NanoVNA LNA Ölçümü

 

Öncelikle bilmeyenler için LNA nedir?

LNA Low Noise Amplifier 'ın kısaltmasıdır. 

Basit bir anlatımla sinyalleri mümkün olduğunca az gürültü ekleyerek güçlendirmek için kullanılır.

Örneğin, VHF/UHF haberleşmede, anten ile cihazınız arasındaki mesafe uzun ve koaksiyel kablodaki kaybınız çok ise, bir LNA kullanarak bu kaybın önüne geçebilir, antende duyulan sinyalin, cihazınıza kadar kayıpsız ulaşmasını sağlayabilirsiniz.

Normal hayatta da sıklıkla kullanıyoruz aslında bunu farkında olmadan.

Örneğin eski TV antenlerine takılan güçlendiriciler. Bunlar temelde bir LNA'dır.

Ya da Uydu antenlerine takılan LNB'ler.  E ama buna niye LNB denmiş olabilir?

Çünkü bu cihaz sadece güçlendirmekle kalmamakta, 10-12 GHZ teki sinyali 750 MHZ lere düşürerek kablodaki kaybın önüne farklı bir yöntem ile de geçmektedir. 

Gelelim NanoVNA da bunu nasıl ölçeceğimize.

Kalibrasyon kısmını yaptıktan sonra (diğer yazılarımda bahsetmiştim)

NanoVNA'nın çıkış (S11 portunu, önce bir zayıflatıcı (attenuator) daha sonra da LNA'nın girişine giriniz.

Attenuator'u LNA'nın çıkışına da bağlayabilirsiniz. Burada önemli olan NanoVNA'nın çıkış gücünün LNA nın maksimum girişinden yüksek olmaması.

Eğer elinizde bu şekilde bir zayıflatıcı yok ise, uzun ve kayıplı bir RG58 kablo kullanabilirsiniz.

Tabii bunun için benzer bir şekilde önce LNA'sız olarak kablo kaybını ölçmeniz lazım ki sonuçta çıkan değerin ne olduğunu bilin.

NanoVNA ekranınızda ölçüm yapacağınız S21 portu için Logmag çizgisinin açık olduğuna emin olun. CH1 Logmag olarak ekranda yazıyor olmalı. Eğer yok ise, DISPLAY/FORMAT/LOGMAG seçenekleri ile açabilirsiniz.

Önce Attenuator değerini ölçelim. (Eğer kalibre bir attenuator var ise elinizde bu ölçüme gerek yok.)

CH1 için -15 db zayıflama gösteriyor. Yani, CH0 dan çıkan ve attenuatordan geçip CH1 e giren sinyalin -15 db zayıfladığını görüyoruz.

Daha sonra araya LNA'yı da ekleyerek (ve LNA'nın güç beslemesini vererek) ölçümü tekrarlıyoruz.

Bu sefer +10 dB civarı bir değer ölçtük.

Bir önceki ölçümde gördüğümüz -15 dB kaybı da katınca toplamda 25 dB bir kazanç elde ettiğimizi görebiliyoruz.

Ayrıca grafiğin başında ve sonundakü değer kayıpları da, bu LNA'da bulunan bir bandpass filtreden kaynaklanmakta. Bu filtre LNA'nın sadece 144-146 arasını yükseltmesi, diğer frekansları yükseltmemesini sağlamakta ki grafikten de bu açıkça görünüyor.

NanoVNA'nın maksimum giriş değerinin 20 dB olduğunu göz önüne alarak bu tür ölçümlerde her zaman güvenli değerler içinde kalacak kadar zayıflatma yaptığınıza emin olun.

 

NanoVNA'yı sinyal generator olarak kullanmak.

 NanoVNA'lar her ne kadar bu amaçla yapılmamış olsa da, çalışma prensibi gereği bir sinyal generator olarak kullanılabilmekteler.

Çünkü S11 portu bir sinyal üretmekte ve bu sinyalin dönüşüne göre sonuçları hesaplamakta.

Bir dezavantajı, çoğu sinyal generatordeki gibi sinüs değil, kare dalga üretmekte.

NanoVNA'yı sinyal generator olarak kullanmanın iki temel yolu var.

Ama bu yola girmeden önce , NanoVNA'nın çıkışı ne kadar ona bakmak lazım.

