Deine KW-Antenne, neu gekauft und frisch gespannt, oder selbst gebaut mit den geeigneten Antennenlitzen (siehe CQDL11/22 und 01/23) und im häuslichen Umfeld gespannt oder irgendwie aufgehängt und an den Transceiver angeschlossen, es wäre schön sie würde gleich ordentlich funken. Ein Blick auf das SWR-Meter mag bereits die anfängliche Euphorie etwas dämpfen. Wer nun seine Antenne besser kennenlernen möchte, dem sei der Erwerb des NanoVNA empfohlen und er möge doch das SWR-Meter vorerst zur Seite legen. denn damit kommt er nicht weiter.

KW-Antennen benötigen ausreichend Platz und Höhe über Grund. Selten haben sie 50 Ohm und sind auf dem bevorzugten Frequenzbereich abgestimmt. Manche OMs greifen zur schnell gekauften Matchbox und freuen sich, wenn sie das SWR damit verbessern können. Ob die Antenne so auch besser funkt, ist nicht sicher! Die Matchbox kann durchaus einige dB schlucken und verheizen, schon 1dB vernichtet 20,6% der Sendeleistung.

Man sollte die Antenne zuerst als Zweipol messen und anhand der Anzeigen auf dem NanoVNA so gut wie machbar verbessern. Wie das geht, wird hier beschrieben. Dann braucht man ggf. garkeine Matchbox mehr, oder sie fügt nur noch geringe Dämpfung ein.

Diese Seite soll ohne viel Mathematik und furchterregende Formeln, den Praktiker, OM, am Umgang mit dem SmithChart interessierten Leser den leichten Zugang zu der Materie ermöglichen. Das SmithChart wurde vom genialen Mr.Smith vor langer Zeit (um 1939) erfunden, als Ingenieure noch mit Millimeterpapier, Bleistift, Zirkel, Lineal und Rechenschieber arbeiteten, als Rechner, PCs oder Taschenrechner noch lange nicht vorhanden waren. Das NanoVNA macht die Hauptarbeit, der Betrachter muss nur noch verstehen was er auf dem Display angezeigt sieht. Diese Seite macht das möglich. Also bitte mutig weiterlesen und das Gelesene gründlich verarbeiten ! Die neuen Versionen der NanoVNAs bieten mehr als hier beschrieben, interessante neue Features warten auf den Anwender.

Das NanoVNA ist schon im 5.Jahr auf dem Markt und wurde seither mehrfach verbessert, überarbeitet und ergänzt. Es sind verschiedene Varianten verfügbar, ich arbeite sowohl mit den ersten Versionen und auch dem neuen Modell NanoVNA-H 3.6_M5, welches zahlreiche weitere Funktionen ausführen kann, die sehr nützlich sein können, aber etwas Einarbeitung ist schon notwendig. Die Menüs unterscheiden sich zwar etwas, sie sind vielfältiger geworden, aber die dahinter steckende Theorie des SmithCharts und der HF-Messtechnik ist zeitlos geblieben.

Diese Internetseite ist auch noch eine kleine Datenbaustelle, häufige Änderungen möglich. Banner Vektor erstellt von macrovector - de.freepik.com

Literatur-Hinweis: https://de.wikipedia.org/wiki/Smith-Diagramm

NanoVNA vorbereiten:

den Port S11 durch das mitgelieferte SMA-Kabel schützen und erst danach auf die passende Steckernorm adaptieren. Trace S11 SMITH und S11 LOGMAG einschalten, Skalenteilung passend wählen.

Dann im Menü:

mit STIMULUS den Fequenzbereich einstellen mit START und STOP oder CENTER und SPAN, das Display zeigt jetzt den Frequenzbereich an. Vor allen Messungen muss erst die Kalibration durchgeführt werden, dabei werden bereits die SMA-Leitungen, Stecker und ggf. Adapter mit einbezogen. Es erfolgen nacheinander 3 Messzyklen: OPEN, das Kabelende bleibt offen / SHORT, das Kabelende ist kurzgeschlossen / LOAD, das Kabelende ist mit Z0=50 Ohm abgeschlossen, mit DONE beendet man die Kalibration. Bei Erfolg zeigt der Trace LOGMAG oben eine gerade Linie auf 0 dB und im SmithChart ganz rechts auf der Mittellinie (reale Achse) einen Punkt und die Frequenz-Marke#1 (bei offenem Leitungsende). <-eine .BMP-Datei   als Screenshot vom NanoVNA auf SD-Karte geladen.

