Come usare un analizzatore d’antenna e di cavo

Gli analizzatori di antenna (e di cavo) sono senza dubbio una delle apparecchiature più importanti in una stazione radio amatoriale. Progettato per misurare l’impedenza (in ohm) e il cosiddetto “rapporto delle onde stazionarie” (SWR), l’analizzatore di antenna – se viene usato correttamente – determina i dettagli delle caratteristiche di sintonizzazione di un’antenna e aiuta a massimizzare le sue prestazioni. Anche le antenne più semplici possono trarre vantaggio dall’utilizzarne uno, e il tuo successo nelle tue ricezioni e trasmissioni può dipendere da esso, ma solo se capisci ed eviti le insidie comuni.

Un analizzatore di antenna è uno strumento utile per regolare antenne commerciali e casalinghe, e fornisce molte letture utili che aiutano nella messa a punto e nell’ottimizzazione dell’efficienza di un sistema d’antenna. L’uso primario di un analizzatore è determinare l’attuale frequenza di risonanza di un’antenna per consentire la regolazione della frequenza desiderata. Tuttavia gli analizzatori di antenna possono essere utilizzati anche per altre attività radioamatoriali e di laboratorio, tra cui:

  • Misura della SWR, impedenza complessa, impedenza vettoriale
  • Perdita di ritorno, reattanza induttiva, reattanza capacitiva
  • Lunghezza elettrica di una sezione del cavo coassiale
  • Perdita della linea di alimentazione del cavo coassiale
  • Contatore di frequenza e generazione del segnale
  • Visualizzazione grafica
  • Scansione della gamma di frequenza.

Un esempio di analizzatori d’antenna sul mercato e un’utile guida all’argomento. Puoi trovare online una vasta scelta di questi apparecchi, ad es. qui.

La scelta di un analizzatore d’antenna (e di cavo) appropriato si basa principalmente sulla gamma di frequenze RF che è necessario misurare. Una considerazione secondaria è la necessità di funzionalità disponibili solo su determinati analizzatori. Alcuni analizzatori d’antenna hanno memorie e la possibilità di connettersi a una porta USB del computer per scaricare, grazie a un apposito software, le misurazioni memorizzate come riferimenti e/o per analisi successive.

In generale, gli analizzatori per la sola banda HF (quella che permette i collegamenti a lunghissima distanza sfruttando la riflessione delle onde radio da parte della ionosfera) sono meno costosi di quelli che includono anche quella VHF, UHF e le microonde. Alcuni analizzatori sono in grado di gestire misure SWR di impedenza per impedenze standard di riferimento diverse da 50 ohm, come 25, 75 e 100 ohm. A seconda dell’analizzatore, il connettore RF usato potrebbe essere BNC, PL-259 o N.

Vari tipi di connettori RF coassiali.

Utilità di un analizzatore di antenna e di cavo

Come abbinare l’antenna e/o i filtri, rilevare guasti ai cavi o verificarne la perdita? Quando si tratta dell’installazione o della manutenzione di un’antenna, gli analizzatori di antenna semplificano il lavoro, risparmiando tempo per qualsiasi altra cosa. Un analizzatore d’antenne (o analizzatore SWR o Analizzatore RF) è un dispositivo utilizzato soprattutto per misurare l’impedenza di ingresso dei sistemi di antenne in applicazioni radioelettroniche. Questi apparecchi, però, sono utilissimi anche per:

  • Check-out rapido di un’antenna
  • Sintonizzazione di un’antenna sulla risonanza
  • Misurazione della SWR e dell’impedenza prima e dopo un evento (pioggia, uragano, etc.)
  • Realizzazione di linee coassiali o misurazione dei loro parametri
  • Test dei cavi e localizzazione dei guasti
  • Capacità di misura o induttanza di carichi reattivi.

Gli analizzatori di antenna si collegano direttamente all’antenna o al cavo coassiale e inviano un segnale RF variabile a bassissima potenza che viene misurato e visualizzato in diversi modi. Alcuni analizzatori mostrano semplicemente l’SWR e l’impedenza combinata su una singola frequenza regolabile. Numerosi modelli avanzati offrono sofisticati display grafici per la frequenza di scansione che sono in realtà molto più facili da leggere e utilizzare rispetto alle unità di vecchio stile.

Un analizzatore d’antenna che misura l’SWR e l’impedenza complessa di un carico fittizio (dummy load).

