VNA-mätning - metodik

Elektronikrelaterade (på komponentnivå) frågor och funderingar.
Malm
Inlägg: 215
Blev medlem: 22 februari 2004, 12:55:06
Ort: Borås

VNA-mätning - metodik

Inlägg av Malm »

Hej!

Jag arbetar med ett kretskort med en chip-antenn. Har en NanoVNA-F V2 men är ganska ny när det gäller att göra mätningar med nätverksanalysator. En av antenntillverkarna har en ganska bra sida med information på ämnet, men jag förstår inte till fullo instruktionerna.

vna.png
Under delen "A. Antenna Matching Setup" instrueras man att kalibrera sin prob så att man får ett korrekt referenssplan (detta förstår jag), men man nämner sedan "not-normalized" kontra "normalized" (se min röda markering i bilden ovan). Själva Smithdiagrammet är ju normaliserat, men detta verkar vara något annat? Är det någon form av ytterligare kalibrering/normalisering utifrån transmissionsledningens egenskaper?

Tacksam för svar!
Du har inte behörighet att öppna de filer som bifogats till detta inlägg.
E Kafeman
Inlägg: 3260
Blev medlem: 29 april 2012, 18:06:22

Re: VNA-mätning - metodik

Inlägg av E Kafeman »

Det låter illa. :D
Chipantenn menar jag. Det är i min mening ingen antenn.
En antenn som är kortare än en halv våglängd kan inte bli effektiv.
Ena halvan av denna halva våglängd kan "gömmas" genom att den endast finns som en spegling i kretskortets jordplan.
Är jordplanet för kort för denna funktion eller allt mycket förluster RF-mässigt kan man inget göra för att kompensera fsämre antenn-funktion detta på annat sätt.
Är det t.ex. en dipol där ena polen bara existerar som en spegling i jordplanet och denna del fungerar dåligt kan man inte kompensera detta med mer ideal struktur på den synliga delen. Den sämsta av de bägge polerna bestämmer och begränsar hur bra antenn-funktion som kan skapas.
I sammanhanget pratar man om antennen effektivitet som ett mått på denna funktionen, hur mycket av till antennen tillförd effekt som verkligen är utstrålad effekt.
Om det nu är en chip-antenn, så gäller samma fysiska regler och begränsningar antennfunktion men var är den synliga delen av dipolen?
Den finns i stort inte utan hela jordplanet utgör utrymmet som antenn-strömmar kan existera i.
Chip-delen är bara en impedansmässig motvikt till vad som borde varit en synlig del av antenn.

En sådan antenn som enbart existerar i PCB blir väldigt beroende av att jordplanet är tillräckligt stort och helst har utbredningslängd sett från chippet som ej är kvart våglängd långt då det kraftigt försämrar antenn-funktion. Reflektionen är 180 grader i motfas vilket släcker huvudsignalen. Det finns för PCB två olika mått på antenn-längd, det är de bägge dielektricitetskonstanterna för luft resp PCB (FR4?) som ger dessa längder.

Chipantenn finns i många olika teknologi-lösningar som var och en har sina säregenskaper men eftersom du tittar på Johannsons sidor förmodar jag att din antenn är en av deras chip-antenner för 2.4 GHz.

Lämplig och bra storlek på PCB och deras antenn kan ge någorlunda funktion. Av den anledningen, när de själva försöker visa hur bra antennen är, sker det med väl genomtänkt chip-placering på PCB av lika genomtänkt storlek. Givetvis är jordplanet obrutet och det för inte finnas några RF-absorberande komponenter på PCB såsom displayer, batterier eller induktanser med ferrit-kärna.
Screenshot 2023-12-29 at 18-22-14 2450AT18A100E-AEC.pdf.png
Denna bilden är från en av deras demo-PCB. Deras uppgivna prestanda för denna antennen är rimlig men avviker du från något alls på denna bilden är förändringarna oftast till det sämre. Noter hur väl man anger alls mått. Det handlar inte om att placera chippet på random plats på ett random stort PCB och tro att man får bra antennfunktion.

Det finns oftast ett flertal olika alternativa antenn-typer som kan ge bättre funktion än detta chippet, UTAN att det kostar mer PCB-yta.
Jag har designat ett flertal sådana antenner efter att kunden försökt implementera den som de trodde enkla lösningen med ett chip istället för antenn. Det finns inget sätt att kringgå fysiska begränsningar för antenn-funktion genom att tro att ett chip i sej på något vis skulle kunna ersätta fysiska utbredning av antennströmmar till minsta resonant storlek, 0.5 våglängder.

