Minicomparazione tra vari "VNA" in mio possesso

[denis751]

Grazie.  Il disegno era solo indicativo a titolo di esempio.  Per quanto riguarda i software.... Cosa mi dici?

[maxastuto IU8MLV]

Onestamente non l'ho mai collegato ma  ho  provato ad aprirlo, ma non si apre, ( forse necessita il  collegamento obbligatorio con il nano vna)

[rosco]

anche i kit autocostruiti alla meno peggio per la taratura dei vari cloni del SARK-100 non si discostavano troppo da una discreta precisione in HF.
(al riguardo Rosco ne sa molto di più visto che il mio clone del sark si è guastato dopo un paio di mesi di utilizzo)

Devo rifare il kit per mr-100 ( il clone del sark ) perchè con quello, anche dopo la taratura, le misure non erano "lineari" ( come invece lo sono col nano) , MA fare 274 ohm con resistenze a carbone da 1/4 W non è il massimo ;-)
Prima o poi verificherò se era il kit o proprio lo strumento.
Comunque anche con tutte le imprecisioni e limitazioni è servito per tarare linked dipole ed endfed e l'817 non si è mai lamentato.

[rosco]

Grazie.  Il disegno era solo indicativo a titolo di esempio.  Per quanto riguarda i software.... Cosa mi dici?

Premesso che NON è strettamente necessario usare sw ( basta una lente HI )
io mi trovo bene con https://github.com/NanoVNA-Saver/nanovna-saver
anche se so che ce ne sono altri sempre gratuiti.

[trodaf_4912]

La procedura di calibrazione e' fondamentale specialmente quando si opera su frequenze oltre le HF. Ad esempio sull'FA-VA5 esiste un kit di calibrazione "calibrato" con accluso due o tre fogli con i valori da inserire : OPEN, SHORT, LOAD, delay time e i relativi valori di R, L, C.  Questa e' una procedura decisamente piu' lunga che la solita S.O.L., ma fornisce una calibrazione finale decisamente piu' accurata. Questo sistema e' utilizzato anche dal fratello maggiore il VNWA-3 di DG8SAQ.  Questo KIT e' opzionale e costa credo 14 sterline.
Piu' e' accurata la calibrazione piu' i dati ottenuti sono congruenti. Proprio per tale motivo DG8SAQ ha sviluppato e reso disponibile una "magic cal box" (https://www.sdr-kits.net/Magi-Cal-Automated_SMA_Calibrator_for_VNWA) che rende automatizzato il processo di calibrazione per tutte le versioni di VNWA precedenti alla 3 e anche per il mio FA-VA5.
Il sistema di calibrazione piu' preciso prevede proprio la procedura descritta per il VNWA-3 con l'inserimento di tutti i parametri uno ad uno compreso il delay time.
In ogni caso, per tutti quegli analizzatori di antenna/vna che prevedono la sola calibrazione solo sui suoi connettori, le misure sono da prendere piu' con le molle.

[Skypperman]

Questo si che è un topic interessante!
Mi voglio complimentare per la qualità del post e di tutti i commenti, senza i soliti commenti da bar.
Continuate così, vi seguo con piacere!

[trodaf_4912]

Perche' le coppie R e X , dato un certo SWR sono infinite e producono lo stesso SWR ?.
Per spiegarlo occorre fare ricorso alla Carta di Smith. Supponiamo di avere una ZL=76+J14 (impedenza dell'antenna) a 28MHz e un cavo coassiale ideale, senza perdite e con FV=1. Individuata la sua posizione sul grafico. si traccia un cerchio con il compasso con centro Z=50 OHm e come raggio il punto ZL. Orbene, tutti i punti che si trovano su questa circonferenza producono lo stesso SWR, come ad esempio la coniugata della ZL e cioe' 76-J14.

