--- title: 淺談高頻系統的原理與設計—PART24：NanoVNA description: "**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…" url: "https://makerpro.cc/docs/high-frequency-system-principles-and-design-part24/" updated: "2025-04-28" category: 高頻系統 --- # 淺談高頻系統的原理與設計—PART24：NanoVNA **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](https://nanovna.com/) 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。 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2023/06/1-3.jpg) （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： ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2023/06/2-2.jpg) （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。 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2023/06/3-2.jpg) （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）。 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2023/06/4-2.jpg) （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。 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2023/06/5-2.jpg) （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。 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2023/06/6.jpg) （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： ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2023/06/7.jpg) （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。 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2023/06/8.jpg) （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： ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2023/06/9.jpg) （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！