Kategorie: Hardware

Portable Vector Network Analyzer: NanoVNA zum LoRa 868 MHz Antennen vermessen einsetzen

Ich habe mich ja schon länger mit Meshnetzwerken beschäftigt. Seit über einem Jahr hatte ich einen Solarknoten für Meshtastic auf dem Dach (mittlerweile bin ich aber auf MeshCore migriert mit allen Geräten). Was mich jedoch die ganze Zeit über wirklich genervt hat, war, dass ich keine Möglichkeiten hatte als Normalsterblicher mal zu überprüfen, ob die Antennen die ich für das Meshnetz einsetze überhaupt funktionieren.

VNA

Stellt sich raus, dafür braucht man einen Vector Network Analyzer bzw. ein SWR Meter bzw. ein Stehwellenmeßgerät.

Wenn man so ein Teil hat, kann man die Parameter die ausschlaggebend sind für das Aussenden und den Empfang von Radiowellen, selber überprüfen. Das ist kein Mal-eben-so-Prozess, aber es geht. Wenn man nicht zufällig zuviel geld rumliegen hat, dann landet man bei einem Low-Budget-Meßgerät und nicht bei dem „Porsche“ ZVA 40 von Rohde&Schwarz.

NanoVNA-H

Ich hab mir also den NanoVNA-H zugelegt. Das „H“ steht für die Screengröße, es gibt auch den „H4“, der hat einen 4 Zoll Screen. Meiner ist nicht größer als eine Zigarettenschachtel. Das ist ein kleines Gerät mit zwei Standardanschlüssen für sogenannte SMA-Schraub-Stecker-Verbindungen.

Bevor man mit dem Ding irgendwas sinnvolles tun kann, muss man es kalibrieren, dann erstmal rausfinden was die ganzen Menüs alles sind… rausfinden, was man davon alles ignorieren kann, weil man es gar nicht benötigt und dann braucht man eine Antenne zum messen.

Ich hab sehr suchen müssen, bis ich was vernünftiges fand, was mir den NanoVNA in der Benutzung nachvollziehbar erklären konnte. Gefunden habe ich bislang zwei Webseiten die etwas Hilfe hatten für mich als Laien. Die Webseite bzw. das github Repository für die Firmware meines Gerätes war da leider nicht sonderlich hilfreich. Die hatte aber hilfreiche Software, um mit Python Screenshots von dem Gerät zu holen.

Die zwei Webseiten die ich fand waren:

Anwendungskurs Netzwerkanalisator (NanoVNA)

In einer Seite werden verschiedene Aspekte des NanoVNA der mini Vektor Netzwerkanalysator in einem Anwendungskurs in 11 Teilen vorgestellt.
URL: https://www.darc.de/der-club/distrikte/n/ortsverbaende/01/technik/nanovna/

NanoVNA Praxisguide für echte Messungen

Zitat von der Webseite:

Wenn du dir einen NanoVNA gekauft hast, um „mal eben SWR zu checken“, bist du schon auf dem richtigen Weg – aber ein NanoVNA kann deutlich mehr als nur eine einzelne SWR-Zahl anzeigen.

Ja, ist aber auch nicht so einfach die einzelne SWR-Zahl auf den Screen zu bekommen. Und die ist ausschlaggebend!
URL: https://nexttechworld.com/de/amateurfunk/nanovna-praxisguide/

Des weiteren habe ich dann später nochmal intensiver nach PDF-Dokumenten das Web durchsucht und bin dabei auf folgende Exemplare gestoßen:

NANO NANOVNA V2 USER MANUAL (NanoVNA_V2_UserManual.pdf) und THE MISSING MANUAL by BILL RUGGIRELLO (TheMissingManualForThe_NanoVNA_V2Plus4.pdf) und Der NanoVNA (Nano_H_Deutsch_2020.pdf).

Messen, gar nicht so einfach!

Was ist OPEN, was ist SHORT, was ist LOAD? Ich musste erstmal neues Vokabular lernen. Spoiler: Das bezeichnet die abgebildeten Steckeraufsätze, die man auf den Meßanschluss schrauben muss, um einen Kurzschluss, ein offenes Ende und einen Widerstand mit 50 Ohm zu messen. Und genau das muss man zuerst messen, um das Gerät zu kalibrieren. Ohne kalibrierung geht nichts!

