей в Богом забытом поселке. В качестве телевизионной антенны у них были какие-то грабли — но телевизор показывал хорошо. Внутренний перфекционист не мог вынести вида такой антенны — я пошел в магазин, купил политически правильную антенну и водрузил ее на крышу. Больше телевизор хорошо не показывал… Но новые родственники оказались добрыми людьми и меня даже не побили этими граблями.

Возвращаясь к нашим баранам: высшие маги еще используют волноводы, магнетроны, лампы бегущей и обратной волны, клистроны и прочие магические артефакты.



Ну так вот, сегодня мы попробуем разобраться в измерителе магии, пытаясь при этом не продать душу дьяволу. Так сказать, черная магия для чайников. Постараемся обойтись без заклинаний и бития в бубен.
Просьба к практикующим магам отнестись к объяснению снисходительно. Эта статья не для профессионалов и описывает ничтожно малую часть того, что можно сделать с помощью векторного анализатора, но для любительского применения — это наиболее частый сценарий использования. Так же я не собираюсь описывать, как это работает. NanoVNA — это открытый проект, все схемы, разводку печатных плат и исходники программ можно найти на сайте авторов.
Там же авторы и продают свое изделие, но где же вы такое видели, чтобы популярный открытый проект вдруг и не появился на Али или в других китайских магазинах по цене дешевле авторской.

Мы не Декарты, не Ньютоны мы,
Для нас наука — темный лес
Чудес.

Самая полезная вещь в этом деле — конечно, волшебная палочка диаграмма Смита, кто хочет подробных объяснений — читает здесь.
Можно и википедию почитать, но англоязычную, в русскоязычной какая-то туфта, магия такой простой не бывает.

Вот магический шар в разрезе:



Для упрощения мы будем использовать его детсадовскую версию:

В целЯх природы обуздания,
В целЯх рассеять неученья тьму
Берем картину мироздания
И тупо смотрим, что к чему…

Мы будем всего лишь проверять антенны. Что для этого надо знать?
Нам важна горизонтальная линия диаграммы, соответствующая активному сопротивлению. Правая сторона — бесконечное сопротивление, левое — нулевое. Нам нужна красная точка в прицеле, которая соответствует коэффициенту стоячей волны (КСВ или SWR) единице. То есть в этой точке вся энергия, поданная на антенну уйдет в эфир. Области ниже или выше — области реактивного сопротивления, выше — индуктивное, ниже — емкостное.

В общем, можно обойтись линейными графиками КСВ, но не факт, что ваша антенна будет иметь чисто активное сопротивление. Коли уж нам свезло иметь векторный анализатор, давайте использовать его возможности полностью, и, соответственно, диаграмму Вольперта-Смита.

С год назад был обзор nanoVNA, там комментатор Hector объяснил досконально все, происходящее на экране анализатора:

Если смотреть слева направо, то получается, что зелёная молния напала сверху на синюю. Случилась эпическая битва из которой синяя молния вышла победителем — она усилилась и пошла наверх.
Спасибо не говорите, для дешифровки использовал это:

После него, откровенно говоря, все остальные объяснения просто не нужны. Но тем не менее, я попробую. Если вы видите картинку, похожую так ту, что приведена выше — вы что-то делаете не так, скорее всего частотный диапазон выбран слишком широкий.
Повторяться сильно не буду, приборы практически идентичны с тем обзором, попытаюсь изложить максимально просто, как им пользоваться. Мой отличается наличием металлического корпуса, что для высокочастотного прибора несомненный плюс.

Извлекаем прибор из коробочки — без этого ну никак.



Кроме самого анализатора, в коробочке лежит USB кабель, стилус, калибровочные сопротивления, переходник и парочка кабелей.



К этому добавим кое-чего из своего хлама и сделаем переходник RPSMA — SMA для подключения антенн Wi-Fi, пригодится.

Совершенно секретно. Перед прочтением сжечь.