Sembra una cosa strana ma e' cosi'. Il raggio altro non e' che il modulo del coefficiente di riflessione |GAMMA|
e le due formule che servono per calcolare l'SWR sono le seguenti :
Coeff. di riflessione GAMMA = (ZL-Zc)/(ZL+Zc)
dove ZL, Zc e GAMMA sono numeri complessi (immaginari).
ZL=76+J14, Zc=50+J0, GAMMA=GAMMA_R+JGAMMA_X 
Se calcolo il modulo del coeff. di riflessione
|GAMMA|=SQRT( GAMMA_R^2+GAMMA_X^2)
ottengo un numero sempre positivo che esprime il raggio del cerchio.
Come calcolo l'SWR ?
SWR = (1 + |GAMMA|)/(1 - |GAMMA|)
Se prendete un punto qualsiasi appartenente alla circonferenza disegnata con la sua R e X e fate i calcoli otterrete sempre lo stesso SWR che, nel nostro caso vale 1.6. Questi sono i calcoli che fa il vostro analizzatore di antenna, partendo dalla coppia R e X misurata. Da qui si comprende che, quanto la misura di questa coppia e' precisa, tanto piu' i calcoli che seguono forniranno un risultato preciso. Ma se si parte gia' da una coppia R e X affetta da un errore di lettura, allora il risultato non sara' congruente.
PS: in realta' tutti i valori ZL, GAMMA sono normalizzati rispetto a Zc che nel nostro caso vale 50 OHm e quindi il centro del cerchio sara' 1+J0.
In questo caso il modulo di GAMMA corrisponde al parametro S11 (coefficente di riflessione che si ottiene dalla ZL normalizzata e applicata nella prima formula). Se avete il nanovna, andate sulla rappresentazione polare e quello che troverete sara' il parametro S11 in forma cartesiana oppure come modulo e angolo. Nel mio caso, l'FA-VA5 mi fornisce direttamente la lettura in forma cartesiana di S11.
E se il cavo non e' ideale ?. Allora quel cerchio sara' una spirale concentrica in funzione della lunghezza del cavo e della sua attenuazione, e questo comporta che l'SWR letto ai ai capi del trasmettitore e' minore in modo proporzionale all'attenuazione del cavo, rispetto all'SWR ai capi dell'antenna. Perche' ?, Perche si riduce il modulo del coefficiente di riflessione a causa dell'attenuazione introdotta dal cavo.

[rosco]

Senza polemica, solo per capire ...

ma se si parte gia' da una coppia R e X affetta da un errore di lettura, allora il risultato non sara' congruente.

E come fanno gli strumenti che danno SWR ( più o meno corretto ) , ma non distinguono il segno di X ?
Non misurano ( o stimano ) SWR come rapporto di tensioni e poi provano a calcolare R e X  ?

[trodaf_4912]

Senza polemica, solo per capire ...

E perche' dovrei interpretare la tua domanda come polemica. Probabilmente mi sono espresso in modo lacunoso e vedo adesso di chiarirti il perche' non e' necessario conoscerne il segno. D'altra parte un misuratore di onde stazionarie non fa alcun calcolo del segno della X. Forse tu hai in mente questo funzionamento dove vengono lette la tensione diretta e quella riflessa e poi si esegue un rapporto per il calcolo dell'SWR. Ma sono due approcci diversi, uno deve solo misurare l'SWR come rapporto tra due tensioni ottenendo un numero, l'altro, nel nostro caso, deve misurare con la maggiore precisione possibile la R e la X per eseguire calcoli alla fine dei quali si ottiene si l'SWR ma come risultato accessorio. L'obbiettivo e' il calcolo della coppia R e X e i parametri relativi come il coefficiente di riflessione, dando una visione grafica del comportamento del sistema al variare della frequenza, ed in questo caso si che il segno della X diventa importante per la graficazione complessiva. Rispondo ora alla tua domanda sul il segno di X nel calcolo dell'SWR.
Il segno di X non e' necessario per calcolare l'SWR, in quanto per il calcolo dell'SWR si utilizza il modulo del coefficiente di riflessione che e' un numero sempre positivo infatti e' la somma dei quadrati di R e X sotto radice quadrata. Per tutti i punti, compreso il coniugato dell'impedenza ZL, che sono allocati sulla circonferenza che ha come raggio il coefficiente di riflessione, l'SWR e' lo stesso.
Per quanto riguarda il "come" lo strumento misura la R e la X ti invito a leggere la pagina sotto tratta dalla presentazione dell'FA-VA5 dove viene spiegato come si ricava la coppia R e X. E' la applicazione della semplice legge di OHm ma applicata a parametri complessi, cioe' con numeri immaginari.


