nanoVNA矢量网络分析仪的原理浅析
该用户不需要名字 2020-5-19原创 软件无线电业余无线电

最近买了一个nanoVNA玩玩,还没到货,但是发现没有比较简明的文章来梳理它的工作原理。所以整理编辑了一些相关的资料,分享给使用它的或者对它感兴趣的爱好者。对于仪器的更深入的理解有助于更好地使用仪器,获得更好的测试精度和使用体验。nanoVAN是一个有意思的仪器,它的设计思路是很精巧的,值得分享给大家。我目前也不是射频或数字信号方面的专家,所以有问题欢迎指出,太难的问题我也没法回答。


关于本文:着重于定性上理解它的工作原理,默认读者具有一定的射频基础,大致了解矢量网络分析的原理。未被提及的技术基础有:S参数,定向电桥,傅里叶变换,数字信号处理。


nanoVNA具有不同的硬件版本。我所购买的硬件应该是国内开发者hugen(http://bbs.38hot.net/thread-756047-1-1.html)发布的,在淘宝购入。而原版本的开发者为日本edy555(https://twitter.com/edy555)。他在网上开源了NanoVNA的相关电路图和软件(GitHub)。其实整个系统的架构并不少见,但是整合开源至此等程度的似乎不多。


首先,简单地提一下VNA。图来自《微波器件测量手册》。里面有四个关键的装置:驱动用的信号源,定向耦合器,混频器和本地振荡信号。其中源用来激励网络,定向耦合器用来分离S11回波和注入激励,混频器用来进行下变频,本地振荡器则是下变频的信号源。


微信截图_20200519091906.png


而nanoVNA用300元实现了最高到900MHz的网络分析,实现了这四个元件。 下变频后,需要对本振后的中频信号进行分析,从而就能实现对网络参数的解算。和很多现代VNA一样,得益于高性能的数字电路,中频信号被直接送入ADC采样并进行数字信号处理。图片来自安捷伦。

所以混频后和大部分的混合电路设计一样,进入到抗混叠然后被ADC直采。其中抗混叠低通滤波器同时又是中频信号的低通滤波器,来分离出差频信号。在全功能的VNA中,为了动态范围和精度的考虑,低通还可以换成窄带的带通滤波器,来精准分析某一个差频信号。而在nanoVNA这类的设计中,为了节约成本减少复杂度,窄带的带通滤波器可以直接以离散数字滤波器的方式来实现。在这点上和SDR是一致的。当然这些都是系统工程,VNA的设计复杂异常。


微信截图_20200519092714.png


在有了以上的基础理解以后,就可以进入到nanoVNA的架构分析了。此图来自日本的原本开发者的Github开源文件。这个图的版本可能比较新了,和国内版的不同的地方是,他添加了VCTVXO,压控温度补偿晶振。估计是通过STM32的内置温度传感器和DAC来进行温度补偿,从而达到更好的温度稳定性。和刚刚提到的基础架构一样,里面有三个混频器,是最简单的那种。


nanovna-blockdiagram.png

Si5351的真身是一个时钟产生器,它负责发生方波的时钟信号。这就是nanoVNA廉价的秘密。通过方波的三次谐波(甚至五次谐波),只有200MHz的时钟能产生600MHz的谐波。通过对它的寄存器的一些操作,能直接使它工作到300MHz。所以这么多的倍频下,时钟的稳定性还是有一定的影响的。时钟信号通过电阻网络分离出以路参考信号,一路驱动信号,驱动一个电桥。而所有的信号再和它产生的一个中频信号混合进入到一个声卡芯片。当然进入前有一个一阶低通滤波器和一个交流耦合电容。

比较有意思的一点是当时我没想明白整个系统是如何启动的,毕竟STM32的CLK信号来自5351,查了手册才明白它能被编程上电默认配置来专门启动MCU这一类的设备,从而可以节约一个晶振。


微信截图_20200519100230.png


原作者并没有在他的开源文件中提及信号部分的设计原理。然而这一部分其实才是整个VNA的精华所在。不过有一个不错的视频稍微深入讲述了这个原理。来自Hamradio 2018 FA-VA5 presentation-UK(https://www.youtube.com/watch?v=X8Z7veGV57o),对FA-VA5这个天线分析仪的演讲。它同样是低成本网络分析设备,使用了和nanoVNA一样的架构,甚至一样的时钟芯片。不同的是它直接采用开关混频,据他说三阶谐波的成分会更大。

微信截图_20200519101205.png

我从他的视频中截图了来说明它的工作原理。上方是一个方波的傅里叶展开,可以看见有大量的谐波成分。表格中为每个成分相互混频后的展开结果。而所有成分中能落入低通滤波器的只有中间这几个。由于是交流耦合的,所以不存在第一个直流信号。所以只有本振和激励的一阶三阶的差频能被ADC采样到。当然理论上5阶也行,不过考虑到信号幅度可能并不适合。然后只要进行数字处理,就能很轻松地提取出这个差频相对参考差频的相位和幅度。经过一系列的校准算法就能获得不错的数据了。谐波拓展原理也限制了它对一些有源器件的测试能力,基波可能导致放大器直接饱和或者非线性。如果能添加一个带通滤波器就能获得更加精准的测试结果。


以上就是一些对于nanoVNA原理性的简单分析了。

[修改于 16 天前 - 2020-05-19 15:20:32]

+1  科创币    bg8npk   2020-05-19   分析有趣
+2  科创币    radio   2020-05-19   有意思
来自:兴趣爱好 / 业余无线电兴趣爱好 / 软件无线电
7
2020-5-20 6:42:49
1楼

等着看下使用情况

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2020-5-20 11:05:59
2楼

如果没记错。STM32可以先由内部RC振荡器作为时钟源,启动外设后再切换为外部时钟源


对Nano关注不多,500M和900M版本总不能也是NE602做混频器吧

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3楼
引用极速外卖发表于2楼的内容
如果没记错。STM32可以先由内部RC振荡器作为时钟源,启动外设后再切换为外部时钟源对Nano关注不...

有可能的,这样就不用额外对时钟源编程了。sa612就是同时混频了多个倍频的,应该是超频使用了,所以性能会有所劣化。不过后期都靠软件补偿了。没有500M和900M版本,他们都是在一个版本里面完成的呢。

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4楼
引用月光曲发表于1楼的内容
等着看下使用情况

嗯,我写了另外的一个文章

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