Но для начала прибор надо откалибровать. Если вы будете прямо к прибору подключать антенну — калибровочные сопротивления, идущие в комплекте, подключайте прямо к прибору. Если собираетесь использовать удлинительный кабель — то к концу этого кабеля, все должно калиброваться в системе. Установите частотный диапазон, который будете использовать. Калибровок может храниться 5 комплектов, если вы используете разные частоты — откалибруйте прибор на несколько диапазонов. В старом программном обеспечении калибровки автоматически не загружаются при включении прибора, нужно после включения вызвать меню, RECALL и дальше — номер нужной калибровки. В более свежей прошивке при включении всегда загружается нулевая калибровка. Прибор без калибровки — как волшебная палочка без заклинаний, махать-то ей можно, но ничего хорошего из этого не выйдет.



Итак, калибруемся. Для начала выберем частотный диапазон. Например, мы хотим проверять антенны для диапазона 2.4 ГГц. Заходим в меню -> STIMULUS и выставляем начальную START частоту 2200 МГц и конечную STOP частоту 2600МГц. По умолчанию между ними 101 точка, можно изменить — SWEEP POINTS.
Теперь можно перейти к калибровке — меню — CAL и RESET и затем CALIBRATE.
Устанавливаем заглушку с бесконечным сопротивление и жмем OPEN, ждем пока шрифт текста этого пункта меню не станет инверсным. Ставим нагрузку с нулевым сопротивлением и жмем SHORT. И, наконец, устанавливаем 50-омную нагрузку и жмем LOAD. THRU нам не нужен, пропустим, сразу жмем DONE. Не забудьте сохранить результаты SAVE под желаемым номером от 0 до 4.

Теперь можно и с антеннами поиграться. С ящичке у меня уже больше 10 лет валяются 2 самодельных «клевера» на 2.4 ГГц, уже изрядно примятые. Когда-то я их для самолетиков делал, и работали они очень даже неплохо.
Теперь посмотрим, действительно ли они работали:



На какой-то частоте указатель-треугольник на зеленой завитушке очень близок к целевой точке, где КСВ равно единице. Это и есть рабочая частота антенны. Указатель можно перемещать или кнопками сверху или прямо стилусом по экрану.

Таки да, антенны неплохие, КСВ меньше 1.1 даже несмотря на легкую помятость.
Сравнить так просто с готовыми антеннами не получится, у прибора разъемы SMA и у самодельных антенн такой же, а для WiFi используются RPSMA, надо переходник делать и по новой калибровать прибор с подключенным переходником.
Вот что видим — антенны, сделанные кривыми ручкам, оказались лучше, чем фабричные антенны.



Еще у меня давно лежит направленная антенна-тарелка, работала вполне пристойно — посмотрите, как лихо диаграмма закручена:



Анализатор можно подключить к компьютеру, существуют две программы: NanoVNA-QT и NanoVNA Saver — обе программы работают как с Windows, так и с Linux. Хотя видно на них все намного лучше и можно использовать больше точек, но есть свои гадости. Готовые калибровки эти программы не используют, нужно калибровать по-новой и сохранять данные на компьютере. Но откалибровать мне не удалось ни разу — пока меняешь калибровочные заглушки, непременно потревожишь USB кабель, все вылетает, и начинай сначала. Может, я с этими программами просто до конца не разобрался, поигрался несколько часов и мне надоело, с антеннами проще делать измерения в автономном режиме.
Ссылки на программное обеспечение здесь

Маленький нюанс подключения к компьютеру — сначала нужно включить прибор, а только потом подключать USB кабель, иначе не работает.
При желании можно и к телефону анализатор подключить — похоже, программу наш соотечественник писал. Полезно или нет — не пробовал.
Для прибора доступны более свежие прошивки, но ничего сверхъестественного в более свежих прошивках не нашел, поэтому решил — не трогай технику, она не подведет. Особенно после того, как прочитал в интернете, как один товарищ мучился после обновления точно такого же анализатора, как у меня.
Кстати, на авторском сайте пишут, что китайские клоны сильнее шумят, чем оригиналы. Проверил — ничего подобного, никакого лишнего шума не наблюдается (большая диаграмма внизу).



