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EQUIPMENT REVIEW SAM JEWELL, G4DDK ♦ E-MAIL: [email protected] DECEMBER 2011 ♦ RADCOM
DG8SAQ VNWA3
Vector Netzwerk Analysator
Ein kompaktes und vielseitiges Gerät, das S-Parameter, VSWR,
Reaktanz und Q misst bis zu 1,3 GHz
PHOTO 1: Die Vorderseite des VNWA3 mit Transmit (TX) Buchse
auf der linken Seite und Receive (RX) Buchse rechts.
PHOTO 2: Die Rückseite des VNWA3 zeigt die Mini USB Buchse
und die rote Betriebs-LED.
EINFÜHRUNG. Netzwerkanalysatoren sind für Funkamateure sehr populär geworden, vor allem in den letzten Jahren
mit der Einführung von preiswerten PC-basierten Designs. Aber viele von ihnen sind nur für den Einsatz bis zu 200
MHz gebaut, das bedeutet, sie für UHF ungeeignet. Um UHF-Netzwerke zu bestimmen, benötigt man einen
leistungsfähigen Netzwerk-Analysator mit einem wesentlich höheren Frequenzbereich. Selbst relativ kleine
Änderungen in der Leitungslänge können zu großen Phasenänderungen in den UHF-Netzwerke führen. Der VNWA3
ist geeignet, von 1 kHz bis 500 MHz, mit einem 90 dB Dynamikbereich, zu arbeiten, fällt auf 50dB ab bis zu 1,3 GHz,
mit einigen Einschränkungen sind auch noch etwa 1500 MHz möglich.
Entworfen von Tom Baier, DG8SAQ [1] und kommerziell von SDR-Kits [2] hergestellt, ist der VNWA3 ( Stand 12.2011,
jetzt VNWA3E) die neueste Version dieses kleinen, aber vielseitigen Netzwerk-Analysator. Er ist in der Lage, SParameter, VSWR, Reaktanz, Q und Zeitbereich für die "Entfernung zum Fehler" und Kabelimpedanzen zu messen.
Hinzu kommt die Möglichkeit zum Import und Export von Touchstone-Format-Dateien. Es wird deutlich, dass es sich
um ein sehr leistungsfähiges Instrument für die Gestaltung und Prüfung von elektrischen Netzwerken handelt. Die
Vorderseite des Analysators ist in Foto 1 dargestellt. Der VNWA3 kann auch als rudimentärer Signalgenerator und
Spektrumanalysator verwendet werden, obwohl diese beiden Funktionen in ihrem Umfang eher begrenzt sind. Der
VNWA3 steht nur als fertig aufgebaute und geprüfte Einheit zur Verfügung. Das Testexemplar wurde mit einem
optionalen Präsentationskoffer, einem SMA-Kalibrier-Kit (mehr über dieses später in der Kritik), SMA Testkabel und
Adapter geliefert. Eine umfassende Start- und Betriebsanleitung ist im Lieferumfang enthalten. Eine Erweiterungskarte, um die Vielseitigkeit des VNWA3 zu erhöhen, wird im Laufe des Jahres zur Verfügung stehen( ab 2012).
Ich bin glücklich, einen eigenen Hewlett Packard 8753C Netzwerkanalysator und S-Parameter-Testsatz zu besitzen,
aber diese Kombination ist groß und schwer - auf keinem Fall eine portable Zusammenstellung. Als RADCOM mich
fragte, ob ich Lust hätte, den neuen DG8SAQ VNWA3 zu testen, nahm ich sofort das Angebot an, da ich bereits über
den Kauf etwas ähnlichem, für den portablen Einsatz, nachgedacht hatte, nachdem ich mich mit einer Reihe anderer
kleiner Analysatoren beschäftigt habe. Ich war besonders daran interessiert zu sehen, wie gut die Ergebnisse des
VNWA3 sind, im Vergleich mit meinen eigenen Analysator.
Der VNWA3 wiegt nur 350 g , ist 104 mm breit , 80 mm tief und 46 mm hoch. Er wird vom Host-Computer über den
Mini-USB-B-Anschluss mit Strom versorgt und nimmt bis zu 500 mA auf bei 5V.
