Durante muito tempo, um analisador de redes vetorial, ou VNA (Vector Network Analyzer), foi um equipamento associado a laboratórios de engenharia, fabricantes de equipamentos de radiofrequência e ambientes de pesquisa. Esses instrumentos são capazes de realizar medições extremamente sofisticadas, mas tradicionalmente apresentam custo, tamanho e complexidade muito superiores ao que a maioria dos radioamadores está acostumada a encontrar em uma bancada doméstica.

A chegada do NanoVNA mudou esse cenário. Pequeno, portátil, alimentado por bateria e desenvolvido a partir de um projeto aberto, o equipamento tornou acessíveis ao experimentador de RF conceitos que antes dependiam de instrumentos profissionais. Impedância complexa, coeficiente de reflexão, perda de retorno, ROE, fase, parâmetros S, carta de Smith e até medições no domínio do tempo passaram a poder ser explorados com um equipamento que cabe na palma da mão.

É importante, entretanto, compreender que "NanoVNA" não identifica atualmente um único equipamento. O nome passou a ser utilizado para diversas versões, projetos derivados e produtos comercializados por diferentes fabricantes. Por isso, conhecer a história e a arquitetura de cada família é tão importante quanto aprender a operar o instrumento.

O que é um analisador de redes vetorial?

Um VNA é um instrumento destinado a caracterizar o comportamento elétrico de uma rede de radiofrequência em função da frequência. Ele aplica um sinal conhecido ao dispositivo sob teste, ou DUT (Device Under Test), e mede as respostas produzidas pela rede. Ao contrário de um instrumento que mede somente amplitude, o VNA trabalha com informações de amplitude e fase, permitindo uma caracterização vetorial do comportamento do circuito. (Keysight United States)

Essa característica é particularmente importante em RF porque tensão, corrente, impedância e potência deixam de poder ser analisadas adequadamente apenas como grandezas escalares. A fase relativa entre sinais é fundamental para compreender fenômenos como reflexão, ressonância, atraso elétrico e transformação de impedância.

Em uma rede de duas portas, essas informações são tradicionalmente representadas pelos parâmetros S, ou Scattering Parameters. O parâmetro S11 representa a reflexão observada na porta 1, enquanto S21 representa a transmissão da porta 1 para a porta 2. S12 representa a transmissão reversa e S22 a reflexão na porta 2. (Rohde & Schwarz)

No caso do NanoVNA original, o equipamento mede diretamente principalmente S11 e S21. O manual descreve a medição dos sinais de entrada, refletido e transmitido e, a partir deles, o cálculo de S11, S21, impedância complexa, resistência, reatância e ROE.

NanoVNA durante um procedimento de calibração, mostrando a carta de Smith e os padrões OPEN, SHORT, LOAD, ISOLN e THRU. Imagem: HexAndFlex.

A origem do NanoVNA

O projeto original do NanoVNA foi desenvolvido por edy555 e publicado no GitHub. O próprio repositório o descreve como um "Very Tiny Palmtop Vector Network Analyzer", concebido como um equipamento portátil de RF destinado a entusiastas. O projeto inclui firmware, esquemas, documentação e informações sobre a placa eletrônica. (GitHub)

A publicação do projeto ocorreu em 2019 e rapidamente despertou interesse na comunidade de radioamadores e experimentadores de RF. O desenvolvimento aberto permitiu que outros participantes estudassem o projeto, corrigissem problemas, desenvolvessem novos firmwares e criassem versões de hardware derivadas.

O NanoVNA original foi concebido para trabalhar de aproximadamente 50 kHz a 300 MHz utilizando sua frequência fundamental. O manual explica que, acima dessa faixa, o projeto utiliza harmônicas do sintetizador interno. Na documentação do firmware original, a faixa de 300 a 900 MHz é associada à terceira harmônica e faixas superiores podem utilizar harmônicas adicionais.

Essa característica é fundamental para compreender por que não se deve interpretar simplesmente a frequência máxima indicada na tela como se todo o equipamento tivesse o mesmo desempenho em toda a faixa. Quando a medição depende de harmônicas, características como nível de ruído, faixa dinâmica e precisão podem se deteriorar.

