作者：Bird
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：
（圖片來源：Bird 提供）
從圖中可以看到，NanoVNA 的激發訊號來自 Si5351 這顆可程式化的訊號產生晶片。Si5351 產生的訊號打到待測物之後，會有兩路訊號回來，一路是反射、一路是穿透，再加上原始訊號本身，總共有三路的 RF 訊號，會利用 SA612AD 這顆混頻器降頻到基頻（baseband）。
降頻之後的訊號已經進入音頻的射程範圍，就可以用一般的音頻 IC 來處理了。NanoVNA 用了一顆取樣頻率可以到 48 KHz 的 I2C audio codec 來將降頻後的訊號轉換爲數位訊號，再利用 I2S 界面傳輸到 STM32F072 這顆 MCU 裡處理、計算，並用 SPI LCD 顯示出來。
接下來我們實際來試用 NanoVNA。
實際試用 #
NanoVNA 開機之後，顯示完硬體型號和 firmware 版本之後，就會直接進到測試畫面。它有電阻式的觸控螢幕，因此主要的操作都會用觸控螢幕來完成。
由於 NanoVNA 有兩個 port，它可以用來測量待側物的 S11 或 S21 特性。根據要測量的特性，NanoVNA 跟待測裝置之間有不同的連接方式。
（圖片來源：Bird 提供）
NanoVNA 的畫面上可以同時顯示 4 個 trace，每一個 trace 都可以設定不同的顯示格式，比方說像是最常用的 Smith Chart，可以一目了然待測物的阻抗、反射係數、VSWR 等；如果想要看更詳細的參數特性，也可以切換成橫軸是頻率、縱軸是震幅、相位、VSWR、電阻、電抗的圖等。
向量網路分析儀可以在設定的頻率範圍內對待測物進行測量，因此我們還需要設定開始頻率和結束頻率。在 menu 中的 stimulation 選單中，可以用 start/stop 或是 center/span 等不同的方式設定掃描的頻率範圍；畫面下方也會顯示目前掃描的頻率範圍，而出現在圖上的曲線就是在這個掃描範圍內的測量結果。
NanoVNA 預設會用 101 個點來涵蓋整個設定的測量範圍，也就是說不管你設定的頻率範圍多大，它都把它等分成 100 等分，測量 101 次（包含頭尾），然後畫成圖。
當我們開機後，如果 NanoVNA 的 CH0 接頭上沒有插任何東西，這時 CH0 就是 open（開路）的狀態。根據我們之前探討 Smith Chart 的經驗，open 會表示在 Smith Chart 的最右邊（不管我們設定什麼頻率範圍，open 都是在水平軸純電阻線的最右邊）。
（圖片來源：Bird 提供）
如果我們在 CH0 上面裝上一個 short（短路）的負載，這時 CH0 就是短路的狀態。根據我們之前探討 Smith Chart 的經驗，short 會表示在 Smith Chart 的最左邊。
（圖片來源：Bird 提供）
而如果我們在 CH0 上面裝一個 50 ohm 的標準負載，理論上這時 CH0 輸出的激發訊號會跟負載完美匹配，因此在 Smith Chart 上會表示在圓心的位址。
（圖片來源：Bird 提供）
以上所使用的這三種負載（open、short、50 ohm）稱之為向量網路分析儀的校正組（calibration kit），它可以用來校正單一 port 的特性。如果要校正從 CH0 到 CH1 的 S21 測量特性，還需要另外一個校正工具叫做 through adapter，其實就是一條將 CH0 和 CH1 連接起來的、標準的 50 ohm 傳輸線。
當我們將以上這些 calibration kit 連接到向量網路分析儀上時，如果有任何一個的測量結果跟預期不符，比方說 short 的負載接上去之後畫面中的測量結果並沒有出現在 Smith Chart 的最左邊，這時就需要進行校正。校正其實就是利用這些標準負載，告訴向量網路分析儀，現在這個負載應該是什麼特性（open、short、50 ohm），然後網路分析儀內部就會在測量時去補償訊號，讓測量結果是準確的。