İlk çıkan versiyonları speclerinde yazdığına göre -13 dbm, maksimum -9 dbm güce sahip , Yani 0.00005 watt.

Oldukça düşük evet.

 Ama hepsinde öyle değil. Örneğin NanoVNA-H versiyonunda yapılan ölçümler 3 dBm e kadar gücün çıktığını gösteriyor.

Bu güç te direkt olarak bir alıcı sisteme bağlamak için yüksek.

Peki nanovna'nın gücü değiştirilebiliyor mu? 

Evet.

Bildiğiniz gibi nanovna bilgisayara bağlanınca bir seri port ile bağlanmış gibi davranıyor.

Bu seri porta bağlanıp aşağıdaki komutları uyguladığınızda çıkış gücünü de değiştirebiliyorsunuz.

serial command	RMS voltage [mV]	power @ 50 Ω [dBm]
power 0	88.7	-8.0
power 1	173	-2.2
power 2	253	1.1
power 3	324	3.2

 

Cihaz default ayarlarda power 3 ile çalışıyor.

Bu tür bir değişiklik yapacak olursanız, power -1 komutu ile otomatik moda geri döndürebiliyorsunuz.

Gelelim NanoVNA yı nasıl Signal Generator olarak kullanacağımıza.

İki yöntem var.

Birincisi, STIMULUS menüsüne girmek,   Start a bir frekans yazmak (Örneğin 144.300M)  sonra aynı frekansı Stop frekansına da girmek.

Bu şekilde cihaz CW sinyal üretmeye başlıyor.

İkinci yöntem çok daha kolay.

STIMULUS menüsü altındaki CW FREQ menüsüne direkt olarka frekansı yazmak.

Bu şekilde kare dalga bile olsa bir CW sinyal üretmeye başlamış olusunuz.

NanoVNA Bilgisayarlı Kullanımı

 NanoVNA'nın her ne kadar üzerinde bir ekranı olsa da, küçük bir ekrandan tüm işlemleri yapmak biraz zahmet verici olabiliyor.

Eğer NanoVNA'nızı masaüstünde kullanıyor iseniz (sahada bir anten ölçümü yapmıyor iseniz)  bilgisayar üzerinden yönetmek daha kolay oluyor.

Bu amaçla kullanabileceğiniz bazı yazılımlar var.

En sık kullanılanlardan biri NanoVNA Saver.

Bu yazılımı https://github.com/mihtjel/nanovna-saver/releases  adresinden indirebilirsiniz.

Hem linux/mac hem windows uyumlu bu programın Hugen versiyonu firmwareler ile maalesef hala bir sıkıntısı olsa da diğer sürümler ile uyumlu çalışabiliyor.

Hugen versiyonu için https://groups.io/g/nanovna-users/topic/36316642  yazılımı kullanılabilir.

Bunun yanında TAPRVNA (https://github.com/erikkaashoek/Tapr-VNA)

Ya da cep telefonunuzu kullanarak kullanabileceğiniz, https://oristopo.github.io/nVhelp/html/NanoVNA-Web-Client yazılımı mevcut.

Bu yazıda NanoVNA Saver yazılımını anlatacağım.

Bu yazının yazıldığı sırada 0.3.9 prerelease ve 0.3.8 stable releaseleri var.  Şimdi yazılımı biraz anlatayım.

Bilgisayarınıza bu cihazı USB üzerinden bağladıktan sonra windows makinalarda Aygıt Yöneticisi altından hangi COM Port a atandığını kontrol edin.

Okla işaretli yerden ilgili Com Portu seçtikten sonra Connect to Device seçeneğini seçin.

Cihaz bağlandıktan sonra Sweep yani tarama alanını tanımlayın.

Ölçeceğiniz aralığı ne kadar küçültürseniz o kadar hassas bir ölçüm olacağını unutmayın.

Burada start ve stop değerlerini girince center ve span değerlerini otomatik dolduruyor.

Bu alan Hz olarak giriş kabul ediyor.

Yani 100MHz için 100000000 ya da 100e6 ya da 100MHz yazmak gerekiyor.

