Kalibracja NanoVNA – istotny element pomiarów

Jak każde urządzenie pomiarowe klasy laboratoryjnej, pozwalające na kompensację wpływu elementów konstrukcyjnych, oraz otoczenia pomiarowego, na wyniki pomiarów, tak i NanoVNA wymaga przeprowadzenia procesu kalibracji przed ich rozpoczęciem. Sam proces, choć nieskomplikowany, rządzi się swoimi prawami, którego znajomość pozwala na efektywne wykonywanie pomiarów i minimalizację błędów.

NanoVNA

Urządzenia pomiarowe klasy VNA (Vector Network Analyzer) wykorzystywane są do pomiaru zespolonych S-parametrów pozwalających charakteryzować mierzone obiekty pod kątem ich własności w obszarze odbijania i transferu sygnałów. Pomiary takie znajdują zastosowanie między innymi przy badaniu anten, filtrów, wzmacniaczy czy też całych torów radiowych.

NanoVNA to przenośny dwuportowy analizator wektorowy oferujący doskonały stosunek funkcjonalności do ceny dzięki czemu zdarza się, iż znajduje zamienne zastosowanie dla urządzeń tego typu wysokiej klasy renomowanych firm. Analizator wyposażony jest w dwa kanały pomiarowe zakończone gniazdami żeńskimi SMA: CH0 i CH1 umożliwiające pomiar parametru S11 (analiza sygnału odbitego od mierzonego obiektu w stronę kanału CH0 przy sygnale testowym generowanym w tym samym kanale), oraz S21 (analiza sygnału docierającego do kanału CH1 przy sygnale testowym generowanym w CH0), ich analizy, oraz graficznej prezentacji wyników na wbudowanym wyświetlaczu LCD. Małe rozmiary i praca bateryjna umożliwiają zabranie urządzenia na pomiary „w polu”, zaś możliwość podłączenia do komputera (przy pomocy USB) daje rozszerzenie zdolności pomiarowych (i sterowania) w przypadku pracy stacjonarnej (laboratoryjnej). W komplecie z analizatorem dostarczany jest zestaw kalibratorów i kabli połączeniowych.

Zagadnienie kalibracji

Kalibracja jest procesem umożliwiającym wykonanie pomiarów S-parametrów z minimalnymi błędami. Na uzyskane wyniki wpływ ma kilka składowych: wewnętrzna konstrukcja urządzenia (dopasowanie impedancyjne w zakresie pomiarowym, zdolność do rozdzielenia sygnałów testowych od odbitych), oraz otoczenie pomiarowe (odpowiedź częstotliwościowa toru pomiarowego). Zadaniem kalibracji jest usunięcie wpływu tych składowych, lub znaczące ich ograniczenie.

W zależności od specyfiki konkretnego zadania pomiarowego i parametrów badanego obiektu często okazuje się, że w czasie trwania jednej sesji pomiarowej urządzenie trzeba przekalibrowywać, lub korzystać z kilku wcześniej zapisanych zestawów punktów kalibracyjnych. Przyczyny takiego stanu rzeczy są różne, poniżej dwa przykłady:

• dynamika zmian toru pomiarowego jest inna w poszczególnych zakresach częstotliwości pomiarowych co uniemożliwia jego sensowną charakteryzację ograniczona pulą równomiernie rozłożonych punktów kalibracyjnych,
• przejście z pomiarów zgrubnych (by wstępnie scharakteryzować mierzony obiekt) na pomiary szczegółowe.

Efektem przeprowadzenia kalibracji jest:

• ustalenie fizycznej granicy kompensacji wyników pomiaru, czyli parametrów faktycznego toru radiowego, nie wchodzącego w skład badanego obiektu, a transportującego sygnały testowe (poprzez wykonanie serii pomiarów według specjalnej formuły),
• ustalenie zakresu częstotliwości w jakim kalibracja jest przeprowadzana, co jest istotne z tego względu, iż pomiary wykonywane są dla zdefiniowanej ilości punktów ze stałym skokiem częstotliwości.

W przypadku granicy kompensacji problem sprowadza się do wzięcia pod uwagę parametrów toru radiowego występującego pomiędzy wewnętrzną strukturą urządzenia, a obiektem mierzonym. Linie transmisyjne na PCB, złącza i dodatkowe kable łączące tworzą tor radiowy, o parametrach zależnych od częstotliwości, mający wpływ na uzyskane wyniki. Charakteryzacja tego właśnie toru odzwierciedlona jest w punktach kalibracyjnych, z których urządzenie korzysta przy obliczaniu poprawek dla wyników pomiaru.

