**自分へのクリスマスプレゼント ― ベクトルネットワークアナライザ（2014）**

Summary

VNWA 3E は、アマチュア無線オペレーターである Tom Baier（DG8SAQ）が製造したポケットサイズの USB 電源供給ベクターネットワークアナライザです。AD9859 DDS チップを 720 MHz にオーバークロックし、ハーモニクスを利用して 200 Hz から 1.3 GHz の範囲で S‑パラメータを測定します。音声 ADC は 1 kHz〜12 kHz の IF をサンプリングし、帯域幅の選択や明示的な IF フィルタは提供されていませんが、周波数ごとの測定時間は設定可能です。

この機器は拡張ボードを介して S11 と S21 を同時に取得します。逆方向（S22/S12）の測定には DUT ケーブルの手動交換が必要です。500 MHz を超えるとダイナミックレンジが約 50 dB に低下し、最大出力電力は低く（1 MHz で –17 dBm、より高い周波数で減少）します。

初期プロトタイプでは MAX632 ステップアップコンバータから可聴な笛のような音が発生しました。インダクタに接着剤/Tack‑It を追加するとこのノイズは軽減されました。アッテネーターテスト（VAT‑1W2、VAT‑6W2、VAT‑20+）では 1〜6 dB レベルで約 0.2 dB の余分な損失が確認され、20 dB アッテネーターでは約 0.4 dB。S21 曲線は 500 MHz を超えるとギザギザしていました。90 MHz ローパスフィルタ（SLP‑90）では測定値 –3 dB 点が 95.8 MHz、通過帯域で VSWR <1.42、230–400 MHz のストップバンドで >70 dB の減衰が確認されました。

ソフトウェアは S11 を容量/インダクタンスに変換する機能をサポートし、カスタム式により S21 から部品（インダクタやコンデンサ）を抽出できます。テストでは DC/DC コンバータのインダクタとランダムトロイドが低周波数で約 160 µH を示し、共振点近く（約 4.7 MHz）で減衰しました。トロイドは 1 MHz を超えるとより高い損失を示しました。246 pF、942 pF、および 10 nF のコンデンサ測定は S21 式を用いて規定許容範囲に合致し、S11 は 100 kHz 未満でやや変動する結果でした。

全体として、VNWA 3E は 200 Hz から 1.3 GHz の RF コンポーネントテストを約 50 dB のダイナミックレンジ（500 MHz 超）と数 MHz までの有用な部品特性評価で実現できる、コスト効率の高い（約 $200–300）のソリューションです。ハビリティ、学生、および小規模 RF デザイナーにとって魅力的です。

数週間前、私は少し変わったクリスマスプレゼント――ベクトルネットワークアナライザ（VNA）を自分で購入しました。
これまで使っていたすべてのVNAは巨大で高価な機器でしたが、市場には興味深い代替品があることが判明します。無線オタクで呼び名が DG8SAQ の Tom Baier が開発した、**「VNWA 3E」**という製品です。USB 経由で電源供給され、PC から制御できる小型ボックスに収められた VNA です。

ネットワークアナライザ VNWA 3E

（この特定のデバイスについては「VNA」ではなく「VNWA」という略称が使われることが多いようですが、ここではその名称を用います。）

技術的な説明

VNWA の設計は巧妙です。従来型 VNA よりも桁違いに安価でありながら比較的広い周波数範囲をカバーしています。
これはミニマリスティックな設計と次の手法によって実現されています。

周波数合成器の高調波（オーバートーン）を利用
合成器を仕様外でオーバークロッキング
ミキサーを仕様外で使用

主な欠点は 500 MHz を超える周波数帯でダイナミックレンジが低下することです。
最大出力電力は低く、1 MHz では –17 dBm（高い周波数ほどさらに低下）ですが、通常は大きな問題とはならないでしょう。

AD9859 10‑bit DDS チップ を RF と LO 発振器両方に使用。最大クロック周波数は 400 MHz（約200 MHz の信号）と仕様されていますが、720 MHz にオーバークロッキングしても問題なく動作し、高調波を通じてさらに高いプローブ周波数が可能です。
IF は 1 kHz〜12 kHz を使用し、音声 ADC でサンプリング。明示的な IF フィルタはなく、帯域幅は他の VNA のように選択できません。ただし、各周波数点での測定時間は設定可能です。

VNWA 3E は拡張ボードに追加音声 ADC を備えているため S11（反射）と S21（透過）を同時に測定 できます。S22 と S12 を得るには、DUT の接続を手動で入れ替える必要があります。