Örnekte görüldüğü gibi 100-500MHz arası bir taramada her step arasının 4MHz olacağı yazılmış. Tüm amatör bandın 2 mhz olduğunu düşünecek olursanız (144-146 arası) bu aralıkta bir anten ölçümü yapacak iseniz, 140-150 mhz arası bir değer kullanmak daha iyi olacaktır.

Sweep Settings düğmesine basarsanız, buradaki ayarlardan bir defalık tarama, sürekli tarama gibi ayarları yapabileceğiniz gibi, eğer porta takılı bir zayıflatıcı (Attenuator) var ise onun tanımlaması, herhangi hazır preset bir band seçimi gibi ayarlara ulaşabilirsiniz.

Default ayarlarda Single Sweep seçili geldiği için, her ölçümde Sweep düğmesine basmanız gerekirken, Continuous sweep seçerseniz, siz dur diyene kadar sürekli ölçmeye devam edecektir.

Bir önceki yazımda da anlattığım gibi, VNA'ların en önemli adımı Kalibrasyon.

Bu noktada Calibration menüsüne girmeniz önemli.

Burada yapacağınız kalibrasyonlar, cihazın içindeki kalibrasyonlardan bağımsız olduğundan bu ekranda , değişik frekans aralıkları , değişik adaptörler , uzatma kabloları için şablon kalibrasyonları yapıp kaydedebilmeniz büyük kolaylık sağlayacaktır.

Diğer yazıda anlatılan yöntemde detaylarını bulabileceğiniz kalibrasyon adımları bu ekranda kolaylıkla yapılabilmektedir. 

Buradaki fark her adımda (Örneğin OPEN yapacaksınız) gerekli kalibrasyon elemanını bağlayın, SWEEP e basın, sonra OPEN a basın, bir sonraki adımda da Dummy LOAD'ı takın, SWEEP e basın, sonra LOAD a basın. Önce elemanın bağlanması, sonra  Sweep, sonra Kalibrasyon adımı seçimi..

Buradaki ilginç ve diğer yazıda belirtmediğim kısım offset delay. Teknik olarak açıklamak gerekir ise, cihaz bağlantı kablolarınızda, örneğin kalibrasyon kitinizi ya da DUT'u bağlarken araya koyacağınız ilave bir N to SMA ya da dişi-dişi adaptör gibi bir çevirici var ise, bu ilave, kalibrasyonda farklılık yaratacağından, 

formülü ile bu ilave gecikme hesaplanır ve offset delay kısmına eklenir.

Burada l= kullandığınız adaptörün içten içe (içerideki teflon veya plastik dielektrik malzemeden diğer ucuna) boyu (mm olarak) Er=Geçirgenlik Kaysayısı (konektör içindeki malzemeye göre değişir.. Örn. teflon =2.1) C ise ışık hızı (2.998 e8)

11 mm uzunluğunda teflon içli bir adaptör için bu değer yaklaşık 5,3xe-8 yani 53picosaniye yapmakta. 

Tüm bu değerler girildikten sonra apply ile bu ayarları uygulayabilir, save ile gelecekte de kullanmak için kaydedebilirsiniz.

Daha önce de dediğim gibi bu ayarlar nanovna üzerine kaydedilmez. Tamamen PC tarafında kalır.

Bir kolaylık olarak Calibration Assistant 'ı kullanarak tüm bu ayarları adım adım yönlendirilerek te yapabilirsiniz.

Display Settings altında ekranda hangi grafikleri değerleri görmek istediğinizi ayarlayabilirsiniz.

Ya da hazır şablonlardan ölçüm yapacağınız cihaz ya da değerleri hızlıca seçebilirsiniz.

Bu ayarlardan sonra ihtiyacınıza göre ölçümleri yapabilirsiniz.

Bunların haricinde Time Domain Reflectometry Ölçümü var.

Bu ölçüm ile, NanoVNA ya bağladığınız bir koaksiyel kablonun sağlamlığını, var ise hangi metrede koptuğunu ya da zarar gördüğünü ölçebilirsiniz.

Aşağıdaki grafikte profesyonel bir VNA ile NanoVNA nın değerlerinin karşılaştırmasını görebilirsiniz

 

NanoVNA Kalibrasyon

 VNA cihazlarında ölçümler çok hassas sinyaller ile yapıldığı için kalibrasyon yüksek öneme sahiptir.

