EuroVNA von Stefan Erhardt, DL1NFS & Andreas Depold

EuroVNA

 
Der EuroVNA für Enthusiasten!
EuroVNA Revision (rev. 2) befindet sich noch in der weiteren Entwicklung.

 

Über uns

Stefan Erhardt, DL1NFS

Stefan Erhardt schloss 2014 sein Studium der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (EEI) an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg ab. Für seine Masterarbeit wurde er mit dem Leo-Brandt-Preis der Deutschen Gesellschaft für Ortung und Navigation (DGON) ausgezeichnet. Seit 2014 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Technische Elektronik. Er arbeitet an einem Projekt zum Tracking der Migrationsbewegungen von Fledermäusen. Hierbei entwickelte er einen miniaturisierten Empfänger mit einer Laufzeit von einem Jahr, der die Cell-IDs von Mobilfunkbasisstationen ausliest und speichert.
Stefan Erhardt ist der Gründer und Hauptentwickler der OpenTopoMap, einer topographischen Karte aus OpenStreetMap-Daten. Außerdem trug er zusammen mit einem Masteranden am digitalen Sprachcodec “Codec 2” von David Rowe bei und entwickelte den Modus mit 450 bit/s.

Andreas Depold

Andreas Depold hat 2019 sein Studium der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (EEI) an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg abgeschlossen. Im Rahmen seiner Masterarbeit entstand dabei die erste Version des EuroVNA. Seit 2019 arbeitet er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Technische Elektronik. Er arbeitet an einem Ortungssystem zur Lokalisierung verschütteter Personen in eingestürzten Gebäuden auf Basis derer Mobiltelefone.

 

 

Der EuroVNA ist ein kleiner und günstiger, aber leistungsfähiger Einplatinen-Netzwerkanalysator. Anders als andere Low-Cost-VNAs (siehe Vergleich) ist der EuroVNA ein echtes Zweitor, misst also S11, S21, S22 und S12 in einer Messung. Er deckt den Frequenzbereich zwischen 9 kHz und 11 GHz ab und bietet zusätzlich einen einfachen Spektrumanalysator und SDR-Empfänger mit 25 kHz Echtzeitbandbreite.

Der EuroVNA besitzt zwei hochwertige N-Konnektoren von Rosenberger, die mechanisch deutlich stabiler als SMA-Konnektoren sind und eine hohe Lebensdauer aufweisen. Außerdem kommt der EuroVNA in einem stabilen Aluminiumgehäuse im kompakten Euroformat (16 cm x 10 cm) und wird über USB an einen PC angeschlossen und ebenfalls mit Strom versorgt. Für den Betrieb ohne PC kann außerdem ein Raspberry Pi eingesetzt werden.

Der EuroVNA – der perfekte Zweitor-Netzwerkanalysator für Funkamateure, Ingenieure und Maker!

Aktueller Stand:

Die erste Version entstand 2019 im Rahmen einer Masterarbeit an der Universität Erlangen-Nürnberg. Anschließend entwickelten wir in unserer Freizeit eine neue, verbesserte Revision (rev. 1). Derzeit (10/2020) arbeiten wir an einer weiteren Revision (rev. 2) und wollen diese in einer Kleinserie fertigen lassen, bitten allerdings noch um etwas Geduld. Der Verkaufspreis steht noch nicht fest, soll aber im mittleren dreistelligen Euro-Bereich liegen, was den Bauteilkosten eines Einzelstücks entsprechen würde.


Spezifikationen

Die Spezifikationen des EuroVNA können sich bis zur Markteinführung ohne Notifikation ändern. Angaben ohne Gewähr.

Frequenzbereich9 kHz bis 11 GHz
ArchitekturBidirektionaler Zweitor-Vektorieller Netzwerkanalysator
Messdynamik
(nach Kalibrierung)
>95 dB bis 50 MHz
>80 dB bis 1 GHz
>70 dB bis 3,5 GHz
>50 dB bis 6 GHz
(unterliegt weiterer Entwicklung)
Direktivität
(nach Kalibrierung)
>40 dB
Portanpassung>10 dB
Ausgangsleistung-30 dBm bis 0 dBm
MessportsHochwertige N-Buchsen von Rosenberger
ErweiterungenReferenztakt in/out
Raspberry Pi
Weitere Messmöglichkeiten– Einfacher Spektrumanalysator (9 kHz bis 11 GHz)
– Einfacher SDR-Empfänger mit 25 kHz Echtzeitbandbreite (9 kHz bis 11 GHz)
Frequenzgenauigkeit< 5 ppm, alle Takte von zentralem TCXO abgeleitet
Leistungsaufnahmeca. 5 W
Abmessungenca. 160 mm x 100 mm

Software

Die Software zur Ansteuerung des EuroVNA ist in Python geschrieben und kann dadurch auf Windows, Linux und Mac ausgeführt werden. Es werden keine proprietären Bibliotheken benötigt.