Chip-antennens datablad är är inte överdrifter, antennen fungerar men det är INTE chippet som strålar. Det är allt för fysiskt litet för detta.

Förutom att PCB måste vara av bra storlek är denna antenntypen inte lätt att matcha för god funktion över hela bandbredden.
Det är för denna matchningen man använder VNA. Alla jordplansberoende antenner, ser man inte upp blir VNA mätkabel en förlängning av detta jordplan. Då mäter man en sak med nätverkskabeln ansluten till PCB och får en helt annan antennmatchning när man kopplar loss kabeln.


Det är mycket att tänka på och är chip-antenn det första du ger dej på med att mäta med VNA så har du en tuff uppgift.
Jag hade backat ett steg och tagit ett stort tomt PCB ca 100x100 mm och på detta PCB placerat en 20 mm lång ståltråd som antenn och träningsobjekt för antennmatchning,

Slutligen till din fråga.
Korrekt impedanskalibrering av din mätkabel från VNA utförs ofta enligt "short open load". Det sker oftast i änden på VNA-mätkabeln som i kalibreringspunkten har en SMA-kontakt. När denna kalibrering är utförd så ser Smith-diagrammet ut som högra bilden när inget är anslutet på kabeln.
När man mäter på kretskortet på platsen där man tänkt placera matchningskomponenter måste man lägga till en bit kabel förutom den fasta kabel man har kopplad till VNA. Det är oftaste n en sk pigtail med passande SMA i ena änden. Denna kabel är sällan mer än 50-100 mm lång men när du ansluter denna kabel till din existerande kabel, utan att ansluta något i öppna änden så får du något som ser ut som den vänstra bilden. I stort är det samma impedans fast det som tidigare var en punkt klockan 3 är nu en cirkel.
Detta beror på att tidsplanet blivit förskjutet. Den tillförda kabellängden kostar tid för RF-signalen att passer för att finna den öppna änden och mätmässigt ger det en frekvensberoende impedans. Därav cirkeln.

För att kunna mäta något vettigt i denna änden av kabel, som du avser att tillfälligt löda in vid plats för matchninghsnät, måste tidsplanet kalibreras.
Den funktionen finns oftast i nätverkarens mjukvara vilket de nätverkare jag känner till och jobbar med har.
Mycket beroende på situationen men målet för fulla kalibreringen är att se till att kabel som är inlödd på PCB med koaxledarens mittkabel ansluten till pcb-mönster som är tillfälligt avhugget i riktning mot radio, enbart en tom plats för matchning ansluten i mätsetuppen. Då ska man åter ha en punkt kl 3 när det är färdigkalibrerat. Det är i princip oändlig impedans. Om den öppna padden för matchning nu får en komponent pålödd med jordning av den andra padden ska du kunna avläsa ungefär korrekt komponentvärde. Om en induktans på Smithdiagrammet uppträder som en kapacitans eller om mätprogrammet kan visa direkt reaktanserna i Henry eller Farrad så ska det bli någorlunda rätt komponentvärde.
Nu ger jag nog inte så mycket för Johansons sida och det man kallar för not normalized skulle kunna tolkas som situationen innan man utför kalibrering av VNA+mätkabel.

Oavsett, vid korrekt anslutning på PCB mätplats ska öppen anslutning ge en snygg punkt kl 3. Om man kortsluter PCB-padden med en lödblob ska det ge en lika snygg punkt kl 9.
Kollar man bägge delar, både öppen och kortis, och detta stämmer så är kalibreringen ok, fast återigen, se upp så inte mätkabeln blir en del av antennen.

Jag demonstrera på en video med en keram-antenn, en avlägsen släkting till chip-antennen, hur man kan matcha en antenn på ett besvärligt litet PCB vad gäller antenn-egenskaper och redovisar hur hög effektivitet jag nådde i denna video:

Mycket av det som sker på denna video är sådant som du antagligen vill utföra om jag nu gissar rätt på hur din antenn och ditt PCB är beskaffat. Har jag gissat fel så har du kommit hit i texten förgäves. :tumupp:
Du har inte behörighet att öppna de filer som bifogats till detta inlägg.
Användarvisningsbild
4kTRB
Inlägg: 18405
Blev medlem: 16 augusti 2009, 19:04:48

Re: VNA-mätning - metodik

Inlägg av 4kTRB »