NanoVNA 'de de aynı şekilde ölçüm şartları değiştiğinde kalibrasyon yapılması doğru bir ölçüm için zorunludur.

Ölçüm şartlarının değişmesi nedir derseniz?

Normalde test edeceğiniz bir cihazı (DUT) NanoVNA ya bağladığınızda  resimdeki okla gösterilen konektörün uç kısmına kadar bir ölçüme göre hesaplama yapar.

Ölçüm yapacağınız cihaz/filtre/anten'e eğer arada bir kablo kullanarak bağlantı yapacak olursanız mutlaka ilk iş bu ekleyeceğiniz kablonun ucuna takacağınız açık/kısadevre ve 50 ohm yükler ile kalibrasyon yapmalısınız. 

ÖLÇÜM YAPMADAN ÖNCE YAPMANIZ GEREKEN İLK İŞ KALİBRASYON YAPMAKTIR 

Bu adımı hiç bir zaman atlamayın.

Kalibrasyon yapmak için gerekli 3 adet yük NanoVNA'lar ile beraber gönderilmektedir.

Yukarıda gördüğünüz gibi gönderilen 3 adet kalibrasyon ucu mevcut. İçi boş olan open, içi metalik olan short yani kısa devre, genelde metal renkli daha irice olan ise 50 ohm dummy load olarak kullanılmaktadır.

Önemli olan kablonun en ucunda bunları kullanmak, en kesin sonucu almanız ancak bu şekilde mümkündür.  Kalibrasyonsuz bir cihaz ile test yapmanız sonuçlarınızı oldukça etkileyecektir. Çünkü, VNA'lar gönderilen sinyalin faz farkını kullanarak ölçüm yapar. Kablodaki bir kaç cm'lik fark bile bu fazı kaydıracağı için sonucu değiştirecektir.

Peki nasıl kalibre yapılır.

Kalibre yapmadan önce cihazın çalışma frekans aralığını ne kadar daralırsanız o kadar iyi bir kalibrasyon yapmış olursunuz.

Örneğin ağırlıklı olarak VHF_UHF ölçümü yapıyorsanız, frekans aralığınızı 140-450MHz arasında ayarlayıp, daha sonrasında bu kalibrasyonu yapmanız daha faydalı olacaktır.

Peki 0-900 MHz arası kalibrasyon yaparsam ne olur derseniz, aradaki fark şu.

Bu cihazlar modeline göre değişmekle beraber, 101(nanovna)  200-300 hatta 400(nanovna h4)  noktadan ölçüm almaktalar.

100 kabul edersek,  0-900 MHz aralıkta bir kalibrasyon yaptığınızda 900/200= 9 MHz te bir ölçüm alıp kalibre edecektir.

Eğer 140-450 MHz aralığında bir kalibrasyon yapılacak olur ise, 450-140=310 MHz /200 =3.1 Mhz

Yani 3 kat daha yüksek bir hassasiyet ile kalibrasyon yapılabilir.

Bu yüzden ölçüm yapacağınız aralığa en yakın aralığı seçmek önemlidir. (Örneğin 144-146) 

Stimulus ekranından başlangıç, bitiş değerlerini girdikten sonra, cihaza ölçümde kullanacağınız ara kabloyu bağlayın.

CAL menüsüne girin.Bunun altındaki CALIBRATE 'i seçin.

Şu şekilde bir ekran karşınıza çıkacak.

1. İçi boş olan SMA'yı cihazınıza (S11 Portuna)bağlayın ve OPEN a basın.
2. Kısa devre SMA'yı cihazınıza (S11 Portuna) bağlayın ve SHORT a basın.
3. 50 Ohm Dummy Load'ı cihazınıza (S11 Portuna) bağlayın ve LOAD a basın.

Buraya kadar olan kısım mecburi olan kısım. Eğer SWR ölçümü yapacaksanız ya da yapacağınız test sadece S11 portundan yapılacak ise bu noktada  DONE'a basın.

Peşinden bir SAVE menüsü sizi karşılayacak.

SAVE0-SAVE4 arası ekranlar çıkacak. Bu noktada SAVE0 a kaydettiğiniz değer cihazı açıtığınızda yüklenecek olan değerlerdir. Örneğin kablosuz direkt bağlantı  "default" ayarlarını buraya kaydeder, diğer save değerlerine de kablolu ya da belirli bir frekansa göre olan ayarları kaydedebilirsiniz. Daha sonra bu ayarları (Save0 hariç) Recall menüsü altından geri yükleyebilir ve kullanabilirsiniz.

