NanoVNA - kalibracja SOLT

NanoVNA - (prawie zawsze) na początek kalibracja...

Kalibracja NanoVNA odbywa się metodą (preferowaną dla urządzeń, których 2 porty połączono kablami koncentrycznymi) określaną jako SOLT. To akronim angielskich nazw dla elementów (wtyków) wykorzystywanych podczas kalibracji: S(hort - zwarty), O(pen - rozwarty, otwarty), L(oad - obciążenie, zwykle 50om) oraz T(hru - przejście, połączenie pomiędzy portem 0 a portem 1).

Pakiet kalibracyjnyNanoNVA jest (a przynajmniej powinien być) dostarczany z "pakietem kalibracyjnym" składającym się (wszystkie złącza typu SMA) z:

  • kołpaka rozwartego (bez środkowego kołeczka),
  • kołpaka zwartego (zwora - kołeczek zwarty z obudową, rezystacja 0om),
  • obciążenia 50om ("sztuczne obciążenie", rezystacja pomiędzy kołeczkiem a zewnętrzny kołpakiem to 50om),
  • 2 odcinków kabla koncentrycznego (u mnie to: RG174/u) o długości ok. 30cm, służące do podłączenia badanego modułu,
  • podwójnego (obustronne) "żeńsko-żeńskie" (SMA-F/SMA-F) gniazda, tzw. beczki, umożliwiającej połączenie kołpaków z kabelkami lub obu kabli w momencie kalibracji.

NanoVNA przed pierwszym użyciem (i po każdej zmianie firmware) wymaga kalibracji. Określonych zostaje 101 punktów "wzorcowych". Ich liczba jest zawsze taka sama.

Wartości zmierzone w tych "punktach" służą do korekcji (parametr "CORRECTION", w menu NanoVNA można wyłączyć korekcję) wskazań przyrządu w warunkach rzeczywistego pomiaru.

Dla kalibracji przeprowadzonej dla pełnego pasma NanoVNA (przykładowo: 50kHz-900MHz) odległości (różnice w częstotliwościach pomiaru) są duże. Jeśli badany układ (np. filtr pasmowoprzepustowy) jest relatywnie (do pasma podczas kalibracji) wąskopasmowy to mogą wystąpić istotne przekłamania pomiędzy wartościami rzeczywistymi a "zmierzonymi". Zwłaszcza w górnych zakresach częstotliwości pracy .

Z tego wynika pierwsza zasada: kalibrację przeprowadzamy dla zakresu częstotliwości zbliżonego do pasma przewidywanego pomiaru. Oczywiście z pewną zakładką.

Zasada druga: kable połączeniowe (nawet te 30cm RG174/U) w pełnym stopniu wpływają na wyniki uzyskiwane podczas kalibracji. Dlatego też podczas kalibracji SOLT: kabelki winny być na stałe podłączone do portów, a zwory (S,O,L) winny być przykręcane za pośrednictwem beczki do przewodów.

Przykręcanie ich do gniazd na płytce NanoVNA powoduje, że kalibracja nie uwzględnia wpływu kabli połączeniowych. Szczególnie widoczne jest to dla wyższych zakresów pracy NanoVNA.

O tym jaką rolę odgrywa jakość elementów kalibracyjnych (SOLT, zwłaszcza własnego wyrobu) omawia ten filmik pt.: "Building VNA Calibration Loads" autorstwa W0QE.

Proces kalibracji nie jest skomplikowany. Mimo to spełnia bardzo ważną rolę dla poprawności samego pomiaru oraz prawidłowości interpretacji uzyskiwanych wyników.

Kalibracja SOLT dla NanoVNA...

Kalibracja NanoVNA...By uprościć opis ilekroć w tekście pojawi się określenie DUT (Device Under Test) należy przez to rozumieć urządzenie (moduł), który w celu przeprowadzenia pomiarów (testu) został podłączony do portów 1 - CH0, 2 - CH1) NanoVNA.

