«Нано», но не по пользе: обзор векторного анализатора NanoVNA-H

Ковыряясь в высокочастотных схемах в принципе, а работая со средствами связи УКВ-диапазона тем более, неизбежно обрастаешь инструментом — одним дедушкиным стрелочным вольтметром тут не обойтись. Другое дело, что при листании каталогов всевозможного измерительного добра внутренняя Жаба начинает не просто душить, а еще и нашептывать, что две почки для человека — это непозволительная роскошь…

Немного матана

Начнем с занудной теории: любое устройство, работающее в цепи переменного тока (не обязательно таких уж высоких частот, просто с ростом частоты это все критичнее) можно представить в виде n-полюсника, который для нас внутри — черный ящик, и знаем мы только то, что отражается от одного порта (т.е. одного из полюсов), и что рассеивается от него по дороге к другому порту.

Характеристики этого черного ящика описываются матрицей так называемых S-параметров размера n*n, где в верхнем левом углу у нас S11, а в нижнем правом Snn. Физический смысл индексов прост — первая цифра обозначает «выхoд», а вторая — «вход». То есть в случае с Sxy мы говорим о передаточной характеристике от y к x (рассеивание, ибо в «черном ящике» мы видим только потерю энергии, что с ней происходит — неизвестно), а в случае с Saa — об отражении энергии при подаче сигнала на порт a, ибо вход и выход энергии едины. У простейшего участка цепи, имеющего только два порта — например, у фильтра, мы получим четыре S-параметра (матрица 2х2), из которых именно для фильтра наиболее интересен S21 — передаточная характеристика «вход->выход». В случае с антенной, имеющей только вход, характеристика вообще только одна — S11, отражение от входа. У идеальной антенны его нет (КСВ=1), но в реальности…

В обычной радиоэлектронной практике мы как раз имеем дело в основном с двумя случаями — двухполюсник типа фильтра или резонатора и однополюсник типа антенны. Соответственно, по сути наиболее востребованы замеры S21 и S11.

Ладно, а почему речь идет о векторном анализаторе, если только что были матрицы (если кто прогуливал или вовсе не застал самые азы линейной алгебры, то вектор — это две точки с направлением)? Потому что у любой цепи A->B, в том числе и у антенны, где В — это окружающее пространство без физического выхода в виде порта, есть импеданс (Z), а он в цепях переменного тока имеет как активную (то самое U/I из закона Ома для постоянного тока на уроках Марьванны — R), так и реактивную составляющую X (определяемую емкостным и индуктивным сопротивлением). Вот вам и векторы для наглядности:

Таким образом, простейший векторный анализатор представляет собой перестраиваемый сигнал-генератор, замеряющий уровень сигнала, прошедшего через подключенную к нему цепь (то есть тот самый параметр S21), и сопоставляющий его с исходным по амплитуде и фазе. Но, если его научить еще и мерять отражение на выходе генератора (S11), то и получится как раз то, что нужно.

Кто или что есть NanoVNA?

Прошу прощения, не удержался от отсылки:

Но, увы, специализированное измерительное оборудование недешево. С другой стороны, в радиолюбительской практике нередко достаточно «показометра» — так ли нужен Fluke с сертификатом Госреестра, когда есть под руками Mastech (и его точности хватает), и уж тем более критична ли полоса в несколько гигагерц при большом динамическом диапазоне, если нужно просто более-менее посмотреть на работу резонатора или антенны, работающих не в СВЧ?

Так и появилась NanoVNA, или ласково «нановна» — DIY-проект векторного анализатора, разработанного в open source японцем Edy555— и, внезапно, эта конструкция «из спичек и желудей» оказалась очень даже ничего. Настолько, что проект подхватили китайцы — сначала hugen79, научивший схему работать на гармониках (изначально NanoVNA работала только до 300 МГц в силу ограничений «железа», а у него — до 900, а потом и вовсе залезла в гигагерцевый диапазон), затем Cho45 научил ее измерению TDR (например, для того, чтобы узнать длину кабеля с известными характеристиками или, наоборот, снять характеристики при известной длине), а DiSlord довел ПО до ума (и продолжает это делать: последний релиз прошивки на момент написания — от 8 апреля 2024 года). И эта идея не то что «взлетела», а стала настолько популярна, что клонировать конструкцию начали совсем уж на коленках безымянные китайцы с Алиэкспресса, собирая ругательства в отзывах… но все равно продавая одну «нановну» за другой. «Православной» же будем считать именно «хугеновскую» — в вариантах NanoVNA-H с экраном 2,8 дюйма и NanoVNA-H4 с 4-дюймовым экраном. Вообще же вариаций на тему расплодилось с 2019 года множество.

