VNA oder nanoVNA wozu ist sowas gut?

Welche passive Aussenbeschaltung wäre im RF Demo Kit für das 10,7 MHz Keramikfilter geeignet gewesen, damit eine hinreichende Ausgangsanpassung (330 Ohm Filterausgangsimpedanz auf 50 Ohm VNA Port 2 Eingangsimpedanz) gegeben ist?

Das lässt sich wieder durch Simulation bestimmen.

Zunächst eine Überprüfung der verwendeten Filterersatzschaltung nach Testschaltung der Filterhersteller-Vorgabe (Referenzschaltung):

• Generator mit 330 Ohm Ausgangsimpedanz
  
• Filterausgang mit 330 Ohm abgechlossen
  

Referenzschaltung in RFSim99
Hier ist beim Smith Chart zu beachten, dass in diesem Fall, abweichend von der regulären 50 Ohm Portimpedanz, auf 330 Ohm Portimpedanz normiert wurde, dmit der Sollwert an "gewohnter Position" erscheint.

S11 Smith Chart (Reflexion am Eingang)
Ich habe mit meiner 10,7 MHz Keramikfilter-Ersatzschaltung (zur Simulation) nicht ganz die 330 Ohm Ein- und Ausgangsimpedanz des Datenblatts erreicht, sondern nur 297 Ohm. Das ist aber recht nahe (ca. -10%) dran, so daß die nachfolgenden Ergebnisse immer noch befriedigend verwertbar sind.


S22, (Reflexion am Ausgang), dito
Das Keramikfilter ist symmetrisch. Ein- und Ausgang sind vertauschbar.


S21 (Einfügedämpfung, Durchlasskurve) und S11


Das Simulations-Testmodell des Keramikfilters erreicht nahezu die theoretisch maximale Einfügedämpfung (in der Praxis wenigstens 3-4 dB schlechter, meist aber -6 bis -7 dB)
Die Ein-und Ausgangsimpedanzen sind ausreichend gut getroffen (300 Ohm)
Die Durchlasskurve ist symmetrisch zu 10,7 MHz und weist das gewünschte Plateau im Durchlassmximum auf.

Das Filter-Modell ist gemäss den Ergebnissen geeignet, um daran die passive Anpassung der ZF-Filter Testschaltung (insbesondere den 330 Ohm Filterausgang) für den Anschluß an die 50 Ohm Ports des VNA zunächst im Simulationsmodell zu prüfen bevor sie in die Praxis umgesetzt wird.


Modifikation der ZF-Filtertest-Referenzschaltung für Anschluss an VNA (50 Ohm Ports)
Die Modifikation bezieht such nur auf den Keramikfilter-Ausgang. Die Beschaltung des Eingangs bleibt wie im RF-Demo Kit (Nr.6) unverändert. Der VNA hat damit bereits die korrekte 50 Ohm Lastimpedanz. Die Generatorquellimpedanz von 330 Ohm, die das Filter benötigt wird zusätzllich zur 50 Ohm Generatorausgangsimpedanz durch einen Serienwiderstand von 270 Ohm aufgebracht, entsprechend der Filterhersteller-Datenblattvorgaben. Die Modifikation nach dem Filterausgang mit einem Anpassglied ist so bemessen, dass das Keramikfilter einen 330 Ohm Abschluss "sieht" und der Ausgang des Anpassgliedes eine Ausgangsimpedanz von 50 Ohm aufweist, die der VNA (Port 2) benötigt:


R_VNA_Port_2 ( 50 Ohm) ist kein Bestandteil der Anpassungsschaltung sondern interner Bestandteil von Port 2 innerhalb des VNA.

Angepasste Testschaltung für 50 Ohm Ein- und Ausgänge für Messung mit dem VNA:

Ergebnisse mit RFSim99:
Es wird regulär auf Ports mit 50 Ohm Normimpedanz bezogen.