Gli analizzatori d’antenna sono utili sia gli utenti occasionali di antenne che per gli appassionati che amano armeggiare con la radio amatoriale o con l’elettronica un po’ più avanzata. Molti analizzatori hanno la capacità di visualizzare in modo accurato i singoli componenti di impedenza complessa; ma anche resistenza, reattanza, capacità e induttanza, nonché perdita di ritorno o SWR. Alcuni modelli di analizzatori misurano la perdita del cavo coassiale e la distanza da un’apertura o un corto.

I modelli di analizzatore d’antenna dotati di USB possono esportare i propri file di scansione di frequenza su un PC o laptop. I modelli di analizzatori con funzionalità Bluetooth possono inviare questi file in modalità wireless a un telefono cellulare, tablet, laptop o PC attrezzato. Su Internet potete trovare numerosi video che illustrano in dettaglio il funzionamento di modelli specifici. In questo articolo vogliamo dare una introduzione generale utile per chi è completamente a digiuno dell’argomento.

L’importanza dello Standing Wave Ratio (SWR)

In una linea di trasmissione, il cosiddetto VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) – indicato anche semplicemente come SWR o, in italiano, come ROS (Rapporto di Onda Stazionaria) – è un parametro che indica il rapporto tra il valore massimo e il valore minimo del modulo della tensione lungo la linea. Fissata una certa frequenza, il ROS è una misura del disadattamento di impedenza tra la linea di trasmissione ed il suo carico. Maggiore è il ROS, maggiore è il disadattamento.

Onda stazionaria che si genera per il disadattamento di impedenza.

Il valore minimo del ROS – che corrisponde alla condizione di perfetto adattamento per cui le impedenze della linea di trasmissione e del carico sono uguali con assenza di onda riflessa – è pari a 1. Valori finiti maggiori di 1 indicano un disadattamento con presenza di un’onda stazionaria dovuta a riflessione parziale dal carico. Se il ROS è pari a infinito, invece, è presente solo un’onda stazionaria dovuta a riflessione totale dal carico, per cui onda diretta e onda riflessa hanno la stessa ampiezza.

L’SWR o ROS, dunque, è una misura della discrepanza di impedenza tra l’antenna e il ricetrasmettitore. Questa inefficienza è problematica durante la trasmissione, perché può produrre molto calore e limita la capacità di superare il rumore sul ricevitore previsto. Tuttavia, durante la ricezione, le perdite sono facili da superare. Il calore generato è insignificante ed ai livelli di potenza estremamente bassi coinvolti nella ricezione, gli amplificatori non sono grandi, costosi o difficili da progettare.

Molti trasmettitori includono perciò un misuratore SWR nei circuiti di uscita, il quale funziona misurando l’onda stazionaria riflessa dall’antenna al trasmettitore, il che risulta in un valore minimo quando l’antenna è perfettamente adattata. La potenza riflessa di un’antenna mal sintonizzata può presentare un carico improprio al trasmettitore che può danneggiarlo. Dunque, l’uso di un analizzatore di antenna evita possibili danni al trasmettitore quando l’antenna è sintonizzata male.

Un esempio di misuratore SWR.

Un analizzatore di antenna a impedenza complessa richiede in genere solo pochi milliwatt di potenza da applicare all’antenna per effettuare il test. Inoltre, se la potenza è molto bassa, l’analizzatore può essere utilizzato al di fuori delle bande di frequenza concesse in licenza all’operatore del trasmettitore e quindi ottenere dati sulle prestazioni dell’antenna su un intervallo di frequenze. Ciò, naturalmente, è utile anche se si è interessati solo alla ricezione, ad esempio con un radio scanner.

L’importanza dell’efficienza dell’antenna

Si noti che un problema è sapere se un’antenna respinge anche i segnali indesiderati (cosa desiderabile nel caso delle antenne a banda stretta e di quelle direttive) e un altro problema è sapere quanto sia efficiente l’antenna nel captare il segnale (desiderato). In generale, se un analizzatore di antenna mostra che l’uscita dell’antenna presenta un SWR di 1: 1, ciò non significa necessariamente che ciò che hai è una buona configurazione d’antenna (avresti lo stesso rapporto SWR con un carico fittizio).

Infatti, le perdite attenuano il segnale e il rumore allo stesso modo. Migliorare il SWR in un sistema ricevente aumenterà la potenza ricevuta, ma questo è sia segnale sia rumore, e quindi non fa nulla per rendere il segnale più comprensibile – ovvero per migliorare il “rapporto segnale/rumore”, che misura le prestazioni di ricezione – a meno che entrambi non siano attenuati così tanto che la maggior parte del rumore non provenga più dall’antenna, ma invece dall’elettronica del ricevitore.