Peki, Filtre ölçümü gibi her iki portu da kullanacağınız bir ölçüm yapacaksanız?

3. adımdan sonra kabloların uçları boş iken ISOLN seçeneğini seçin. Bu her iki port (S11 ve S21)  arasındaki izolasyon kalibrasyonu yapmak için kullanılır. Bu noktada eğer elinizde var ise her iki porta da LOAD konnektör takmanız daha idealdir. Tek LOAD var ise, S21 e takabilirsiniz.

Bir sonraki adım S11'den çıkan kablonun ucunu S21 e bağlayın ve THRU ya basın. Bu da S11 den çıkan sinyal ve fazın S21'den okunması ile kalibrasyonu tamamlar.

Peşinden yine DONE ve SAVE0 yapabilirsiniz.

Yukarıda önemle altını çizdiğim gibi, kalibrasyon NanoVNA ve diğer VNA'lar için çok önemli.

Hatta o kadar önemli ki, sadece kablo boyu değil, örneğin bir kabloyu diğer kabloya bağlamak ya da kalibrasyon sırasında araya mini bir adaptör eklemek durumunda kalmışsanız bunu bile düzeltme olarak eklemeniz sonuçlarınızın doğruluğu açısından önemli.

 

Son olarak NANOVNA'nın Menü tablolarını paylaşmak istiyorum.

Bir referans olarak print edip kullanırsanız menülerin içinde dolaşırken kaybolmazsınız.

73

VNA & Nanovna Nedir?

 

VNA yani Vector Network Analyzer, bundan belki 4-5 yıl önce ancak ciddi laboratuvar ya da teknik işlerle uğraşabilenlerin alabileceği, genelde 5 haneli rakamlara satılan profesyonel test/ölçüm cihazlarıydı.

Örnek bazı ebay kullanılmış VNA fiyatları;

VNA genelde bir transmit yani gönderme bir de alma portundan oluşan bir test cihazıdır.

Gerçi gönderme kısmı aynı zamanda alma da yapmaktadır. 

Cihaz bu portlar arasına ya da portlardan birine bağlanmış olan test edilen cihaz yani DUT (Device Under Test) üzerinden geçen, ya da yansıyan sinyalleri ürettiği sinyal ile karşılaştırır ve analizini yapar, sonuçları gösterir.

VNA cihazları temel olarak iki şeyi işler.. Gönderme ve duyma.

Cihazlarda genel olarak ilk porta(hem gönderme yapan hem dinleyen)  S11, ikinci porta ise S21 denmektedir.

Bu cihazlarla kazanç(gain) , kayıp , faz farkı elektriksel uzunluk,elektriksel gecikme ve bunlardan türetilebilecek diğer bilgiler öğrenilebilir.

Peki ya Nanovna?

Amerikalı bir grup radyo amatörünün başlattığı STM32-SDR projesinden etkilenen edy555 takma isimli Japon biri tarafından tasarlandı. Amaç, SDR teknolojisinin getirdiği yenilikler ile sıradan insanların da alabileceği ucuz ve kolay üretilebilecek bir VNA yapmaktı. İlk prototiplerinden sonra, kaynak kodlarının tamamını internette ücretsiz yayınladı ve NanoVNA doğmuş oldu.

İlk model oldukça basitti. 

SI5351A , SA612 mixer ve bir A/D çevirici ile oluşturulmuştu.

Daha sonra Hugen isimli bir şahıs (ki bazı kaynaklar hugen ve edy555'in aynı kişi olduğunu söylüyor), bu versiyonu ilerletip daha rahat üretilebilir bir hale getirdi ve ticari olarak üretilmeye başladı.

Peşinden bir çok farklı versiyonu çıktı, kutulu kutusuz, kalibre, büyük ekranlı, farklı frekans aralıklarında çalışan versiyonları hızla arttı. Ve tabii ki Çin üretimi klonları da.

Nanovna H adıyla satılan bu ilk model, oldukça popüler oldu ve bir çok radyo amatörünün evinde yer aldı. 