S11

50 Ohm Eingangsimpedanz, ok.


S22

50 Ohm Ausgangsimpedanz (bei 10,7 MHz), ok


S21

Der Verlust durch die Ausgangsanpassung von 330 Ohm auf 50 Ohm beträgt 13,6 dB (= Faktor 4,75). Das gleiche Ergebnis gibt es mit LTSpice:

LTSpice:


Zum direkten Vergleich der Durchlasskurve mit der Referenzschaltung und der auf 50 Ohm angepassten Schaltung wird S21 der angepassten Schaltung um 13,6 dB nach oben verschoben (= mit dem Faktor 4,75 multipliziert). Die Durchlasskurven sind dann praktisch deckungsgleich, ohne unsymmetrische Verformung, wie sie bei Fehlanpassung vorhanden wäre.

Beide Durchlasskurven übereinander (S21 der auf 50 Ohm angepasten Schaltung um +13,6 dB (Faktor 4,75) nach oben verschoben):



Praxistest folgt.
Ich erwarte hiernach S21 bei ca. -20 dB, wenn ich von einer praktischen Filtereinfügedämpfung von 6 bis 7 dB ausgehe. Gegenüber der Einfachschaltung auf dem RF Demo Kit ist damit an Pegel nicht wesentlich etwas gewonnen. Aber auf die Symmetrie der S21 Durchlasskurve und das Plateau sollte die korrekte Anpassung Einfluss haben.

Gruß
Reinhard

Den Match Assistenten hatte ich auch verwendet.

Hier die R-Alternative, auf die Andreas aufmerksam gemacht hat, im Vergleich zur vorher gezeigten LC-Anpassung:



Mit der R-Anpassung, verliere ich gegenüber der LC-Anpassung nochmal 13,7 dB zusätzlich, insgesamt dann 27,4 dB Dämpfung, wenn die Filter-Einfügedämpfung nur 0,1 dB wäre. Mit der tatsächlichen Einfügedämpfung von 4-7 dB gehts dann auf -31 bis -34 dB in den Keller. Das ist hier schon heftig.


Vergleich der Referenzschaltung (blau) mit der LC-Anpassung (grün) und mit der R-Anpassung (rot)

blau = Referenzschaltung 330 Ohm / 330 Ohm nach Hersteller-Datenblatt: Anpassverlust 0 dB
grün = LC-Anpassung für 50 Ohm Ausgang: Anpassverlust -13,6 dB (Verlust durch Eingangsteiler für R-Anpassung an 50 Ohm, Port1)
rot = R-Anpassung für 50 Ohm Ausgang: Anpassverlust: -27,3 dB (Verlust durch Eingangs- und Ausgangsteiler für R-Anpassung an beide Ports)




Alle drei übereinander, nach entsprechender Skalierung der beiden angepassten Schaltungen:




Einfachere LC-Anpassung für Ausgang 50 Ohm
So wenig Bauteile wie möglich. Daher ist in der Praxis eine einfachere LC-Anpassung mit nur zwei Bauteilen vorzuziehen, um parasitäre Einflüsse zu minimieren:



Der dadurch entstehende Verlust ist der gleiche, wie bei der 5-Bauteile LC-Anpassung: -13,6 dB (dem Anpassverlust am Eingang durch den 270R/52R Teiler geschuldet):

blau = Referenzschaltung 330 Ohm / 330 Ohm nach Hersteller-Datenblatt: Anpassverlust 0 dB
grün = LC-Anpassung mit 5 Bauteilen für 50 Ohm Ausgang: Anpassverlust -13,6 dB
rot = LC-Anpassung mit nur 2 Bauteilen für 50 Ohm Ausgang: Anpassverlust -13,6 dB






Der Anpassverlust ist vermeidbar, wenn auch die Eingangsanpassung vom R-Teiler auf L/C umgestellt wird:

Verlustfreie Anpassung an 50 Ohm für Eingang und Ausgang






Werde ich ausprobieren.
107 pF und 111 pF Kerkos finde ich entweder durch Selektieren oder muss jeweils zwei Kerkos passend parallel schalten.
1,8 µH und 1,65 µH Luftspulen sind etwas kniffeliger. Ist evtl. die gleiche Spule, die auf den "passenden" Wert verbogen werden kann.


