Fino a qualche anno fa il VNA (Vector Network Analyzer) era il sogno di qualunque sperimentatore elettronico, ma troppo costoso per le tasche della maggior parte di essi. Uno strumento utile alla misura di qualunque circuito RF, sia esso un filtro, un amplificatore, un’antenna; praticamente indispensabile in laboratorio.
Cominciarono poi a comparire progetti di sistemi semplici ed a frequenze basse, come il VNA di Paul Kiciak N2PK, dove essenzialmente la parte elettronica si occupava della misura ed acquisizione del segnale ed il PC della elaborazione e rappresentazione. Su questo principio si basarono poi prodotti commerciali, anche di successo, come il miniVNA della miniRadioSolutions o lo SNA2550 della Elad (che tuttavia è un analizzatore scalare).
Trascuro volutamente i vari analizzatori di antenna, simili ad un VNA ma specializzati nella sola caratterizzazione delle antenne.
Nel 2007 Thomas Bayer DG8SAQ, professore universitario, pubblicò sulla rivista QEX e CQ DL [1] il progetto di un VNA, in parte concepito in maniera innovativa. DG8SAQ trasferiva al PC anche il compito di acquisire il segnale, utilizzando la scheda audio come media frequenza dello strumento. Un’idea tutto sommato semplice, soprattutto in quegli anni quando imperversavano i modi digitali ed i programmi di decodifica da scheda audio. Non solo, DG8SAQ riuscì a sfruttare componenti commerciali e relativamente economici oltre le caratteristiche dichiarate sui datasheet, riuscendo ad ottenere un sistema di misura funzionante fino ai 1.3 GHz.
Il progetto venne trasformato in un kit da Jan Verduyn G0BBL (su PCB disegnato da Dan Andersson M0DFI) nel 2008 nelle varie versioni 2.x [2], kit descritto su QEX nel 2009 [1]. Cominciò a diffondersi nella comunità radioamatoriale, tanto che per averlo ci si doveva iscrivere ad una lista di attesa di diversi mesi. Inizialmente dotato di interfaccia LPT, in seguito era disponibile anche l’interfaccia opzionale USB, dotata di chipset audio e microprocessore Atmel. Successivamente si poteva ordinare anche la versione già assemblata, il kit venne tolto definitivamente dal commercio nel Dicembre del 2010. Indubbiamente presentava diverse difficoltà di montaggio per la presenza di componenti SMD con piedinatura molto fitta e Tom e Jan non riuscivano a seguire tutte le richieste di aiuto di chi incontrava difficoltà nell’assemblaggio e nel collaudo.
Si giunge all’ultima versione [3], la 3, presentata nella metà del 2011 e venduta esclusivamente come prodotto finito [4].

Caratteristiche

Principali caratteristiche del VNWA versione 3:

• Copertura di frequenza da 1 kHZ a 1300 MHz;
• Dynamic range di 90dB fino a 500 MHz, per frequenze superiori accuratezza e dynamic range ridotti;
• Misura di S-parameters, VSWR, carta di Smith;
• Misura di componenti: resistenza, conduttanza, capacità, induttanza e fattore di qualità Q;
• Misure nel dominio del tempo;
• Lettura e scrittura file Touchstone (S1P, S2P, S3P);
• Sweep di frequenza logaritmico o lineare, fino a 8192 punti con tempo di campionamento selezionabile;
• Analizzatore di spettro fino a 100 MHz;
• Generatore di segnali, Pout fino a -17 dBm, nessun filtraggio delle armoniche;
• Tool per il calcolo del matching, calcolatrice scientifica, misura parametri di quarzi;
• Clock 12 MHz TCXO, stabilità 2 ppm (quarzo da 12.3 MHz utilizzato in terza armonica sulla versione 2.x, maggiori info su [7]);
• Interfaccia PC con porta USB;
• Alimentazione da porta USB, 5 Vdc, 400 mA max;
• Porte RF con connettori SMA.