Migliorare il SWR in un sistema ricevente non migliora il rapporto segnale / rumore.

Sia che si stia trasmettendo o ricevendo, insomma, un SWR più elevato si correla con un accoppiamento meno efficiente di energia tra il ricetrasmettitore e l’antenna. Ma un’antenna che è il 5% di un dipolo a mezza lunghezza non raccoglierà tanta radiofrequenza (RF) quanto il dipolo a tutta lunghezza, per non parlare di un’antenna direzionale a grandezza naturale puntata nella direzione corretta, semplicemente a causa dimensione fisica (apertura dell’antenna) molto più piccola.

Dunque, il rumore di fondo RF ricevuto deve essere al di sopra del rumore di fondo del ricevitore. Oltre ciò, qualsiasi cosa tu possa fare per aumentare l’uscita dall’antenna non fa nulla per aumentare il rapporto segnale rumore. Nella banda HF, gli amplificatori a basso rumore sono facili da progettare e il rumore di fondo RF ambientale è relativamente alto, quindi l’efficienza dell’antenna (comprese le perdite legate al SWR) non è di solito il fattore limitante nelle prestazioni di ricezione.

Il loop è un’antenna risonante che opera su una banda stretta, migliorando quindi il rapporto segnale / rumore e l’efficienza dell’antenna in ricezione e trasmissione rispetto a una a banda larga. Perciò, viene talvolta usata dai radioamatori.

In conclusione, la maggior parte dei ricevitori è in grado di gestire qualsiasi tipo di mancato adattamento (matching): è il trasmettitore che necessita della “protezione” per avere piena potenza. Inoltre, si può lavorare abbastanza bene con un sintonizzatore d’antenna e un ricevitore e sintonizzarsi per il massimo rumore. Scegli una frequenza inutilizzata e usa il sintonizzatore per aumentare il livello di rumore. Una volta che hai raggiunto il limite, avrai una ricezione migliore per frequenze vicine a questa.

Se desideri ricevere con un’antenna a banda larga, puoi farlo bene con un’antenna non risonante. Una tale antenna sarà molto inefficiente, ma ciò è facilmente compensato con un amplificatore a basso rumore. Poiché non viene utilizzata a frequenze di risonanza, la larghezza di banda non è certo un problema: un piccolo anello o il suo doppio elettrico, il dipolo Hertziano, potrebbe funzionare. O considera un’antenna direzionale, che aumenta il rapporto segnale-rumore se punta nella giusta direzione.

L’analizzatore di rete vettoriale: che cosa è

Gli analizzatori di rete RF sono elementi fondamentali della strumentazione di prova per i laboratori di progettazione RF. Essi sono in grado di fornire informazioni fondamentali sul funzionamento e le prestazioni delle reti RF di tutti i tipi. Dunque, sono molto più che un semplice analizzatore di antenna. L’analizzatore di rete RF fornisce uno stimolo per la rete e poi monitora la risposta. In questo modo l’operazione e le prestazioni possono essere viste e valutate per la sua idoneità.

Un analizzatore di rete vettoriale professionale (a sinistra) e uno USB economico (a destra).

Nell’ambito degli analizzatori di rete RF, esistono vari tipi di strumenti che possono essere acquistati e utilizzati. Questi tipi di analizzatore di rete RF sono molto diversi, ma sono tutti in grado di misurare i parametri di componenti e dispositivi RF ma in diversi modi. L’analizzatore di rete scalare (SNA) è il più semplice dei vari tipi di analizzatore di rete RF si chiama così perché misura solo le proprietà di ampiezza del dispositivo in prova, ovvero le sue proprietà scalari.

L’analizzatore di rete vettoriale (VNA, o Vectorial Network Analyzer), invece, è una forma più utile di analizzatore di rete RF rispetto all’SNA, in quanto è in grado di misurare più parametri sul dispositivo in prova. Non solo misura la risposta in ampiezza, ma osserva anche la fase. Di conseguenza, l’analizzatore di rete VNA può anche essere chiamato un misuratore della fase di guadagno o un analizzatore di rete automatico. Ne puoi trovare diversi a buon prezzo online, ad esempio qui.

