Vektorieller Netzwerkanalysator Lite VNA 64

Der VNA hier ist der große Bruder zum NanoVNA, den Reinhard vor einiger Zeit vorstellte:
VNA oder nanoVNA wozu ist sowas gut?
Reinhard schrieb dort viel Informatives, gerade für Einsteiger, die VNAs nicht kennen.
Auch gibt es bei ihm viele Praxisbeispiele, was man mit so einem Kasten machen kann.

Wer kauft sich für Hobbyanwendungen einen Vektoriellen Netzwerkanalysator?
Am ehesten sind es die Funkamateure, nicht selten für Resonanzmessungen an Antennen.
Werde ich vermutlich mal zeigen, man kann sich auf dem Bildschirm direkt das SWR anzeigen lassen.
Mit dem kleinen Ding steigt man aufs Dach und kann am Speisepunkt der Antenne messen.
Dann interessieren den Funkamateur Filter, die er häufig selbst baut.
Das können Oberwellenfilter sein oder auch auf Amateurfunkbänder zugeschnittene Empfangsfilter.
Meist schöpft der durchschnittliche Funkamateur nicht alle Möglichkeiten eines VNAs aus.
In aller Regel reicht für die genannten Anwendungen locker ein NanoVNA für z.B. 50 Euro.

Bei mir ist es anders, ich will mit so einem Netzwerkanalysator schon ein paar Sachen mehr machen.
Deswegen entschied ich mich für ein aufwendigeres Modell, was ich hier vorstelle.
Bei eleshop.de kostet die Version 64 mit Display 4 Zoll aktuell günstige 172 Euro:
eleshop.de/litevna.html
Aufpassen, manche Händler bieten Billigversionen an, die die Spezifikationen nicht einhalten.
Der hier vorgestellte LiteVNA 64 ist von eleshop, Hersteller Zeenko China, Model ZN-406.

Schauen wir uns die Spezifikationen an, erstes Bild.
Es ist die Version mit >90 dB, wird bis 3 GHz sauber eingehalten, sofern kalibriert.
Bei mir war zum Test Port2 mit 50 Ω abgeschlossen, Anzeige meist um -100 dB bei 500 MHz.
Ähnlich ist es mit S11, teilweise sogar besser -50 dB, stark abhängig von der Kalibrierung.
Im Anhang als PDF die Anleitung erster Teil, nur Bedienung am Gerät.
Die ganze Anleitung mit zweitem Teil Anschluss an PC kann man sich bei eleshop herunterladen.
Noch mache ich mich mit dem Gerät vertraut, habe bei weitem noch nicht alles durchprobiert.
So viel kann ich jetzt schon sagen, ich halte den LiteVNA 64 für empfehlenswert.

Im nächsten Bild der VNA im Kästchen, wie ihn eleshop lieferte, gerade ausgepackt.
Lieferumfang:
LiteVNA 64
2 x SMA-Kabel 30 cm
Kalibriersatz "SOLT"
USB-Kabel
Übersicht Menüstruktur
Eine gedruckte Bedienungsanleitung ist nicht mit dabei, nur der Zettel Menüstruktur.
Die beiden SMA-Kabel mit je 30 cm Länge sehen vertrauenserweckend aus.
Auf den Kalibriersatz gehe ich später ein, vermutlich nächster Beitrag.
Eine SD-Karte ist nicht dabei.
Aufpassen, laut Bedienungsanleitung sind nur SD-Karten kleiner 32 GB geeignet.
Verbindet man den VNA über USB mit einem PC, wird man eine Speicherkarte nicht benötigen.

Demnächst wird es noch einige Fortsetzungen geben.
Zuerst sollte man das Gerät kalibrieren, zeige ich.