Do NanoVNA original ao NanoVNA-H e H4

Uma das primeiras evoluções importantes veio com o trabalho de Hugen, que desenvolveu o NanoVNA-H a partir do projeto de edy555. O NanoVNA-H manteve a arquitetura fundamental do projeto original, mas introduziu modificações importantes.

Uma delas foi a alimentação. O projeto original utilizava um circuito misturador que necessitava de alimentação adequada e não funcionava de maneira ideal diretamente a partir de uma célula de lítio de aproximadamente 3,7 V. O NanoVNA-H incorporou um conversor DC-DC elevador para produzir a tensão necessária e permitir operação mais adequada a partir da bateria interna. (NanoVNA)

Outra modificação foi a ampliação da faixa de frequência por meio da utilização de harmônicas do sintetizador. A documentação do projeto NanoVNA informa que o desenho original tinha como faixa fundamental 50 kHz a 300 MHz, enquanto o NanoVNA-H passou a permitir medições anunciadas até aproximadamente 900 MHz e versões posteriores alcançaram faixas superiores, embora com limitações crescentes de desempenho. (NanoVNA)

A comunidade também produziu versões como NanoVNA-H4 e NanoVNA-F, além de diferentes firmwares. O próprio repositório original lista contribuições de desenvolvedores como Hugen, cho45 e DiSlord, demonstrando como o projeto evoluiu de forma colaborativa. (GitHub)

É importante ressaltar que diferentes aparelhos vendidos comercialmente como NanoVNA podem apresentar diferenças consideráveis de hardware. Portanto, a identificação exata do modelo é necessária antes de aplicar uma especificação de frequência, firmware ou procedimento.

O NanoVNA V2 é outro projeto

Um dos equívocos mais comuns na história do NanoVNA é tratar o NanoVNA V2, também conhecido como S-A-A-2, simplesmente como uma versão mais potente do hardware original.

Embora utilize conceitos semelhantes e tenha uma interface de usuário derivada do ecossistema NanoVNA, o V2 possui uma arquitetura de hardware diferente. O projeto foi desenvolvido com uma nova cadeia de RF e utiliza, entre outros componentes, sintetizadores ADF4350 e o misturador AD8342. A documentação do projeto descreve essa arquitetura como uma solução capaz de realizar medições fundamentais em frequências muito superiores às do NanoVNA V1. (GitHub)

O próprio projeto NanoRFE destaca que o V2/S-A-A-2 não possui linhagem de hardware com o NanoVNA V1 e foi desenvolvido com uma arquitetura completamente nova. Na versão inicial, a faixa fundamental chegou a aproximadamente 3 GHz. (NanoRFE)

Essa distinção é importante porque as características técnicas, o protocolo de comunicação, a arquitetura interna e alguns procedimentos de calibração são diferentes entre as famílias. Um procedimento ou especificação encontrado para um NanoVNA original não deve ser automaticamente aplicado a um V2.

Como o NanoVNA mede uma antena?

Considere uma antena conectada à porta 1 do NanoVNA. O instrumento gera um sinal de RF e observa quanto dele retorna para a porta.

Se a antena apresentar exatamente a impedância de referência do sistema, normalmente 50 Ω, a reflexão ideal será mínima. Se houver diferença entre a impedância da antena e os 50 Ω do sistema, parte da energia retorna em direção ao instrumento.

O parâmetro S11 representa justamente essa reflexão. Como o NanoVNA mede amplitude e fase, S11 pode ser convertido matematicamente em impedância complexa.

Para um sistema com impedância característica Z₀, a relação é:

Z = Z₀ × (1 + Γ) / (1 − Γ)

onde Γ é o coeficiente de reflexão.

Quando Z₀ é 50 Ω, o resultado pode ser apresentado como resistência e reatância. Assim, em vez de simplesmente dizer que uma antena apresenta determinada ROE, podemos observar algo como uma impedância de 45 + j20 Ω, por exemplo.