Gruß
Reinhard

Eine weitere Anwendung für den VNA: Verstärkungsfaktor eines HF-Verstärkers messen

Ich habe mir eines der laufend auf den Verkaufsplattformen (ebay, AliExpress) aus China angebotenen Verstärkerplatinchen dafür ausgesucht. Für weniger als 6 € und kostenlosem Versand kann man damit nicht viel falsch machen, auch nicht selbst bauen.

Das untersuchte ist dieses, mit dem MMIC-Chip HMC580ST89. Der ist inzwischen vom Hersteller abgekündigt und bereits obsolet. Vermutlich sind deshalb solche Restbestände in Asien günstig erhältlich, die Applikationsplatine dafür ist denkbar einfach und für alle diese 1-Chip HF-MMIC Verstärker gleich. Nur deshalb ist so ein Preis möglich. Der Platinenaufdruck (5 MHz - 6 gHz) stimmt nicht ganz, früher wurde dieser Platinentyp offensichtlich mit einem anderen IC bestückt. Nicht dramatisch, denn der Verstärker wurde korrekter für "1 - 1000 MHz" angeboten.



Das Herstellerdatenblatt gibt für den HMC580ST89 diese Daten an:

Frequenzbereich
5 MHz – 1 GHz

Rauschzahl:
2,8 dB (typisch)

Verstärkung:
F = 5 MHz Verstärkung = 24 dB
F= 30 MHz Verstärkung = 23 dB
F = 100 MHz Verstärkung = 23 dB
F= 150 MHz Verstärkung = 23 dB
F = 420 MHz Verstärkung = 21 dB
F = 750 MHz Verstärkung = 19 dB
F=1000 MHz Verstärkung = 17 dB

Maximale Ausgangsleistung: +22 dBm (170 mW) bei 1 dB Komprimierungspunkt
Betriebsstrom: 88mA (5V)
Versorgungsspannung: 3,3-5,5 V (DC); 5 V nominal
Systemimpedanz: 50 Ohm

Damit ist schon festgelegt, was auch die Messung ergeben müsste.


Vorabmessung der Verstärkung ohne VNA

Zur Vorabprüfung der Verstärkung kann man einen Signalgenerator (mit 50 Ohm Ausgangsimpedanz) mit einem Oszilloskop verwenden, an dessen Eingang man mit einem T-Stück mit 50 Ohm abschliesst (wichtig!). Man misst bei einem fest eingestelltem Ausgangspegel des Signalgenerators die Sinus-Amplituden (bzw. Effektivspannungen), erst ohne den Verstärker, dann mit dem Verstärker dazwischen bei verschiedenen Frequenzen. Das Verhältnis der Amplitude mit dem eingeschleiften Verstärker zur Amplitude ohne Verstärker ist der Verstärkungsfaktor (V).

Umrechnung in das dB-Maß dB = 20 x log(V)
10-fache Verstärkung = 20 dB

Ich habe es etwas anders, nämlich mit meinem Eigenbau (dBm) Powermeter, gemacht, das selbst schon eine Eingangsimpedanz von 50 Ohm hat, also direkt an den Verstärkerausgang bzw. den Signalgeneratorausgang angeschlossen werden kann. Es zeigt die an 50 Ohm anfallende Leistung direkt in dBm an 0 dBm entspricht 1 mW an 50 Ohm. Umrechnung: dBm = dBV +13 (1 Veff an 50 Ohm entspricht +13 dBm). Ich muss nur nuch die abgelesenen dBm-Werte am Signalgeneratorausgang von denen am Verstärkerausgang abziehen. Diese Differenz ist die Verstärkung im Maß dB.