Det finns ett bra RF Demo Kit för att få grepp om olika mätningar https://www.passion-radio.com/meter/vna-test-946.html
Malm
Inlägg: 215
Blev medlem: 22 februari 2004, 12:55:06
Ort: Borås

Re: VNA-mätning - metodik

Inlägg av Malm »

E Kafeman skrev: 29 december 2023, 19:23:05 Det låter illa. :D
Chipantenn menar jag. Det är i min mening ingen antenn.
En antenn som är kortare än en halv våglängd kan inte bli effektiv.
Ena halvan av denna halva våglängd kan "gömmas" genom att den endast finns som en spegling i kretskortets jordplan.
Är jordplanet för kort för denna funktion eller allt mycket förluster RF-mässigt kan man inget göra för att kompensera fsämre antenn-funktion detta på annat sätt.
Är det t.ex. en dipol där ena polen bara existerar som en spegling i jordplanet och denna del fungerar dåligt kan man inte kompensera detta med mer ideal struktur på den synliga delen. Den sämsta av de bägge polerna bestämmer och begränsar hur bra antenn-funktion som kan skapas.
I sammanhanget pratar man om antennen effektivitet som ett mått på denna funktionen, hur mycket av till antennen tillförd effekt som verkligen är utstrålad effekt.
Om det nu är en chip-antenn, så gäller samma fysiska regler och begränsningar antennfunktion men var är den synliga delen av dipolen?
Den finns i stort inte utan hela jordplanet utgör utrymmet som antenn-strömmar kan existera i.
Chip-delen är bara en impedansmässig motvikt till vad som borde varit en synlig del av antenn.
...
Tack för ett mycket ingående svar!

Jag har tidigare lyckats designa ett kort med en MIFA-antenn och fått till det matchande nätet så att kortet har goda prestanda, så helt ny till ämnet är jag inte. Har också det demokit som 4kTRB nämner. Dock är jag säker på att jag har ganska stora "blinda fläckar" i min kunskap!

Jag köper att en chipantenn inte är något att hänga i granen, även om jag i min enfald trodde att det gick att få till helt okej prestanda om den matchades med rätt komponenter. Vi släpper det konceptet. Det viktiga i min frågeställning är om jag missat något fundamentalt koncept inom mätning med VNA. Johanson återkommer till "not-normalized" resp. "normalized" även i den nedre raden, och jag är ganska säker på att man inte syftar på kalibreringen. Kanske jagar jag en klarhet som inte går att uppnå pga. deras otydlighet...

När vi ändå är inne på ämnet och jag har en kunnig persons uppmärksamhet passar jag på att slänga in en relaterad fråga. Du nämner att man förskjuter tidsplanet om man ansluter ytterligare en bit coax. Om denna har samma impendans som den kabel man redan hade på sin VNA, hur kommer det sig att den inte är "osynlig" och bara mäter som en öppen ände (dvs. klockan 3)?

Jag ska ta en titt på din video så fort tillfälle ges! Återigen, tack för svar!
E Kafeman
Inlägg: 3260
Blev medlem: 29 april 2012, 18:06:22

Re: VNA-mätning - metodik

Inlägg av E Kafeman »

>Johanson återkommer till "not-normalized" resp. "normalized" även i den nedre raden, och jag är ganska säker på att man inte syftar på kalibreringen.
Nja beror på hur man ser på det men tidsplanet är det som kalibreras efter att man kalibrerat ShortOpenLoad och det är skillnaden före och efter den biten som Johanson syftar på.
Du kan lätt kopiera samma effekt när du justerar kabellängden efter att impedanskalibreringen utförts.
Återigen, det är visat i min video så det är lyxigt att traggla det fler gånger i text.


> Du nämner att man förskjuter tidsplanet om man ansluter ytterligare en bit coax. Om denna har samma impendans som den kabel man redan hade på sin VNA, hur kommer det sig att den inte är "osynlig" och bara mäter som en öppen ände (dvs. klockan 3)?