KURZBESCHREIBUNG. Es gibt drei Versionen des VNWA. Die ursprüngliche Version 1 verbindet eine LPT (parallel)
Schnittstelle mit dem Host-Computer, während Version 2 eine USB-Schnittstelle hat. Die Version 3, die in diesem
Bericht beschrieben wird, verwendet auch eine USB-Schnittstelle, aber das Gehäuse wurde neu überarbeitet und
bietet jetzt die Möglichkeit, eine Erweiterungskarte (2011 noch nicht verfügbar) einzusetzen zum gleichzeitigen
Messen von S11 und S21. Alle drei Versionen benutzen die gleichen HF-Signalpfad-Verarbeitungsschaltungen.
Die Konstruktion verwendet eine einzelne Leiterplatte mit SMD-Bauteilen. Die Leiterplatte ist mit einer RundumMessingblech-Abschirmung verlötet. Eine gekantete, eloxierte, Aluminium-Außenhülle rundet dann die Montage ab.
Zwei SMA-Buchsen, auf der Vorderseite des Analysators, bilden die Sende- und Empfangs-Ports, während eine MiniUSB-Buchse den Anschluss an den Host-Computer zu Verfügung stellt. Eine rote Leuchtdiode, die durch ein Loch auf
der Rückseite sichtbar ist, zeigt an, dass das Gerät eingeschaltet ist. Bild 2 zeigt die Rückseite des Analysators.
Der VNWA verwendet zwei Analog Devices AD9859, direkte digitale Synthesizer (DDS). Einer wird verwendet, um
ein HF-Testsignal (Stimulus) zu erzeugen, während der zweite das LO-Oszillatorsignal für den Empfänger erzeugt.
Diese DDS-Chips haben eine maximale Taktfrequenz von 400 MHz. Jedoch werden in dieser Anwendung, beide Chips
übertaktet , um den Bereich bis 1300MHz zu ermöglichen. Bei einem solch großen Frequenzbereich würden die DDS
Ausgänge durch "Drop outs" in dem Ausgangsfrequenzbereich, durch Aliasing, beeinträchtigt sein.
Zur Vermeidung einer umfassenden Anti-Aliasing-Filterung, werden die beiden DDS Kern-Taktfrequenzen dynamisch
eingeschaltet, während des Frequenzdurchlaufs, um die Drop-out-Frequenzen wirksam zu 'füllen' . Dies ist eine
etablierte Technik, die, in dieser Anwendung, sehr gut funktioniert.
Das Stimulussignal gelangt über eine 50Ω Widerstands-HF-Brücke zum zu testenden Netzwerk und dann kehrt die
reflektierte HF zur Brücke zurück, über den TX-Port und in den symmetrischen-Mischer, wo es mit dem Ausgangssignal des LO -DDSs auf eine niedrige ZF gemischt wird, zwischen 1 und 12 kHz. Dies wird anschließend in dem
integrierten Soundkarten- CODEC verarbeitet, bevor es über den USB-Anschluss an den Host-Computer weitergeleitet wird, zur weiteren ZF-DSP- Verarbeitung und Anzeige. Ein Teil des gemischten HF-und LO-Signals wird auch
verarbeitet und an den anderen Audiokanal der Soundkarte, als Referenzsignal, geleitet.
Abbildung 1: Frequenz-Response eines 750MHz Tiefpassfilter, aufgenommen mit dem VNWA3.
Abbildung 2: Smith Chart Plot einer 432MHz Yagi aufgenommen mit einem VNWA3.
Tabelle 1: Netzwerk- Meßergebnisse.
10MHz
50MHz
144MHz
432MHz
1300MHz
VNWA |Z|
100.1Ω
94.1Ω
48.8Ω
10.3Ω
3.7Ω
VNWA X
2.15nF
102pF
23.7pF
17.9pF
2.5nH
HP5753C |Z|
100.2Ω
89.6Ω
50.1Ω
9.5Ω
0.3Ω
HP8753C X
2.4nF
104.6pF
23.1pF
16.5pF
1.9nH
|Z|= Impedanz
X = Reaktanz, angezeigt als äquivalente Kapazität oder Induktivität.
