Trimma längd på mätkablar mha nanovna

[SA7ELF]

Eftersom jag har lite filterbyggen och mätningar på gång så har jag frågat mina mentorer hur långa mina mätkablar ska vara för att påverka mina mätningar så lite som möjligt och som jag förstått det är en halv våglängd vid center-frekvens det man bör sträva efter så för att lista ut det mha min vna istället för tillverkarens specificerade hastighetsfaktor gjorde jag lite experiment och landade i att det lätt uppnås genom en väl kalibrerad vna och kabeln (med öppen/oterminerad ände) ansluten till S11. Impedanskurvan ger en mycket tydlig peak vid halva våglängden och man kan även se (dock inte lika tydligt) att fasläget är 0 grader.







Tänkte att informationen även kan komma andra till nytta. S1P-filen är bifogad som textfil. Bara att ladda ned och ändra filändelsen till s1p för den som är intresserad.

 

[SM0AOM]

För "amatörändamål" är det väl egalt, men ska man vara riktigt noga
så är den bästa metoden att mäta den elektriska längden med den bortre änden kortsluten, eftersom då minimeras inflytandet av "fringing" från den öppna änden.

Saken har ansetts så intressant bland teoretikerna att hela avhandlingar har skrivits om "fringing" fenomenet vid öppna kabeländar,
en av de mer begripliga är denna;

http://kirkmcd.princeton.edu/examples/coax_rad.pdf

Sedan är det en efterhängsen "myt" att kablar behöver vara en heltalsmultipel av 1/2 elektrisk våglängd för att mätresultaten ska bli "rätt". Enda fördelen med denna längd är att matematiken blir enklare, eftersom fasvinkeln hos lastens reflektion kommer att repeteras i varje sådan punkt.

Enda tillfället när man verkligen behöver bekymra sig om kablarnas elektriska längder är när man använder fasskiftet till något ändamål, t.ex.
vid fasade antenner. Dock är detta mindre kritiskt än vad radioamatörer i gemen tror.

Själva poängen med moderna VNA:er som medger SOL(T) kalibrering är att kabellängderna enkelt kalibreras bort. Man kan göra motsvarande även med manuella metoder, men det är tidsödande och kräver verkligen att man förstår de underliggande sambanden.

Har ett minne av att man fick lägga ungefär 1/2-timme "manuellt räknade" på varje frekvens där kabelns inflytande skulle elimineras under den tid som det var räknesticka och logaritmtabeller som gällde.
En grafisk lösning med Smith-diagrammet går lite fortare.

Min första programmerbara kalkylator, en TI-58, hade en programmodul som gjorde detta, vilket reducerade tiden till någon 1/2-minut per frekvens. Man fick dock räkna ut i förväg den elektriska längden vid varje frekvens av intresse.

 

[SA7ELF]

Har fortsatt mina VNA-mätningar för att förstå vad VNAn kan hjälpa mig se snabbare och lättare så jag gjorde ett större svep på min stub. Eftersom (antar jag) man får en reflekterad signal som ligger 180 grader ur fas vid halva våglängden tänkte jag att man borde kunna se något liknande eller omvänt fenomen vid en kvarts våglängd men det här här det börjar bli underligt. På displayen på min nanoVNA ser det att vara en kortis vid en kvarts våglängd med öppen ände på stuben, men i vnasaver går det inte att få fram. Jag funderade på ifall jag hade för litet svep först så jag tog i "lite".





Jag tycker mig ha stegat igenom alla display-typer som finns för S11 men inget ger mig något direkt tydligt utslag vid ca 75 MHz som jag får på nanoVNAns lilla display. Vad gör jag för fel??

 

[SA7ELF]

Så här blir det ifall jag inte kör mer än ett segment och sätter centrefrekvensen ungefär där jag vet att den borde hamna

 

[SA7ELF]

Nu börjar det se bättre ut. Det verkar vara mjukvaran vnasaver som buggar

 

[SM7EQL]

Ett bekvämt sätt att kalibrera och mäta t ex S11 i en viss punkt - kan vara ingången i ett terminerat filter eller på en pad på ett kretskort eller en anslutningspinne på en SMD-krets - helt utan inverkan av ev temporära mätkontakter är att använda s k mätstickor. Ett kit kan enkelt tillverkas av valfri kabeltyp, gärna en tunn SemiRigid.

I mitt kit använder jag fyra stickor tillsammans med HP8753D nätverksanalysator. De tre används för Open Short Load kalibreringen där stickornas längd inkl mätkablaget som kan ha vilken längd som helst kalibreras bort så att mätplanet hamnar exakt i stickornas ände. Den fjärde stickan som har exakt samma fysiska längd som de tre andra används för att ansluta mätobjektet och själva mätningen. Stickan där innerledaren går ut någon mm kan för det mesta hållas mot det som skall mätas men ibland är det bekvämare att mycket försiktigt löda fast stickan så att den inte skadas.

Den översta stickan är Load och terminerad med två 100 ohm 0402 motstånd i parallell. Stickornas längd är exakt 160 mm men kan vara vilken längd som helst bara alla fyra är exakt lika långa. Den undre stickan är Short och är avslutad med en kortlsutning. Stickan för Open - inte med på bild - är avslutat genom att innerledaren sticker ut ca 0,7 mm. På lägre frekvenser under nån GHz är måtten inte så kritiska för vardagsmätningar men skall det mätas mer exakt på högre frekvenser så krävs lite större noggrannhet i hela kalibreringsrutinen och man kan mata in korrigeringsvärden i nätverksanalysatorn. Semi Rigid kabeln är 50 ohm och diametern är 1,2 mm i mitt fall.