Hier mal ein Screen, der den SWR-Wert misst für die bei meinem LilyGo-T-Echo mitgelieferte Stummelantenne. Spoiler, für die 868MHz (für die die Antenne angeblich ausgelegt ist) ist der Wert (Siehe Meßpunkt M1) relativ schlecht. Hingegen ist die Antenne offenbar für 760Mhz viel besser geeignet (siehe Meßpunkt M2) oder aber für 1GHz (siehe Meßpunkt M3).

Hier sieht man wie ich das ganze Zeug auf dem Tisch liegen habe. So hab ich die Antenne aber nicht gemessen. Ich habe die Antenne senkrecht hochgehalten und ausschließlich an den isolierten Bereichen des Koaxialkabels gehalten, um nicht mit der Schirmung (blanke/messingfarbene Metallflächen der SMA-Konnektoren) in Berührung zu kommen, denn das verfälscht das Meßergebnis sehr.

Messen, messen, messen, … Stummel Antenne

Hier sieht man mal verschiedene Screens, die ich beim Messen konfiguriert habe.

  1. SWR: Zeigt den Verlauf der Meßwerte um den Wert 868MHz mit einer Spannweite von 500MHz an. Der Marker M1 markiert die Frequenz 868MHz, da sollte der SWR-Wert im idealen Falle am geringsten sein. Wie man sieht ist er das nicht.
  2. LOGMAG: Das LOGMAG Diagramm mit einer dB Achse
  3. Smith: Ein Smith Diagramm. Ich hab ehrlich gesagt keine Ahnung was das anzeigt.
  4. Resistance: Das Diagramm für Resistance. Es zeigt Wiederstand in Abhängigkeit von der Frequenz an… hmmmm… bloss was bedeutet das?
  5. Alle Diagramme gleichzeitig.
  6. Mit dem DISPLAY Menü bestimmt man, welche Kurven gezeigt werden sollen (4 Farben)
  7. Pro Kurve (aka TRACE) legt man das FORMAT (was man messen will) fest und die SCALE. Es hilft bei der SCALE einfach mal AUTOSCALE zu tippen.
  8. Für das FORMAT wählt man SWR, um den wesentlichen Wert für die Antenne zu bestimmen.
  9. Um überhaupt einen Frequenzbereich festzulegen der einen interessiert, ruft man das STIMULUS Menü auf
  10. Im STIMULUS Menü kann man die Frequenz wählen, die CENTER sein soll (die also im Fokus der Untersuchung steht)
  11. Man tippt dort 8, 6, 8 und dann M, um 868 MHz festzulegen
  12. Das letzte Diagramm zeigt, wie man mit den Markern M1-M3 verschiedene Stellen der Kurve im Blick behalten kann, und dafür dann di Werte oben eingeblendet bekommt.

Fazit, die Stummel-Antenne, die eigentlich für 868MHz funktionieren soll, funktioniert besser im Bereich 1GHz oder im Bereich 763MHz, ist somit eher billiger China-Schrott, als eine gute Antenne. Mal gut, dass wir das mal ausmessen konnten.

Sleeve Antenne (Selbstbau)

Dieses hier ist dann schon die fortgeschrittene Version meiner Meßversuche. Ich messe meine selbstgebaute Sleeve-Antenne ein. Die ist auf keinen Fall perfekt, aber sie ist deutlich besser. Danke an der Stelle an Elektra! Denn ohne sie wüßte ich gar nicht von der Möglichkeit einer Sleeve Antenne.

Das Bild zeigt die noch nicht richtig fixierte (Die Abschirmung kann sich noch verschieben) Antenne. Mit Hilfe des NanoVNA habe ich diese Antenne nun soweit verändert, bis ich richtig gute Werte hatte für die SWR-Messung.

Vergleich: Stummel vs. Sleeve

Un hier sieht man den gravierenden Unterschied. Ich habe einmal die Messungen beider Antennen gegenübergestellt. Die selbstgebaute Antenne schlägt das China-Produkt im Handumdrehen aus dem Feld. Und das ist noch die schlecht gebaute Sleeve Antenne. Ich werde eine weitere bauen und dann erneut messen.

Der „Pro“-Meßstand!?