Dies ist eine häufige Art der Darstellung von Ergebnissen kommerzieller Analysatoren.
Wenn der VNWA benutzt wird, um Thru- (Transmission) Messungen zu machen, gelangt das HF-Signal aus dem zu
testenden Netzwerk in den RX-Port, wo es mit dem LO-DDS-Signal gemischt wird. Das resultierende niederfrequente
Signal wird verstärkt, in dem USB CODEC verarbeitet und dann über einen CMOS-Schalter über die USB-Verbindung
in den Host-Computer, für die ZF-DSP-Verarbeitung, weitergeleitet. Der CMOS-Schalter ist notwendig, da die HostComputer-Soundkarte nur zwei Kanäle hat. Eines davon ist als permanenter Referenzkanaleingang erforderlich.
Reflektions- und Transmissions- Messungen können nicht gleichzeitig durchgeführt werden, da nur ein zweiter
Audio-Kanal zur Verfügung steht. Durch Umschalten (Multiplexing) können die Reflektions- und TransmissionsMessungen angezeigt werden und sind dann zu sehen, wie erforderlich. Die neue Erweiterungskarte wird diese
Einschränkung überwinden, indem eine zweite Soundkarte dem VNWA zugefügt wird.
Eine Kombination der abfallenden Ausgangspegel der beiden DDS, mit zunehmender Frequenz, und die Verwendung
von 500 MHz Mischern bedeutet, dass obwohl der VNWA effektiv bis über 1300MHz arbeiten kann, wird die beste
Leistung bis zu etwa 500 MHz erhalten. Die Widerstandsbrücke verwendet Miniatur-SMD-Widerstände und die
sollten weit über 1300MHz gut sein.
Um aussagekräftige Messungen mit einem Netzwerkanalysator zu erhalten, ist es notwendig, diese zu kalibrieren.
Dieses wird in der Regel mit einem „Kalibrierungs-Kit“ getan. Ein Kalibrierungs-Kit besteht aus einem Short
(Kurzschluss), einem Open( Leerlauf), Load (Abschlusswiderstand) und einem Thru- (Durchgangs-) Adapter mit dem
entsprechenden Anschlusstyp für den Analysator. Außerdem muss es entweder männlich oder weiblich sein,
abhängig vom Geschlecht des Verbinders oder des verwendeten Kabels. Die SMA Kalibrierung Teile sind optional
käuflich zu erhalten mit dem VNWA3 . Das Testgerät war mit Amphenol Kalibrierungstypen in männlichen und
weiblichen SMA geliefert. Es war auch ein sehr nützliches Datenblatt enthalten, in dem die gemessene
Verzögerungen (Delays) jedes dieser Teile angegeben war, so dass die Position der Kalibrierungsebene, je nach
Bedarf, verschoben werden konnte.
Ergebnisse mit dem VNWA. Um die besten Ergebnisse von (allen) VNWAs zu erhalten, sollte der Benutzer mit
Transmission und Reflexion von Signalen in einem Netzwerk vertraut sein. Ausreichende Kenntnisse der S (Streuung)
Parameter ist auch wünschenswert. Mit diesem Wissen wird der VNWA zu einem der mächtigsten Prüfgeräte, die
der Funkamateur (oder Profi) zur Verfügung hat. Die folgenden Messungen wurden gemacht mit dem zur Verfügung
stehenden VNWA3 und meinem Samsung N110 Netbook Computer mit dem üblichen Intel Atom Prozessor. Es gab
keine Probleme mit der Geschwindigkeit während der Tests, obwohl der Prozessor zeitweise sehr schwer arbeiten
musste.
