Проверка антенн при помощи векторного анализатора NanoVNA-F V2
Между разработчиком радиоканального устройства и котом Базилио есть что-то общее. Оба героя работают с полями и оба помогают закапывать материальные ценности. Но если кот только прикидывается слепым, чтобы заработать денег, то разработчик таковым является. Не по своей воле мы получаем заработную плату за скопированные из мануалов готовые и совершенно непроверенные решения. Следовал четким указаниям производителя, трассировку бережно заимствовал с отладочного кита, дорожки и антенну рассчитал по широко известной методике или в известной программе.
Правильный выбор антенны является критически важным пунктом при проектировании радиоканальных устройств. Антенну необходимо подобрать под частоту рабочего диапазона и согласовать с выходным каскадом. При хорошем согласовании мощность передатчика излучается в окружающее пространство, при плохом — возвращается обратно. Немалое значение играет цена антенны, её повторяемость. Часто приходится сталкиваться с конструктивными ограничениями, малой площадью печатной платы или её сложной геометрией. Проверить параметры антенны можно при помощи векторного анализатора. Долгое время данные приборы были недосягаемы для радиолюбительских целей, да и компании зачастую жмотятся на покупку дорогостоящего оборудования. К счастью, времена меняются.
NanoVNA-F V2
Проверка брелка для ворот показала удручающие результаты, дальность связи не более 30 метров. На приемнике трансивер такой же, одинаковы опорные генераторы, идентична трассировка. Уровень сигнала в ответном пакте от приемника существенно выше, на последнем установлена выводная антенна. Брелок конечно можно приложить к подбородку, тем самым увеличив расстояние на лишних 10 метров, также можно поэкспериментировать с поляризацией. А как быть с устройствами, которые не подразумевают присутствие человека (всевозможные датчики, звонки, охранные приборы)?
Около года назад впервые наткнулся на бюджетный векторный анализатор NanoVNA. Почитал отзывы, посмотрел характеристики и покупку отложил. Но время идет, а нерешенные проблемы остаются. Недавно в компании предложили оплатить покупку такого прибора, это же не Anritsu S331E на который я изначально рассчитывал. Ну, уж нет, такой девайс я куплю себе сам. Так и обзавёлся бюджетным векторным анализатором NanoVNA-F V2.
Прибор создан на основе открытого проекта и поставляется с набором заглушек и переходников. Заглушки нужны для калибровки анализатора. Процедура очень простая, после установки частотного диапазона последовательно закручиваем заглушки: изолированная, перемычка, 50 Ом. Три шага и прибор откалиброван. Подробное о работе анализатора можно узнать на сайте производителя. Для проверки антенны дополнительно понадобится переходник, его в комплекте нет. На AliExpress такой можно подобрать по поисковому запросу «Штекер SMA, открытый кабель».
У заглушки OPEN нет центрального проводника, она обладает бесконечным сопротивлением (изолирует).
У заглушки SHORT центральный проводник замкнут на корпус (нулевое сопротивление).
У заглушки LOAD (стального цвета) сопротивление составляет 50 Ом.
Приобретенный векторный анализатор NanoVNA-F2 V2 работает в диапазоне частот от 50 кГц, до 3 ГГц. Динамические диапазоны S21: 70 дБ (1,5 ГГц), 60 дБ (3 ГГц); S11: 50 дБ (1,5 ГГц), 40 дБ (3 ГГц). Это означает, что ниже указанных значений будут наблюдаться искажения сигнала, вносимые самим прибором. Для сравнения, у векторного анализатора Tektronix TTR506A динамический диапазон > 122 дБ. Правда, эквивалентная стоимость последнего равна однокомнатной квартире на окраине Саратова. NanoVNA-F2 V2 имеет алюминиевый корпус, что дополнительно экранирует электронику. Прибор можно подключить к компьютеру и сохранить данные при помощи утилиты NanoVNA Saver. Выходная RF мощность анализатора составляет -9 дБм (погрешность в пределах 1 ГГц: ± 1 дБ). Мощность указывается в децибел милливаттах, т.е. единицах относительно уровня в 1 мВт (0 дБм).
S-параметры
В теории СВЧ характеристики устройства описывают при помощи матрицы S-параметров. Данные параметры оказались удобны как с математической точки зрения, так и для измерения. Физический смысл параметров показан на рисунке.
Рисунок 1 — S-параметры четырехполюсника
S11 — коэффициент отражения от входа;
S22 — коэффициент отражения от выхода;
S21 — коэффициент передачи «падающей волны» от входа к выходу;
S12 — коэффициент передачи от выхода к входу.
При проверке антенны анализатором интересуют её комплексное сопротивление и возвратные потери. Первое можно понять из круговой диаграммы полных сопротивлений — диаграммы Смита. Каждой точке плоскости диаграммы соответствует единственное значение комплексного нормированного сопротивления. Активное сопротивление соответствует горизонтальное оси, емкостная и индуктивная составляющие смещают точку на диаграмме вниз и вверх. Сказанное легко проверить, используя заглушки. При правильной калибровке заглушка с сопротивлением 50 Ом переместит точку на экране анализатора в центр диаграммы.
