【Maker電子學】淺談高頻系統的原理與設計—PART24：NanoVNA

Posted By Liang Bird on 6 月 12, 2023 in Maker電子學, 教學文, 高頻系統 | 0 comments

我們花了將近一年的時間、每個月兩篇的篇幅，介紹高頻電路中的許多觀念與原理。這一回將是這個系列的最後一回，我想來介紹一個對於業餘玩家或是 maker 想進入高頻電路領域時，非常有用的工具。

RF 儀器

我們在進行電子電路的設計專案時，除了工具之外，往往還需要許多儀器，來協助我們測量電路的特性。一般的電子電路設計常用的儀器如三用電表、示波器、訊號產生器、LCR 表等，都是大家非常熟悉且常用的工具，而隨著數位科技的進步，也有許多性能極好但價格不高的儀器，讓業餘使用者也負擔得起。

但 RF 儀器的世界就是另一回事了。

RF 電路測量常用的儀器如頻譜分析儀、向量網路分析儀等設備，它們的價格往往不是一般業餘愛好者可以輕易擁有的。我約在 20 年前採購過 Agilent 的 3GHz 4-port 向量網路分析儀，當時含校正套件的價格就超過台幣 100 萬元，現今雖然有一些如大陸 Rigol 等比較平價的儀器品牌可以選擇，但 3 GHz 的向量網路分析儀仍然超過台幣 20 萬元。

難道業餘玩家或是 maker 就沒有辦法擁有平易近人的 RF 儀器嗎？

NanoVNA

感謝開源社群，在 2019 年，有一個叫做 NanoVNA 的開源向量網路分析儀專案問世了。這是一個只有信用卡大小、帶有顯示和電池的手持向量網路分析儀，它的硬體設計、firmware 全部開源；由於是開源的硬體，在淘寶、Amazon 或是 AliExpress 上可以看到不同供應商製造的版本，價格大概在一百多美金上下，台灣的蝦皮上也能找到有賣家在銷售。

（圖片來源：Bird 提供）

NanoVNA 是一台 2-port 的向量網路分析儀。網路分析儀的工作原理是這樣：它會打出一個訊號到待測物上，然後測量從待測物反射回來的訊號，以了解待測物的 S11 參數；或是測量「穿透」待測物之後的訊號，來了解待測物的 S21 參數（因此測量 S11 參數只需要用到一個 port，但測量 S21 的話就需要用到兩個 port）。

對於一般的 RF 電路來說，2-port 的向量網路分析儀已經可以滿足 80% 以上測測試需求，只有在需要測量 balun（平衡-不平衡轉換器）或是電路中有差分傳輸線時，才會需要 3-port 以上的向量網路分析儀。

既然網路分析儀的工作方式要打出訊號到待測物上再測量，它能打出的訊號頻率就變成很關鍵的參數了。我們之前在說明阻抗匹配電路時說過，容抗和感抗都跟頻率有關，你要測量一個 RF 電路在某個頻率下的特性，就得老老實實用那個頻率的訊號去測試它，才能得到正確的結果。

NanoVNA 可以產生的激發頻率最高到 300 MHz，不過利用諧波模式測量可以擴展到 900 MHz，而比較新版本硬體的 NanoVNA-H，則可以測量到 1.5 GHz。

我們來看一下 NanoVNA 怎麼在這麼小的體積、這麼低的硬體成本下做到向量網路分析儀的功能。

這是 NanoVNA 的方塊圖：