Zur Veranschaulichung zeigt Abbildung 1 den Frequenzgang von einem 750 MHz Tiefpassfilter, während Abbildung 2
die Smith-Diagramm-Darstellung der Anpassung, zwischen 430 und 440MHz, auf einer Maspro 8-Elemente Yagi,
zeigt. Zur Vereinfachung wurde der Plot an dem Eingangsende der koaxialen Speise gemacht. Normalerweise würde
das Kabel aus der Anpassung heraus gerechnet, indem man eine Kalibrierung am Ende des Kabels macht, wo sie an
der Yagi angeschlossen ist. Jedoch gibt es hier keinen Platz, die Ergebnisse zu zeigen, ich hätte auch die Möglichkeit,
den VNWA3 Zeitbereichsreflektometer-Modus, zu versuchen, der gut funktioniert. Was wahrscheinlich gleichermaßen interessant ist, ist ein Vergleich der Genauigkeit zwischen dem VNWA3 und einem teuren Netzwerkanalysator. Zu dieser Bewertung stellte ich einen einfachen Netzabschluss zusammen, bestehend aus einem 100ΩChip-Widerstand parallel zu einem 10 pF Chipkondensator. Diese wurden am Ende einer kurzen Mikrostreifenübertragungsleitung einer FR4 Platine gelötet.
Beide Chipkomponenten waren hochpräzise 0603 SMD- Teile. Eine SMA-Platinenbuchse stellt die Verbindung
zwischen dem Mikrostreifen und dem koaxialen Verbindungskabel her. Mein Hewlett Packard HP8753C Netzwerkanalysator, HP85046A S-Parameter Test-Set, HP85052 3,5 mm Kalibrierungskit und HP Testkabel Kabel wurden
für die Vergleichsmessungen verwendet. Die Ergebnisse aus diesen Messungen, an mehreren Frequenzpunkten
werden in Tabelle 1 gezeigt.
IMPRESSIONEN VOM VNWA3. Dies ist ein sehr vielseitiges Instrument. Es gibt dem Funkamateur ein Mitteln in
die Hand, zum Testen und Messen der Impedanz- und Transmissions- Merkmale, fast jeder Schaltung oder
Netzwerks, von bis zu mindestens 500 MHz mit hoher Genauigkeit und zwischen 500 und 1300 MHz mit ausreichender Genauigkeit ,um einen guten Nachweis für die Schaltkreisleistung zu erhalten.
Ich war ein wenig enttäuscht über die Schnittstellen-Software. Ich fand, sie war nicht sehr intuitiv zu bedienen und
ich verbrachte einige Zeit auf der Suche des Setups für einige der Messmöglichkeiten. Ich meine, wenn Sie sich mit
der Software vertraut gemacht haben, dann können Sie sie viel einfacher (und schneller) zu bedienen.
Mein Vergleich der Ergebnisse des VNWA3 mit diejenigen, aus meinem eigenen HP Netzwerkanalysator System ,
zeigte dass der Genauigkeitsvergleich des VNWA3 gut ist bis zu 500MHz. Bei höheren Frequenzen beruht die
Leistungsbegrenzung vor allem auf die "Spitzen" in dem DDS- LO-Oszillatorausgang, zusammen mit der reduzierten
Leistung der Mischer oberhalb 500 MHz. Ein Großteil der Richtigkeit der Analysemessung hängt von der Qualität des
verwendeten Kalibrierungs-Kit ab, und die Sorgfalt bei der Kalibrierung. Wenn Sie vorhaben, eines dieser
ausgezeichneten Analysatoren zu bestellen, sollten Sie entweder Zugang zu einem guten Kalibrierungs-Kit haben
oder Sie bestellen den VNWA3 mit dem optionalen Kalibrierungs-Kit.
Ich möchte Jan Verduyn von SDR-Kits für das Ausleihen des VNWA3 danken.
Das Grundgerät ist erhältlich von SDR-Kits für £ 400 und ein Analysator im Präsentationskoffer, komplett mit kurzen
SMA-Kabel, Kalibrierungs-Kit und USB-Kabel kostet £ 456. Und ja, ich kaufte den besprochenen Analysator!
Dezember 2011, SAM JEWELL, G4DDK
Websuche
[1] DG8SAQ – www.mydarc.de/dg8saq
[2] SDR-Kits – www.sdr-kits.net
Deutsche Übersetzung: 20.01.2015, Manfred Zillmer, DG3OK