Daha sonra aynı tasarım ufak tefek iyileştirmeler ile süre içinde geliştirildi. Hassasiyeti ve kararlılığı arttırıldı. 50khz- 900 Mhz aralığında çalışabiliyordu.

Peşinden Nanovna H versiyonu piyasada yerini aldı.

Bu model 3 GHz e kadar çıkabiliyordu.

Sonrasında SAA V2 gibi N tipi konektörlü modelleri, 

NanovnaF gibi , çinli biri tarafından geliştirilmiş olan daha hassas ölçüm yapabilen modeli gibi bir çok alt modeli çıktı.

İki ana grup var. Hugen ve HCXQS.
Hugen için yetkili satıcısı
https://deepelec.aliexpress.com/store/5498043
Bu grup ilk tasarimi yapan grup.

alibaba dan alışveriş yaparsanız üreticisi
https://zeenko.en.alibaba.com/productgrouplist-813192250/Vector_Network_Analyzer.html?spm=a2700.shop_index.88.28


HCXQS ise nanovna V2 türevlerini üretiyor. Oldukça da yüksek dinamiklere sahip cihazlar. Klon değil, orjinal tasarimi iyleştirerek üretilmiş cihazlar.
https://nanorfe.com/nanovna-v2.html sayfasında yetkili satıcılarının listesi var ama bunlarda da gördüğüm kadarıyla bugün için stok yok.
Biraz kıtlık var anlayacağınız.
Fiyatları 35-40$dan başlayıp, 100-110$ a kadar çıkmakta.

Bundan sonraki yazılarımda, bu tanıtım yazısına istinaden, Nanovna ile yapabileceğiniz bazı ölçümleri, püf noktalarını yazacağım.

Örneğin, 

• Nasıl kalibrasyon yapılır ve kalibrasyonu neden önemlidir?
• Bilgisayarda hangi yazılımları kullanabiliriz?
• Sinyal Generator olarak nasıl kullanılır?
• En sık kullandığımız fonksiyonlardan biri olan VSWR ölçümü ve genel bir Smith Chart kullanımı,
• Koaksiyel Kablo kayıpları ölçümü
• Koaksiyel kablo mesafesi (ya da arızalı yer tespiti), ve kablo velocity factor ölçümleri
• Değeri bilinmeyen bir koaksiyel kablonun empedansının bulunması
• Duplexer, Low ve High Pass filtre ölçümlerinin nasıl yapılacağı
• Kristal Ölçümü nasıl yapılır 

gibi konuları tek tek ele almayı planlıyorum.

Sözün özü, ilk başta bahsedilen çok pahalı cihazlar ile, Nanovna arasındaki fark nedir derseniz,  Ciddi laboratuvar çalışması yapabileceğiniz, sadece kalibrasyon setleri bir kaç bin dolara satılan cihazlarla yapılan işlevsel çoğu işi Nanovna ile de yapabilirsiniz.

 Ölçüm hassasiyetiniz bu kadar iyi olmayacaktır belki ama, bir amatörün fazlaca işine yarayacaktır.

 En ciddi farkları, ölçüm noktası sıklığı (yani iki frekans arasında kaç ölçüm noktası olacağı) ve Dynamic  Range denilen sinyal aralığıdır. Dynamic range ten kasıt, örneğin cavity filter ölçümü yaptığınızı düşünün, çok yüksek bastırma oranına sahip bir filtrede -90 -100 db ye kadar ölçüm yapma ihtiyacınız varken, NanoVNA da bu ölçümü modeline göre  -60 -70 belki -80 dBlere kadar anca yapabilirsiniz. 

Eğer elinizin altında bu tür bir laboratuar'da çalışma şansı yoksa, bir Nanovna edinmeye bakın derim.

Takipte kalın ;)

Not: Bu yazıyı çıktıktan sonra bir kaç farklı VNA modeli daha çıkmış.

Dİkkatimi çekenlerden biri LiteVNA

https://www.alibaba.com/product-detail/LiteVNA-64-Original-Hugen-50kHz-6_1600397615077.html?spm=a2700.shop_plgr.41413.11.3c1125d2ekNwyg

50kHz-6.3 GHz arası çalışabilen , özellikle 3 GHz e kadar gayet yüksek ölçüm değerlerine sahip bir cihaz.