Schließt man die 50 Ohm am Ende an, sieht man im Trace S11-LOGMAG wie gut der Abschlusswiderstand ist, also eine Kurve bei mindestens -30dB. Im SmithChart erscheint der Punkt jetzt in Diagramm-Mitte auf der "1". Bei einem Kurzschluss am Kabelende gibt es wieder die gerade 0dB-Linie oben und im SmithChart sitzt der Punkt jetzt ganz links auf "0". Man sollte das immer mal wieder so testen, ob es sich noch so verhält, wenn nicht, muss neu kalibriert werden.

Diese sogen. Dreipunktkorrekturwerte sind mit / DONE in SAVE0, oder..1 ..2 ..3 usw. abzuspeichern und korrigieren die erfaßten Messwerte. Jede Frequenzänderung erfordert eine neue Kalibration. Jetzt sollte die bisherige Einstellung entsprechend in SAVE.. gespeichert werden. Dann startet das NanoVNA nach AUS/EIN-Schalten oder RESET wieder mit diesen durch SAVE0 abgespeicherten Werten. Mit RECALL.. holt man sich die jeweils passende Einstellung aus dem internen Speicher.

Im Smith-Diagramm können alle erdenklichen Impedanzwerte eines passiven Netzwerks auf Kreisen eingetragen werden. Das Netzwerk als Zweipol ist entweder   R + C in Reihe, oder R + L in Reihe. ein L + C gibt es nicht! Alle Impedanzen sind in der HF-Technik auf Z0=50 Ohm normiert. Die "1" in Kreismitte ist der Ort wo exakt 50 Ohm eingetragen wird. Die horizontale Gerade in der Mitte ist der Ort, wo alle realen Widerstände zwischen 0 Ohm (links aussen) und unendlich Ohm (rechts aussen) eingetragen werden. Die nach oben auffächernden Kreisbögen sind die Orte, wo

alle induktiven Blindwiderstände

eingetragen werden. Die nach unten auffächernden Kreisbögen sind die Orte, wo

alle kapazitiven Blindwiderstände

eingetragen werden. Die Impedanzen werden stets im sogenannten Serienersatzschaltbild, also in Reihenschaltung eingetragen. Parallel geschaltete Impedanzen müssen vor Eintragung erst in die äquivalente Serienschaltung mit der Wunschfrequenz umgerechnet werden. (Beispiel: siehe neben dem SmithChart)

Zum damit arbeiten, kann das SmithChart auch ausgedruckt werden. (im separaten Fenster darstellen und abspeichern, diese Datei dann ausdrucken) Lineal und/oder Geodreieck, sowie Zirkel bereitlegen.

Die notwendige Umrechnung erledigt das hier zum Download bereit stehende EXCEL-Blatt: klick->

Setzt man im EXCEL-Blatt nun den Unun-Faktor auf 1, so sieht man die im Eingabefeld stehenden R,C- und R,L-Werte in Parallelschaltung, umgerechnet in die komplexen Impedanzwerte in Serienschaltung aufbereitet, passend zum Eintrag ins SmithChart, also in auf Z0=50 Ohm normierte Real- und Imaginär-Werten.

Die rechnerische Umkehrung, also wie man von einem Punkt im SmithChart wieder zurück auf die R,C- oder R,L-Werte der Bauteile kommt, erledigt für uns auch das NanoVNA, dazu muss nur die Frequenzmarke Nr.1 richtig platziert und beim SmithChart die Werteanzeige auf "R+L/C" gesetzt werden als Grundeinstellung.

Für fortgeschrittene User stelle ich hier ein EXCEL-Kalklationsblatt zur Berechnung von Kompensationskapazitäten gegen Streuinduktivitäten bereit : Klick zum Herunterladen

Ein gutes Lernmittel, wie Impedanzen in karthesischen Koordinaten rechtwinklig mit Realteil und Blindanteil(=Imaginärteil) und zugleich im SmithChart dargestellt werden, findet sich unter folgendem Link: in separatem Fenster laden und Tool starten wenn fertig, mit Pfeil <- retour wieder hier her