Damit ich die Antennen in absolut vergleichbaren Positionen halten konnte, habe ich mir meine Halteklammern von meinem Werkstatt-Tisch geholt. Das funktioniert tatsächlich richtig gut. Da die Halteklammern selbst mit Silikon überzogen sind, sind sie somit auch gut isoliert. Eventuelle Effekte wegen des Metalls vom Arm der Klammer wirken sich auf alle Antennen im Prüfstand aus, somit kann ich das mal vernachlässigen denke ich.

Mit dem Zwischenergebnis bin ich ganz zufrieden.

Why do I blog this? Ich habe nicht wirklich einfach Infos zu dem NanoVNA finden können, die einem systematisch das Vorgehen zeigen. Hier möchte ich die gefunden Dokumente und Anleitungen für mich selbst archivieren und auch meine Erfahrungen dazu gerne teilen. So ein NanoVNA ist sehr hilfreich die Funktionalität einer Antenne zu beurteilen. Ich habe mittlerweile auch eine andere Antenne, die mit meinem Meshcore Solar-Node mit kam vermessen und die hat Werte mit einer „1“ vor dem Komma für den SWR. Das ist also kein Schrott und ich kann es jetzt selbst beurteilen.

Bohrtechnik: Wandlöcher bohren ohne Dreck zu machen

Von Zeit zu Zeit ergibt sich die Notwendigkeit, dass man fuer eine Befestigung z.B. ein Loch in eine Wand bohren muss. Bisher war das bei mir immer ein Vorgang den ich nicht mochte, weil eben der Auswurf vom Bohren sich meist unkontrolliert verbreitet hat.

Dreck und Staub

Je nachdem in was fuer eine Wand man mit einem Steinbohrer bohrt, kommt einem dann vielleicht roter Staub oder so sandig/koernig weisser Staub entgegen und der faellt halt einfach auf den Boden. Wenn man zu zweit ist, und man im Haushalt einen Staubsauger hat, dann kann man eine zweite Person den Staubsauger moeglichst nahe an der Bohrstelle halten lassen um soviel wie moeglich Staub einzufangen. Ist man allein und hat keinen Staubsauger wird es schwierig.

Zweite Person mit Staubsauger?

Wobei ich die Technik die ich gleich vorstellen werde der Staubsaugermethode eindeutig vorziehen wuerde, denn fuer den Staubsauger ist der Bohrstaub nicht gut. Der ist oft so fein, dass der den Filter im Staubsauger (oder den Beutel) zusetzt und zugleich bleibt z.B. roter Staub ueberall entlang des Saugrohrs haengen und nervt noch fuer weitere Wochen bei der Benutzung des Staubsaugers. Die Staubsaugertechnik kann ich also nicht empfehlen, sie ist der nun vorgestellten Technik deutlich unterlegen.

Japanisches Reispapierklebeband und Plastikbeutel

Meine mittlerweile perfektionierte Technik setzt auf sogenanntes Washi-Tape (Japanisches Reispapierklebeband) in Kombination mit den ultraduennen Plastiktueten die man in den meisten Supermaerkten fuer Obst und Gemuese von der Rolle bekommt.

[1] Eine Rolle Washi-Tape + Plastiktuete [2] Plastiktuete mit Washi-Tape unter Bohrstelle
[3] Bohrmaschine auf Bohrstelle [4] Bohrmaschine waehrend Bohrvorgang
[5] Bohrstelle nach dem Bohrvorgang [6] Bohrloch verschlossen mit Duebel

1. Washi-Tape

Fuer eine elegante Loesung benoetigt es etwas Vorbereitung. Zunaechst braucht es Washi-Tape. Wenn man wirklich nichts anderes findet geht auch Malerkrepp, aber bei Malerkrepp muss man hoellisch aufpassen, dass man es nicht zu fest an die Tapete drueckt, denn es sitzt deutlich fester und laesst sich sehr viel schlechter abloesen als Washi-Tape. Oft reisst man dann noch was von der Tapete mit ab, deshalb ist Washi-Tape die bessere Wahl. Das klebt fest genug und laesst sich rueckstandsfrei wieder entfernen.

2. Plastiktuete

Nachdem man die Bohrstelle markiert hat, befestigt man direkt darunter mit Hilfe des Washi-Tape die Plastiktuete. Und zwar so, dass nur ein Teil der Oeffnung der Plastiktuete an die Wand geklebt wird. Dadurch erhaelt man einen Auffangbehaelter fuer den Bohrstaub. Man sollte den Streifen Washi-Tape ruhig etwas laenger machen, so dass man die Oeffnung der Tuete voll ausnutzen kann. Denn der Bohrstaub fliegt nach allen Seiten, daher ist links und rechts von der Bohrstelle die auffangende Tuete perfekt positioniert.

