Una introducción de NanoVNA

Aspecto

A la izquierda hay dos conectores SMA hembra: la entrada (1) y la salida de RF (2). El superior es el puerto de transmisión (CH0) este es el canal para las mediciones S11 (reflexión). El inferior es la entrada de recepción (CH1) y se usa para mediciones de transmisión S21.

En el centro de la parte superior hay un conector USB (3) tipo C. Este puerto USB se utiliza para alimentar el dispositivo con +5V y además brinda comunicación a la PC. El LED rojo (4) LED Power se ilumina al encender el NanoVNA. A la derecha está el interruptor de encendido (5) (del tipo deslizable) seguido de un LED de sistema azul (6). El cual, parpadea en ciertos eventos o estados de funcionamiento.

Luego a su derecha está el Interruptor Multifunción MFS (7) que tiene una doble función: Si se pulsa, abre el menú y realiza la función Enter. Por otro lado, el MFS es un interruptor basculante, puede utilizarse para desplazarse por las opciones del menú, también tiene la capacidad de mover los marcadores a lo largo del eje de frecuencia en ambas direcciones.

Desarme

Por medio de cuatro tornillos que se encuentran en las esquinas de la parte superior, y otros cuatro que se encuentran en la inferior se puede acceder a la placa de circuito, donde se encuentra toda la electrónica del instrumento.

Versión Firmware

El dispositivo puede conectarse por medio de un cable USB a la computadora, la cual lo reconocerá como puerto COM. Se lo configura de la siguiente forma

\(\longrightarrow\) CONFIG \(\longrightarrow\) CONNECTION \(\longrightarrow\) SERIAL SPEED 3000000.

Luego por medio de algún programa terminal se configura a la PC en el puerto correcto y velocidad correcta. Al abrir la terminal y presionar la tecla ENTER, debe aparecer el PROMT

ch>

En la siguiente imagen se muestra el resultado obtenido con el software PuTTY.

En base a la información brindada se puede trazar el origen del dispositivo.

Diagrama en bloques

El diagrama en bloques cuenta con un generador de señales sintetizadas (DDS) Si5351, el mismo genera dos frecuencias independientes, la primera se aplica por medio de un puente de impedancias al CH0, que corresponde al puerto de transmisión. La segunda se conecta a tres mezcladores SA612AD para realizar el batido de frecuencias y alimentar tres entradas del I2S, básicamente una placa de sonido, que convierte de analógico a digital los tres canales. Dos corresponden a muestras de las señales del CH0, la incidente y la referencia. La tercera corresponde a la recibida por el CH1 o RX. Un microcontrolador STM32, coordina las actividades de barrido y procesamiento para luego presentar la información en un LCD o posibilitar la comunicación USB.

Básicamente el NanoVNA mide los siguientes elementos:

• Señal I/Q de tensión de referencia.
• Señal I/Q de tensión de reflexión.
• Señal I/Q de tensión de recepción.

A partir de allí calcula, el coeficientes de reflexión S11 y el coeficiente de transmisión S21. Luego, a partir de estos se pueden mostrar los siguientes elementos que se pueden calcular a partir de ellos, por medio de aritmética que realiza el microcontrolador:

• La pérdida de retorno
• La pérdida de transmisión
• La impedancia compleja
• La ROE
• La longitud de la línea.

NanoVNA mide los coeficientes de reflexión S11 y transmisión en S21 en 51 o 101 puntos en la banda de frecuencia configurada.

La frecuencia del oscilador local (sintetizador Si5351A) de NanoVNA oscila entre 50 kHz y 300 MHz. Las frecuencias más altas utilizan el modo armónico. La fundamental no se atenúa en toda la banda. Los modos de uso para cada frecuencia son los siguientes.

• Hasta 300 MHz: Fundamental
• 300 MHz a 900 MHz: 3er armónico
• 900 MHz a 1500 MHz: 5to armónico

Hay que hacer notar que el hecho de que siempre existe la entrada de la señal fundamental y sus armónicos.

Luego las entradas se convierten a una frecuencia intermedia de 5kHz y se convierten de analógico a digital con un muestreo de 48 kHz (casi 10 veces la frecuencia de Nyquist). Luego los valores digitalizados serán procesados por el microcontrolador.