Инструкция на английском — на авторском сайте.

Часто народ жалуется, что у nanaVNA нет индикатора разрядки батареи — видимо, инструкцию не читали и не обратили внимания на 4 красных светодиодика на плате, недалеко от USB разъема — именно они и показывают уровень зарядки. В моем экземпляре с металлическими боковинами эти светодиоды видны только на просвет.
Если при отключении питания эти светодиоды сразу не погаснут — не паникуйте, это так задумано. Погаснут позднее сами.

Игрушка, скажу вам, занятная. У меня давно валяется куча антенн, накупленных у китайцев, на 868 МГц и 433 МГц. С помощью векторного анализатора агнцы от козлищ отделяются за минуты. На 433 МГц одна антенна оказалась хорошей, две — более-менее. С 868 МГц все оказалось гораздо печальнее — ни одной приличной антенны не нашлось, а половину из них даже антеннами назвать нельзя. А самодельные оказались вполне неплохими. Вот и верь после этого людям продавцам антенн.

История покупки.
При чтении имейте в виду, приобретался анализатор в середине февраля и статья начинала писаться сразу же после заказа. Такого крутого поворота событий тогда мало кто ждал.
В то время внутренний шопоголик вдруг обнаружил — покупать-то нечего. Или все, что надо и по карману, уже есть, или не надо. Прямо философский вопрос — а что бы мне похотеть? Где-то в интернетах увидел — у векторного анализатора nanoVNA появилась новая версия — до 3 ГГц, которая может даже до 4.4 ГГц работать. Вот это то, что надо! Только это надо было лет 10 назад, а сейчас вроде как и не совсем надо или совсем не надо. А вдруг пригодится? Тем более, что цена для такой штуки в Banggood неплохая для такой вещи — 85 баксов. Везде или дороже, или старая версия, которая до 900 МГц на гармониках едва дотягивает. Думал я и сомневался… Решил попросить скидку у Banggood — если дадут, куплю. И ведь дали! — спасибо одному из здешних постоянных авторов. Первый раз код почему-то не прошел — кто-то его уже использовал. Но со второго раза прошло.



На сайте было написано, что будет доставлено до 8 марта. Дело было 14 февраля, после оплаты появилась новая надпись — выслана будет до 21 февраля. Как-то неправильно, если идти по праздникам, должно быть 14 — 23 — 8. Собственно, так и вышло — посылку пометили, как высланную, как раз 23 февраля. Правда, почта об этом еще несколько дней ничего не знала. А на 8 марта был сюрприз — на e-mail пришло сообщение от таможни с требованием заплатить им денег (24% от цены, включая доставку) и еще 2.90 евро местной почте за беспокойство.
По нынешним реалиям все это чушь собачья и кого это может волновать?
Тем не менее вот так — несмотря на то, что на сайте Banggood написано, что в цену налог с продаж уже включен, видимо, халявщиков это не касается и скидка до какой-то степени компенсируется необходимостью самому платить налог. Не гонялся бы ты, поп, за дешевизной :) — вполне можно было найти какой-нибудь купон и заплатить в итоге ту же сумму, и при этом никому ничего не обязан. А я обещался в обмен на этот купон обзор написать — и вот он перед вами.

Я не уверен, доступен ли сейчас анализатор из России — что-то не очень хорошее происходит. По крайней мере, когда я попросил скидку для читателей, мне сказали, что он не доступен больше для заказа.

Если вам понравилась новая игрушка — в следующий раз можно с помощью MMANA-GAL спроектировать простейший V-диполь, проверить его соответствие расчетам и, при необходимости, настроить.