Beachten Sie bitte, dass sich diese Seite noch im Aufbau befindet. Weitere Infos und Screenshots werden in Kürze folgen. Außerdem wird der Quellcode der Software rechtzeitig unter einer Open Source-Lizenz veröffentlicht.

Die Hauptansicht der VNA Software. Beispielhaft gezeigt ist die Messung eines 16 MHz Quarzes.

Vergleich

Alle Daten stammen aus den Spezifikationen der Hersteller. Die Spezifikationen des EuroVNA können sich bis zur Markteinführung ohne Notifikation ändern. Angaben ohne Gewähr.

 EuroVNA rev. 1
(vorläufig)
VNWA 3pocketVNANanoVNA
Frequenzbereich9 kHz…11 GHz1 kHz…1,3 GHz500 kHz…4 GHz50 kHz…900 MHz
ArchitekturBidirektionales ZweitorT/R 1,5-TorT/R 1,5-TorT/R 1,5-Tor
Dynamik¹>95 dB bis 50 MHz
>80 dB bis 1 GHz
>70 dB bis 3,5 GHz
>50 dB bis 11 GHz
<90 dB bis 500 MHz
<50 dB bis 1,3 GHz
<70 dB bis 350 MHz
<40 dB bis 4 GHz
<40 dB bis 900 MHz
Ausgangsleistung-30 dBm…0 dBm
einstellbar
? dBm
einstellbar
-14 dBm?
MessportsN-BuchsenSMA-BuchsenSMA-BuchsenSMA-Buchsen
DC-Blocksjaneinjanein
Oberwellenfilterung6-stufignein2-stufig (?)nein
Software /
Open Source
Windows, Linux, Mac /
ja
Windows, Linux (Wine) /
nein
Windows, Linux, Mac /
nein
Windows, ? /
ja
MessmöglichkeitenS-Parameter, Impedanz,
Phase, VSWR, TDR,…
ditoditodito
Zusätzliche MessmöglichkeitenSpektrumanalysator,
SDR-Empfänger
(9 kHz…11 GHz)
Spektrumanalysator
(bis 100 MHz)
??
StromversorgungUSB-Cmini-USBmini-USBUSB-C
ErweiterungenReferenztakt in/out
Raspberry Pi
   
Jahr2020200920142019
HerkunftMade in GermanyMade in UK??Made in China
Verschiedene Hersteller unterschiedlicher Qualität.
Preistbd.>= 589,- €390,- €ca. 70 €
(+ Einfuhrumsatzsteuer²)

¹ Zu beachten: Die Werte des VNWA, pocketVNA und NanoVNA wurden von den Herstellern mit den Maximalwerten (“bis zu”) spezifiziert, während der EuroVNA Mindestwerte (“besser als”) angibt.

² Die Einfuhrumsatzsteuer muss vom Käufer gezahlt werden, wenn der Händler diese nicht bereits abgeführt hat. Bei privaten Direktkäufen aus Fernost ist es oft der Fall, dass der Käufer die Steuer meist noch selbst abführen muss. Ab einem gewissen Betrag fallen außerdem zusätzliche Zollgebühren an.


Auf dem Weg zur zweiten Revision

Nach einer sehr großen Resonanz auf den Artikel in der CQ DL und unzähligen Zuschriften wollen wir auch öffentlich über den Projektfortschritt berichten und zeigen, dass es in der Entwicklung des EuroVNAs auch in der schwierigen Corona-Situation (kaum Freizeit aufgrund Homeoffice mit Kindern) voran geht. Wir arbeiten nunmehr seit eineinhalb Jahren am EuroVNA, bitten allerdings bis zur Markteinführung weiter um Geduld. Die Entwicklung eines 11-GHz-VNAs ist nunmal kein kleines Wochenendprojekt und wir wollen natürlich die Spezifikationen der bisherigen Entwicklungsmuster möglichst auch in der Serie erreichen. Hier unsere Baustellen:

  • Bevor wir die zweite Revision als gesamte Leiterplatte aufbauen, testen wir einzelne kritische Blöcke als kleine Testplatinen. Das spart Zeit und vor allem Geld, da die Bauteile für eine komplette Platine mehrere Hundert Euro kosten und die Handbestückung etwa einen ganzen Tag benötigt. Die spätere Serie wird natürlich maschinell bestückt und die Bauteilkosten pro Platine sinken.
    Besonders die Messbrücke als Herzstück zur Trennung der vor- und rücklaufenden Welle erwies sich als kritisch und musste in zahlreichen “Hardware-Sweeps” optimiert werden. Dabei halten wir an der in der CQ DL beschriebenen resistiven modifizierten Wheatstoneschen Messbrücke fest, da die Entwicklung von breitbandigen Leitungskoppler ohne professionelle Feldsimulationssoftware ausgeschlossen ist. Erst die Einbeziehung der parasitären Effekte von SMD-Widerständen aus Erfahrungswerten und wiederholten Simulationen, Messungen und Re-Simulationen waren zielführend.
    Die Abbildung zeigt eine Auswahl verschiedener kleiner Testplatinen. Als nächstes bauen wir das Frontend, also die Messbrücken mit Übergängen auf N-Buchsen als größere Testplatine auf, um die Portanpassung, Direktivität, Koppelfaktor und Einfügedämpfung sauber charakterisieren zu können.
  • Der Mikrocontroller bewerkstelligt nun die komplette Signalverarbeitung. Außerdem stellt die neue Firmware eine neue Schnittstelle zum PC zur Verfügung.
  • In der PC-Software stehen nun Funktionen zum Testen von einzelnen internen Stufen zur Verfügung. Weiterhin arbeiten wir an einer dynamisch für verschiedene Monitorauflösungen funktionierenden Darstellung, damit die Software auch auf kleineren Bildschirmen (z.B. mit Touch-Bildschirm am Raspberry Pi) bedienbar ist.