Investigando su funcionamiento

Estudio del canal de generación CH0

Nota: El analizador de espectro indica con un error de 3dB por debajo del valor real.

En la captura anterior se observa que se conecta el CH0 a la entrada del analizador de espectro. Además, al fijar el instrumento en generación de señal sin barrido (continuos wave CW), se observa la naturaleza del gran contenido armónico de la señal generada por el dispositivo.

Para CW en modo fundamental

Se configura el dispositivo generando una CW de 10 MHz

Nota: El analizador de espectro indica con un error de 3dB por debajo del valor real.

Se debe notar, en el analizador de espectro, la naturaleza rectangular de la señal temporal, se arriba a esto debido al desarrollo de amplitudes de su contenido armónico. También el armónico fundamental (marcador 0) posee una amplitud que se encuentra dentro de la especificación, a 10 MHz unos -9.1 dBm.

Para CW en modo tercer armónico

Ahora, se configura el dispositivo generando una CW de 500 MHz

Nota: El analizador de espectro indica con un error de 3 dB por debajo del valor real.

Observar, en este caso, en el analizador de espectrs que la señal de interés (marcador 2) posee una amplitud que se encuentra dentro de la especificación (-7,6 dBm). Pero la misma es un tercer armónico de 163,36 MHz (marcador 1) ya que $$ 497,68\:MHz/163,36\:MHz \approx 3 $$, observar que en el tono fundamental la amplitud ha aumentado 9 dB (1,4 dBm)

También, se configura el dispositivo generando una CW de 800 MHz

Nota: El analizador de espectro indica con un error de 3dB por debajo del valor real.

Observar, en el analizador de espectros que la señal de interés (marcador 3) posee una amplitud que se encuentra dentro de la especificación (-8,8 dBm). Pero la misma es el tercer armónico de 267,58 MHz (marcador 1) ya que $$ 800,08\:MHz/267.58\:MHz \approx3 $$, observar que en el tono fundamental la amplitud ha aumentado 9.5 dB (0,7 dBm)

Para un barrido entre 1MHz y 1GHz

En este caso se configuró NanoVNA para realizar un barrido de 101 puntos entre 1 MHz hasta 1 GHz. Se configuró el analizador de espectro d modo que quede persistente hasta su borrado las gráficas que se van produciendo en pantalla. Por otro lado en este proceso se ha modificado la frecuencia de comienzo de barrido en el NanoVNA varias veces durante el proceso de "manchado" de pantalla para provocar que las señales y sus armónica intenten cubrir todo el espectro mostrado por el analizador de espectros.

Se graficó un Rango de 40 dB y cada división horizontal corresponden a 100 MHz de barrido. Podemos observar 5 zonas. En la primera zona (1) de bajas frecuencias hasta los 100 MHz, se observa una respuesta aproximadamente plana coincidente con las especificaciones de amplitud de salida. La segunda zona (2), de los 100 MHz a 300 MHz se observa un incremento de amplitud de 10 dB de la línea de base. La tercer zona (3) entre los 300 MHz y los 700 MHz, nuevamente se observa una respuesta relativamente plana en el barrido coincidente con las especificaciones. En las zonas cuarta (4) de 700 MHz y 875 MHz y quinta (5) 875 MHz a 1 GHz, se observa el deterioro notable de la panicidad del barrido.

Para CW en modo fundamental rango de barrido

Según el manual del Si5351, este dispositivo sintetiza hasta 160 MHz, sin embargo, en documentación obtenida del NanoVNA, indican que en modo fundamental trabaja hasta 300 MHz, por medio de mediciones se verifica que el modo fundamental trabaja hasta 300MHz, luego el modo tercer armónico se utiliza para frecuencias superiores a 300 MHz hasta los 900 MHz, y por encima trabaja en modo quinto armónico. Cabe hacer notar, que realizando estas mediciones se detectó que en el modo fundamental cuando la frecuencia de barrido supera los 120 MHz se incrementa en 6 dB la amplitud de la señal. observar en las siguientes imágenes dónde se generan dos señales continuas ( CW el barrido apagado), en la primera se ha configurado en el nanoVNA CW 120 MHz y en la segunda una CW 122 MHz.