Возвратные потери показывают, насколько сильно отражается передаваемый сигнал от приемника обратно к генератору из-за несоответствия импеданса. При идеальном согласовании выходное сопротивление радиоканального трансивера равно входному сопротивлению антенны и вся энергия передатчика рассеивается в окружающее пространство. При плохом согласовании разработчик понимает, что то-то идёт не так и покупает векторный анализатор.
Проверка антенны
Производители радиоканальных трансиверов, такие как Texas Instruments, ST Microelectronics, Semtech, NXP, SiLab, Johanson Technology и многие, многие другие создают не только прекрасные микросхемы, антенны и балуны, необходимые для передачи данных в ISM диапазоне, но и обеспечивают разработчиков обильными справочными данными. Подходящую для вашей цели антенну можно найти в Reference Manual (не забудьте включить VPN):
Моим фаворитом является компания Texas Instruments. Если речь идет о PCB-антенне, то как правило имеется не только необходимая документация, но и готовая топология в CAD. Порывшись в коробке со старыми платами, нашёл несколько устройств с антенной типа F для разных частотных диапазонов, дипольной антенной, спиральной антенной (выводной и PCB), разными типами штыревых антенн. Протестируем некоторые из них.
Начнем с небольшого радиоканального реле, в котором установлена антенна TX2400-FPC-4405. Чтобы оценить её качество, вспомним, что уровень КСВ антенны при приеме должен быть не более четырех. Возвратные потери пересчитываются в КСВ, который для представленного случая примерно соответствует двум.
Рисунок 2- Проверка антенны TX2400-FPC-4405
Оценивать качество PCB антенн нужно более внимательно, т.к. на характеристики последних влияет буквально все: топология платы и число слоев, расположенные рядом электронные компоненты, пластиковый корпус и даже вы со столом и стулом. Результаты теста для антенны типа F на 868 МГц порадовали. Антенна попадает в рабочий диапазон и достаточно хорошо согласована.
Рисунок 3 — Проверка PCB антенны F-типа с частотой 868 МГц
Характеристики PCB антенны можно улучшить при помощи дополнительных SMD компонентов. В документе SWRA726 описывается, как это сделать (не забудьте включить VPN).
Проверка устройства с антенной ANT-868-CW-HWR-SMA показала неожиданные результаты. Согласно документации резонансная частота антенны составляет 868 МГц. Измерения же демонстрируют иные значения. И хотя на 868 МГц антенна еще функционирует (КСВ ≈ 2,5), с чем связано смещение центральной частоты не ясно. Проблема либо в копланарной линии связи, либо в том, что антенна прибыла из поднебесной.
Рисунок 4 — Проверка штыревой антенны ANT-868-CW-HWR-SMA
Не менее интересны результаты для спиральной антенны с заявленной резонансной частотой 868 МГц. Оказалось, что на качество её работы сильно (даже драматично) влияет ориентация относительно полигона земли. При перпендикулярном расположении к плате она показывает наилучшие, хотя и неважные результаты.
Рисунок 5 — Проверка спиральной антенны
Спиральные антенны легко рассчитать (по широко известной методике), достаточно легко изготовить, она не занимает много места. Проверки нескольких спиральных антенн с разной толщиной проволоки, шагом спирали и изготовленных из разных материалов дали посредственные результаты. Если частоту легко согласовать подрезкой антенны, то что делать с возвратными потерями?
Напоследок вернемся к проблеме, упомянутой в начале статьи. Проверяем печатную антенну типа F, рассчитанную на 2,4 ГГц, результаты радуют. Обнаружить проблему, которую легко устранить намного приятнее, чем ничего не найти. Резонансная частота в данном случае смещена в область нижних значений, что легко исправить подрезкой антенны. И хотя характеристики последней далеки от идеальных, все же подстрока частоты позволила увеличить дальность связи на 10…15 метров. Учитывая, что устройство используется для открытия ворот, общий результат связи в 40…50 метров вполне приемлем.
Рисунок 6 — Проверка антенны типа F с частотой 2,4 ГГц
Для качественной разработки нужны хорошие инструменты. Некоторые более или менее доступны — бюджетный осциллограф, претензионный мультиметр, источник питания на несколько каналов. Двухканальный ATTEN ADS1042C мной был приобретен ещё в студенческие годы. О других приборах, например регулируемой нагрузке или анализаторе спектра можно было только мечтать. Но вот прошло каких-то 10 лет… и он видит сон юности дивной. Все доступно за относительно небольшие деньги с доставкой на дом. И пусть характеристики таких приборов существенно уступают профессиональному оборудованию, иметь под рукой TinySA, NanoVNA и XY-FZ35 намного лучше, чем не иметь ничего.
Покупка векторного анализатора, разумеется, не решает разом все проблемы. Даже при хорошо спроектированной антенне трудности могут возникнуть в цепи согласования с выходным импедансом трансивера. Не менее важно поддерживать стабильность несущей частоты, иметь представление о диаграмме направленности антенны, правильно рассчитать толщины дорожек, правильно разместить полигоны заземления и даже учесть явления переотражений в помещении, где будет установлено оборудование. Но если все это сделать и сказать «крекс фекс пекс», то золотое дерево точно вырастет.
