Як працює векторний аналізатор

Я вже майже півроку власник NanoVna, а тому можу себе вважати експертом з векторних аналізаторів і всяких RF штук. Тож я вирішив розповісти як вони працюють.

Давним давно, коли не було інтернету і китайських мануфактур, виміряти параметри антен було складно. Фактично єдиним доступним приладом був КСВ-метер. Існує по суті два різновиди ксв метрів: з циркулятором і на вимірювальному мості. Про це я вже розповідав в курсі про радіотелескоп.

Згодом з'явився MJF антенний аналізатор і його модифікації. Схема однієї з популярних версій цього приладу наведена на малюнку зверху. Схема не оригінальна, а передрана походу з плати приладу. Я намалював поверх головні вузли і за що вони відповідають. Я не впевнений на 100% у правильності, але це не головне. Для мене головне у цьому приладі є зрозуміти принцип вимірювання. Як видно зі схеми він базується на мостовій схемі. Я не полінився і перемалював схему:

Тут 3 резистора мають точне значення в 50 Ом, а замість четвертого (Z) підключається антена. На мості вимірюється 4 напруги, що трохи нетипово (мінімум є лише 2 напруги). Аби зручніше вимірювати, ВЧ сигнал згладжується на півперіодному випрамлячі. Оскільки діоди мають поріг відкриття, то є важливим тут використовувати германієві діоди (в них падіння менше ніж у кремнієвих). Що ж вимірюється? -- Це ампітуда генератора VH (що розумно, бо вона може залежати від частоти), напруга дисбалансу VR (класично), напруга на антені VZ та напруга VS на послідовно з'єднаним з антеною резисторі. Вимірюються ампітудні значення (без вимірювання фази), а отже знак реактансу буде невідомий.

Якщо для певного комплексного $Z=r+iX$ і відомого R виміряти ці 3 напруги, то вони будуть пов'язані ось так:

$|VS|=|VH|\frac{R}{|R+Z|}$

$|VZ|=|VH|\frac{|Z|}{|R+Z|}$

$|VR|=|VH|\frac{|Z-R|}{2|R+Z|}$

Якщо намалювати ці рівняння в координатах $(r;X)$ то отримаємо 3 кола з центрами $(-R;0)$, $(0;0)$, $(R;0)$. Ці три кола мають перетинатись у 2х спільних точках, що є розв'язком цих рівнянь. 2 точки маємо, бо знак реактансу не визначається. Якщо трохи переписати ці рівняння, то можна легко порахувати коефіціент відбивання, а отже і КСВ без розв'язку самих рівнянь. Я вбачаю в такому інженерному рішенні певну красу.

Певний час тому з'явився ще один векторний аналізатор. Це виріб української фірми RigExpert AA-30. Хлопці навіть його схему виклали. Але я хотів би спочатку поговорити про його піратську переробку SWR mouse. Прилад трохи простіший для розуміння. Я його основу перемалюва:

Тут теж в основі лежить міст, але принцим вимірювання трохи інший. Та і міст тут трохи інший. Щоб порахувати як залижить напруга на мості від Z, я спершу порахував в лоб за правилами Кіргофа:

А вже потім дізнався про Y - $\Delta$ перетворення:

Так чи інакше, а розв'язок один:

$\Delta U=E\frac{Z-R}{5Z+3R}$

У випадку коли вимірюєтсья фаза і амплітуда сигналу ( $\Delta U$ є комплексним), розв'яток є простим і потрібно лише з цього рівняння виразити Z.

Проте ні у АА-30 ні у SWR mouse фаза не вимірюється. Якже тоді вимірюється Z? Просто з антеною послідомно підключається резистор R і тоді маємо же одне рівняння в систему:

$|\Delta U|=E\frac{|Z|}{|5(Z+R)+3R|}$

а без резистора:

$|\Delta U|=E\frac{|Z-R|}{|5Z+3R|}$

Рівняння вирішуються будь яким мікроконтроллером.

Якщо ж другого рівняння нема, то інструмент також буде працювати і видавати КСВ, але правильні значення будуть лише в точках нульового реактансу.

Щодо практики, то в обох приладах працює Si5351 генератор на основній частоті (без гармонік). В AA-30 він посилюється за допомогою логічного NOT 74AC04. Вимірювальний сигнал змішується з референсним у SA612 змішувачі. Референий сигнал зміщений від того що подається на антену на певну величину (455 кГц у SWR mouse і 13 кГц у АА-30). Фільтри теж різні: кераміний і активний на оп. підсилювачі. Детектором в SWR mouse служить лог підсилювач AD8307 і АЦП ардуїно, а в АА-30 -- STM мікроконтроллер. Для вмикання послідовного резистора у SWR mouse стоїть реле, а в AA-30 аналоговий переключатель ADG779. Через обмежену полосу пропускання деяких компонентів, AA-30 має більш обмежену робочу полосу ніж SWR mouse.

Найголовніше, що я тут хотів донести, це те, що є цілком реально повторити будь який з наведених вище приладів, але навіщо, якщо є NanoVNA. В ньому теж застосована мостова схема вимірювання. Але вимірюється і фаза сигналу. Ширина робочих частот набагато ширша, а до цього є ще й аналізатор спектру. Тому я рекомендую дорогому читачу утриматись від побудови власного векторно аналізатора, бо ні дешевше, ні краще не вийде.