Se nedan Smithdiagram där man ser att det är graderat i ett varv om 360 grader. Det är inte alltid den skalan är med i Smithdiagram men det förklarar en del.
SmithChart.jpg
Teoretisk om man skarvar på en bit extra koaxialkabel som är exakt en väglängd lång sett till dess vågledarhastighet som för vanlig koax typiskt är 0.66 c och kontakteringsövergångar mm är förlustfritt så då är kabelförlängningen osynlig därför att en våglängd, då roteras punkt vid kl3 medurs vid kabelförlängningen så att en halvvåglängd, då är man vid kl 9 och efter ytterligare en halv våglängd är man åter vid kl 3 med punkten och inget ser ut att ha ändrat sej.
Men.. detta stämmer bara för en enda frekvens. våglängden vid 2.4GHz och 2.5 GHz skiljer sej åt och punkten kommer vandra olika långt beroende på kabellängden relativt frekvensen. Det som var en punkt blir en lätt ostadig cirkel utmed kanten på smith-digrammet när man förlänger kabellängden med en våglängd eller mer och inte kompenserar för detta i kalibreringen och i synnerhet när man mäter på ett större bandbredd, vilket man i princip alltid gör vid antennmätningar även om antennen bara ska arbeta smalbandigt för t.ex. 868 MHz eller något annat smalt band.

Om du har nämnda mätkit och har så att du kan skarva in en bit kabel, prova att mäta på en kondensator med och utan kabelförlängnuingen utan att göra tidsplanskorrigering så ser du att utan korrigering så är alla värden helt tokiga. Det finns ingen möjlighet att matcha något på bredbandigt sätt.
Man kan halta sej fram och göra en halvdan impedansmatchning för en enskild frekvens genom rent grafisk lösning, dvs att man ritar in i Smith-diagrammet med penna och linjal var man förflyttat sej och evt referenser och vart man vill nå, vilket oftast är mittpunkten i Smith-diagrammet. Det kalibrerar man så den punkten är 50+j0 Ohm men om radion skulle fördra 120 Ohm så är det inget som hindrar att man sätter mittpunkten till detta värde.
Lite mer avancerat och man har i princip alldrig ett punktmål då radions impedans inte är samma vid 2.4 som 2.5 GHz vilket man kan se om man mäter direkt på aktiv radio. För att göra det lite mer rörigt så är det oftast rätt skilda impedanser för rx och txså ofta väljer man ett medel eller prioriterar en av impedanserna som matchningsmål.

Dock får man se upp så att VNA inte bottnar av sändeffekten. Då får man lasta på dämpsatser på VNA innan kalibrering för att inte skada VNA-ingångar i onödan.
Detta är en del av den mätning/matchning som kallas SAR TRP och TIS : https://www.antenna-theory.com/definitions/tis.php
Det är dock sådant som man som nybörjare ska syssla med. Inte för att det är svårt utan därför att mäta detta på rätt sätt kräver att man kan undvika mätproblem på en mer grundläggande nivå, såsom hur man undviker att mätkabelns skärm inte utökar jordplan eller att den påverkar mätresultat genom att absorbera effekt genom de ferriter som man ofta har på mätkabeln.
Rent allmänt så betyder inte t.ex. någon cm tidsfel något om man mäter en FM-antenn för 88-108 MHz medans påverkan blir stor vid 2.4 GHz och jag anser det är stor skillnad i svårighetsgrad att få till så att man mäter rätt vid några GHz relativt 100MHz. Det är också en stor skillnad i svårighet att mäta rätt om PCB är kort såsom för en hörpropp för 2.4 GHz där hela PCBt kanske är 20 mm långt relativt ett PCB som är 50-100 mm långt.
För det kortare PCBt ryms ingen naturligt resonant antennström i jordplanet och strömmarna påverkas därför mycket kraftigt av om man tillför lite extra längd genom inlödd skärm från en mätkabel.
Hur detta drabbar och vad man kan göra åt det lär man sej bäst genom att träna och själv testa och utvärdera olika inlödningar på jordplan och t.ex. använda sej av kvarts sleeve balun eller ferriter på kabelskärmen. Du ser det demonstrerat på videon. Det finns födelar med sådan balun och bra ferritmaterial som ger nämnvärd resistiv absorption är dyrt vid 2.4 GHz men samtidigt är ferrit behändigt då det ger bredbandigare egenskaper.
Screenshot 2023-12-30 at 02-50-57 How Sleeve Balun works.png
Du har inte behörighet att öppna de filer som bifogats till detta inlägg.
Malm
Inlägg: 215
Blev medlem: 22 februari 2004, 12:55:06
Ort: Borås

Re: VNA-mätning - metodik

Inlägg av Malm »

Tack, jag har fått många bra inputs och trådar att dra i! Det som behövs för min del är fler praktiska övningar för att skapa mig en bättre intuitiv känsla för det hela :)
Skriv svar