Bauteile durchmessen mit dem NanoNVA V2
Weil ich speziell an der Kurzwelle interessiert bin, habe ich für die folgenden Messungen den Frequenzbereich 1 MHz bis 30 MHz eingestellt. Außerdem habe ich 500 Messpunkte eingestellt. Das ist viel und führt zu eine guten Auflösung, aber auch zu relativ langsamen Messungen. Die Ausgangsleistung des Generators wurde auf -20 dBm eingestellt.
Für meine Experimente habe ich mir ein Koaxkabel mit zwei Krokoklemmen am Ende gebaut, wobei die freien Enden nur ca. 5 cm lang sind. Bis 30 MHz kann man damit gut arbeiten, weil die Anschlüsse sehr viel kürzer sind als die Viertelwellenlänge 2,5 m bei 30 MHz. Die zusätzlichen Induktivitäten der Anschlüsse geben aber auf jeden Fall in die Messung ein, deshalb muss die Kalibrierung genau mit diesem Kabel durchgeführt werden. Für die Standard-SMA-Habel gibt es ja drei Endkappen für Kurzschluss, Offen und 50 Ω. Mit einem eigenen Kabel kann ich sie allerdings nicht benutzen.
Wenn bereits vorher eine Kalibrierung durchgeführt wurde, erscheinen die drei Felder Short, Open und Load blau. Zuerst klickt man auf Clear Measurements, um die alte Kalibrierung zu löschen. Die drei Felder werden weiß. Nun erzeuge ich einen Kurzschluss am Ende des Messkabels, in diesem Falls durch eine Verbindung der beiden Krokoklemmen. Dann klicke ich auf Short. Das Gerät geht dann alle Messpunkte durch und speichert die Ergebnisse für den Kurzschlussfall. Wenn das beendet ist, wird die Schaltfläche Short wieder blau. Dann öffnet man die Verbindung und klickt auf Open und wartet, bis auch diese Fläche blau wird. Zuletzt klemmt man einen Widerstand mit 50 Ω an (51 Ω oder zweimal 100 Ω parallel geht auch), klickt auf Load und wartet, bis auch diese Fläche blau wird. Danach klickt man auf Apply, um diese Kalibrierung für die folgenden Messungen wirksam zu machen.
Zunächst will ich wie bei der UHF-Antennenmessung nur den Anschluss CH0 verwenden, um daran S11-Messugnen durchzuführen, d.h. ich messe die komplexe Impedanz von Bauteilen oder auch Antennen. Prinzipiell wird aber immer auch das Signal an CH2 in rot angezeigt. Meist sieht man hier das Grundrauschen bei -70 dB. Wenn ich aber den Messbereich etwas einenge, sehe ich den blauen Kanal CH0 besser, und der rote Kanal stört nicht mehr. Unter View/Graph Limits wähle ich -30 dB nos +20 dB und fünf Teilstriche.
Nun beginnen die eigentlichen Messungen. Mit dem gleichen Widerstand, den ich für die Kalibrierung verwendet habe, sehe ich einen Punkt genau in der Mitte des Smith-Diagramms. Das rechte Diagramm mag(S11) zeigt die reflektierte Leistung bei ca. -30 dB. Das bedeutet eine fast perfekte Anpassung. Nach längerer Betriebszeit kann sich die Kalibrierung leicht verschieben. Deshalb kann ich nun bei 1 MHz einen Widerstand von 53 Ω ablesen. Die gemessene parallele Kapazität von 3,5 pF ist vernachlässigbar.
Ein Kohleschichtwiderstand mit 51 Ω
Ein Kohleschichtwiderstand mit 100 Ω wurde mit 99,79 Ω gemessen. Das zeigt einen Punkt auf der Mittellinie, d.h. irgendwelche Kapazitäten oder Induktivitäten sind vernachlässigbar. Die Rückflussdämpfung ist über den gesamten Frequenzbereich konstant.
Ein Kohleschichtwiderstand mit 100 Ω
Um sich besser zurechtzufinden, sollte man zunächst einige klar definierte Objekte durchmessen. Deshalb wurde nun ein Widerstand von 51 Ω mit einem parallelen Kondensator von 220 pF angeschlossen. Man sieht eine gekrümmte Linie im Schmith-Digramm. Dass sie unterhalb der Mittellinie liegt, zeigt die kapazitive Komponente. Im rechten Diagramm sieht man, dass mit steigender Frequenz mehr Leistung reflektiert wird. Rein rechnerisch beträgt der kapazitive Widerstand des Kondensators bei 14,5 MHz gerade 50 Ω. Bei dieser Grenzfrequenz beträgt die Rückflussdämpfung 6 dB. Mit dem Schieberegler ganz unten wurde diese Frequenz eingestellt. Man sieht, dass die reelle und die imaginäre Komponente der Impedanz ähnlich groß ist und dass die Kapazität mit 240 pF etwas größer ist als angegeben.