Essa diferença é importante. A ROE é uma consequência do casamento entre a impedância da antena e a impedância característica do sistema, mas não descreve sozinha toda a natureza da carga. A carta de Smith permite visualizar simultaneamente a evolução da impedância complexa ao longo da frequência. (Rohde & Schwarz)

Entendendo S11 e S21

Para quem está começando a utilizar um NanoVNA, dois parâmetros aparecem com frequência: S11 e S21.

O S11 corresponde à reflexão na porta 1. É o parâmetro mais utilizado quando o objetivo é analisar antenas, cargas, redes de casamento e outras estruturas conectadas a uma única porta. A partir dele podem ser derivados valores como ROE, perda de retorno, coeficiente de reflexão, resistência e reatância. (Help Files)

O S21 corresponde à transmissão direta da porta 1 para a porta 2. Ele é particularmente útil quando existe um dispositivo entre as duas portas. Um filtro, por exemplo, pode ser conectado entre CH0 e CH1 para observar sua resposta em frequência.

Dessa maneira, o NanoVNA pode mostrar não apenas onde uma antena apresenta menor reflexão, mas também como um filtro transmite ou rejeita diferentes frequências.

O que pode ser medido com um NanoVNA?

A aplicação mais conhecida é a análise de antenas. Com uma calibração adequada, o radioamador pode verificar a frequência em que a antena apresenta menor ROE, observar a largura de banda e analisar a impedância ao longo da faixa.

O instrumento também pode ser usado para investigar cabos coaxiais. Uma medição de S11 pode revelar alterações de impedância, enquanto as funções de domínio do tempo permitem estimar a distância até determinadas descontinuidades.

O firmware do NanoVNA permite transformar os dados medidos no domínio da frequência em uma representação no domínio do tempo. Esse recurso é semelhante ao princípio de um TDR (Time Domain Reflectometer) e pode ser utilizado para investigar cabos e localizar descontinuidades. A documentação explica que existe uma relação de compromisso entre resolução temporal e extensão máxima da distância observável. (NanoVNA)

Filtros também são excelentes objetos de experimentação. Conectando um filtro entre as portas, o S21 pode mostrar a resposta de transmissão em função da frequência. Dessa forma, é possível observar frequência central, largura de banda, atenuação e rejeição fora da faixa.

O equipamento também pode ser utilizado em redes de casamento, baluns, transformadores de RF, atenuadores, duplexadores e outros circuitos passivos. Em circuitos ativos, como amplificadores, é necessário observar cuidadosamente os níveis de sinal permitidos pelo instrumento, pois o NanoVNA é essencialmente um equipamento de medição de pequenos sinais e suas entradas podem ser danificadas por potência excessiva.

Por que é necessário calibrar?

A calibração é provavelmente o conceito mais importante para obter bons resultados com um NanoVNA.

O instrumento não mede apenas o dispositivo conectado ao seu conector. Cabos, conectores, adaptadores, perdas, descasamentos e imperfeições internas também participam da medição. O processo de calibração caracteriza parte desses erros para que o firmware possa aplicar uma correção matemática aos resultados.

Em termos simples, o NanoVNA mede padrões conhecidos e utiliza essas medições para determinar os erros do sistema. Em seguida, quando o dispositivo sob teste é conectado, os dados são corrigidos.

Esse princípio não é exclusivo do NanoVNA. A calibração SOLT, baseada em Short, Open, Load, Through, é uma técnica tradicional de calibração de analisadores de redes. Os padrões conhecidos permitem determinar termos de erro do sistema de medição. (Anritsu)

Como calibrar o NanoVNA

O primeiro passo é definir a faixa de frequência que será utilizada na medição. Isso deve ser feito antes da calibração.

O manual do NanoVNA recomenda realizar a calibração para a faixa específica que será medida. O equipamento original trabalha com 101 pontos de medição na varredura, e os pontos intermediários são obtidos por interpolação quando necessário. Por isso, para maior qualidade da correção, o manual recomenda evitar faixas desnecessariamente amplas quando uma faixa mais estreita for suficiente para o trabalho.