Il simbolo Γ e' il coefficiente di riflessione GAMMA, mentre |Γ| e' il suo modulo |GAMMA|.
Poi, in allegato, troverai il documento completo della presentazione dello schema a blocchi dell'FA-VA5 progettato dal fisico tedesco DG5MK. Nel documento troverai anche la comparazione tra vari analizzatori di antenna tra i piu' conosciuti con i loro limiti e precisione. Mi spiace se ancora ho lasciato dei dubbi, ma meglio di cosi' non riesco ad esprimermi. Capisco che quanto scritto sia un po' pesante da digerire e che occorra un minimo di conoscenze matematiche per fare propri questi concetti, ma non ho altro modo per farmi comprendere.
In sintesi se ti necessita il solo misurare l'SWR allora ti basta un normalissimo "ROSMETRO", ma se vuoi andare nel dettaglio, come ad esempio vedere dove cade la risonanza del sistema antenna, allora l'analizzatore di antenna ti apre lo scenario dei parametri che stanno nascosti dietro alla teoria.
73'

[rosco]

Ti ringrazio del tempo dedicato, ma io mi fermo molto prima.
Mi pare di capire che in nano, come anche altri, es sark 100 e cloni PARTE dal confronto fra tensione diretta e riflessa, poi la differenza la fa l'accuratezza del confronto ed i calcoli della calibrazione.
Nella MIA semplificazione mentale,
1 - viene misurato SWR ( costante sulla linea) tramite comparazione +- vettoriale di 2 tensioni
2 - grazie alla calibrazione con punti noti, si AGGIUSTANO "magicamente" i valori di R e X per essere coerenti con tale valore di SWR

Poi i dettagli sono importanti per poter capire come fare ( con pregi e limiti di varie soluzioni/strumenti) , ma puoi confermare che la partenza è corretta ?

[trodaf_4912]

Sul SARK non lo so ma il sistema del nanovna e' simile al ponte di Wheastone, che nello schema e' indicato come "Bridge", si basa sulla misura della fase tra corrente e tensione sul carico ignoto. E' la stessa procedura che e' visualizzata sulla pagina che era nel mio post precedente.
Anni fa avevo progettato un misuratore di onde stazionarie con display grafico LCD anch'esso basato sul ponte misurando la VFWD e la VREF. I risultati non erano quelli che mi aspettavo in quanto mancava di calibrazione. Per fare questo ho diviso la banda da 1 a 30MHz in una decina di segmenti di frequenza e, per ogni segmento ho misurato la VFWD e la VREF al variare del carico e poi le ho graficate con Excel sul PC mettendole a confronto con quelle teoriche che dovevano risultare. Da li , sempre con Excel, ho ricavato una retta che mi permettesse di ottenere i valori teorici partendo dai punti misurati.
Ho quindi ottenuto 10 rette con coefficiente angolare e termine noto diverso per ogni segmento di banda. Successivamente ho inserito nel FW queste rette che venivano utilizzate per il calcolo dell'SWR corretto dalla calibrazione partendo dai valori misurati ottenendo un risultato piu' che accettabile. Ancora adesso se lo metto a confronto con un rosmetro tradizionale mi da risultati comparabili. La cosa comoda e' che sul display vedo l'andamento dell'SWR su quel segmento di banda.
Ma questo non e' un analizzatore di antenna ne un vna, e' un banalissimo misuratore di onde stazionarie grafico.

[rosco]

Sul SARK non lo so ma il sistema del nanovna e' simile al ponte di Wheastone, che nello schema e' indicato come "Bridge", si basa sulla misura della fase tra corrente e tensione sul carico ignoto. E' la stessa procedura che e' visualizzata sulla pagina che era nel mio post precedente.

quindi confermi la mia "semplificazione" che si parte dal confronto fra tensioni ed i valori mostrati vengono "scelti" tra i millemila possibili tramite passaggi matematici in base ai dati della calibrazione su valori noti ?

[trodaf_4912]

Non ho capito cosa intendi per

vengono "scelti" tra i millemila possibili tramite passaggi matematici in base ai dati della calibrazione su valori noti

In un analizzatore di antenna vero e proprio non ci sono mille combinazioni di R e X, solo una , o la sua coniugata, misurata con il sistema di comparazione della fase tra tensione e corrente. I mille valori sono relativi alle varie coppie di R e X che sono allocati sulla Carta di Smith per quel coefficiente di riflessione ma i valori numerici calcolati dallo strumento sono solo una coppia.
PS: se apri un normale "rosmetro" vedrai che e' una linea terminata su resistenze bilanciate in modo da creare un circuito a ponte.

[rosco]

In un analizzatore di antenna vero e proprio non ci sono mille combinazioni di R e X, solo una , o la sua coniugata, misurata con il sistema di comparazione della fase tra tensione e corrente. I mille valori sono relativi alle varie coppie di R e X che sono allocati sulla Carta di Smith per quel coefficiente di riflessione ma i valori numerici calcolati dallo strumento sono solo una coppia.