Andreas

Erste Inbetriebnahme und Kalibrierung

Normalerweise juckt es einen, ein Gerät sofort auszuprobieren, ohne vorher lange die Anleitung zu lesen.
Kann man hier machen!
Man muss nichts anschließen, wenn man lediglich erste Bedienschritte ausprobieren will, Menü.
Nach dem Einschalten, kleiner Schiebeschalter, bootet der VNA, geht schnell, etwa eine Sekunde.
Was man dann sieht, ist etwa so wie im ersten Bild, da war allerdings schon was an Port1 angeschlossen.
Rechts neben dem Einschalter am Gerät befindet sich eine Art einfaches Mausrad.
Bewegt man es nach links oder rechts, nicht drücken, kann man die Marker auf dem Bildschirm verschieben.
Drückt man das Rad, kommt man ins Menü, wählt was aus und nochmaliges Drücken ist dann Enter.
Die Anzeige ist ein Touchscreen, Bedienung mit Finger oder Fingernagel funktioniert halbwegs brauchbar.
Standardeinstellung, Werkseinstellung für den Frequenzbereich, ist offensichtlich 10 MHz bis 3 GHz.
In den allermeisten Fällen ist der Bereich viel zu weit, kann man einfach abändern.
Etwas fummelig, klickt man ganz unten im Touchscreen START oder STOP an, kann man den Wert abändern.
Alternativ wählt man im Menü "STIMULUS" und dann je nach Bedarf "START" oder "STOP".
Dann kommt ein Bildschirm mit Ziffernblock ähnlich wie auf einer PC-Tastatur.
G, M, K und x1 sind die Zehnerpotenzen, hier GHz, MHz, kHz oder x1 für direkt in Hertz.

Bevor man ernsthaft mit dem Netzwerkanalysator misst, muss kalibriert werden.
Macht man das nicht, bekommt man spätestens oberhalb Kurzwelle Mondphase und Kaffeesatz angezeigt.
Man lege sich den beiliegenden Kalibriersatz "SOLT" zurecht.
SOLT ist die Abkürzung für S = short, O = open, L = Load (50 Ω) und T = thru.
Leider sind die Dinger nicht gekennzeichnet, jedoch leicht identifizierbar.
S ist das Ding, was innen einen Pin hat und direkt mit dem Außenleiter, Schirm des Kabels, verbindet.
O ist ganz leicht erkennbar, sieht ähnlich aus wie S, hat jedoch keinen Pin, eine Art Hutmutter.
L ist nicht mehr so leicht erkennbar, sieht ähnlich aus wie S, ist jedoch etwas länger.
Ist man im Zweifel, nimmt man ein Ohmmeter zur Hilfe, muss dann brauchbar 50 Ω anzeigen.
T ist einfach nur ein Doppelweibchen SMA, mit dem man beide SMA-Kabel an Port1 und Port2 verbindet.
Auch braucht man es, um S, O und L am SMA-Kabel anzuschließen.
Die Kalibrierung führt man so durch, wie unter Calibration ab Seite 10 beschrieben.
Steht zwar nicht in der Anleitung, ich rate dazu, erst nach einigen Minuten Warmlaufzeit zu kalibrieren.
Abgesehen von speziellen Ausnahmen wird immer mit den beiden SMA-Kabeln kalibriert!
Standardmäßig wird die erfolgte Kalibrierung als S0 im Gerät abgespeichert, damit auch gebootet.

Ich greife etwas vor, man kann weitere Kalibrierungen abspeichern, muss man manuell abrufen.
Eine bei mir geht von 1 MHz bis 200 MHz, also Mittelwelle bis Mitte UKW.
Engt man den Kalibrierbereich ein, wird es genauer, der Prozessor interpoliert dann weniger.
Solche Interpolierfehler verraten sich gern durch Sprünge oder Ringelschwänzchen.

Anmerkung nebenbei, der beiliegende Abschlusswiderstand 50 Ω ist zwar gut, es geht auch genauer.
Der mitgelieferte bei mir hat etwa 51 Ω, durchaus praxistauglich.
Ich nahm für L = 50 Ω was von Minicircuits und Huber+Suhner, spezifiziert bis 18 GHz.
Das ist das Gebilde im letzten Bild, Abschwächer 10 dB und dann Abschlusswiderstand 50 Ω.
So Zeugs, Huber+Suhner ist Schweiz, ist teuer, war mal Glücksgriff, bekam ich bei einer Firmenauflösung.
Ob man in der Praxis korrekt -39 dB oder -43 dB bei S11 angezeigt bekommt, interessiert kaum.
So genau ist der VNA 64 nicht, ist kein HP oder Rohde & Schwarz!

Demnächst geht es weiter, erste praxisrelevante Messungen.
Vermutlich werden es Messungen S11 mit Teilen aus der Bastelkiste.

Andreas

Wir freunden uns mit Port1 an, Messungen S11!

