Messungen an in Betrieb befindlichen Antennen und deren Koax-Zuleitungen mit dem NanoVNA

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Einfache Orientierungsmessungen an in Betrieb befindlichen Antennen können zumeist nicht mit dem NanoVNA direkt am Anschluss der Antenne stattfinden, er ist in den seltensten Fällen zugänglich. Für den Sendebetrieb wird jedoch eine Messung aus Sicht des Senders am anderen Kabelende benötigt. Messungen mit dem NanoVNA direkt an der Antenne unterscheiden sich jedoch mehr oder weniger im Ergebnis von den Messungen am Kabelende beim Sender, aufgrund der Impedanztransformation auf dem Koaxialkabel. Dies betrifft sowohl die exakte Resonanzfrequenz, als auch die exakte 50 Ohm-Anpassung. Über die Länge des Koaxkabels transformiert sich auch jede kleine Fehlanpassung, sei es ein ohmscher oder ein komplexer (L & C) Widerstand, ans andere Kabelende. Um sich mit dem Smith-Diagramm besser vertraut zu machen, nachschlagen auf: https://de.wikipedia.org/wiki/Smith-Diagramm und den darin enthaltenen nützlichen Links in Kap.5 Weblinks.

Die abgebildete Kette (von links nach rechts) aus (optionaler)Gleichstromeinspeisung, dem neuen VNA-Messport und dem Mantelwellenfilter erlaubt den permanenten Anschluss des NanoVNA an/in die Sendeleitung, ohne durch die Sendeleistung Schaden zu nehmen. Links ist der Sender, rechts die Leitung zur Antenne angeschlossen. Das Design ist auf die Größenordnung von typisch ~100Watt ausgelegt. Frequenzbereich 1,8MHz bis 30MHz. Gefordert ist hier eine gute Anpassung, wobei besonderes Augenmerk auf den unteren Frequenzbereich (160m-Band) fällt. Hier muss die Verdrosselung ausreichend gut sein und keine deutlich ausgeprägten Eigenresonanzen aufweisen.

Die Messwerte liegen durchweg bei etwa 26dB Rückflussdämpfung im Durchgangspfad. Viel wichtiger ist der Messpfad wie hier dargestellt ( umgeschaltet auf MESSEN ), sie liegt bei >42dB im Messpfad. Weil der Anschluss an das NanoVNA mittels SMA-Kabel (Stecker zu Stecker) erfolgt, ist auch am Messport eine SMA-Einbaubuchse vorhanden, das erspart Adaptionen. In dem weiter unten gezeigten Schaltplan wurde zur Verbesserung noch eine weitere kleine stromkompensiert geschaltete Doppeldrossel (L5 und L6) mit einem Doppellochkern hinzugefügt. (rechtes Bild)

Nochmals ein Blick in das Mantelwellensperrfilter, dem hier eine besondere Bedeutung zukommt. Es muss am Senderstandort, aber der Antenne am nächsten eingeschleift sein. Andernfalls ist die Messung sehr handempfindlich, denn schon das zarte Berühren eines Koaxsteckers "verbiegt" die Messkurve sonst deutlich. Dieser Effekt ist vollkommen unabhängig von der Sendeleistung und ist so auch bei 1mW/0dBm vom Messsender zu beobachten!

mit RG316 gefertigt:

Die linke Messkurve zeigt die Mantelstromdämpfung beim Einsatz vom billigen RG174A/U, die rechte Messkurve zeigt deutlich bessere Werte beim Einsatz des teureren Teflon-Kabels RG316, was generell zu empfehlen ist.

Der Schaltplan des VNA-Messports zeigt die Lösung der Aufgaben: hohe HF-Sperrwirkung zum Schutz des NanoVNA vor der Sendeleistung, gute Anpassung damit keine Messung verfälscht wird und das Bedämpfen der unerwünschten Resonanzen innerhalb der verwendeten Drosseln mit R3, R4 und eventuell auch R5. Alle Drosseln, ausgenommen L4, sind stromkompensierte Doppeldrosseln.