Intendo che, da quello che ho capito, si parte da una comparazione di tensioni che identifica univocamente SWR, poi da quella, tramite passaggi matematici, usando i valori della calibrazione con valori noti, si CALCOLANO R e X.
Se dalla sola tensione ri potesse calcolare R ed X a cosa servirebbe la calibrazione?

[trodaf_4912]

L'SWR e' l'ultimo parametro che di fatto viene calcolato. I primi ad essere letti sono la R e la X applicati alla porta DUT seguendo il modello e la procedura di calcolo illustrata in precedenza.
Quando scrivo lettura di R e X intendo la tensione e la corrente sulla ZL incognita e le loro rispettive fasi.
La calibrazione e' sempre necessaria in quanto serve per potere eventualmente spostare il piano di misura, con la sua R, X, C e delay time per correggere la misura stessa. La calibrazione serve proprio perche' con i suoi valori precisi inseriti, il sistema di computazione corregge le sue misure. Ad esempio, se misuri un carico da 52 OHm senza calibrazione potrebbe essere che la misura del valore letto differisca. Attraverso la calibrazione il sistema "impara" durante questa fase che se si inserisce il tappo calibrato da 52 OHm la lettura di quella tensione e corrente in questo caso sono in fase e la parte reale deve corrispondere a 52, mentre la parte reattiva a 0. Viceversa se inserisci il tappo in corto circuito il sistema impara che la parte reale vale 0 e cosi' pure la parte reattiva, mentre con il tappo aperto la R=infinito, o comunque un valore altissimo e la X=0. L'SWR di fatto e' un risultato "accessorio". La cosa importante e ' la precisione nella misura di R e X e cioe' la lettura delle tensioni e correnti con la loro fase per eseguire quei calcoli per giungere alla ZL(RL,XL).
Spero di essere stato piu' chiaro, non saprei come altro dirlo.

[rosco]

L'SWR e' l'ultimo parametro che di fatto viene calcolato. I primi ad essere letti sono la R e la X applicati alla porta DUT seguendo il modello e la procedura di calcolo illustrata in precedenza.
Quando scrivo lettura di R e X intendo la tensione e la corrente sulla ZL incognita e le loro rispettive fasi.

Non riesco bene a "visualizzare" lo schema indicato con Ur Uz con lo schema a blocchi del nano, ( tensione diretta e riflessa ), ma è un MIO problema.
Se non mi passa il tarlo cercherò di vedere nel firmware se trovo dove viene calcolato.
( a memoria, quando avevo spulciato nel sw per lo sark, per ricostruire R e X si partiva da altro, ma potrebbe essere una forzatura, non essendo nel firmware, ma in un sw a parte che usava i dati in uscita dal sark per tentare di ricostruire Z )
Eventualmente farò sapere i risultati ;-)
per ora grazie.

[trodaf_4912]

Fondamentalmente il carico incognito ZL e' composto da una R e da una X che puo' essere assumere un valore induttivo o capacitivo al variare della frequenza. Pertanto la corrente che circola nella serie generera' una tensione Vr sulla R che e' in fase con la tensione, mentre la stessa corrente produrra' una tensione Vx sfasata di 90 gradi in anticipo sulla corrente, caso induttivo, o 90 gradi in ritardo, caso capacitivo. La tensione risultante sulla ZL sara' pertanto un vettore con una parte reale e una reattiva con uno sfasamento di Y gradi rispetto alla corrente. Questo e' il nocciolo del problema, calcolare al meglio il modulo e la fase di questi parametri e poi applicare la legge di OHm utilizzando i vettori (numeri complessi) associati.
Il resto e cioe' coefficiente di riflessione, SWR, S11 sono parametri che derivano dallo studio delle linee di trasmissione che ti sarebbero piu' chiari se conoscessi meglio la Carta di Smith.
Per il SARK100 mi e' bastato guardare questo video :

73 Rosco e buon lavoro.

[rosco]

Questo e' il nocciolo del problema, calcolare al meglio il modulo e la fase di questi parametri e poi applicare la legge di OHm utilizzando i vettori (numeri complessi) associati.

Ma applicare legge di OHm (  vettoriale o meno ) con 2 incognite ( corrente e impedenza ) mi sembra difficile.
Dal disegno capisco che probabilmente ( al netto delle formule che si usano ) si calcola la corrente misurando la tensione su un carico noto in serie alla Z incognita,
mentre nello schema a blocchi del nano https://github.com/DiSlord/NanoVNA-D/blob/master/doc/nanovna-blockdiagram.png si usa un ponte, quindi non siamo nelle stesse condizioni.
Comunque ne riparleremo se e quando avrò sbirciato nel codice del nano. 