Einen Erscheinungstermin können wir noch nicht nennen, möchten aber hier bzw. im Newsletter über die weitere Entwicklung berichten.

Testplatinen zur Optimierung des Frontends.

Messmöglichkeiten

Anpassung von Antennen

Eine gute Antennenanpassung trägt maßgeblich zur Performanz eines Funksystems bei. Besonders im Amateurfunk kommen hohe Sendeleistungen von bis 750 W vor – eine Fehlanpassung würde zur Zerstörung der Endstufe führen. Besonders Mittelwelle- und Kurzwelle-Antennen sind gelegentlich so schmalbandig, dass der Netzwerkanalysator für zuverlässige Ergebnisse eine hohe Frequenzgenauigkeit aufweisen muss. Mit einer Direktivität von >40 dB nach Kalibrierung und einer Frequenzgenauigkeit von <5 ppm können mit dem EuroVNA auch anspruchsvolle Antennen abgeglichen werden.

Charakterisierung von Mikrowellenschaltungen

Ab einigen Gigahertz werden passive Schaltungen oft in planarer Form realisiert, z.B. planare Mikrostreifenleitungsfilter. Ohne Messung bringt die beste Simulation nichts, da unzählige Parameter einfließen, die nicht immer in der Hand des Entwicklers sind (z.B. Schwankungen der Dielektrizitätszahl des Substrats, Ätztoleranzen, Oberflächenrauigkeit der Metallisierung). Mit dem EuroVNA können Sie Ihre Schaltungen bis 11 GHz charakterisieren. Das schließt Eigenentwicklungen von Baugruppen für den QO-100-Uplink im 13cm-Band (=Eingabe) und sogar des Downlinks im 3cm-Band (=Ausgabe) ein!

Entwicklung von Verstärkern

Bei der Charakterisierung von Verstärkern ist es wichtig, dass das Quellsignal möglichst wenig Oberwellen bzw. einen niedrigen Klirrfaktor besitzt. Anderenfalls kann z.B. eine starke Oberwelle außerhalb des vorgesehenen Betriebsbands für Instabilitäten des Verstärkers sorgen und die Messung verfälschen. Der EuroVNA besitzt eine mehrstufige Oberwellenfilterung und kann für die Messung von Verstärkern eingesetzt werden. Hinweis: Leistungsverstärker (PAs) sollten natürlich niemals ohne entsprechende Dämpfungsglieder an einen Netzwerkanalysator gehängt werden.

Bestimmung von Antennen

Wem ist das noch nicht passiert: Mehrere unbeschriftete Antennen liegen auf dem Schreibtisch, nur welche funktioniert bei 433 MHz, 868 MHz, 2,4 GHz oder gar 5,8 GHz? Oder handelt es sich um eine Antenne für die Mobilfunkbänder 800 MHz, 900 MHz, 1800 MHz und 2,1 GHz? Schrauben Sie die unbekannte Antenne einfach direkt an den EuroVNA und vermessen Sie sie im Handumdrehen, und zwar bis 11 GHz!

Abgleich von Duplex-Filtern

An Relais werden Duplexfilter zur Trennung des Empfangs- und Sendesignals eingesetzt, da das Empfangssignal gleichzeitig mit einer gewissen Frequenzablage wieder ausgesendet wird. Die Dynamik zwischen RX und TX beträgt bei typischen FM-Relais etwa 160…170 dB, wovon das Duplexfilter bereits 100 dB Entkopplung bewerkstelligen muss. Eine saubere Abstimmung der Hohlraumresonatoren ist hierfür essentiell und kann nur mit einem Netzwerkanalysator mit entsprechender Dynamik bewerkstelligt werden. Der EuroVNA kann mit seiner hohen Messdynamik für den Abgleich von Duplexfiltern im 2m- und 70cm-Band eingesetzt werden.


Natürlich können Sie den EuroVNA für unzählige weitere Messungen einsetzen. Teilen Sie uns Ihre erfolgreiche Messanwendung mit! Gerne können wir auch einen bebilderten Blogbeitrag erstellen.

 

 

 

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