Schließt man an Port1 was an, was passiv ist, kann man den nicht zerstören, fast jedenfalls.
Wie bei anderen Messgeräten auch, geladene Kondensatoren darf man natürlich nicht anschließen!
Elkos kann man mit einem VNA eher nicht messen, eventuell mal einen für HF tauglichen Tantal.

Was passiert am Port1, Messung S11?
Der Port schickt ein HF-Signal hinaus und schaut sich an, was zurückkommt, Reflexion.
Hat man einen Widerstand 50 Ω angeschlossen, Port1 hat 50 Ω, kommt nichts zurück, perfekte Anpassung.
Das mit der perfekten Anpassung sollte man sich merken, Grundregel nicht nur in der HF-Technik.
Zunehmend Reflexion erhält man immer weiter weg von 50 Ω, egal ob Kurzschluss oder sehr stark hochohmig.
Diese Reflexion wird uns bei S11 in Betrag und Phase angezeigt, S-Parameter.
Der VNA ist sogar so klug, daß er uns den angeschlossenen Widerstand mit Blindanteil (L und C) anzeigt.
Genau das machen wir jetzt in unserem ersten Versuch!

VNA als eine Art LCR-Meter für Hochfrequenz
Mehrfach schrieb ich, Widerstände haben eine parasitäre Induktivität, die bei HF stören kann.
Will man den Versuch nur einmal machen, reicht ein Doppelweibchen SMA und eine Wäscheklammer.
Wer solche Messungen häufiger machen will, sollte sich ein Adapterplatinchen wie im Bild anfertigen.
Bevor wir loslegen, muss der VNA im relevanten Frequenzbereich vernünftig kalibriert sein, wichtig!
Als Messfrequenz für übliche Schichtwiderstände THT taugt was in der Gegend 50 MHz.
Bei geringer Frequenz wird die Anzeige ungenau und ist sie zu hoch, kommt man in die Gegend Eigenresonanz.
Wünschenswert ist eine Anzeige der Parasitärinduktivität in nH, kann der VNA, wie man im Bild sieht.
Man hangele sich durch die Menüs durch, DISPLAY --> FORMAT S11 --> MORE --> MORE --> SERIES L
Zuerst steckt man eine einfache Drahtbrücke in die Fassung, um die Eigeninduktivität zu ermitteln.
In meinem Fall ergab sich für das Adapterplatinchen eine Eigeninduktivität von 9,5 nH.
Smith sollte erhalten bleiben, man sieht dann schön frequenzabhängig die Fehlanpassung.
Im Beispiel nahm ich vier verschiedene Widerstände 47 Ω, hat den Vorteil, daß man nahe an 50 Ω ist.
Misst man diese, zieht man die zuvor ermittelte Induktivität des Adapterchens ab, hier 9,5 nH.
Was dann herauskommt, sieht man im nächsten Bild, Induktivitätswerte für die Widerstände eingetragen.
Links der alte Kohleschichtwiderstand mit 3 nH überraschte mich, ist offensichtlich für HF-Zwecke.
Rechts der mit 17 nH ist auch Kohleschicht, normal gewendelt mit typischer Parasitärinduktivität bei 0207.
Die in der Mitte sind gängige Metallschicht bzw. Metallfilm, keine speziellen HF-Typen.
Spaßeshalber untersuchte ich noch einen drahtgewickelten Widerstand 22 Ω, ergab satte 550 nH.
Abgesehen von Sonderfällen sind drahtgewickelte Widerstände für HF normalerweise nicht zu gebrauchen.

Zuvor erwähnte ich, daß Induktivitäten normalerweise eine Resonanzfrequenz haben, Serienschwingkreis.
Dies kann man hier im zweiten Versuch schön sehen.
Ist wieder soweit der gleiche Versuchsaufbau wie zuvor, nur diesmal mit Induktivität statt Widerstand.
Es handelt sich um eine Induktivität 8,2 µH von TDK, Baureihe EL0305.
Laut Datenblatt soll die Eigenresonanz oberhalb ca. 25 MHz liegen.
Schauen wir uns das letzte Bild an, Marker, liegt sie bei knapp 31 MHz, also wie von TDK zugesagt.
Es ist genau der Sprung von positiver zu scheinbar negativer Induktivität, die steile Flanke.
Vermutlich kann man mit dem VNA auch frequenzabhängig Aussagen zur Güte machen, noch nicht probiert.
Sinngemäß ähnliche Messungen gehen natürlich auch bei Kapazitäten, z.B. Wickelkondensatoren wie Styro.
Kann sein, daß Reinhard das mal vorgeführt hat.