以前のバージョン（PC サウンドカードを IF サンプラーとして使用）の部分ブロック図は以下に示します。

鳴り響くインダクタ

デバイスは 10.4 cm 幅と非常に小型です。
設置時、DC/DC コンバータのような音が聞こえました。SDR‑kit の指摘では、コンバータのインダクタに接着剤を少量塗ることで解決できるとされていました。

ユニットを分解（簡単）し、ホットメルト・グルーと Tack‑It を疑わしいインダクタに貼り付けたところ、ほぼノイズが消えました（近づいて聞くとまだ微かです）。
回路図は MAX632 ステップアップコンバータ で、45 kHz でスイッチし、デューティ比を調整するのではなくサイクルを省略して制御しています。これがリップル電流と可聴周波数成分を生み出す原因と思われます。現代的なステップアップレギュレーターならコストも抑えられ、ノイズも消えるでしょう。

接着したインダクタの写真（左上）

一部テスト

アッテネータ

3 種類のアッテネータを試験しました：

1 dB	6 dB	20 dB
VAT‑1W2	VAT‑6W2	VAT‑20+

すべては 1 GHz で約 0.2 dB の余剰損失があると仕様されています。VNWA は 1 dB と 6 dB アッテネータについて約 0.2 dB を示し、20 dB ユニットでは約 0.4 dB の追加損失を確認しました。S21 カーブは 500 MHz 超でややジグザグしており、感度低下が原因と思われます。

ローパスフィルタ

90 MHz のローパスフィルタ（SLP‑90）を試験し、データシートと比較しました：

90 MHz における損失は典型値より少ない
3 dB 点は実際に 95.8 MHz
通過帯域での VSWR は <1.42（データシートでは <1.7）
ストップバンド減衰は 230〜400 MHz の間で >70 dB（期待通り）

VNWA は 500 MHz 超で信頼できるデータを提供しません。

コンポーネント測定

VNA は周波数範囲にわたってコンポーネントパラメータを測定できます。インダクタンスやキャパシタンスの特性評価に有用です。VNWA には単一周波数で選択可能な LCR メーターが内蔵されていますが、私は周波数依存性を観察するためにスイープ測定を好みます。

測定方法

S11：反射波を利用。1 本のケーブルだけで済む
S21：透過波を利用。2 本のケーブルが必要ですが、50 Ω 相対で極端に高いまたは低いインピーダンスの測定精度が向上します。未知インピーダンスは直列（高インピーダンス）か並列（低インピーダンス）で配置

VNWA ソフトウェアは S11 データを自動的にキャパシタンス／インダクタンスへ変換しますが、S21 からの直接変換は行いません。必要に応じてカスタム式を定義できます。

テストファセット

VNA と一緒に購入した教育用テストファセットを使用しました。数 MHz 超ではパラサイトが大きくありませんが、その範囲内で機能します。

VNWA とテストファセットの写真

インダクタ

DC/DC コンバータからのインダクタ
- 地面に並列接続。S21 の振幅とスミスチャートをプロット。
- 10 kHz で 165 µH、100 kHz で 160 µH、400 kHz で約 155 µH、4.7 MHz で共振に近づく。
- 位相は 2–3 MHz まで 90° に近い。
- インダクタンスは ≈160 µH。
ランダムトルイド
- 10 kHz で 114 µH、1 MHz で 108 µH。
- 位相は 1 MHz で約 70°、損失が大きいことを示唆（低損耗インダクタではなくチョークとして意図されている可能性）。

コンデンサ

部品	仕様	S21 結果 @1 MHz	S11 結果 @1 MHz
246 pF ±0.5%	244.8–247.2 pF	247.7 pF	248.2 pF
942 pF ±0.3%	939.2–944.8 pF	100 kHz・1 MHz で許容範囲内	少し変動
10 nF ±0.5%	9.95–10.05 nF	100 kHz・500 kHz で許容範囲内	–

S21 アプローチはすべてのコンデンサで許容範囲内の値を示し、S11 方法も受け入れ可能ですが変動が大きいです。

結論

VNWA 3E は驚くほど機能的で経済的な VNA であり、200 Hz から 1.3 GHz をカバーし、500 MHz 超では約 50 dB のダイナミックレンジを提供します。適切にキャリブレーションすれば、インダクタンスとキャパシタンスの測定で 1 % 未満の許容範囲を実現できるため、非常に有用です。素敵なクリスマスプレゼントでした！

自分へのクリスマスプレゼント ― ベクトルネットワークアナライザ（2014）

Japanese Translation: