Недавно приобрел я себе на Алиэкспресс векторный анализатор цепей портативный S-A-A-2 NanoVNA-F V2, тестер HF VHF [1].

Разработан этот прибор в Китае – ссылка на разработчика и описание прибора [2].

Инструкция (англ. язык) [3]. И еще одна инструкция [4].

Прибор удобен своей портативностью и возможностью измерять параметры цепей в диапазоне частот от 50 кГц до 3 ГГц, в частности S11 и S21. Удобство состоит еще в том, что прибор можно подключить к компьютеру (ноутбуку, планшету) по USB и на компьютере произвести анализ полученных измерений. Обнаружил, что в районе выключателя питания можно увидеть зеленый светодиод внутри корпуса, не выведенный наружу, он свечением индицирует режим измерения, отсутствие свечения режим индикации, при отсутствии качания частоты светодиод погашен.

Для начала мной были проведены измерения КСВ всех имеющихся у меня в наличии проволочных антенн. Результаты обнадежили.

После, я обнаружил в конце инструкции, что этим прибором можно управлять по виртуальному COM порту, подключив к компьютеру через USB type3 кабель (из комплекта) и используя любую терминальную программу со стандартными настройками и скоростью обмена 115200. Параметры подключения port='COM3' (у меня так определился в компьютере), baudrate=115200, bytesize=8, parity='N', stopbits=1, timeout=0.05, xonxoff=False, rtscts=False, dsrdtr=False.

Система команд прибора приведена в таблице 1. Результаты получены экспериментально, путем анализа описаний других аналогичных приборов [5] на приборе с указанной прошивкой при помощи бесплатной терминальной программы YAT – [6].

Таблица 1 – Система команд прибора (прошивка version 0.2.1) (жирным цветом показана информация, выводимая прибором)

Название команды	Выполняемое действие
help	lists all the registered commands (печать всех выполняемых команд)
reset	reset (сброс и перезагрузка прибора, после сброса необходимо отправить холостую команду (например info) для подключения прибора к компьютеру)
cwfreq	cwfreq {frequency(KHz или Hz)} (частота генератора одночастотного)
saveconfig	saveconfig (сохранить текущую конфигурацию)
clearconfig	clearconfig {protection key} (очистить текущую конфигурацию – сбросить до заводских установок)
data	data [array] (выводит измерения Re(S11), Im(S11)) 0.363578 0.933056 0.362326 0.932676 0.364149 0.930980
frequencies	frequencies (выводит массив частот измеряемых точек в КГц) 470000 471600 473200
port	port {1:S11 2:S21} (не разбирался)
scan	scan {start(Hz)} [stop] [points] [outmask] scan 500000000 600000000 201 7 (Первое число – нижняя частота в Гц, второе число – верхняя частота в Гц, третье число – кол-во выводимых точек 51-201, четвертое число маска вывода от 1 до 7). Маска = 1 – выводит столбец текущих частот F(КГц). 470000 471600 473200 Маска = 2 – выводит столбец Re(S11), Im(S11) 0.363578 0.933056 0.362326 0.932676 0.364149 0.930980 Маска = 3 - выводит столбец F(КГц), Re(S11), Im(S11) 470000 0.362643 0.932495 471600 0.362860 0.933308 473200 0.365720 0.931944 Маска = 4 – выводит столбец Re(S21), Im(S21) 0.000012 -0.000058 0.000019 -0.000046 -0.000022 -0.000048 Маска = 5 - выводит столбец F(КГц), Re(S21), Im(S21) 470000 0.000008 -0.000076 471600 -0.000007 -0.000034 473200 0.000012 -0.000032 Маска = 6 – выводит столбец Re(S11), Im (S11), Re(S21), Im(S21) 0.365253 0.932604 0.000006 -0.000056 0.366460 0.931959 0.000044 -0.000022 0.361891 0.934809 -0.000003 -0.000063 Маска = 7 – выводит столбец F(КГц), Re(S11), Im(S11), Re(S21), Im(S21) 470000 0.366976 0.931118 0.000007 -0.000033 471600 0.363688 0.933452 0.000038 -0.000017 473200 0.364893 0.931143 0.000015 -0.000005 Особенность – заданный диапазон частот делится на 201 часть, кол-вом выводимых точек можно управлять диапазоном частот, если охватить весь диапазон, нужна 201 точка. Автоматическое качание остановлено, по окончании выполнена команда pause. Для запуска автоматического качания по частоте, при необходимости, необходимо отправить команду resume.
sweep	sweep {start(Hz)} [stop] [points] (показывает диапазон свипирования и количество точек)
touchcal	touchcal (калибровка сенсорного экрана)
touchtest	touchtest (проверка сенсорного экрана)
pause	pause (остановить качание частоты)
resume	resume (продолжить качание частоты)
cal	cal [load\|open\|short\|thru\|done\|reset\|on\|off\|in] (программное управление калибровкой прибора) cal reset – сброс калибровок (самая первая команда при калибровке). cal open – калибровка открытой нагрузкой Port1. cal short – калибровка короткозамкнутой нагрузкой Port1. cal load – калибровка нагрузкой 50 Ом Port1. cal thru – калибровка прямого соединения Port1-Port2. cal done – окончание калибровки (по окончании калибровки рекомендуется сохранить ее командой save в свободную ячейку памяти). cal on – включение калиброванного режима. cal off – выключение калиброванного режима. cal in – пока не понятно, что за команда.
save	save {id} (сохранение настройки в ячейку памяти с номером 0-7)
recall	recall {id} (вызов настройки из ячейки памяти с номером 0-7)
trace	trace {id} (информация о функции трассы с номером 0-3, без номера, обо всех активных трассах) 0 LOGMAG S11 1.000000 7.000000 1 SMITH S11 1.000000 0.000000 (Первое число – номер трассы (0-3), второе – тип трассы, третье коэффициент масштаба оси, четвертое число положение на экране (0-8))
marker	marker [n] [off\|{index}] 1 0 598000 2 40 601200 3 59 602720 4 81 604480 (первое число – номер маркера (1 - 4), второе число номер точки, на которой маркер, третье число – частота в кГц)
edelay	edelay {id} 0.330000 (время задержки в наносекундах (330 ps) – прочитать или установить)
pwm	pwm {0.0-1.0} (регулировка яркости подсветки экрана 0.0-0% – погашен экран, 1.0-100% яркий экран)
beep	beep on/off (beep on – включить звук, beep off – выключить звук)
lcd	lcd X Y WIDTH HEIGHT FFFF
capture	capture (делается скриншот и скачивается картинка)
version	Show NanoVNA version (версия прошивки) 0.2.1
info	NanoVNA-F info (информация о приборе) Model: NanoVNA-F_V2 Frequency: 50k ~ 3GHz Build time: Mar 2 2021 - 09:40:50 CST
SN	NanoVNA-F ID (серийный номер) 5E50583143872750
resolution	LCD resolution (разрешающая способность экрана прибора) 800,480
LCD_ID	LCD ID (идентификационный номер экрана прибора) 008000

Управление сделано очень удобно и, если допущена ошибка, терминал сообщает снова справочную информацию по ошибочной команде.

После анализа таблицы 1 для целей создания стенда и проведения измерений наиболее подходит команда scan, т.к. с ее помощью можно произвести одно измерение в заданной полосе частот и получить результаты в виде массива F, S11, S21.

Рассмотрим структурную схему лабораторного стенда для измерения параметров проволочных антенн, изображенную на рис. 1. Как Вы понимаете, данный стенд наиболее подходит для исследования антенн начиная с конца метрового, дециметрового диапазона и заканчивая сантиметровым 3ГГц, который является предельным для векторного анализатора. Ограничения будут связаны с габаритами и массой исследуемой антенны, размерами свободного пространства для установки стенда, плюс мощностью поворотного привода.

Векторный анализатор настроен на исследуемый диапазон, откалиброван и работает в режиме измерения S21, правда для анализа КСВ антенны можно включить и S11.

Векторный анализатор подключен через PORT 1 к исследуемой антенне, расположенной на поворотном устройстве, управляемом приводом (шаговым). Шаговый привод наиболее приемлем для получения мелких шагов по углу поворота. Шаговый привод через драйвер управляется компьютером, который одновременно управляет и векторным анализатором.

Для приема сигнала с исследуемой антенны используется измерительная антенна, в лабораториях чаще всего используют широкополосную логопериодическую вибраторную антенну (ЛПВА). Можно использовать заведомо работоспособную антенну, работающую в исследуемом диапазоне.

Сигнал с измерительной антенны поступает на PORT 2 векторного анализатора через широкополосный предусилитель (для повышения чувствительности стенда, чаще всего для измерения слабого сигнала или компенсации затухания в коаксиальном кабеле от измерительной антенны до векторного анализатора). Если чувствительности векторного анализатора достаточно, то можно исключить предусилитель.

Рассмотрим основной алгоритм работы такого стенда (включение, калибровку, измерение S11 пока опустим), т.е. его часть, отвечающую за измерение диаграммы направленности антенны. За один поворот антенны получаем измерение диаграмм направленности в заданном диапазоне частот.

Компьютер позиционирует (вращает) измерительную антенну в начало координат или на угол, приблизительно -180 градусов (0 градусов – максимум диаграммы).
Включает излучение и сканирует заданный диапазон частот, получая в памяти массив частотных зависимостей S11 и S21.
Компьютер сохраняет полученный двумерный массив в трехмерный с третьим индексом, соответствующим номеру измерения.
Компьютер поворачивает антенну на заданный шаг угла в сторону движения к максимуму диаграммы направленности (при ручном управлении оператор поворачивает антенну, уходит из ближней зоны антенн и дает команду на измерение), повторяет измерение и записывает двумерный массив с соответствующим индексом.
После окончания цикла измерения компьютер отключает излучение, возвращает антенну в нулевой угол.
Для обработки полученных результатов диаграмм направленности необходима программа, которая из каждого двумерного массива с результатами измерений выбирала бы для заданной частоты значение S21 и создавала бы массив зависимости S21 от угла поворота. После чего получается массив измеренных диаграмм направленности от частоты. Графики диаграмм направленности от частоты можно изображать как выборки из полученного массива в декартовой или полярной системе координат и проводить анализ.

Для реализации программы управления лабораторным стендом планируется использовать программу LabView, которая лучше всего подходит для разработки измерительных устройств с применением графического программирования инженерами, не очень глубоко знакомыми с программированием. Так же в LabView имеется богатый инструментарий создания графического интерфейса измерительных приборов и работы с массивами и таблицами, графиками, автоматическим составлением протокола измерений, плюс создание приборов, управляемых дистанционно через сеть интернет.

Список литературы

1 https://aliexpress.ru/item/1005001526974033.html

2 http://www.sysjoint.com/en/content/?144.html

3 http://www.sysjoint.com/pdf/NanoVNA-F%20V2%20Portable%20Vector%20Network%20Analyzer%20User%20Guide%20V1.0.pdf

4 http://www.gunthard-kraus.de/fertig_NanoVNA/English/NanoVNA%20H2_English.pdf

5 https://4ham.ru/wp-content/uploads/2020/05/NanoVNA_Console_Commands_Dec-9-19-1.pdf

https://sourceforge.net/projects/y-a-terminal/

Лабораторный стенд для исследования характеристик проволочных антенн на основе NanoVNA-F V2