Das Powermeter ist sehr sorgfältig kalibriert. Ich kann eine absoluten Genauigkeit von besser als +/- 0,5 dBm im Frequenzbereich von ca. 8 MHz bis 140 MHz und Pegeln von -70 dBm bis +10 dBm damit erwarten.
So gemessen, liefert der genannte Chip-Verstärker die nachfolgende Verstärkungsfunktion von 1 MHz bis 140 MHz (das ist die maximale Frequenz meines Signalgenerators):



Bei 1 MHz ist die Verstärkung nur 12 dB, steigt dann schnell an, erreicht bei 10 MHz 22,85 dB, ist ab ca. 15 MHz bis ca. 70 MHz konstant bei 23,0 dB, um danach ganz seicht auf 22,5 dB bei 140 MHz abzufallen (das kann man bei nur 0,5 dB immer noch als praktisch konstant ansehen).

Die Angabe des Verkäufers, der Verstärker sei auch für 1 MHz noch geeignet, ist zwar grundsätzlich nicht falsch, aber konstante Verstärkung von 22,5 (-0,5 dB) dB hat man erst ab ca. 7 MHz, bis 140 MHz).



Messung der Verstärkung mit dem VNA

Es gilt, umsichtig zu Werke zu gehen!
Der VNA verträgt nur höchstens +20 dBm an seinem Port2, die ein Verstärker u.U. weit übertrifft. Das würde den VNA zerstören. Da z.B. dieser Verstärker bis +23 dB Verstärung hat, wäre bei 0 dBm Ausgangspegel des VNA (Port 1), der maximal zulässige Pegel an Port 2 bereits deutlich überschritten. Es kommt erschwerend noch dazu, dass der lt. User-Manual der tatsächlich von meinem NanoVNA-F von Port 1 gelieferte maximale Pegel +10 dBm beträgt (ich habe das bei Nachmessung bestätigt gefunden), obwohl die Angabe in der Tabelle der Technischen Daten von max. -9 dBm und im Displaymenü von + 1 dBm dazu im Widerspruch steht. Also nochmal eine Schippe Vorsicht mehr!

Ausserdem ist der maximal zulässige Eingangspegel am Verstärker-Chip zu beachten, der im Datenblatt mit +10 dBm angegeben ist.

Man kann/darf also nicht einfach den Verstärker direkt an Port 1 und Port 2 anschliessen!

Die sichere Methode ist die Dämpfung des Ausgangspegels von Port 1 des VNA, und zwar um den Wert der erwarteten Verstärkung. Ich habe also mit dem variablen Abschwächer, den ich in diesem Thread anfangs vermessen hatte), eine Dämpfung von -20 dB eingestellt und ihn direkt hinter Port 1 des VNA eingeschleift, bevor es von dessen Ausgang in den Verstärkereingang geht. Es muss dann natürlich der VNA unter Einbezug des Dämpfungsstellers neu für diesen Messaufbau kalibriert werden.

VNA-Messung der Verstärkung:

Zunächst 1 MHz bis 140 MHz (gleicher Bereich, wie vorher mit dem Powermeter gemessen):



Der Unterschied zwischen der Powermeter-Messung und der VNA-Messung beträgt nur 0,15 dB (Verstärkung, bzw. S21). Die Werte mit dem Powermeter gemessen, sind um 0,15 dB höher als die der VNA-Messung. Besser kann man wirklich nicht erwarten! Ich war selbst überrascht über die unerwartet hohe Übereinstimmung.

Schliesslich noch der Verlauf bis zu 800 MHz gemessen. Bei 800 MHz ist die Verstärkung auf 17 dB abgefallen, zufriedenstellende Übereinstimmung mit dem im Datenblatt des Verstärkerchips bei dieser Frequenz gezeigten Wert.




Gruß
Reinhard