51 Ω parallel mit 220 pF
Um einen Drehko zu untersuchen, wurde er auf maximale Kapazität gedreht, die nun mit 258 pF abgelesen werden kann. Das Schmith-Diagramm zeige ein Kreissegment genau auf dem Einheitskreis. Leichte Abweichungen nach außen zeigen, dass mal wieder eine neue Kalibrierung fällig wäre. Die Rückflussdämpfung liegt bei 0 dB, das bedeutet, dass keine Verluste im Drehko gemessen werden konnten.
Ein Drehkondensator mit 258 pF
Ein keramischer Lastwiderstand
Ein keramischer Leistungswiderstand mit 91 Ω und ca. 10 W zeigt eine starke induktive Komponente, weil sich im Inneren ein gewickelter Drahtwiderstand befindet. Diese „Spule“ hat offensichtlich eine Induktivität von 3,6 µH. Die Kurve im liegt deshalb komplett in der oberen Hälfte. Damit ist klar, dass dieser Widerstand nicht HF-tauglich ist.
Ein keramischer Lastwiderstand mit 91 Ω, 10 W
Bei einem kleineren Leistungswiderstand mit 68 Ω und 5 W wurde dagegen keine Induktivität gefunden. Man könnte ihn als Dummy-Load für kleine HF- Endstufen bis 30 MHz verwenden. Ich habe allerdings schon eine Eigenbau-Dummy-Load aus 24 parallelgeschalteten 2-W-Kohleschichtwiderständen mit 1,2 kΩ. Diese habe ich auch durchgemessen, und sie hat den Test bestanden: Glatte 50 Ω ohne irgendwelche Blindwiderstände bis 30 MHz.
Eine Festinduktivität in kleiner Bauform mit nominell 1,1 µH wurde bei 1 MHz mit 1,04 µH gemessen. Der Serien-Verlustwiderstand ist ca. 4 Ω bei 1 MHz, steigt aber bis auf 16 Ω bei 30 MHz. Die Verluste sieht man schon daran, dass die Messkurve im Smith-Diagramm deutlich innerhalb des Einheitskreises liegt.
Eine Festinduktivität mit 1,1 µH
Oft verwende ich ganz einfache Luftspulen in Tiefpassfiltern. Zehn Windungen 0,2 mm CuL mit einem Spulendurchmesser von 5 mm sollten ca. 0,5 µH ergeben. Die letzte Windung wird zugleich verwendet, um das Bündel zu verschnüren. Es ist klar, dass diese Bauform größere Verluste mit sich bringt. Aber jetzt kann ich endlich mal nachmessen, wie schlimm es denn wirklich ist. 495 nH stimmen sehr gut. Aber bei 30 MHz habe ich schon einen Serien-Verlustwiderstand von 10 Ω. Bei 7 MHz sind es nur 5 Ω. Ganz grob kann ich nun abschätzten, dass so ein Filter Verluste von ca. 10% bringt. Also das hätte ich mit meinen bisherigen Messmethoden nicht rausgekommen. Der VNA bewährt sich!
Einfache Luftspule
Eine Luftspule aus dünnem Draht
Auch Kabel kann der NanoVNA untersuchen. Ein aufgewickeltes 50-Ω-Kabel
wurde einseitig angeschlossen und an der anderen Seite offen gelassen. Die
Messung zeigt am unteren Ende eine Kapazität und am oberen Ende eine
Induktivität. Bei 21,57 MHz kreuzt die Kurve im Smith-Diagramm die neutrale
Mittellinie. Hier liegt also die erste Lambdaviertel-Resonanz. Die elektrische
Länge des Kabels ist also 3,48 m. Die mechanische Länge war aber nur 2,95 m.
Aus dem Verhältnis lässt sich der Verkürzungsfaktor 0,86 berechnen, d.h. im
Kabel laufen die Wellen mit 86% der Lichtgeschwindigkeit.
Messung an einem Koaxkabel