Por lo tanto el barrido en frecuencias se desarrollará de la siguiente forma aparente.

Como conclusión, podemos arribar que los desarrolladores se las ingeniaron para realizar el barrido plano incrementando la amplitud del tono fundamental cuando se utilizan los modos armónicos. En el caso de un tercer armónico compensan aumentando la señal \(\sim10\:dB\) (\(20log(1/3)=-9,54\:dBc\), la caída de amplitud de una fundamental a su tercer armónico cuando esta es una señal rectangular). En el caso de un quinto armónico compensan aumentando la señal \(\sim14\:dB\) (\(20log(1/5)=-13,97\:dBc\), la caída de amplitud de una fundamental a su quinto armónico cuando esta es una señal rectangular).

Al no filtrarse y enviarse sólo el tono de interés en el barrido, en los modos tercer armónico y quinto armónico, y aplicarse este tipo de señales dispositivos no lineales, que podrían ser tanto activos cómo pasivos (un inductor trabajando en zona de saturación de su núcleo). Provocarían contenido armónico propio que reforzaría o atenuaría el tono de interés lo que probablemente provoque lecturas inesperadas.

Por otro lado, y si bien la calibración resolverá el escalón de amplitud que se produce en el barrido a los 120 MHz, este perturbación de amplitud, puede provocar respuestas inesperadas al barrer en la zona 120 MHz 300 MHz.

Experimentación

He realizado un video que puede ser de utilidad para entender el barrido de este NanoVNA. Para el mismo, se ha fijado el SPAN del analizador de espectro en 1 GHz, por tanto cada división equivale a 100 MHz, lo que facilita la lectura, es de hacer notar que el instrumento informa la amplitudes 3dB por debajo del valor.

El siguiente código de python se ha corrido dos veces, en la segunda, se configura el analizador de espectro para que mantenga la persistencia infinita en la pantalla, lográndose apreciar mejor las zonas por las cuales el barrido modifica la amplitud.

###############################################################################
## Test CH0
###############################################################################

import serial
import time 

def command(ser,cmd):
    cmd=cmd+'\r'
    cmd=cmd.encode()
    ser.write(cmd)
    return ser.readline()

# Clearing the Screen
print("\033[H\033[J") 


print('Connect')
ser = serial.Serial("COM3", 3000000, timeout=1)
# freq - Used to set the CW frequency
# Usage: freq {frequency (Hz)}
command(ser,"freq 1000000")
time.sleep(2)

if ser.isOpen():    # make sure port is open
    print(ser.name + ' is open')    # starting
# version – returns simple version name and/or release – Not the same as the GUI version command. See info command.
# eg: “edy555 0.2.2 extended with scan command” or “0.3.0m”
    print(command(ser,'version').decode("utf-8"))
    print(ser.readline().decode("utf-8"))
    time.sleep(2)
# cal – Allows an external application to perform a system port calibration of the 
#device
# Usage: cal [load|open|short|thru|isoln|done|reset|on|off|in]
# The first command to use here is: cal reset, followed by a complete OSLT 
# calibration sequence.
# After calibration, use the save command to save it to one of 5 memories: 0 to 4
    print(command(ser,'cal reset').decode("utf-8"))
    print(ser.readline().decode("utf-8"))
    time.sleep(2)
    for pow in [255, 0, 1, 2, 3]:
# power - Used to set the output level of the Si5351A clock generator
# - Usage: power {0-3} **Read F/W release notes for default value!!
# - Output level is usually increased when in harmonic mode. Refer to NanoVNA
# forum posts on this topic.
# 255 auto firmware v1.1
        print(command(ser,f"power {pow}").decode("utf-8"))
        print(ser.readline().decode("utf-8"))
        time.sleep(2)
        for x in range(0, 900, 5):
            x=x*1000000
            print(command(ser,f"freq {x}").decode("utf-8"))
            print(ser.readline().decode("utf-8"))
            time.sleep(.07)

ser.close()

Video

Fuentes

• https://github.com/DiSlord/NanoVNA-D/tree/master/doc
• https://4ham.ru/wp-content/uploads/2020/05/NanoVNA_Console_Commands_Dec-9-19-1.pdf