Schaltplan: Innenansicht:

In Schalterstellung [Senden] werden die beiden SO239-Koaxbuchsen mit einem RG316-Koaxialkabel verbunden, die Leitungslänge in Summe aus 41cm Kabel, dem Umschalter und den beiden Koaxbuchsen beträgt etwa 47cm. Das RG316 ist lose aufgewickelt, so dass es gut ins Gehäuse passt. Seine lambda-Viertel-Resonanz liegt somit bei etwa 130MHz. Damit kann man Stossstellen auch am Schiebeschalter leichter identifizieren.

In Stellung [Messen] besteht ebenfalls Gleichstromdurchgang zwischen den beiden SO239-Buchsen über die Drossel L4, sowie den Gleichtaktdrosseln L2 und L3, sowie L5 und L6, damit ist die Fernspeisung für Antennen mit aktiven Komponenten und die gleichzeitige Fernsteuerung sichergestellt. Der Sender selbst sieht nur eine offene Leitung an S1, er darf daher nicht senden! Eine zukünftige Erweiterung ist zwischen den beiden in Reihe geschalteten Kondensatoren(47nF) vorgesehen. Zu gegebener Zeit wird darüber hier im Detail berichtet, wie man im RX die Resonanzfrequenz der Antenne hörbar machen kann. Dies aber nicht im altbekannten Stil durch Suche des Rauschmaximums, was bei den heute leider üblichen Störpegelverhältnissen erschwert ist. Hier wird aus dem gewobbelten Messsignal vom NanoVNA mit einem Richtkoppler ein Rücklaufsignal gewonnen, welches phasenrichtig mit dem auf der RG316-Leitung natürlich eingekoppeltem Messsignal addiert wird. So entsteht ein "Dip". das Blockschaltbild der erweiterten Version'V1.0

Grundeinstellungen am NanoVNA:

Es wird nur der Anschluss S11 genutzt, es werden nur 2 Darstellungen freigeschaltet, mit LOGMAG die skalare Anzeige der Rücklussdämpfung mit 7 mal 5dB/Teilstrich auf der vertikalen Skala und SMITH die vektorielle Anzeige der Impedanz im Smith-Diagramm. Das jeweilige Frequenzband wird mit CENTER und der Wobbelhub SWEEP eingestellt. Es empfiehlt sich diese Einstellung mit SAVE0 (neuere NanoVNA mit Save Config) abzuspeichern, denn dann wird sie immer automatisch beim Reset oder Neustart geladen. Bei jedem deutlichen Wechsel der Daten zu CENTER und SWEEP muss neu kalibriert werden am S11-Port mit 50 Ohm Load, Short und Open. Ein Test ob ok erfolgt anhand der LOGMAG-Anzeige, welche bei Open oder Short oben an der Skala eine gerade Linie zeigen muss und ebenso mit der 50 Ohm-Load, aber ganz unten. Im Smith-Diagramm muss bei Open ein Punkt ganz rechts am Rand auf der Mittellinie und bei Short ganz links erscheinen. Mit der 50 Ohm-Load muss der Punkt genau mittig im Smith-Diagramm liegen. Manchmal misslingt die Kalibrationsroutine auch und muss daher vollständindig wiederholt werden. Nur wenn alle Linien und Punkte richtig liegen, können die Messungen beginnen.

Wir messen also an einer gut angepassten Antenne den markierten Punkt:

(dazu den SPAN bzw. die Differenz der beiden Frequenzen in Befehl SWEEP gering machen, somit auf möglichst kleinen Wert einstellen)

Jetzt kann das NanoVNA die Impedanzverhältnisse aus Sicht der Senderendstufe messen. Im Smith-Diagramm dargestellt ist die Fußpunkt-Impedanz einer relativ gut angepassten Antenne (VSWR 1,18:1) und die über das Koaxialkabel der Länge "L" im Bruchteil einer Wellenlänge lambda vom NanoVNA gemessene tranformierte Impedanz (Punkt1) auf dem Kreis konstanter Welligkeit mit m = 1 / 1,18 = 0,85 eingetragen. Im vorliegenden Beispiel ist die Antenne für die Messfrequenz tatsächlich etwas zu lang, am Messort mit dem NanoVNA erscheint sie jedoch durch die Leitungs-Transformation als mit einem kapazitivem Anteil behaftet. Was eigentlich vermuten ließe, sie wäre zu kurz(!). Wer also jetzt etwas verlängert. verschlechtert die Situation nur noch mehr.