Depois de definir START e STOP, deve-se entrar no menu de calibração e reinicializar a calibração atual.

Para a calibração de reflexão na porta 1, o padrão OPEN é conectado à porta CH0 e a função OPEN é executada. Em seguida, o OPEN é retirado, o padrão SHORT é conectado e a função SHORT é executada. Finalmente, conecta-se o padrão LOAD de 50 Ω e executa-se LOAD.

Para uma calibração envolvendo transmissão entre as duas portas, realiza-se também a etapa THRU. No procedimento documentado para o NanoVNA original, existe ainda a etapa ISOLN, na qual uma carga é utilizada para caracterizar o isolamento entre as portas. Finalmente, utiliza-se DONE para concluir o cálculo dos dados de correção. (NanoVNA)

Depois de concluída, a calibração pode ser armazenada em uma das posições de memória disponíveis.

Um detalhe fundamental é que os padrões devem ser conectados no mesmo ponto em que se pretende estabelecer o plano de referência da medição. Se uma antena será conectada por meio de um determinado cabo coaxial, por exemplo, pode ser desejável realizar a calibração na extremidade desse cabo. Dessa forma, os efeitos do cabo passam a fazer parte do sistema caracterizado durante a calibração.

A documentação técnica sobre medições de antenas confirma esse princípio: se for utilizado um cabo entre o VNA e a antena, os padrões de calibração devem ser conectados na extremidade desse cabo para que o plano de referência seja estabelecido nesse ponto. (Rohde & Schwarz)

OPEN, SHORT, LOAD e THRU

Os padrões de calibração representam condições conhecidas.

O OPEN representa uma terminação aberta. O SHORT representa uma terminação em curto-circuito. O LOAD representa uma terminação conhecida, normalmente de 50 Ω. O THRU é utilizado para conectar diretamente as duas portas durante a calibração de transmissão.

Na prática, esses padrões não são perfeitamente ideais. Em frequências elevadas, a geometria física dos conectores, indutâncias, capacitâncias e atrasos elétricos fazem com que um OPEN ou SHORT real não seja matematicamente idêntico a um OPEN ou SHORT ideal.

Por isso, a qualidade dos padrões de calibração influencia a qualidade final da medição. Em instrumentos profissionais, os kits de calibração possuem modelos caracterizados para seus padrões. Em um NanoVNA de baixo custo, os pequenos padrões SMA fornecidos normalmente devem ser tratados dentro das limitações para as quais foram projetados. (Anritsu)

Um erro comum: calibrar e depois mudar a frequência

Imagine que o usuário calibrou o NanoVNA de 7 MHz a 30 MHz. Depois, decide analisar uma antena de 50 MHz e simplesmente altera a frequência de STOP.

Essa prática invalida, em termos rigorosos, a condição para a qual a calibração foi realizada. O manual do NanoVNA recomenda recalibrar quando a faixa de frequência é alterada. O firmware pode realizar alguma interpolação ou complementação dos dados existentes, mas isso não significa que a calibração original tenha se tornado equivalente a uma nova calibração realizada naquela faixa.

Por isso, uma boa prática é possuir diferentes memórias de calibração para faixas utilizadas com frequência. Uma calibração para HF, outra para VHF e outra para UHF, por exemplo, podem ser mantidas separadamente, desde que cada uma tenha sido realizada na configuração correspondente.

Como interpretar a tela

O NanoVNA pode apresentar os resultados em diferentes formatos. O modo LOGMAG mostra a magnitude logarítmica, PHASE apresenta a fase, SMITH mostra a carta de Smith, SWR apresenta a ROE e formatos como REAL, IMAG, RESISTANCE e REACTANCE permitem observar diferentes componentes dos resultados. (NanoVNA)

Os marcadores são particularmente úteis. Em uma antena, por exemplo, podemos posicionar um marcador sobre o ponto de menor ROE e verificar a frequência correspondente. Na carta de Smith, o mesmo ponto permite observar a impedância complexa.