 

[SM0AOM]

Det är något tokigt med S1P-filen



Här ska det visas nära ett avbrott med en kapacitiv fasvinkel,
men det visas ett litet impedansvärde som är induktivt



Här är realdelen liten men har inte rätt fasvinkel


Här är realdelen större, men ändå inte i närheten av ett avbrott

Plottad i ett annat program ser filen också mycket egendomlig ut.





Däremot ser den andra filen helt OK ut


Både amplitud och fas hamnar på rätt ställen



69400000 -0.9639177073370218 -0.07543828877856175
70200000 -0.9655512599569199 -0.039865638034218574
71000000 -0.966306872495494 -0.003903966258035089
71800000 -0.9651859427618198 0.03172586066112601
72600000 -0.9630949181162396 0.0672590542157736

När imaginärdelen byter tecken så är ledningen exakt en multipel av
1/4 våglängd lång.

Sannolikt är det något i det program som gör själva lagringen av ett stort antal datapunkter i Touchstone-format som inte gör vad som är tänkt.

Den gamla sanningen om att "bara för att det är digitalt så är det inte säkert att det är rätt..." har visat sig på nytt. Användaren måste förstå begränsningarna i verktygen för att kunna dra rätt slutsatser av mätningar.

 

[SA7ELF]

Tack för bra svar. Ja jag började misstänka att jag nog gjorde rätt och förstått teorin till viss del men att det som mina instrument och mjukvaror visade inte riktigt stämde. Att tolka värden är en sak men när erfarenheten saknas och de mätdata som visas inte stämmer blir man osäker och fundersam.

I det stora hela tror jag inte jag behöver ett mer avancerat instrument än nanoVNA än så länge men jag vill gärna veta att det instrumentet säger stämmer relativt bra med verkligheten. Visst, man får det man betalar för men jag har inte 10-15kkr att lägga på en Siglent eller Rigol

 

[SM0AOM]

Så länge som man håller sig innanför deras begränsningar så ger både "dyra" och "billiga" instrument ungefär lika bra resultat.

Den här hade fördelen att jag fick gå till "källskrifterna" och titta efter hur Touchstone-filer är uppbyggda. Formatet var alldeles nyintroducerat när jag undervisade för snart 40 år sedan.

 

[SM7TLH]

-EQL>[open] avslutat genom att innerledaren sticker ut ca 0,7 mm.

Vad är funktionen med att låta innerledaren sticka ut? Är det för att motsvara utskicket på mätstickan?

Edit: jag har följt Bengts exempel och någonstans ligger liknande mätstickor till min DG5SAQ VNWA. Jag har dock inte fått till 0402-motstånd utan fick nöja mig med 0605 tror jag.

 

[SM7EQL]

Det har att göra med fringing capacitans correction så att referensplanet beter sig som änden på en öppen matarledning utan att introducera mätfel.

Inte så kritiskt på låga frekvenser men kritiskt på de högre GHz banden om man vill mäta mer exakt. Jmf med Open i vanliga kalibreringssatser där koaxialkontakten är avslutad med en cylindrisk öppning med specifika mått. Sen finns även korrektionsfaktorer för kontakterna som man får mata in i mätinstrumenten.

 

[SA7ELF]

Har testat med lite olika antal segment under dagen. 90 segment som resulterar i 9090 mätpunkter gav samma (oanvändbara) resultat men 33 segment som resulterade i 3333 mätpunkter gav till synes korrekta värden. Om man dessutom skalade om impedansgrafen till att ha logaritmisk skala blev det än mer användbart

 

[SM0AOM]

Genom att observera när reflektionsfaktorns fas byter tecken går det att direkt se hur lång en kabelbit är, eftersom vinkel är synonymt med längd inom elektricitetsmatematiken.

Det första nollgenomgången eller teckenbytet är 1/4 vågsresonans och det andra 1/2 vågsresonans.









För att förstå hur detta hänger ihop är det nödvändigt med
en viss insikt i komplexa tal och symboliska ("jω") metoden.

Tysk läsövning:

"Wissen ist Macht.
Wenn man nichts weiß,
nichts machen“

 

[SM7PNV]

Eftersom jag har lite filterbyggen och mätningar på gång så har jag frågat mina mentorer hur långa mina mätkablar ska vara för att påverka mina mätningar så lite som möjligt och som jag förstått det är en halv våglängd vid center-frekvens det man bör sträva efter så för att lista ut det mha min vna istället för tillverkarens specificerade hastighetsfaktor gjorde jag lite experiment och landade i att det lätt uppnås genom en väl kalibrerad vna och kabeln (med öppen/oterminerad ände) ansluten till S11. Impedanskurvan ger en mycket tydlig peak vid halva våglängden och man kan även se (dock inte lika tydligt) att fasläget är 0 grader.

View attachment 10333

View attachment 10334

View attachment 10335

Tänkte att informationen även kan komma andra till nytta. S1P-filen är bifogad som textfil. Bara att ladda ned och ändra filändelsen till s1p för den som är intresserad.

Om du inte redan har Hittat Joe Smiths Videor och hans VNA mjukvara som kan användas för de flesta av de olika modellerna av Nano VNA så kommer en länk här.

//Harry