Что она может?

NanoVNA — именно что «нано», карманный векторник с двумя портами, способный снимать характеристики S11 и S21, а затем выводить их в виде нужного графика (например, в виде диаграммы Вольперта-Смита) или производить нужные расчеты (наподобие той же длины кабеля). «Думает» она процессором STM32, выводит данные на резистивный тачскрин и с него же управляется (управление дублирует манипулятор-«качалка» сверху).

Есть возможность пользовательской калибровки, сохранения снятых данных и самих калибровок на SD-карту. Питается это все от небольшого литий-полимерного аккумулятора, заряжаемого через порт type-С. И, что самое вкусное, через тот же порт можно не только обновлять прошивку, но и использовать «нановну» в качестве интерфейса для планшета или ПК. Последнее вовсе расширяет ее возможности кратно — в частности, дело в том, что, независимо от заданного диапазона, замер всегда происходит в 101 точке, что для нескольких килогерц некритично, а вот в полосе на сотню мегагерц — мало. Программа NanoVNA-App же может не только проводить замер вплоть до 25601 точки (разбивая диапазон на части по 101 точке, а затем сшивая графики), но и калиброваться с таким же количеством точек. А вот это уже делает карманную «нановну» отличным инструментом.

Ладно, в чем подвох?

Он очевиден — простейшая схемотехника, китайские комплектующие. Даже при работе на несущей (до 300 МГц) динамический диапазон у приборчика составляет 70 дБ, а это немного. По мере перехода от гармоники к гармонике он падает сначала до 50 дБ (300-600 МГц), затем до 40 дБ (600-900 МГц)… Добавляем «швы» при переходе между диапазонами (которые иногда мешают), отнюдь не эталонную помехозащиту и линейность характеристик — ну да, это по сути своей «показометр». Но стоящий своих денег до копейки (или юаня) — если не залезать дальше 70-см диапазона (что мне и не надо), «нановна» незаменима.

И, собственно, обзорец

Заказывал именно NanoVNA-H, а не более крупную Н4, специально — работать планировалось (и на практике так и происходит) в основном через ПК, так что размер экрана был вовсе не критичен, а, если уж она понадобится в автономном виде — то есть планшет, да и на худой конец никаких проблем с 2,8-дюймовым экраном у меня нет.

Приходит «нановна» вот в такой картонной коробке, вполне приличной и прочной. Почтой России проверено.

Внутри на пластиковой вставке «живут» сама NanoVNA и принадлежности к ней:

Не хватает на фото только бумажки с блок-диаграммой структуры меню — давно выкинута за ненадобностью, да и все равно в последней прощивке меню переделано.

Принадлежности отдельно:

Два коротких пигтейла с разъемами SMA-male (для снятия S21 их можно подключить к макетке NanoVNA Testboard — элементарно ищется на Алиэкспрессе и иже с ним), кабель type-C для подключения к смартфону или планшету, стилус, ремешок с пластиковым «медиатором», который, очевидно, при использовании «на ходу» заменяет стилус, три калибровочные заглушки (цельнолатунные — «пустая» OPEN и короткозамкнутая SHORT, составная — эталон нагрузки 50 Ом LOAD) и соединитель SMA-female. Для полного счастья не хватает только переходника c SMA-malе на обоих концах, чтобы подключать антенны SMA-female не через пигтейл. Его докупил отдельно:

Еще стоит добавить вторую нагрузку 50 Ом — для полной калибровки их нужно две, с одной откалиброваться можно только под замер S11.

Сама «нановна» — размером меньше пачки сигарет. Интерфейс и управление — спартанские, но к этому привыкаешь быстро, а потом и вовсе подключаешь к компьютеру (только кабель берите с ферритовым фильтром или сами его поставьте — показывать будет точнее).

Сзади — наклейка с информацией и QR-кодом.

На наклейке косячок-с: диапазона 300-900 у «нановны» быть не может, да и заказывал я без 900-1500, ибо на таких частотах она все равно совсем уж «показометр», а толку от них нет: для антенн Wi-Fi мало, для раций — много.

Оба порта сделаны на разъемах SMA-female, что, конечно, понятно в силу размеров корпуса, но непрактично. Разъемы SMA в принципе не создавались для частой перекоммутации (в конструкцию заложено 500 раз, сколько у китайцев на практике — как повезет), для этого нужно что-то наподобие BNC. Из плюсов — антенны портативок SMA-male можно подключать прямо так.