Po przygotowaniu elementów "pakietu kalibracyjnego" należy rozstrzygnąć czy kalibracja będzie wykonywana dla całego (jak na zdjęciu po lewej - często po to by sprawdzić jak NanoVNA działa) czy zawężonego (często dla konkretnego DUT) zakresu.

Dla tego drugiego przypadku najpierw musimy określić granice (częstotliwość początkową i końcową, ewentualnie środkową i tzw. span) zakresu.

Trzeba wiedzieć, że przy każdym uruchomieniu NanoVNa odczytuje komórkę pamięci C0 (zapisaną jako SAVE0) w celu skorygowania wyników bieżącego pomiaru. Wpływ pasma kalibracji na wyniki pomiaru

Zawartość tej komórki zawiera również zakres częstotliwości i nie zdziw się, że może być on inny od Twoich oczekiwań. Dlatego przed rozpoczęciem kalibracji trzeba bieżącą kalibrację "zresetować" (zakładka "RESET" w menu "CAL".

Istotna uwaga: "RESET" nie zmienia wartości np. częstotliwości początkowej i końcowej. Ale skutkują wyświetleniem wyników pomiaru takich, jakby zakładka "CORRECTION" (domyślnie włączona!) została odznaczona!

Proces kalibracji to ciąg zdarzeń związanych z wymianą elementów kalibrujących (kołpaki, beczka) oraz wybieranie odpowiednich opcji w menu.

Wybór następuje albo poprzez manipulator (obracanie kółkiem) lub stuknięciem (dotknięciem) np. rysikiem do ekranu NanoVNA. Akceptacja wyboru następuje albo przez wciśnięcie manipulatora (kólka) albo stuknięcie rysikiem wybranej opcji menu.

Ważną informację przekazał jeden z członków grupy nanovna-users(at)groups.io:

"Nie próbuj ponownie naciskać opcji menu OPEN/SHORT/LOAD/ISOLN/THRU. Z nieznanych powodów prowadzi to do nieprawidłowej kalibracji. Tak więc, jeśli na którymś etapie kalibracji nie powiodło się, po prostu wróć do menu CAL, naciśnij RESET i ponownie uruchom procedurę kalibracji."

Typ ekranu dotykowego zastosowany w NanoVNA charakteryzuje się w działaniu znaczną zwłoką, więc nie należy się irytować i... stukać za często ;).

Innym zjawiskiem (widocznym zwłaszcza dla wyższych częstotliwości) jest tzw. efekt opóźnienia. Oczywiście występuje on również podczas kalibracji.

Toteż po przyłączeniu/zmianie elementu kalibracyjnego warto "chwilkę" (2-3s) odczekać. Można oczywiście uznać że to przesada. Zwłaszcza "w dolnych rejestrach". Ale... wybór należy do Ciebie.

Ilektoć w poniższym opisie pada hasło: "CHWILKA" rozumiem przez to odczekania 2-3s pomiędzy przyłączeniem/zmianą elementu kalibracyjnego (SOLT) a wybraniem (stuknięciem odpowiedniej zakładki) opcji kalibracji (OPEN/SHORT/LOAD/ISOLN/THRU).

Przystępując do kalibracji:

  • do gniazd NanoVNA przykręcam oba kabelki łączące (w przyszłości) miernik z DUT,
  • do kabelka przyłączonego do CH0 na drugim końcu przykręcam "beczkę" z kołpakiem "O",
  • włączam NanoVNA, ustawiam wymagany zakres częstotliwości (np. częstotliwości: początkowa i końcowa, ewentualnie środkowa + span),
  • po wybraniu menu NanoVNA wchodzę w zakładkę "CAL", a następnie resetuję ustawienia kalibracji wybierając opcję "RESET",
  • wchodzę do zakładki "CALIBRATE", odczekuję "CHWILKĘ" po sprawdzeniu czy na końcu kabla znajduje się kołpak "O", wybieram opcję "OPEN". Następuje automatyczne przejście do kolejnej zakładki. Zakładka "OPEN" zostaje zaznaczona (napis w negatywie),
  • na kabelku (z beczką) przyłączonym do CH0 zmieniam kołpak na "S" (zwarty) i odczekuję "CHWILKĘ". Wybieram opcję "SHORT". Następuje automatyczne przejście do kolejnej zakładki. Zakładka "SHORT" zostaje zaznaczona (napis w negatywie),
  • na kabelku (z beczką) przyłączonym do CH0 zmieniam kołpak na "L" (obciążenie 50om) i znów odczekuję "CHWILKĘ". Wybieram opcję "LOAD". Następuje automatyczne przejście do kolejnej zakładki. Zakładka "LOAD" zostaje zaznaczona (napis w negatywie),
  • odkręcam beczkę (od kabelka na CH0) i przykręcam go do kabelka na CH1. Do beczki przykręcam kołpak "O", odczekuję "CHWILKĘ", wybieram opcję "ISOLN". Następuje automatyczne przejście do kolejnej zakładki. Zakładka "ISOLN" zostaje zaznaczona (napis w negatywie).
    Chyba lepszym rozwiązaniem byłoby zaterminowanie (zamknięcie) obu końcówek kabelków "beczkami" z kołpakami typu "L". Ale jeśli jest tylko 1 beczka (F/F) i 1 kołpak "L" też trzeba sobie radzić,
  • odkręcam kołpak "O" i łączę oba kable poprzez beczkę, znów odczekuję "CHWILKĘ" i wybieram opcję "THRU". Następuje automatyczne przejście do kolejnej zakładki "DONE". Zakładka "THRU" zostaje zaznaczona (napis w negatywie).

Po wyborze zakładki "DONE" nastąpi automatyczne przejście do menu pozwalającego na wybór 1 z 5 komórek pamięci (SAVE0...SAVE4), w których będą przechowywane dane kalibracji. W każdej chwili możemy przywołać (wczytać) zawartość tej komór poprzez opcję "RECALL".

Nie mniej ważne jest chyba to, że jeśli wybierzesz komórkę, do której jeszcze nie zapisano niczego (czyli jest pusta, bo nie została wcześniej zapisana nowymi danymi) to choć po jej "RECALL"u zakładka w menu zmieni kolor to... nic się nie zmieni.

Wartości "CORRECTION" pozostaną takie jak były. Linia statusu kalibracji nadal będzie wskazywała na ostatnio aktywną komórkę!

W linii statusu kalibracji użycie danych zapisanych jako SAVE0...SAVE4 oznaczane są odpowiednio jako : C0...C4. Przypominam, że przy każdym uruchomieniu NanoVNa zawsze odczytuje komórkę C0 w celu skorygowania wyników bieżącego pomiaru.

Jeśli wyniki kalibracji dla bieżącego pomiaru DUT zapisałeś w innej komórce (niż SAVE0) musisz wczytać je poprzez wybór opcji "RECALL".

Wydaje się, że na początkowym etapie używania NanoVNA uzyskane wyniki kalibracji winny nam wystarczyć. Bardziej doświadczeni użytkownicy (lub ci mniej doświadczeni, ale bardziej dociekliwi ;) ) z pewnością dość szybko dostrzegą, że w pewnych sytuacja uzyskiwane wyniki mogą odbiegać do przewidywanych.

Zachęcam do zajrzenia do wątków grupy dyskusyjnej nanovna-users(at)groups.io i tam np. w wątku o nazwie "poziom odniesienia" (reference plane) znajdziemy dokładniejsze rozważania dotyczące kalibracji. I zagadnień pokrewnych. Być może i odpowiedzi na nurtujące nas pytania.

Skok do wykazu artykułów poświęconych NanoVNA, ewentualnie do Warsztatu krótkofalowca