I vari tipi di analizzatori di reti RF sono abbastanza diversi nella loro composizione e nel modo in cui sono in grado di effettuare misurazioni. L’analizzatore di rete scalare è il meno costoso, anche se non economico, ma fornisce anche il minor numero di informazioni. L’analizzatore di rete VNA è in grado di fornire molte più informazioni, ma questi analizzatori di rete RF sono anche molto più costosi. Una lodevole eccezione è rappresentata dal NanoVNA, che opera nell’intervallo 50 kHz-900 MHz.

Il misuratore di rete vettoriale NanoVNA, con i tre “tappi” usati per la calibrazione (corto circuito, circuito aperto e 50 ohm). Non acquistate questa versione bianca bensì quella nera, che è dotata anche dei cavi di test e che potete trovare ad esempio qui

Sebbene vi siano molte somiglianze tra analizzatori di rete RF e analizzatori di spettro (di cui abbiamo parlato qui), ci sono anche diverse differenze importanti, specialmente nei tipi di misurazioni che vengono effettuate. In particolare, eseguono tipi di misurazione molto diversi. Nel primo caso un analizzatore di spettro è destinato all’analisi della natura dei segnali che vengono immessi in essi. Un analizzatore di rete, d’altra parte, genera un segnale e lo utilizza per analizzare una rete o un dispositivo.

Gli analizzatori di rete RF vengono utilizzati per misurare componenti, dispositivi, circuiti e sottoassiemi. Un analizzatore di rete RF conterrà sia una sorgente che più ricevitori. Visualizzerà ampiezza e spesso informazioni di fase (frequenza o sweep di potenza) e normalmente in un formato di rapporto. Un analizzatore di rete RF, invece, cerca un segnale noto, cioè una frequenza nota, all’uscita del dispositivo in prova, poiché si tratta di un sistema di risposta allo stimolo.

Il software di gestione dell’analizzatore di rete vettoriale NanoVNA.

Con la correzione degli errori vettoriali, gli analizzatori di rete offrono una precisione di misurazione molto più elevata rispetto agli analizzatori di spettro. I parametri misurati possono includere: livello di segnale o portante, bande laterali, armoniche, rumore di fase, etc. A causa della flessibilità necessaria per analizzare i segnali, gli analizzatori di spettro hanno generalmente una gamma molto più ampia di larghezze di banda IF disponibili rispetto alla maggior parte degli analizzatori di rete RF.

L’analizzatore di rete vettoriale utilizza il concetto di misurazione delle onde trasmesse e riflesse mentre un segnale passa attraverso un dispositivo in prova. La misurazione dei segnali trasmessi e riflessi attraverso la banda di interesse, e spesso oltre, consente di determinare le caratteristiche di un dispositivo. Se vengono usati sia segnali trasmessi che riflessi per caratterizzare l’ingresso e anche l’uscita, il dispositivo può venire completamente caratterizzato. Dunque, sono ottimi analizzatori d’antenna e/o cavo.

Concetto base di un analizzatore di rete vettoriale (a sinistra). Un NanoVNA usato per testare un filtro passa-banda (a destra), un possibile “dispositivo sotto test”.

L’elemento chiave dell’analizzatore di rete vettoriale, o VNA, è che può misurare sia l’ampiezza che la fase. Una misurazione solo in ampiezza è molto più semplice da eseguire e può essere eseguita da strumenti meno complicati. Ciò può essere abbastanza sufficiente per molti casi. Ad esempio, quando l’unica considerazione che ci interessa è il guadagno di un amplificatore su una determinata larghezza di banda oppure è necessaria la risposta in ampiezza di un filtro.

Tuttavia, una misurazione che include sia la fase che l’ampiezza consente di scoprire molto di più sul dispositivo in prova, poiché la fase è un elemento critico nell’analisi della rete.  Per comprendere più a fondo il funzionamento di un analizzatore di rete vettoriale, è utile visualizzare uno schema a blocchi di base dello strumento di prova. Il diagramma mostra i blocchi di base incluse le porte del segnale, i blocchi di separazione del segnale, il rivelatore del ricevitore e infine il processore e il display.

Lo schema a blocchi di un analizzatore di rete vettoriale a due porte di base. Esso mostra i blocchi di alto livello necessari per un tipico VNA.

Uso di un analizzatore VNA e diagramma di Smith

Il VNA ha connettori di precisione sul pannello frontale dell’unità stessa e quindi vengono utilizzati cavi di precisione per collegarli al dispositivo in prova. Sono necessari cavi di precisione perché la fase e la perdita di un cavo standard potrebbero variare troppo con movimenti anche lievi, etc. Per testare il dispositivo, viene generato un segnale a frequenza variabile all’interno dell’analizzatore di rete vettoriale e l’uscita viene commutata per testare il componente in una direzione o nell’altra.