3. Bohren

Nachdem alles in Position ist bohrt man ganz normal das Loch in die Wand. Vor dem Bohrvorgang pruefen, dass man die Seite der Plastiktuete die nicht an der Wand klebt, etwas zu sich hinzieht, damit die Tuete als Auffangbehaelter gut geoeffnet ist.

4. Bohrstaub im Loch

Wichtig, damit der Duebel spaeter passt, den Bohrer zum Schluss noch mehrmals raus und rein bewegen, so dass Bohrstaub sauber aus dem Loch herausbefoerdert wird. Macht man das nicht, schiebt man spaeter den verbliebenen Bohrstaub beim Einfuehren des Duebels zusammen nach hinten und der Duebel passt unter Umstaenden nicht mehr ganz rein.

5. Bohrvorgang beenden

Nach dem Ende des Bohrvorgangs die Tuete noch nicht gleich abnehmen. Da beim Einbringen des Duebels ebenfalls noch Staub herabfallen kann, bleibt die Tuete bis zum Schluss an der Wand.

6. Duebel eingebracht

Nachdem auch der Duebel in der Wand sitzt, kann man die Tuete abnehmen, indem man die Tuete mitsamt des Washi-Tape zusammen von der Wand zieht. macht man das vorsichtig genug, kann man die Tuete mit dem Tape gleich nochmal verwenden fuer die naechste Bohrstelle.

Fertig!

Why do i blog this? Mich hat jahrelang immer wieder das Handling von Bohrstaub genervt. Gerade rotfarbiger Bohrstaub in Verbindung mit weisser Tapete ist der Nerv. Nimmt man da anschliessend einen nassen Lappen, macht man es nur noch schlimmer und bekommt den Dreck nicht mehr weg. Ausserdem setzt der Staub sich ueberall in die letzten Ritzen wenn man ihn nicht gleich an der Quelle entfernt. Kurz ich hab keine Lust meine Zeit mit vermeidbaren Reinigungsarbeiten zu verbringen. Mit einer Plastiktuete fuer wenig Cent und einem Streifen Washi-Tape ist alles blitzesauber. Niemand wird bemerken, dass ueberhaupt gebohrt wurde. Das finde ich einfach elegant.

Apple Adapter im Selbstbau

Die Welt hat sich danke der Europaeischen Union Gott sei Dank („USB Type-C becomes the standard for mobile devices across the EU“ PDF) zu einer besseren veraendert, indem der USB-C-Anschluss zum obligatorischen Anschluss definiert wurde. Bedeutet jedoch auch, dass es immer weniger Geraete gibt, die einen USB-Typ-A Stecker unterstuetzen. Somit wird es immer schwieriger eine Geraet das noch auf den Lightning-Port angewiesen ist kabelgebunden aufzuladen.

Ich hab das Problem nun mit einem Adapter geloest, den ich (nicht bei Apple) gekauft habe. Nachteil dieser kleinen Dinger ist, man verliert sie so schnell. Damit das nicht passiert, habe ich den Adapter ein wenig konfektioniert mit zusaetzlichen Materialien.

Damit ich den Adapter immer bei mir haben kann, musste er irgendwie an das Schlueselbund dran. Also zunaechst ein Stahlring her. Doch wie den Adapter da dran bekommen? Kabelbinder war die Antwort. Doch der allein reicht halt nicht, der allein wuerde abrutschen. Ich hab dann zu einer Kombination aus Heisskleber, dem Kabelbinder und einer Textilummantelung in bunten Farben gegriffen. Mit dem Textil hab ich gute Erfahrungen gemacht. Es macht das Stueck Hardware einfach entdeck- & auffindbar. Und so „verirrt“ sich das Bauteil auch nicht aus Versehen in andere Taschen.

Why do I blog this? Ich hab das Teil jetzt eine Weile am Schluesselbund und es funzt praechtig. Noch nicht verloren und es ist immer einsatzbereit. Ich muss es oft nichtmal vom Schluesselbund abfriemeln. In einer naechsten Interation werde ich mir mal ueberlegen, ob man nicht auch was mit Velcro/Klettverschluss machen kann. Das funktioniert ja schliesslich auch auf der ISS super.