Перейти к содержанию

Лабораторная 10.5 — NanoVNA и RF Demo Kit: S11/S21, КСВН и диаграмма Смита

Цель

Научиться использовать NanoVNA-H4 и учебную плату RF Demo Kit как безопасный мост между теорией RF-цепей и измерениями SDR-стенда. Эта работа закрывает важный разрыв: студент видит не только спектр в SDR, но и реальное согласование, отражение, прохождение и форму АЧХ пассивных цепей.

Оборудование

  • NanoVNA-H4 или совместимый VNA.
  • RF Demo Kit for NanoVNA-F / аналогичная учебная плата с SMA/IPX-портами.
  • Комплект SOLT-калибровки: Short, Open, Load, Thru.
  • SMA/IPX-переходники и короткие кабели.
  • Аттенюатор 3–10 дБ для защиты входов при сомнительных подключениях.
  • Опционально: NanoVNA-Saver для сохранения графиков, CSV/Touchstone и TDR-анализа.

Безопасность

NanoVNA предназначен для малосигнальных измерений. Не подключать его к выходу передатчика Zynq/AD936x, генератора или усилителя без расчёта мощности и защитного аттенюатора. Перед подключением к неизвестной цепи проверить отсутствие постоянного напряжения и внешнего RF-сигнала.

Краткая теория

VNA измеряет комплексные S-параметры. Для этой лабораторной достаточно двух величин:

  • S11 — отражение от входа. По нему оцениваются согласование, КСВН и положение точки на диаграмме Смита.
  • S21 — передача через двухпортовую цепь. По нему строится АЧХ фильтра, кабеля, аттенюатора или проходного участка.

Связь с SDR проста: плохое согласование и неожиданные провалы S21 могут выглядеть как «плохой SNR», хотя причина находится не в DSP, а в RF-тракте, кабеле, переходнике или фильтре.

Мини-глоссарий NanoVNA

Термин Что означает в этой работе
DUT device under test, измеряемая цепь или компонент.
PORT1 / CH0 порт источника и отражения; основной порт для S11.
PORT2 / CH1 порт приёма прошедшего сигнала; используется для S21.
STIMULUS настройка диапазона sweep: START, STOP, CENTER, SPAN.
LOGMAG амплитуда в дБ; удобна для фильтров и аттенюаторов.
PHASE фаза S-параметра.
SMITH диаграмма Смита для импеданса и согласования.
MARKER метка на частоте; нужна, чтобы читать значение в рабочей точке.
TDR time-domain reflectometry; оценка неоднородностей и длины кабеля по отражению.

Обязательная калибровка

Перед измерениями выполнить SOLT-калибровку именно в том диапазоне и на тех кабелях, которые будут использоваться дальше:

  1. RESET старой калибровки.
  2. OPEN на конце кабеля PORT1.
  3. SHORT на конце кабеля PORT1.
  4. LOAD 50 Ω на конце кабеля PORT1.
  5. ISOLN: PORT1 обычно оставляют с LOAD, PORT2 — открытым или с нагрузкой, если комплект это позволяет.
  6. THRU: соединить PORT1 и PORT2 через те же кабели и переходник.
  7. DONE и сохранить калибровку в слот.

Критически важно: если после калибровки заменить кабель, переходник или диапазон частот, измерение становится нестрогим. Для учебного отчёта это нужно явно отметить.

Что выполняется

  1. Включить NanoVNA и задать диапазон, например 50 кГц…900 МГц или более узкий диапазон вокруг рабочей частоты SDR.
  2. Выполнить SOLT-калибровку для используемого диапазона и комплекта кабелей.
  3. Настроить минимум четыре трассы: S11 LOGMAG, S11 SMITH, S21 LOGMAG, S21 PHASE или DELAY.
  4. Поставить маркеры на рабочих частотах стенда: например 10 МГц, 70 МГц, 144/433 МГц или частота текущего AD936x/RTL-SDR эксперимента.
  5. Измерить элементы Short, Open, Load, Thru на RF Demo Kit.
  6. Измерить цепи 33 Ohm, 75 Ohm, ATT -3 dB, ATT -10 dB.
  7. Измерить фильтры BSF 6.5 MHz, BPF 10.7 MHz, LPF 400 MHz, HPF 500 MHz.
  8. Для каждого измерения сохранить скриншот или CSV/Touchstone-файл.
  9. Заполнить таблицу результатов и сделать вывод: что можно использовать как учебный эталон для SDR-измерений.