Un analizzatore di rete vettoriale contiene quindi sia una sorgente, utilizzata per generare un segnale di stimolo noto, sia una serie di ricevitori, utilizzata per determinare le modifiche a questo stimolo causate dal dispositivo sotto test. Il VNA misura sia il segnale riflesso dal lato di ingresso, sia il segnale che passa attraverso il lato di uscita del dispositivo sotto test, e tali segnali vengono confronti con il segnale di stimolo noto. I risultati misurati vengono elaborati da un PC interno e inviati a un display.

L’uso del NanoVNA è in realtà molto più semplice di quello che sembra.

Adattare correttamente un’antenna a un ricetrasmettitore è uno dei modi più semplici per estendere la portata del segnale e la durata della batteria di un prodotto wireless, come ad esempio quelli realizzati per l’Internet delle cose. Secondo la legge dell’inverso del quadrato che caratterizza la densità di potenza delle onde radio, con solo un miglioramento di 6 dB nella perdita di percorso derivante da un migliore adattamento, il dispositivo trasmette e riceve a una distanza doppia.

Un analizzatore di spettro con generatore di tracciamento può controllare la corrispondenza di un’antenna osservando il rapporto di tensione stazionaria (VSWR). Tuttavia, lo strumento migliore per effettuare le misurazioni di impedenza necessarie per progettare efficacemente una rete corrispondente è un analizzatore di rete vettoriale (VNA). È un’opzione economica e facile da usare per effettuare l’adattamento dell’antenna per migliorare le prestazioni dei dispositivi wireless di interesse.

Uso del NanoVNA per misurare le prestazioni di un’antenna, ad es. in frequenza.

Un processo simile può essere utilizzato per molti altri tipi di adattamento dell’impedenza necessari per massimizzare il trasferimento di potenza tra i componenti di un sistema con segnali ad alta frequenza o per controllare il design della linea di trasmissione o l’impedenza caratteristica. L’analizzatore di rete vettoriale NanoVNA che consigliamo mostra anche il cosiddetto “diagramma di Smith”, un nomogramma usato nella soluzione di problemi delle linee di trasmissione RF o di circuiti di adattamento RF.

Il diagramma di Smith è uno strumento fantastico per visualizzare l’impedenza di una linea di trasmissione e di un sistema di antenna in funzione della frequenza. Il diagramma di Smith mostra il coefficiente di riflessione complesso, in forma polare, per un’impedenza arbitraria (chiameremo l’impedenza ZL o impedenza di carico). Il coefficiente di riflessione è completamente determinato dall’impedenza ZL e dall’impedenza “di riferimento” Z0. Si noti che Z0 può essere vista come l’impedenza del trasmettitore o di ciò che sta cercando di fornire energia all’antenna.

Il diagramma di Smith, che rappresenta il coefficiente di riflessione in forma “complessa”, cioè su un grafico che ha un’asse reale (l’ascissa) e un’asse immaginario (l’ordinata), in quanto in tale rappresentazione il coefficiente di riflessione ha una “parte reale” e una “parte immaginaria”.

Quindi, il diagramma di Smith è un metodo grafico per visualizzare l’impedenza di un’antenna, che può essere un singolo punto (per applicazioni in banda stretta) o un intervallo di punti per visualizzare l’impedenza in funzione della frequenza (usi in banda larga). Infatti, poiché l’impedenza e l’ammettenza e tutti gli altri parametri elettrici variano con la frequenza, la soluzione che può venire trovata sul diagramma di Smith (rappresentata da un punto del piano) vale solo per una frequenza.

Il centro del diagramma di Smith è il punto in cui il coefficiente di riflessione è zero. Cioè, questo è l’unico punto del diagramma in cui nessuna potenza viene riflessa dall’impedenza di carico, in altre parole è la situazione ideale. L’anello esterno del diagramma di Smith, invece, è dove la grandezza del coefficiente di riflessione “complesso” è uguale a 1. Lungo questa curva, tutta la potenza viene riflessa dall’impedenza di carico. Quindi, questa è la situazione peggiore e meno desiderabile.

Il diagramma di Smith è una delle possibili modalità di visualizzazione dei dati misurati che sono selezionabili con il NanoVNA.