Uma das grandes vantagens de trabalhar com a carta de Smith é justamente poder enxergar o comportamento da impedância em toda a faixa de frequência, em vez de observar somente um valor isolado.

Cuidados com cabos e conectores

Em RF, a qualidade mecânica da conexão é parte da medição. Conectores SMA danificados, adaptadores de baixa qualidade, cabos com conectores inadequados ou excesso de movimentação durante a medição podem introduzir erros.

Durante a calibração, os padrões devem ser conectados firmemente, mas sem aplicar força excessiva. O mesmo cuidado deve ser utilizado durante a medição.

Também é importante evitar alterar a montagem depois da calibração. Se um adaptador é inserido depois da calibração, ele passa a fazer parte do caminho de RF e seus efeitos não foram necessariamente removidos pela correção.

NanoVNA e computador

Apesar de possuir uma tela própria, o NanoVNA pode ser conectado a um computador para ampliar significativamente suas possibilidades.

O projeto original relaciona ferramentas como NanoVNASharp, interfaces WebSerial/WebUSB, aplicativos para Android, NanoVNASaver e ferramentas baseadas em Python e Jupyter Notebook. (GitHub)

O NanoVNASaver, por exemplo, permite obter dados do instrumento, dividir uma faixa em múltiplos segmentos para aumentar a quantidade de pontos, realizar médias, visualizar S11 e S21 em diferentes formatos e importar ou exportar arquivos Touchstone. (NanoVNA)

Isso é particularmente interessante para quem deseja transformar uma medição feita em campo em dados que possam posteriormente ser analisados no computador.

Touchstone e análise posterior

Os arquivos Touchstone são amplamente utilizados na engenharia de RF para armazenar parâmetros S. A possibilidade de exportar os resultados do NanoVNA nesse formato facilita a utilização dos dados em outros programas de análise e simulação.

Isso cria uma ponte entre a experimentação prática do radioamador e ferramentas tradicionalmente utilizadas no desenvolvimento de circuitos de RF.

Uma medição de filtro, por exemplo, pode ser realizada no NanoVNA, armazenada como dados de parâmetros S e posteriormente utilizada em um software de simulação ou análise.

Limitações e cuidados na interpretação dos resultados

O NanoVNA é uma ferramenta extraordinariamente útil para seu tamanho e custo, mas não deve ser confundido com um VNA profissional de laboratório.

A primeira limitação é a própria arquitetura. No NanoVNA original, a faixa acima de aproximadamente 300 MHz utiliza harmônicas do sintetizador, e a documentação alerta para as limitações decorrentes desse método. O manual também registra que a onda fundamental permanece presente na saída mesmo quando o equipamento está operando em modo harmônico, algo particularmente importante durante testes envolvendo amplificadores.

Outra questão é a faixa dinâmica. Quanto mais exigente for a medição, maior será a importância do ruído, isolamento entre portas, qualidade dos cabos, conectores e padrões de calibração.

Isso não diminui a utilidade do NanoVNA. Para grande parte das aplicações de radioamadorismo, como ajuste de antenas, verificação de cabos, análise de filtros e experimentação com redes de RF, o equipamento oferece uma capacidade que seria difícil de justificar financeiramente com instrumentos tradicionais.

O importante é interpretar os resultados dentro das limitações do instrumento.

Uma nova maneira de aprender RF

Talvez a maior contribuição do NanoVNA não esteja em uma especificação específica, mas na mudança que ele provocou na forma de experimentar radiofrequência.

Conceitos que muitas vezes aparecem apenas como fórmulas em livros podem ser observados diretamente. A variação da impedância de uma antena pode ser acompanhada na carta de Smith. A ressonância pode ser observada como uma mudança no comportamento de S11. Um filtro pode revelar visualmente sua banda passante e sua rejeição. Um cabo pode ser analisado no domínio da frequência e, com as técnicas apropriadas, também no domínio do tempo.

Esse aspecto educacional é particularmente valioso para o radioamadorismo. A possibilidade de medir, comparar, modificar e medir novamente transforma a bancada em um laboratório de RF.