Bevor wir uns Port2 widmen, kommt noch mehr zu S11.
Auf jeden Fall will ich noch was zu SWR-Messungen schreiben.

Andreas

SWR-Messung

Das ist eher ein Einschub für unsere Funkamateure hier, im Amateurfunk wird häufig SWR gemessen.
SWR = standing wave ratio oder Stehwellenverhältnis ist ein Maß, wie gut Leistung ankommt.
Wunsch ist bei einer Antenne SWR = 1, die gesamte Leistung des Senders kommt an der Antenne an.
Das ist gegeben, wenn der Sender 50 Ω hat und auch die Antenne, also zwischendurch keine Fehlanpassung.
Nur ist das häufig Wunschdenken, eine Antenne hat selten 50 Ω, ist auch stark frequenzabhängig.
In der Praxis kann man mit leichter Fehlanpassung gut leben, etwas Reflexion kann man vernachlässigen.
Im Link ein paar Ausführungen zum SWR mit Tabelle SWR und reflektierte Leistung:
dl2jas.com/selbstbau/anpassungen/anpassungen.html

Wir schauen uns das erste Bild an, ist eine Mehrbandantenne für Amateurfunk.
Viel sieht man in dem Gewirre nicht, zumindest nicht als Laie.
Mit Absicht setzte ich den Marker auf 144 MHz, ist das Amateurfunkband 2 Meter.
Die Resonanz ist gut, als SWR wird 1,18 angezeigt, reflektierte Leistung deutlich unter 1 %.
Wer sich für die Antenne näher interessiert, es ist eine Diamond X200N, mehr dazu hier:
dl2jas.com/antennen/x200n/x200n.html
Untersucht man eine Antenne, sollte man sich auch wie hier das Smith-Diagramm anzeigen lassen.
Man sieht dann sofort frequenzabhängig Real- und Imaginärteil.
Manchmal ist das SWR eigentlich schlecht, jedoch lässt sich die Antenne einfach anpassen.
Als Beispiel ein mechanisch zu kurzer Strahler mit ungefähr 50 Ω, jedoch mit hohem Blindanteil.
Der ist dann kapazitiv, lässt sich für die Wunschfrequenz mit einer geeigneten Spule kompensieren.
In der Praxis nimmt man üblicherweise eine Spule in Serie, ist dann ein resonanter Serienschwingkreis.

Als zweites Messbeispiel ein Abschlusswiderstand 50 Ω, eine Dummy Load.
Das Ding baute ich mir mal vor vielen Jahren, gerade frisch die Amateurfunkpappe in der Tasche.
Es sollte nicht nur für Kurzwelle taugen, möglichst auch für das Amateurfunkband 2 Meter.
Ziel mehr als erreicht, SWR < 1,1 bis 146 MHz und für 435 MHz mit SWR = 1,3 auch schön brauchbar.
Ich nahm dafür wie im Bild je zwei Widerstände 180 Ω und 220 Ω vom Typ MOX parallel, zusammen 49,5 Ω.
Dauerleistung mindestens 10 Watt und kurz 100 Watt PEP SSB verträgt der Selbstbau auch.

Wie kann man sich direkt auf dem Bildschirm SWR anzeigen lassen?
Man nehme sich das Baumdiagramm mit der Menüstruktur zur Hand, orientiere sich daran.
DISPLAY --> TRACE -> FORMAT S11 --> SWR
Etwas aufpassen, Smith mit Re und Im sollte erhalten bleiben und SWR zusätzlich erscheinen.

Kleiner Tip zum Abspeichern von Bildern!
Im ersten Beitrag schrieb ich, häufig benötigt man keine SD-Karte, zumindest nicht mit VNA am PC.
Misst man eine Antenne, bei mir in der Dachschräge, will man ja irgendwie abspeichern.
Man gehe ins Menü, rufe "SD CARD" auf und dann "SAVE SCREEN".
Es erscheint dann ein alphanumerischer Tastenblock, um der Datei einen Namen zu geben.
Steht nicht im Menüzettel, ist der VNA via USB am PC, bekommt man mit "CARD READER" das Bild auf den PC.
Der VNA verhält sich dann wie ein Kartenlesegerät, was man gerade am PC angeschlossen hat.

Andreas