Сверху — порт type-C, выключатель питания (под ним виден индикатор: синий — работа, красный — зарядка аккумулятора) и качалка управления. Работает она вправо-влево (выбор в меню, перемещение маркера) и на нажатие (переход по меню и подтверждение). Со стилусом, замечу, удобнее.

С противоположной стороны — слот для карты microSD. Полезен он уже хотя бы возможностью сохранения на ней калибровок для разных диапазонов, с пигтейлом и без (не забывайте, что сама по себе NanoVNA делает замер только по 101 точке, так что калибровка «от сих до сих», то есть от 50 кГц до 900 МГц, точной не будет ни разу).

Меню вызывается нажатием на качалку или кликом в правый край экрана стилусом. Возврат из меню — снова стилусом по рабочей области, или «влево-влево» по уровням меню качалкой. Как пример — верхний уровень меню DISPLAY:

Разводить стену текста по калибровке, настройкам и функциям меню и так далее, думаю, нет смысла — это все-таки обзор, а не гайд. Давайте лучше что-нибудь померяем.

Порывшись по углам, откопал старую антенну от «Баофенга». UV-82 вроде бы, не помню уже. Вот и купленный переходник пригодился:

В меню задаем полосу от 100 до 500 МГц (STIMULUS->START->100M и STIMULUS->STOP->500M), сглаживание графика x5 (будет выглядеть плавнее, DISPLAY->DATA SMOOTH->x5), единственный график (убираем галочки через DISPLAY->TRACE у TRACE 1, TRACE 2 и TRACE 3, чтобы не мешали), настраиваем на отображение КСВ (DISPLAY->TRACE->FORMAT S11 (REFL)->SWR), а маркеру велим динамически отслеживать минимальное значение (MARKER->SEARCH MINIMUM, MARKER->TRACKING). Запускаем… Опс:

А антенна-то однодиапазонная, хотя точно стояла на двухдиапазонной рации. Вот вам и пирожки с котятами — и гадай, почему же на двухметровом диапазоне никто не слышит? Да, собственно, и на «семидесятке» антенна ни о чем: спад и нарастание графика крутые, а минимум КСВ — чуть выше 400 МГц. С противовесом в виде тела график уползет еще левее. Тут все настолько очевидно, что второй график с имитацией оного противовеса и снимать нет смысла. Привет «Баофенгу»!

Впрочем, сейчас раздастся вопрос: мол, а почему бы какой-нибудь КСВ-метр не купить типа Surecom SW-33, он заодно еще и мощность покажет? А все просто. Во-первых, КСВ-метр покажет КСВ в единственной точке — на частоте передачи. А чтобы понять, какой вообще жизнью живет антенна, сколько замеров вручную надо будет сделать? Вот именно. Во-вторых, не КСВ единым, и в этом и цимес «нановны», которая может куда больше, и не только с антеннами. Ибо, как известно, если прикрутить вместо антенны 50-омную нагрузку, КСВ у нее будет ухх какой — стремящийся к единице. А ни приема, ни передачи не будет.

Вот тут-то и начинает играть всеми красками его величество векторный анализ. Давайте посмотрим у той же антенны как раз на ее реактивность (DISPLAY->TRACE->FORMAT S11 (REFL)->REACTANCE):

У вышеупомянутого нагрузочного резистора реактивность во всем диапазоне стремилась бы к нулю, а импеданс был бы ровнехонько 50 Ом. Тут же, как видите… Ну да, практически нулевая реактивность как раз в той точке, где у нас был минимум КСВ, а на 165 МГц лютый пик — до 275 Ом. И почему бы это антенна не работала? И посмотрим заодно на импеданс по модулю (DISPLAY->TRACE->FORMAT S11 (REFL)->|Z|):

Полный импеданс в положенные 50 Ом вновь в точке минимума КСВ, максимум все там же на двойке. Небольшой разнобой есть, ибо снимается все на столе и «показометром», да и шевеление моего тела с камерой рядом чувствуется. Картина, впрочем, очевидная уже по трем параметрам — антенну в помойку. А удобнее всего это, конечно, сводить сразу в диаграмму Вольперта-Смита, но об этом уж точно не сегодня.

Ну и давайте на вкусное, все равно этого ждали:

А что у нее внутри?

А внутри у нее NanoVNA.

Все, кроме дисплея, уместилось на одной стороне платы. Радиочастотные тракты S11 и S21 — под индивидуальными экранами. Конструкция звезд с неба не хватает, но свою задачу полезного «показометра» выполняет более чем.

Итог

Вообще ни грамма о покупке не жалею.