Zoom auf die Diagramm-Mitte>

erklärender Text...Beispiel Rote Kringel für Punkt2 = Fußpunkt-Impedanz und Punkt1 = gemessene transformierte Impedanz...Drehwinkel aus el-Länge "L"

Grün die Schenkel eines Winkels mit 200 Grad, ermittelt aus einer Messung der elektrischenLänge eines Koaxkabels. Blau der Kreis konstanter Welligkeit m=0,85 , oder 16,5dB Rückflussdämpfung, oder VSWR 1,18:1. Wäre das Koaxialkabel zufällig genau lambda-Halbe lang, so fielen die beiden Punkte 1&2 genau aufeinander wenn keine Kabeldämpfung vorhanden wäre. Es fände auch keine Transformation statt (Vollkreis 360 Grad). Durch die Kabeldämpfung ergibt sich jedoch eine Spirale näher zum Mittelpunkt hin.

Bei einer schlechter angepaßten Antenne, ist der Kreis konstanter Welligkeit entspechend größer und die transformierten Impedanzen werden extremer. Ein Beispiel: das VSWR 1,9:1 ergibt mit m=0,53 bereits einen deutlich größeren Kreisdurchmessers.

Es ist also wichtig, die frequenzabhängige elektrische Länge "L" (in der Einheit lambda) des Koaxkabels zur Antenne zu kennen, um damit anhand des Smith-Diagramms vom Punkt1 rückwärts (im Gegen-Uhrzeiger Sinn) auf die Fußpunkt-Impedanz der Antenne (Punkt2) zu kommen. Der Drehwinkel ist 180Grad pro lambda-Viertel.  Link zum vektoriellen Messen mit VNA-Messport und NanoVNA in der Sendeleitung: Laden

Messbeispiel an einem einfachen Dipol

Jetzt ist das Messmittel NanoVNA um ca.15m mechanische Länge von der Antenne entfernt, man erkennt die nur mittelmäßige Anpassung im Resonanzpunkt, der etwa 80 Ohm aufweist. eine erhebliche Abweichung von 50 Ohm, somit ein VSWR 1:1,6 hat.

Für interessierte OMs fertige ich einige Exemplare des VNA-Messports, bitte anfragen.

Der NanoVNA ist zusammen mit etwas peripherer Schaltung zur Stromversorgung aus 12V mit linearen Spannungsreglern der Serie 7805 und Ein-/Aus-schalttastern mit deaktiviertem internen LiO-Akku in ein Gehäuse eingebaut, wie bereits in der Homepage gezeigt.

Zu beachtende Eigenheiten des NanoVNA

Jeder Sweep erfolgt digital in 102 Schritten über den eingestellten Span, also bei Span=400kHz ergeben sich Frequenzschritte von ca.4kHz. Da kann es schon sein, dass die tatsächliche Resonanzfrequenz garnicht getroffen wird. Das Oszillatorsignal ist aufgrund des einfachen Aufbaus ohne schirmendes Metallgehäuse immer gut im RX hörbar. Der interne Schaltregler, der die Ladespannung für den Akku liefert, ist leider auch ein kleiner Störsender. Die USB-Leitung ist seine Antenne. Etwas Abhilfe schafft ein Klappferrit, durch den das USB-Kabel so oft als machbar durchgeschleift wird (ein Spulenwickel). Die handelsüblichen "USB-Netzteile" sind oft erhebliche Störquellen. Der Lattenzaun des Störspektrums ist beachtlich.

Die Messleitungen aus einfachem RG174A/U sind nicht so HF-dicht, reagieren handempfindlich und längst nicht so dämpfungsarm wie die aus RG316.

Messungen mit dem NanoVNA

Das Manual zum aktuellen NanoVNA in englisch kann man auf https://nanovna.com herunterladen. Einige weitere downloads in diesem manual sind allerdings teilweise leider fehlerhaft, bzw. Windows weigert sich, sie wegen mangelnder Sicherheit zu entpacken und zu installieren. Hoffentlich wird das bald behoben.

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