Funzionamento

Il VNWA è costituito da due DDS della Analog Devices AD9859, uno dei quali utilizzato (RF DDS) come generatore e l’altro come oscillatore locale (LO DDS). Il segnale RF del generatore RF DDS va in uscita alla porta TX del VNWA attraversando un accoppiatore direzionale, la porta RX preleva invece il segnale in uscita dal DUT (Device Under Test). Le due porte sono unidirezionali.
Si ha un totale di tre segnali di misura: trasmesso, riflesso e riferimento. Questi vengono miscelati con l’oscillatore locale LO DDS in tre mixer Philips SA612 che li convertono ad un media frequenza ricadente in banda audio, quindi amplificati ed inviati ai due canali del convertitore A/D, un chip audio Burr-Brown (Texas Instruments) PCM2900. Poiché i canali sono due ed i segnali di misura tre, uno switch provvede ad alternare i segnali trasmesso e riflesso su uno dei due canali audio.
Sulla base di questi segnali il software deriva i parametri di scattering S11 ed S21 del DUT. Per la misura dell’S22 ed S12 è necessario invertire manualmente il DUT, ma è previsto un segnale di controllo per un’eventuale scheda di commutazione.
Fin qui nulla di complicato, a parte la novità della IF in banda audio, ma andando a consultare il datasheet dei DDS si nota che questi hanno una frequenza massima di clock di 400 MHz, il che vuol dire un segnale di uscita fino a 200 MHz. Come è possibile far lavorare il VNWA ad 1.3 GHz?
Thomas ha utilizzato due trucchetti, il primo è quello di usare i DDS in overclock, il secondo è di utilizzarne le armoniche (particolarmente abbondanti su questo tipo di generatori). I DDS possono essere overclockati quasi al doppio della frequenza nominale senza un eccessivo degrado delle caratteristiche ed in piena sicurezza per il chip.
Ma il vero colpo da maestro consiste nell’utilizzo, questa volta favorevole, delle armoniche del DDS. Supponiamo di generare con il DDS un segnale a frequenza Fo e che il clock sia a frequenza Fc, ebbene in uscita avremo armoniche, o meglio frequenze immagine, per n*Fc+Fo ed n*Fc-Fo con inviluppo sin(x)/x con x=pi*f/Fc.
Poiché l’ampiezza delle frequenze immagine è via via decrescente, nel VNWA si ovvia a questo inconveniente cambiando dinamicamente durante lo sweep la frequenza di clock, in modo da avere sempre la combinazione ottimale che genera il segnale di ampiezza maggiore per quella desiderata frequenza (concetto elaborato da Sam Wetterlin [5]). I DDS sono equipaggianti di PLL interno programmabile e si può moltiplicare a piacimento il segnale dell’oscillatore di riferimento del VNWA.
Il LO DDS dell’oscillatore locale viene pilotato in modo da selezionare la frequenza opportuna tra le varie immagini presenti nello spettro e riportarlo alla frequenza di IF, infatti nel VNWA non sono presenti filtri sulla IF che possano eliminare direttamente i segnali indesiderati. Fissata la frequenza di IF, che abbiamo detto è in banda audio, esiste una sola combinazione |RF-LO| valida. Per ottenere ciò è indispensabile che i due DDS vengano fatti funzionare con frequenza di clock diverse, altrimenti si pescano tutte le frequenze immagine. Ciò è spiegato in dettaglio nella “Letter to the Editor” pubblicata su QEX Maggio/Giugno 2007 [1].
A questo punto il software esegue le opportune elaborazioni sui segnali campionati e visualizza i risultati in forma grafica e numerica. Le tracce possono essere salvate come immagini o dati, anche nel formato standard S2P.
Le caratteristiche dello strumento sono degne di nota fino ai 500 MHz, con un dynamic range eccezionale per un circuito del genere. Oltre si degradano sia a causa della ridotta potenza del segnale del DDS, sia perché i mixer utilizzati non sono fatti per funzionare oltre. Ma le prestazioni sono comunque tali da assicurare buone misure. Purtroppo il software è proprietario e ceduto con licenza e codice di attivazione legato al proprio VNWA, quindi non è possibile sviluppare degli applicativi alternativi a quelli di DG8SAQ. Tuttavia sono disponibili dei comandi remoti che si possono utilizzare per interfacciare il software a programmi esterni.

Montaggio

Il montaggio del VNWA 2.6 in kit è stata un’esperienza non molto facile e che ha richiesto tempo, ma istruttiva sia dal punto di vista pratico nel montaggio di componentistica SMD, sia per comprendere meglio la struttura del VNWA.
Anche se il kit non è più disponibile riporto, a titolo di curiosità, alcune foto scattate durante le operazioni di montaggio. Tutte le operazioni di assemblaggio e collaudo sono spiegate nel dettaglio sul manuale fornito con il kit [2].

Interfaccia USB e chipset audio

Scheda RF

Particolare dei DDS

Assemblaggio finale

Taratura

Come ogni VNA che si rispetti, prima di qualunque misura, è necessario eseguire una procedura di taratura o richiamarne una già fatta. Per la taratura del VNWA si applica il modello dei 12 termini del NIST, che richiede la misura di load, short e open sulla porta TX ed open e through tra porte TX ed RX.
Questo aspetto mi è sembrato alquanto trascurato su altri VNA ad uso amatoriale seppure sia fondamentale per la buona riuscita di qualunque misura. Chi lavora con la strumentazione professionale sa bene quanto costa un kit di calibrazione, ma nel nostro caso possiamo accontentarci di un buon carico, autocostruendo eventualmente lo short e l’open. Poi alcune procedure consentono di individuare e correggere gli errori introdotti da un kit di calibrazione non proprio ideale.
Poiché è possibile salvare e richiamare le tarature precedenti, è possibile riutilizzarle a patto di mantenere inalterate le condizioni di misura: numero di punto dello sweep, frequenze di start e stop, cavi di connessione, adattatori. Si può definire una master calibration da riutilizzare con sweep e frequenze diverse, in tal caso le nuove condizioni di taratura verranno calcolate per interpolazioni dei punti precedentemente memorizzati.

Misure

Per concludere allego alcune schermate di misure eseguite con il mio VNWA, a titolo di esempio delle infinite possibilità di questo strumento.

Return loss antenna deltaloop tribanda

Filtro passa banda in cavità per APRS

Dummy load di precisione

Dummy load autocostruito

Riferimenti e Bibliografia

[1] Thomas DG8SAQ’s website;
[2] VNWA 2.x description and documentation;
[3] VNWA 3 description;
[4] SDR-Kits website;
[5] Sam Wetterlin, “Using DDS Aliases to Extend the Frequency Range”;
[6] Yahoo! VNWA Users group;
[7] VNWA 2.6, comparazione clock.

Autore: Gianfranco IZ8EWD
Data di pubblicazione: 02/2012
Ultimo aggiornamento: 01/2013

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