[trodaf_4912]

Mi sembra di averlo scritto in un post precedente che il nano usa un ponte che sullo schema e' denominato "bridge".

il sistema del nanovna e' simile al ponte di Wheastone, che nello schema e' indicato come "Bridge"

La corrente comunque e' un termine misurato come descritto nella figura di  un mio post precedente

[rosco]

Ultima risposta ( la prossima solo dopo aver letto il codice ),
Ho capito cosa è l'impedenza vettoriale, quello che non capisco è come si possa misurare con un ponte riflettometrico senza passare da swr o grandezze simili;
Il caso del ponte mi sembra molto diverso da 2 impedenze in serie, di cui una nota.
Riguardo la formula poi, sono troppo pigro per "sbattermi" a capire come sparisca R dalla formula ed i vari passaggi successivi.
Non è questo il problema.
Ripeto, per ora mi fermo fino a quando non avrò controllato nel codice che è l'unico "arbitro" ;-)

[rosco]

Allora, per il MIO PERSONALE USO ho stabilito che:
- secondo https://en.wikipedia.org/wiki/Scattering_parameters s11 e gamma ( come coefficiente di riflessione ) sono la stessa cosa che viene misurata come rapporto vettoriale tra tensione riflessa e diretta
- nel codice del nano https://github.com/DiSlord/NanoVNA-D/blob/master/dsp.c vedo che c'è la funzione "calculate_gamma" con commento
// calculate reflection coeff. by samp divide by ref
che è coerente col punto sopra, ovvero si calcola s11
- tutte le altre grandezze possono essere ( e probabilmente lo sono ) calcolate da s11 direttamente, come VSWR o conoscendo l'impedenza della sorgente ( e dati di calibrazione) come R e X

Questo è coerente con quanto mi sembrava di ricordare e quindi dubito fortemente che uno strumento come il nano ( ma credo che in linea di principio siano tutti simili ) possa misurare direttamente  Z e poi calcolare gli altri parametri.
Se ci fosse qualche inesattezza vedrò di correggere il mio "appunto mentale", che serve ( e basta) solo a me per provare a capire, non certo per progettare qualcosa.

[trodaf_4912]

Come ti avevo gia' scritto il coefficiente di riflessione e'  il parametro S11 (se si normalizza la Z a 50OHm). L'SWR lo si ottiene dalla formula contenente il coefficiente di riflessione GAMMA. Ma per calcolare S11 e cioe' GAMMA devi necessariamente calcolare la ZL .
Ti allego un interessantissimo PDF di Carlo Vignali I4VIL, che presenta la Carta di Smith e tutte le relazioni tra Zl, GAMMA, SWR, e tanto altro. Il nano, come tutti, calcola la Z utilizzando il rapporto tra tensione e la corrente misurate sulla Z incognita, ma questo te lo avevo gia' scritto.
Buona lettura

[rosco]

Ma per calcolare S11 e cioe' GAMMA devi necessariamente calcolare la ZL .
Ti allego un interessantissimo PDF di Carlo Vignali I4VIL, che presenta la Carta di Smith .....

La carta di smith è una rappresentazione "furba" per manipolare le varie grandezze in gioco, ma non stiamo parlando di questo.
Se da A posso calcolare B e da B posso calcolare A,   ma NON posso misurare cosa faccio?
Io cedo di aver capito che misurando tensione diretta e riflessa si può calcolare s11 ed in cascata il resto ed è quello che fa il nanovna.
Tu stai dicendo che misurando tensione diretta e riflessa si può misurare direttamente Z ?

A questo punto preferirei intervenisse Davide a "bacchettare" HI  ovvero fare da arbitro per spiegare o chiarire qualche concetto.
Secondo me misurare il coefficiente di riflessione è più facile e sicuro, dopotutto lo fanno i comuni rosmetri.
Per misurare Z occorre altro, MA si parte sempre dal coefficiente di riflessione.
La differenza è una misura vettoriale e calcoli più sofisticati.

[trodaf_4912]

[rosco]

quindi mi stai dando ragione ?
si MISURANO le tensioni, quindi si calcola gamma in modo diretto ed univoco.
Si puo' calcolare VSWR in modo diretto ed univoco.
Aggiungendo Z0 si può ricavare Zl , ma i valori sono molteplici ( identificati da una circonferenza nella carta di smith) , quindi occorre la calibrazione per identificare quello più vicino.