In dem SmithChart fehlen jetzt nur noch die Kreise konstanter Welligkeit (m-Kreise), die man bei Bedarf leicht mit dem Zirkel hinzufügen kann. Für ein VSWR von 1:2 (=Rückflußdämpfung von 9,6dB) geht der Kreis um die "1" mit seinem Radius durch den normierten Widerstand 0,5 (25 Ohm) links und 2 (100 Ohm) auf der rechten Seite. Mit dem Geodreieck unten an der SWR-Linie bei "2" angelegt und senkrecht hoch eine Linie ziehen, sie trifft genau den Punkt 0,5 auf der reellen Achse, also die 25 Ohm. Auf der untersten Strichskala liest man den m-Wert der Welligkeit zu 0,5 ab. Man braucht also keine Formeln und selten einen Rechner, das SmithChart ist ein sehr gutes Werkzeug!

Millionen Punkte auf diesem (im Beispiel hier in blau gezeichnetem) Kreis entsprechen allen den RC- oder RL-Serienschaltungen, welche allesamt zum gleichen VSWR 1:2 führen. Daher ist eine VSWR-Anzeige (nicht nur auf dem NanoVNA) nur von geringer Aussagekraft, was die Wahrheit über das jeweilige Messobjekt betrifft. Wer also seine Antenne optimieren will, muss wissen ob sie zu lang oder zu kurz ist, also einen L-Anteil, oder einen C-Anteil dem Sender ankoppelt.

Die Umrechnung der dB-Werte Rückflußdämpfung in VSWR hier klicken Ein EXCEL-Rechenblatt dazu: Klick

Jetzt kommt noch die Koaxkabelverbindung ins Spiel. Hier wird ebenfalls normiert auf die elektrische Länge und zwar bezogen auf die jeweilige Wellenlänge. Ein Halbkreis mit 180 Grad entspricht lambda-Viertel, siehe auch die Gradzahlen am äußeren Kreisrand. Der Impedanzpunkt auf dem m-Kreis wird somit gemäß der Kabellänge um den dementsprechenden Winkel links herum gedreht (da Blick vom TX zur Antenne), womit aus einem C-Anteil ein L-Anteil und umgekehrt werden kann. Der OM kann also leicht verzweifeln beim Abstimmen seiner Antenne, sofern er diese Zusammenhänge nicht beachtet.

illustriert das für ein Beispiel-VSWR 1:1,18 > Welligkeit etwa m=0,85. Wer nachrechnen will, rechnet: 1 / 1,18 = 0,847 .

Messungen mit dem NanoVNA

Beim erneuten Einschalten des NanoVNA, oder nach einem RESET, muss zuerst die bei der letzten Anwendung mit SAVE gespeicherte Grundeinstellung mit RECALL und die richtige Auswahl über die Frequenzbereichs-Anzeige, wenn mehrere Anwendungen vorliegen, geladen werden. bei älteren NanoVNAs mit RECALL1,2, oder 3.

Nachdem bisher in den Grundlagen viel von einzelnen Punkten der Impedanz im SmithChart die Rede war, kommen wir nun endlich zu den Messkurven. Im NanoVNA wird der Frequenzbereich in 101 einzelne Messpunkte aufgeteilt, die als Messkurve dargestellt werden. Je näher diese Messkurve an die "1" herankommt, um so besser ist die Anpassung und um so tiefer runter geht auch die S11 LOGMAG-Kurve der Rüchflußdämpfung. Hier einige Beispiele:

magn.Loop Dipol unter Dach

2M-Magnethaftantenne auf zu kleinem Backblech -> schlechte Anpassung

In den neuen NanoVNA-Versionen gibt es einen Mini-SDKarten-Slot, auf den man u.a. Screenshots, Kalibrierdaten, Geräteeinstellungen und mehr abspeichern kann. So bequem und in hoher Qualität sind Messergebnisse zum Dokumentieren als "dateiname.BMP" abzuspeichern.

Nicht vergessen, die Frequenzmarke 1 auf die gewünschte Frequenz zu setzen, damit die realen und imaginären Impedanzanteile richtig angezeigt werden!

Wird fortgesetzt...

Im zweiten Teil geht es um Messungen von Vierpolen mit dem Port S21 am Ausgang dazu, also um Durchgangs-Messungen, Kabeldämpfungen, Verstärker- und Filterfrequenzgänge.