Jeśli chodzi o zakres częstotliwości to problem istotny jest ze względu na fakt, iż NanoVNA operuje w ramach zasobu 101 punktów pomiarowych. Dysponując tą stałą i ograniczoną liczbą punktów musimy rozważyć następujące sytuacje:

• dla szerokiego zakresu częstotliwości kolejne punkty są oddalone od siebie o znaczny jej skok i pomiary wykonywane przy częstotliwościach pomiędzy punktami kalibracyjnymi korygowane są w oparciu o interpolację danych kalibracyjnych (dla szeroko rozstawionych punktów kalibracji może powstać duży błąd pomiarowy wynikający z faktu nieprecyzyjnej wiedzy odnośnie realnych parametrów kalibrowanego toru radiowego w tym obszarze),
• dla pomiarów wykonywanych przy częstotliwościach spoza zakresu kalibracji korekcja wyników odbywa się na podstawie ekstrapolacji danych kalibracyjnych co nigdy nie jest dobrym pomysłem ponieważ w takim obszarze wiedza o torze pomiarowym jest żadna i próba kompensacji jego wpływu to zwyczajne zgadywanie.

Biorąc powyższe argumenty pod uwagę należy w przemyślany sposób dobierać zakresy częstotliwości: tak dla kalibracji jak i pomiarów. W przypadku badań pokrywających duży zakres częstotliwości pojedyncza kalibracja wykonana w całym zakresie może być zbyt mało rozdzielcza i pomiary będzie trzeba podzielić na dedykowane odcinki. Właśnie z tego powodu warto wcześniej przygotować potrzebne zestawy punktów kalibracyjnych i korzystać z nich w czasie pracy bez tracenia czasu na przekalibrowywanie urządzenia. Przez tracenie czasu należy rozumieć takie przedłużanie pomiarów, które w efekcie może powodować zmiany w zachowaniu badanego obiektu (na przykład dryf temperaturowy jego parametrów) uniemożliwiając poprawną jego charakteryzację.

NanoVNA umożliwia zapis pięciu zestawów kalibracyjnych (od C0 do C4), pomiędzy którymi można szybko się przełączać korzystając z opcji menu.

SOLIT (OSLIT)

Kalibracja analizatora polega na wyznaczeniu (pomiarze) parametrów toru radiowego do granic, gdzie podłączony jest badany obiekt (podczas kalibracji nie podłącza się go). Ma ona na celu eliminację wpływu tegoż toru na otrzymywane później wyniki pomiarów, by te odzwierciedlały jedynie parametry badanego obiektu. W zależności od tego co będzie przedmiotem pomiarów kalibrację wykonuje się z wykorzystaniem jednego lub obu kanałów analizatora. Ponieważ nie wszystkie pomiary wymagają analizy transmisji sygnału przez obiekt (i ograniczają się wyłącznie do badania jego odbić) wówczas kalibrację wykonuje się jako częściową (obejmującą tylko kanał CH0) co stanowi swego rodzaju uproszczenie i skraca czas jej wykonania. W przypadku pomiarów transferu sygnału przez badany obiekt wykonuje się kalibrację pełną (kalibrując urządzenie z wykorzystaniem obu kanałów).

Zestaw typowych elementów pomiarowo-kalibracyjnych przedstawiony jest na zdjęciu poniżej. Składa się on z kabli przedłużających (nie zawsze korzysta się z obu) umożliwiających wygodne podłaczenie badanego obiektu, oraz zbioru kalibratorów i łączników.

By uzyskać wiedzę na temat zachowania się toru pomiarowego w zakresie interesujących częstotliwości istnieje ustalona procedura kalibracyjna, która aplikowalna jest do każdego urządzenia typu VNA i bazuje na wykorzystaniu zestawu kalibratorów, połączeń dodatkowych, oraz analizie sytuacji gdy:

• sygnał testowy emitowany z kanału CH0 odbijany jest spowrotem w wyniku zwarcia końca toru radiowego w miejscu, gdzie podłączany ma być obiekt badany – Short (pomiary S11),
• sygnał testowy emitowany z kanału CH0 odbijany jest spowrotem z powodu braku obecności obciążenia na końcu toru radiowego w miejscu, gdzie podłączany ma być obiekt badany – Open (pomiary S11),
• sygnał testowy emitowany z kanału CH0 odbijany jest spowrotem mocno stłumiony w wyniku obciążenia końca toru radiowego jego impedancją charakterystyczną w miejscu, gdzie podłączany ma być obiekt badany – Load (przy dopasowaniu impedancyjnym toru radiowego i obciążenia, dla danej częstotliwości, sygnał testowy jest całkowicie pochłaniany przez obciążenie i nie występuje zjawisko jego odbicia),
• sygnał testowy emitowany z kanału CH0 podlega silnemu tłumieniu (i zmianom fazowym) nim dotrze do kanału CH1 poprzez stworzenie izolacji elektrycznej pomiędzy kanałami uniemożliwiającej transfer tegoż sygnału co realizowane jest przez dołączenie do końców toru radiowego z każdej ze stron (w miejscach, gdzie podłączany ma być obiekt badany) obciążeń o impedancji charakterystycznej toru – Isolation (pomiary S21),
• sygnał testowy emitowany z kanału CH0 dociera do CH1 podlegając tłumieniu i zmianom fazowym wywołanymi wpływem wtrąconego toru radiowego umożliwiającego transfer sygnału co realizowane jest przez elektryczne połączenie w miejscu, gdzie podłączany ma być obiekt badany – Through (pomiary S21).

Miejscami instalacji kalibratorów są te, do których przyłacza się badany obiekt. Mogą to być złącza sygnałowe urządzenia (przy bezpośrednim połaczeniu obiektu do urządzenia) lub zakończenia pośredniczących kabli transmisyjnych.

W przypadku kalibrowania do pomiarów S21 oba kanały należy, między innymi, zewrzeć i robi się to odcinkiem przewodu transmisyjnego. Ten przewód powinien być dalej obecny w torze pomiarowym ze względu na to, że jego parametry (określone w czasie kalibracji) są brane pod uwagę przy opracowywaniu poprawek do uzyskanych wyników.

Przed uruchomieniem kalibracji należy wybrać interesujący nas zakres częstotliwości (w ramach tego zakresu zostanie wykonanych 101 punktów pomiarowych) oraz pasmo, które im węższe tym pomiar jest dokładniejszy (wynik pomiaru jest uśredniany co powoduje zmniejszenie udziału szumu) kosztem czasu jego wykonania wykonania. Mimo dłuższego czasu warto wykonać kalibrację dokładnie by kompensacja wyniku pomiarów była lepsza. Zakres częstotliwości ustalany jest tak jak do pomiarów: Menu -> STIMULUS -> START/STOP/CENTER/SPAN, zaś pasmo kalibracji: MENU -> DISPLAY -> BANDWIDTH.

Następnie korzystając z menu CALIBRATE wykonujemy RESET bieżących ustawień kalibracji i przystępujemy do wykonania nowej (wybierając opcję CALIBRATE) według schematu OSLIT podając na odpowiednie zakończenie pomiarowego toru radiowego odpowiadający kalibrator, lub spinając ze sobą wejścia CH0 i CH1.

Po wybraniu żądanego banku pamięci (0-4) zapisana kalibracja zostanie ustawiona jako domyślna i jej numer będzie pokazywany z lewej strony ekranu przy dużej literze „C”.

Opisane wyżej kroki należy wykonać ponownie dla innych zdefiniowanych zakresów częstotliwości i zapisać je w innych bankach pamięci kalibracji, pomiędzy którymi w łatwy sposób można się później przełączać korzystając z menu RECALL.

Uwagi końcowe

Kalibratory dostarczane wraz z NanoVNA są rozwiązaniem budżetowym umożliwiając ich bezpośrednie podłączanie do żeńskich złączy SMA urządzenia poprzez nakręcenie. Niestety takie rozwiązanie ma istotną wadę. Jest nią to, iż podczas dokręcania kalibratora S lub L ich środkowy pin wykonuje ruch obrotowy względem gniazda, do którego jest dołączany. Ruch taki powoduje szybsze zużycie obu złączy, które przewidziane są do komutacji ruchem posuwistym. Rozwiązaniem tego problemu jest inwestycja w odpowiednie przejściówki oraz kalibratory zakończone złączami SMA żeńskimi. Dzięki temu rozwiązaniu możliwe będzie dokręcanie kalibratorów poruszając gwint złącza przeciwnego (męskiego) pozostawiając sam kalibrator nieruchomy i tym samym niwelując niszczące działanie (dla środkowego pinu) ruchu obrotowego.

Podsumowanie

Mimo, iż zaprezentowany materiał dotyczy konkretnego urządzenia wiedza zawarta w artykule jest uniwersalna.

Poprawne charakteryzowanie obiektu badanego wymagać może kilkukrotnej kalibracji narzędzia pomiarowego i zależy to głównie od właściwości obiektu, oraz tego co mierzymy.

Przed wykonaniem finalnej sesji pomiarowej warto poświęcić odrobinę czasu na wstępnie scharakteryzowanie badanego obiektu i przygotowanie planu pomiarowego.