Conclusão

O NanoVNA representa um dos exemplos mais interessantes de democratização da instrumentação de radiofrequência. Seu surgimento, a partir do projeto aberto de edy555 em 2019, desencadeou uma comunidade de desenvolvimento que produziu novos firmwares, versões de hardware, ferramentas para computador e diferentes arquiteturas. (NanoVNA)

Para o radioamador, sua importância vai muito além de simplesmente substituir um medidor de ROE. O NanoVNA permite investigar a impedância de antenas, estudar filtros, avaliar cabos, observar parâmetros S, utilizar cartas de Smith e explorar conceitos de RF que antes exigiam equipamentos muito mais caros.

Mas justamente por ser tão acessível, é importante utilizá-lo com conhecimento. Identificar corretamente a versão do hardware, conhecer sua faixa de operação, realizar uma calibração adequada, utilizar bons cabos e padrões e compreender as limitações da medição são condições fundamentais para obter resultados confiáveis.

Quando utilizado dessa maneira, o NanoVNA deixa de ser apenas um pequeno "medidor de antena" e passa a ser aquilo que seu próprio nome indica: um verdadeiro analisador de redes vetorial, compacto o suficiente para acompanhar o radioamador até o campo e poderoso o bastante para transformar a bancada doméstica em um pequeno laboratório de radiofrequência.

Referências

1. ttrftech/NanoVNA — repositório original do projeto NanoVNA no GitHub. Repositório original de edy555, contendo firmware, esquemas, documentação e informações sobre a arquitetura do projeto. (GitHub)

2. NanoVNA — About NanoVNA. Histórico do projeto, evolução do NanoVNA-H, características de frequência e informações sobre os desenvolvedores e versões. (NanoVNA)

3. NanoVNA User Guide. Manual baseado na documentação de cho45, com informações sobre funcionamento, parâmetros S, frequência, calibração, medições, TDR e utilização do equipamento.

4. NanoVNA — Calibration. Documentação do procedimento de calibração do NanoVNA original, incluindo RESET, OPEN, SHORT, LOAD, ISOLN, THRU, DONE e armazenamento da calibração. (NanoVNA)

5. NanoVNA — Start measurement. Documentação sobre sequência básica de medição, formatos de apresentação, S11, S21 e funcionamento no domínio do tempo. (NanoVNA)

6. Hugen79/NanoVNA-H — GitHub. Projeto do NanoVNA-H baseado no desenho original de edy555 e documentação de suas modificações. (GitHub)

7. NanoVNA V2 (S-A-A-2) — GitHub. Repositório contendo os projetos de hardware do NanoVNA V2/S-A-A-2. (GitHub)

8. NanoVNA V2 User Manual — NanoRFE. Manual técnico do NanoVNA V2/S-A-A-2, incluindo arquitetura, operação e calibração. (NanoRFE)

9. NanoRFE — NanoVNA. Informações sobre a evolução do NanoVNA, diferenças entre V1 e V2 e características das arquiteturas posteriores. (NanoRFE)

10. Keysight — Analisadores de rede vetorial. Referência técnica sobre o funcionamento de VNAs, parâmetros S, reflexão, transmissão, impedância e fase. (Keysight United States)

11. Rohde & Schwarz — Compreensão dos parâmetros S. Referência técnica para a definição e interpretação de S11, S21, S12 e S22. (Rohde & Schwarz)

12. Anritsu — SOLT/SOLR Calibration. Referência técnica sobre calibração SOLT, padrões e determinação dos termos de erro do sistema de medição. (Anritsu)

13. Rohde & Schwarz — Vector network analyzer antenna measurement. Referência sobre medição de impedância de antenas, S11, calibração e plano de referência. (Rohde & Schwarz)

14. NanoVNA — NanoVNASaver. Documentação da ferramenta para comunicação com o NanoVNA, análise de dados, Touchstone, múltiplos pontos e TDR. (NanoVNA)

15. HexAndFlex — Getting Started with the NanoVNA. Fonte da imagem utilizada para ilustrar o procedimento de calibração apresentado neste artigo.