來做根天線 #
NanoVNA 最好用的一種情境，就是拿來做天線設計。
天線是一種 single port 的 RF 元件，我們將 RF 訊號打到天線，天線將電壓訊號轉變爲電磁場發射出去，理想上我們希望天線的輸入要跟傳輸線的阻抗匹配，也就是說打進去的 RF 訊號要儘可能的全部發射出去，不要反射回來，因此我們只要測量天線的 S11，並確定它在我們期望的工作頻段盡可能小，天線就會工作在一個很不錯的狀態，至於發射效率和場型等特性，又是更進階的話題了。
假設我們現在有一個 RF 遙控電路，要使用 433 MHz 的 RF 訊號來傳輸資料。手上一時沒有適合的天線可以使用，這時我們可以隨便找一條電線，將它剪成適合的長度，拿來當作天線來使用。
但是要剪成什麼長度呢？有一種天線叫做四分之一波長地平面天線（quarter wavelength ground plane antenna），它的主體是一根差不多是四分之一波長的導體，再搭配一個跟主體垂直的平面當作參考的地。我們就來試試這個做法吧。
先算出 433 MHz 的波長大概是 69 cm：
299,792,458（m/s/ 433,000,000（Hz）= 0.6923（m）
四分之一波長就是：
69.23（cm）/ 4 = 17.3075（cm）
因爲電磁波在導線上傳輸時，會受到導線的絕緣層的介電係數影響而變慢，因此實際的波長會比在真空中稍微長一點。
我們先取一段電線，剪成大概 20 cm，比我們的目標長度要稍長一些（因爲太長了要剪斷很容易，但如果太短的話要延長很麻煩，所以我們先取長一點的，然後慢慢剪）。
我們直接把這段電線插到 NanoVNA 的 CH0 上，然後設定掃描頻率範圍是 400 MHz 到 500 MHz：
（圖片來源：Bird 提供）
圖中的三角形 mark 1 是開始掃描的頻率 400 MHz，曲線的另一端則是 500 MHz。
我們的運氣其實不錯，這一段隨便剪的電線，在 400 MHz 的時候已經相當接近圓心，但我們的目標是 433 MHz，這段線對 433 MHz 來說應該還是太長（因爲從圖中的趨勢來看，低於 400 MHz 的頻率可能已經到圓心了，所以現在這段線可能在 390 MHz 時是匹配的）。
我們把線剪短一點。大概剪個 1 cm 就好。
（圖片來源：Bird 提供）
果然，這時 400 MHz 已經幾乎在圓心上了。我們把 VSWR 的 trace 打開來看看：
（圖片來源：Bird 提供）
從 VSWR 可以看到，400 MHz 時的 VSWR 是 1.29，對這個頻率來說已經是個可以用的天線了，如果把天線再進一步修短，它應該可以工作在 433 MHz。
如果你親手做這個實驗，就會發現，其實在操作的時候，只要手靠近電線，或是電線的形狀被彎折成不同的樣子，Smith Chart 中的曲線都會有劇烈的變化。對！這就是 RF 系統的多變和不可預測的特性。
小結 #
要做出一個穩定且不容易受環境因素影響的天線，其實還有很多的挑戰和難關要克服，但有了 NanoVNA 這樣人人都負擔得起的向量網路分析儀，藉由更多的實驗、實作，即使是業餘玩家或是 maker，也可以做出高效、穩定的 RF 系統。
這一回，我們介紹了 NanoVNA 這個人人負擔得起且功能強大的向量網路分析儀。在幾年前要擁有一台這樣功能的儀器，可能還要價百萬台幣以上，但現在只要有這台信用卡大小的開源儀器，每個人都可以做很多 RF 的測量與實驗，讓 RF 系統的設計與校調不再是高不可攀的工作。
如果看完這一整年的連載，讓你也對 RF 系統燃起了熱情，不如就捲起袖子，開始動手做吧！
