Записки программиста

ARINST VNA-PR1 — это портативный векторный анализатор цепей на частоты от 1 до 6200 МГц. Устройство позволяет строить графики КСВ и измерять входное сопротивление антенн, измерять АЧХ / ФЧХ фильтров и усилителей, находить места пробоя в коаксиальных кабелях, и решать другие практические задачи. Цена вопроса в розницу составляет 560$. Давайте же рассмотрим плюсы и минусы прибора, проведем с его помощью несколько экспериментов, а также выясним, что находится внутри.

Примечание: Пользуясь случаем, хочу поблагодарить компанию Крокс за особые условия предоставления устройства для обзора.

Основные характеристики

ARINST VNA-PR1 выглядит так:

Это коробочка размером 135x80x27 мм (без учета разъемов) и весом 367 г. Внимательные читатели уже могли заметить на фото небольшую странность. В устройстве использованы разъемы RP-SMA, в которые вставлены переходники на SMA. Притом, заводская калибровка выполняется вместе с переходниками. Так сделано для продления срока службы прибора. Изнашиваются не разъемы устройства, а переходники. Их легко заменить.

Устройство питается от встроенного Li-Ion аккумулятора на 5000 мАч. Заявленное время автономной работы составляет 2.5 часа. В реальности оно оказалось более 4 часов. Но, возможно, это потому что аккумулятор совсем новый. Время полной зарядки — 3.5 часа, согласно документации. Измеренное время оказалось слегка больше, на 20 минут. Зарядка осуществляется через разъем mini USB.

Тачскрин резистивный, с диагональю 4" и разрешением 800x480. Технически, им можно пользоваться без стилуса. Но нажатия срабатывают с переменным успехом, а экран при этом быстро собирает следы от рук. Лучше завести стилус. В комплекте он не идет.

На вход допускается подавать сигнал с уровнем до +10 dBm и постоянной составляющей до 25 В. Мощность сигнала следящего генератора не превышает -5 dBm. Заявленный динамический диапазон при измерении S21 составляет > 60 dB на частотах 1-1.5 МГц, > 80 dB на частотах 1.5-4500 МГц, > 70 dB на частотах 4.5-6.2 ГГц. Согласно документации, погрешность измерения магнитуды составляет 0.25 dB, а фазы — 0.7°. Последнее утверждение верно при условии, что устройство будет прогрето в течение 5 минут, а температура в помещении меняется не более чем на ±3°C. Разрешение по частоте — 100 Гц на частотах 1-100 МГц и 10 кГц на частотах 100-6200 МГц.

Эксперименты

Первым делом было решено измерить КСВ антенны от роутера TP-Link N600, на который в свое время мы ставили OpenWrt:

К сожалению, ARINST VNA-PR1 не умеет сохранять скриншоты в BMP или PNG, и все графики мне пришлось фотографировать. Не судите строго за качество снимков.

Роутер имеет два ВЧ разъема и две антенны, которые внешне совершенно неотличимы. Скорее всего, использована антенна, работающая одновременно на диапазонах 2.4 ГГц и 5.8 ГГц. Эту антенну было решено класть вместе с роутером в двух экземплярах, чтобы пользователь точно ничего не напутал. В данном случае КСВ на 2.4 ГГц высоковат, но учитывая влияние всяких металлических предметов у меня на столе, это нормально. Были проверены и другие антенны на данные частоты. Во всех случаях прибор показывал что-то правдоподобное.

Вот, к примеру, входное сопротивление обычного диполя на 2.4 ГГц:

Диполь был сделан из разъема SMA и двух медных проволочек. Для подавления синфазных токов использовались ферриты. Измерение проводилось через короткий отрезок кабеля LMR-200 с небольшими потерями на данной частоте. Теория говорит, что мы должны видеть входное сопротивление ~73 Ом. Его мы и получили.

В режиме анализатора спектра устройство тоже работает:

Здесь измеряется АЧХ «эталонного» режекторного фильтра на 88-108 МГц. Раньше мы измеряли его с помощью NanoVNA, RTL-SDR и генератора шума, а также Rigol DSA815-TG. Нетрудно убедиться, что график идентичен полученным ранее. На фото можно заметить, что прибор также осведомлен о ФЧХ фильтра.

Усложним задачу и измерим телеграфный кварцевый полосовой фильтр:

Прибор справляется. А ведь полоса пропускания этого фильтра — лишь 320 Гц! Вносимые потери фильтра соответствует измеренным ранее, с точностью до заявленной погрешности устройства.