Einen weiteren Trace S21 LOGMAG aufmachen (falls noch nicht angelegt) und die Skala nach Bedarf anlegen. mit SAVE0 oder ..1 ..2 ..3 speichern. Zuerst muss wieder kalibriert werden! Die beiden Kabel von Port S11 zu Port S21 mit Stecker und ggf. Adapter durchverbinden für 0 dB. Dann wieder CALIBRATE und / THRU, Vebindung trennen, die 50 Ohm Load auf den Port S21 schrauben und / ISOLN, danach mit / DONE beenden. Jetzt ist das NanoVNA bereit Frequenzgänge richtig anzuzeigen. Diese Kalibration ist nun gespeichert.

Der Eingang des Messobjekts wird mit Port S11 und der Ausgang mit Port S21 verbunden. Die mit dem NanoVNA mitgelieferten kurzen SMA-Leitungen verwenden und erst danach auf die benötigte Steckverbindernorm adaptieren. Bei Verstärkern sollte man den S21-Eingang mittels Dämpfungsglied vor Übersteuerung schützen. Die eingefügte Dämpfung muss zum Ergebniswert addiert werden. Wenn man das Dämpfungsglied gleich mit in die Kalibrierung einbezieht (statt 0dB), muss man nichts mehr addieren.

Jetzt werden 3 Messkurven angezeigt: mit S11 SMITH die Eingangsanpassung des Vierpols, mit S11 LOGMAG die skalare Darstellung der Rückflußdämpfung und mit S21 LOGMAG der Frequenzgang des Vierpols. Bei Verstärkern ist der S21 Referenzpegel von 0dB auf einen geeigneten Wert hochzusetzen.

Beim erneuten Einschalten des NanoVNA, oder nach einem RESET, muss zuerst die bei der letzten Anwendung mit SAVE gespeicherte Grundeinstellung mit RECALL und die richtige Auswahl über die Frequenzbereichs-Anzeige, wenn mehrere Anwendungen vorliegen, geladen werden, bei älteren NanoVNAs mit RECALL1,2, oder 3.

Nachdem bisher in den Grundlagen viel von einzelnen Punkten der Impedanz im SmithChart die Rede war, kommen wir nun endlich zu den Messkurven. Im NanoVNA wird der Frequenzbereich in 101 einzelne Messpunkte aufgeteilt, die als Messkurve dargestellt werden. Je näher diese Messkurve an die "1" herankommt, um so besser ist die Anpassung und um so tiefer runter geht auch die S11 LOGMAG-Kurve der Rüchflußdämpfung. Hier 2 Beispiele:

Bilderklärung: Hier wurde ein zweikreisiges 2m-Bandpassfilter vermessen. S11 SMITH (grün) zeigt sehr gute Anpassung von 46,5 Ohm mit vernachlässigbarem Blindanteil von wenigen pH in Bandmitte, S11 LOGMAG (gelb) zeigt die hohe Rückflußdämpfung bei -28,67dB und S21 LOGMAG (blaugrau) zeigt eine Einfügedämpfung von -2,38dB.

Übungsaufgabe: was sehen wir hier für Messergebnisse ?

Frequenzmarke #1 in Bandpassmitte bei ? MHz / S11-LOGMAG ? dB / Einfügungsdämpfung S21-LOGMAG ? dB / Impedanz Z ?

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.

Wird fortgesetzt...

Im dritten Teil betrachten wir Spulen und Kondensatoren am S11-Port

Ein guter, verlustarmer Kondensator beschreibt einen Impedanzverlauf startend beim hochohmigen Punkt rechts auf den Aussenkreis und verläuft mit steigender Frequenz rechts herum auf dem unteren Aussenkreis. Hat er Verluste, so entfernt sich der Kreisbogen vom Aussenkreis und geht mehr nach innen.

Eine Spule/Induktivität hoher Güte beschreibt einen Impedanzverlauf startend beim NullOhm-Punkt ganz links und verläuft mit steigender Frequenz rechts herum auf dem oberen Aussenkreis. Zunehmende Verluste = schlechter werdende Güte : so entfernt sich der Kreisbogen vom Aussenkreis und geht mehr nach innen.

Speziell für solche Messungen, habe ich den "L-Tester" als eine Abwandlung vom Ringkern-Tester entworfen.

Beispiel als word-Datei:Klick

Bei Fragen, bitte mir eine Email senden. Ich nutze keine "social medias", kein facebook, bin auch nicht auf YouTube, kein WhatsApp und nichts dergleichen!

eine Suchanzeige Angebote an dk3ss@darc.de erbeten

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