Расширение A — измерение кабеля и TDR

Это расширение полезно перед длинными loopback-экспериментами Block 11.

  1. Откалибровать NanoVNA в широком диапазоне, например до верхней рабочей частоты прибора.
  2. Подключить тестируемый кабель как двухпортовую цепь и измерить S21 LOGMAG.
  3. Зафиксировать потери кабеля на частотах SDR-эксперимента.
  4. Подключить один конец кабеля к PORT1, второй оставить OPEN или поставить SHORT.
  5. В NanoVNA-Saver открыть TDR и оценить длину/неоднородности кабеля.
  6. В отчёте указать: где потери кабеля уже нельзя игнорировать при расчёте link budget.

Расширение B — L/C/резонанс на практике

Это расширение связывает Block 10 с фильтрами, согласованием и паразитными эффектами.

  1. Подключить небольшой конденсатор или катушку к PORT1 через короткий SMA-адаптер.
  2. Включить S11 SMITH и S11 Serial L или S11 Serial C, если прошивка/ПО это поддерживает.
  3. Просканировать несколько диапазонов и проверить, как оценка L/C зависит от частоты.
  4. Собрать простой LC-контур и найти резонанс по максимуму/минимуму |Z| или по провалу/пику передачи.
  5. Сделать вывод: на какой частоте компонент ещё можно считать «почти идеальным», а где паразитные эффекты уже доминируют.

Таблица для отчёта

Объект Диапазон Что смотреть Ожидаемое поведение Факт Вывод
Load 50 Ω около рабочей частоты S11, КСВН малое отражение
Open весь диапазон Smith chart край диаграммы
Short весь диапазон Smith chart противоположный край
Thru весь диапазон S21 около 0 дБ с потерями кабеля
ATT -3 dB рабочая частота S21 около -3 дБ
ATT -10 dB рабочая частота S21 около -10 дБ
LPF 400 MHz 50 кГц…900 МГц S21 спад после частоты среза
HPF 500 MHz 50 кГц…900 МГц S21 подавление ниже частоты среза
Кабель частоты SDR-стенда S21, TDR рост потерь с частотой, одна основная неоднородность на конце
LC-контур около резонанса S11 \/ Z или S21 выраженный резонанс

Контрольные вопросы

  1. Почему калибровку нужно выполнять на концах тех кабелей, которыми дальше измеряется объект?
  2. Почему S11 и S21 отвечают на разные инженерные вопросы?
  3. Как плохой переходник может испортить BER даже при «нормальном» уровне сигнала?
  4. Почему график на диаграмме Смита полезнее одного числа КСВН?
  5. Что изменится, если сузить диапазон sweep вокруг рабочей частоты SDR?
  6. Почему потери кабеля растут с частотой?
  7. Почему катушка или конденсатор перестают быть идеальными на высоких частотах?
  8. Как отличить проблему согласования от проблемы DSP-синхронизации?

Связь с Zynq-SDR

После этой работы студент должен уметь проверять пассивную часть тракта перед BER/SNR-экспериментом: кабель, аттенюатор, фильтр, переходник и нагрузку. Это особенно важно для Block 6, Block 10 и Block 11, где ошибка в RF-тракте может маскироваться под ошибку синхронизации, CFO, перегрузку АЦП или дефект FPGA-логики.

Артефакты

  • скриншоты NanoVNA;
  • CSV/Touchstone-файлы измерений;
  • файл или скриншот NanoVNA-Saver;
  • заполненная таблица;
  • краткий вывод о пригодности каждого элемента RF Demo Kit для учебного стенда;
  • отдельный вывод о кабелях: можно ли ими пользоваться в текущем диапазоне без заметной поправки.

Дополнительное чтение

  • Векторный анализатор NanoVNA для радиолюбителей — статья на Habr с хорошим практическим обзором калибровки, NanoVNA-Saver, диаграммы Смита, L/C-измерений и TDR.