Не стану утомлять вас еще кучей графиков. Скажу лишь, что делал при помощи ARINST VNA-PR1 много других измерений. Прибор справился с задачей во всех случаях, кроме одного. Мне не удалось измерить индуктивность катушек на частоте 1 МГц. Вместо индуктивности прибор всегда показывал «inf uH». Если же перевести отображаемое комплексное сопротивление в индуктивность, то получалась какая-то ерунда. Я связался по этому поводу с производителем. Выяснилось, что это действительно баг. Его уже устранили в новой версии прошивки.

Вскрываем корпус

Посмотрим, что находится внутри. Руководство пользователя [PDF] описывает, как правильно разобрать и собрать прибор. От вас это может потребоваться, когда аккумулятор отслужит свое. Также приводится структурная схема устройства.

Начнем с дисплея. Так он выглядит с обратной стороны:

Такие дисплеи можно найти на eBay по запросу «4 inch lcd module 800x480». Это хорошо. Если с дисплеем что-то случится, его будет легко заменить.

Под дисплеем находится аккумулятор:

Аккумулятор, как мы уже выяснили, Li-Ion емкостью 5000 мАч. Его размер — 90x60x7 мм. Аккумулятор приклеен к плате при помощи двухстороннего скотча. Насколько я смог выяснить, под аккумулятором ничего нет. Поэтому отрывать его я не стал.

На фотографии можно заметить маленькие платы, которые крепятся к основной при помощи винтов. Они обеспечивают электрический контакт с корпусом. Толщина боковых плат составляет 1 мм, как и основной платы. Почему так сделано — не совсем понятно. Возможно, на каком-то этапе развития проекта был выбран определенный корпус, и таким приемом удалось точно вписаться в его размеры.

С обратной стороны плата выглядит так:

Маркировка гласит «31.07.2020». Здесь мы видим следующие компоненты:

• Микроконтроллер STM32H743;
• Кварцевый генератор на 40 МГц;
• Три чипа с маркировкой «9939 AUB» — это скорее всего программируемые двухканальные усилители MAX9939AUB (даташит [PDF]);
• Шесть белых кубиков «LTC 455DU» — пьезокерамические полосовые фильтры с ПЧ 455 кГц и полосой пропускания 20 кГц (даташит [PDF]);
• Winbond 25Q32JVSIO — обыкновенный SPI flash (даташит [PDF]);
• BQ24297 — контроллер заряда Li-Ion аккумулятора (даташит [PDF]);
• «QUK TI38K ADXD» и «QUJ TI73X 1619» — регуляторы напряжения производства Texas Instruments. По структурной схеме один должен быть на 3.3 В, а второй на 5 В;

Часть компонентов прячутся под экранами. Экраны можно отковырнуть, но делать этого не хотелось. Есть риск, что калибровка пойдет коту под хвост. К счастью, узнать, что под ними находится, можно по материалам на сайте производителя:

• Два чипа с маркировкой «2871E» представляют собой MAX2871, синтезаторы частот от 23.5 МГц до 6 ГГц (даташит [PDF]). Эти чипы находятся под двумя разными экранами;
• Под одним из экранов MAX2871 находится вместе со старым-добрым Si5351. По структурной схеме можно предположить, что у него используется два канала (Gen 2.1, Gen 2.2). Учитывая разрешение по частоте устройства, не удивлюсь, если Si5351 используется на частотах 1-100 МГц, а выше в игру вступает MAX2871;
• ADL5801ACPZ используются в количестве трех штук. Это смесители на 10-6000 МГц (даташит [PDF]);

На опознании основных компонентов мой интерес к внутреннему устройству ARINST VNA-PR1 подыссяк, и прибор было решено вернуть к прежнему виду.

Заключение

На частотах от 1 до 6 ГГц происходит много интересного. Здесь находятся ISM диапазоны 2.4 и 5.8 ГГц вместе с Wi-Fi, Bluetooth и ZigBee. Здесь работают аппаратуры и FPV для квадрокоптеров и многие радиомодули. Здесь радиолюбительский диапазон 23 см (1240 МГц), который, в частности, используется спутником AO-92. Также здесь ADS-B (1090 МГц), Inmarsat (1546 МГц), Iridium (1620 МГц), GPS (1228 МГц, 1575 МГц), мобильные сети 3G и 4G, да и много чего еще.

В России «взрослый» анализатор спектра и направленный ответвитель на эти частоты (например, Rigol DSA875-TG и Mini-Circuits ZHDC-16-63-S+) на момент написания статьи стоили 9000+$. ARINST VNA-PR1 за существенно меньшие деньги позволяет решать те же задачи. Помимо цены ARINST VNA-PR1 имеет и другие преимущества. К ним относятся, например, возможность измерять ФЧХ, портативность и бесшумная работа.

Безусловно, устройство имеет и свои ограничения. Его динамический диапазон, разрешение по частоте, и погрешность уступают серьезным лабораторным приборам.

Метки: Беспроводная связь, Девайсы, Любительское радио.