VNA - Vektornetzwerkanalysator

Ein VNA macht aus "mein SWR ist 1,8" eine Aussage wie "meine Antenne ist bei 7,1 MHz noch induktiv, ihre Resonanz liegt zu tief, bei einem klassischen Dipol wäre sie damit elektrisch zu lang". VNA steht für Vector Network Analyzer, auf Deutsch Vektornetzwerkanalysator oder vektorieller Netzwerkanalysator. Das Gerät erzeugt selbst ein Signal, schickt es in einen Prüfling und misst, was zurückkommt und was hindurchgeht. Anders als ein SWR-Meter misst es nicht nur, wie viel reflektiert wird, sondern auch die Phase. Erst daraus ergibt sich die komplexe Impedanz, und erst die sagt, in welche Richtung zu korrigieren ist.

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Was ist ein VNA?

Kurz gesagt: Ein Vektornetzwerkanalysator ist ein HF-Messgerät mit eigener Signalquelle. Er durchfährt einen Frequenzbereich, speist das Signal in den Prüfling und misst mit eigenen Empfängern, welcher Anteil reflektiert wird und welcher Anteil hindurchläuft, jeweils nach Betrag und Phase. "Vektoriell" bedeutet genau das: Betrag und Phase zusammen. Ein skalarer Netzwerkanalysator misst keine Phase. Er kann SWR und Rückflussdämpfung anzeigen, aus der rein skalaren Reflexionsmessung lässt sich die komplexe Impedanz aber nicht eindeutig bestimmen.

Der Prüfling heißt im Fachjargon DUT. "Netzwerk" meint ein elektrisches Netzwerk aus Widerständen, Spulen, Kondensatoren und Leitungen, nicht ein Datennetz.

Im Amateurfunk brauchst du einen VNA vor allem für:

Was misst ein VNA?

Ein VNA unterscheidet zwei Richtungen. Was zum Gerät zurückkommt, ist die Reflexion. Was durch den Prüfling hindurchkommt, ist die Transmission. Beides wird als Verhältnis zur hinlaufenden Welle angegeben, und diese Verhältnisse heißen S-Parameter. Die Nummerierung liest sich von hinten: S21 heißt "kommt an Tor 2 heraus, ging an Tor 1 hinein".

Ein 1-Tor-VNA misst nur Reflexion, also S11. Das deckt Antennen, SWR, Impedanz und Bauteile ab. Ein 2-Tor-VNA misst zusätzlich Transmission, also S21: Filter, Kabel, Dämpfungsglieder, Sperrdämpfung. Vollständige 2-Tor-Geräte bestimmen auch S12 und S22, indem sie die Quelle auf Tor 2 umschalten. Der NanoVNA liegt dazwischen: zwei Anschlüsse, S11 und S21, aber keine Anregung von Tor 2. Bei reziproken passiven Zweitoren wie Filtern oder Kabeln lässt sich die Gegenrichtung näherungsweise durch Umdrehen des Prüflings erfassen. Eine vollständige Messung aller vier S-Parameter braucht ein Gerät, das beide Tore aktiv anregen kann.

Reflexion: alles, was aus S11 folgt

S11 ist der komplexe Reflexionsfaktor $\Gamma$ am Eingang. Aus dieser einen Messgröße rechnet der VNA alles, was du für den Antennenabgleich brauchst: die Rückflussdämpfung (Return Loss), das SWR und die komplexe Impedanz mit Wirkanteil R und Blindanteil X.

$\displaystyle \text{SWR} = \frac{1 + |\Gamma|}{1 - |\Gamma|} \qquad \text{RL} = -20 \cdot \log_{10} |\Gamma| \qquad Z = Z_0 \cdot \frac{1 + \Gamma}{1 - \Gamma}$

SWR, Betrag des Reflexionsfaktors und Rückflussdämpfung beschreiben dieselbe Fehlanpassung in unterschiedlicher Form. Die Umrechnung für typische Werte:

Transmission: alles, was aus S21 folgt

S21 beschreibt, was durch den Prüfling hindurchkommt. Ein Betrag unter 1 (negative dB) ist Dämpfung, man spricht von Einfügedämpfung. Ein Betrag über 1 ist Verstärkung. Dazu misst der VNA die Phase der Übertragung und kann daraus die Gruppenlaufzeit ableiten. Für den Funkalltag reicht die Kurve "Dämpfung über Frequenz": Das ist die Filterkurve, die Kabeldämpfung oder die Sperrdämpfung einer Mantelwellensperre.

VNA zur Antennenmessung

Ein SWR-Meter zeigt eine Zahl bei einer Frequenz und braucht dafür Sendeleistung. Der VNA zeigt den Verlauf über das ganze Band mit wenigen Milliwatt und sagt dazu, warum das SWR so ist, wie es ist.

Was zeigt ein VNA bei einer Antenne?

Am Speisepunkt angeschlossen liefert der VNA fünf Dinge auf einmal: die Resonanzfrequenz, also die Frequenz, bei der der Blindanteil X durch null geht, den SWR-Verlauf über die Frequenz, die Impedanz als R und X, die Rückflussdämpfung und die Ortskurve im Smith-Diagramm. Daraus liest du die nutzbare Bandbreite ab, etwa: Wo liegt das SWR unter 2? Und du siehst, ob das SWR-Minimum mit der Resonanz zusammenfällt. Das muss es nicht: Resonanz heißt X = 0, das SWR-Minimum liegt dort, wo die Impedanz insgesamt am nächsten an 50 Ohm kommt.

Was bedeutet 50 + j0 Ohm?

Die Schreibweise R + jX trennt die Impedanz in zwei Anteile. R ist der Wirkwiderstand. Bei einer Antenne setzt er sich aus dem Strahlungswiderstand und den Verlustwiderständen zusammen, 50 Ohm R heißen also nicht automatisch 50 Ohm Abstrahlung. X ist der Blindanteil, der Leistung nur hin- und herschiebt. Das Vorzeichen sagt, welcher Art er ist:

Genau diese Lesart fragt die Amateurfunkprüfung: AI204 und AI206 prüfen das Vorzeichen des Blindanteils an 54 - j12 Ohm und 54 + j12 Ohm, AI205 den angepassten Fall 50 + j0 Ohm. In allen drei Fällen ist die Antenne brauchbar, und ein fehlender Blindanteil ist kein Mangel, sondern das Ziel.

Kann ich mit einem VNA die Antennenlänge bestimmen?

Nicht als Zollstock. Der VNA misst, wo die Antenne resonant ist, und daraus folgt, ob sie elektrisch zu lang oder zu kurz ist. Für einen klassischen Dipol und vergleichbare resonante Drahtantennen gilt als Faustregel:

Am Speisepunkt oder am Kabelende messen?

Am liebsten direkt am Speisepunkt. Dabei sind zwei Kabel zu unterscheiden. Das Messkabel zwischen VNA und Prüfling gehört zum Messaufbau. Es lässt sich herausrechnen, indem du an seinem Ende kalibrierst (siehe unten). Die Speiseleitung der Antenne dagegen ist Teil dessen, was du misst. Ein Koaxkabel, das nicht exakt mit seinem Wellenwiderstand abgeschlossen ist, transformiert die Impedanz: Am Senderende siehst du einen anderen Wert als an der Antenne, und die Phase hängt von der Kabellänge ab. Dazu dämpft jedes reale Kabel, und die Dämpfung trifft die reflektierte Welle zweimal. Das SWR am Kabelende sieht deshalb besser aus als am Speisepunkt, bei langen, dünnen Kabeln auf UKW deutlich. Wer am Senderende misst, bewertet Antenne plus Speiseleitung.

Ein Hinweis auf Mantelwellen: Ändert sich die Messkurve deutlich, wenn du das Koaxkabel berührst oder bewegst, ist das ein starkes Indiz für Gleichtaktstrom auf dem Schirm. Die Speiseleitung ist dann Teil des Antennensystems geworden, und die Messung zeigt auch sie.

Prüfungsfragen zum VNA

Sechs Prüfungsfragen zum vektoriellen Netzwerkanalysator

Fragetext und Abbildung stammen aus dem offiziellen BNetzA-Fragenkatalog. Die Reihenfolge der Antworten wird bei jedem Aufruf neu gemischt und weicht deshalb vom Katalog ab. Nichts wird gespeichert, du kannst beliebig oft probieren.

AI201 Wie funktioniert ein vektorieller Netzwerkanalysator (VNA)? Ein HF-Generator erzeugt ein ...

• frequenzveränderliches HF-Signal, mit dem z. B. ein Filter oder eine Antenne beaufschlagt wird. Die durch das angeschlossene Messobjekt veränderten Amplituden und Phasen des HF-Signals werden als Verläufe von z. B. Impedanz und Phasenwinkel, Wirk- und Blindanteil oder dem Stehwellenverhältnis grafisch dargestellt.
• frequenzstabiles HF-Signal, mit dem z. B. ein Filter oder eine Antenne beaufschlagt wird. Die durch das angeschlossene Messobjekt erzeugten Strom- und Spannungsbäuche werden als Verläufe von z. B. Impedanz und Phasenwinkel, Wirk- und Blindanteil oder dem Stehwellenverhältnis grafisch dargestellt.
• frequenzveränderliches HF-Signal, mit dem z. B. ein Filter oder eine Antenne beaufschlagt wird. Aus den durch das Messobjekt entstehenden Spannungseinbrüchen wird der Scheinwiderstand des Messobjektes ermittelt.
• frequenzstabiles HF-Signal, mit dem z. B. ein Filter oder eine Antenne beaufschlagt wird. Aus der durch das Messobjekt entstehenden Fehlanpassung werden Dämpfungsverlauf oder Antennengewinn ermittelt.

EI201 Wozu wird ein "vektorieller Netzwerkanalysator" (VNA) beispielsweise verwendet?

• Zur genaueren Bestimmung von Resonanzfrequenzen und Impedanzen von Schwingkreisen und Antennen.
• Zum Aufzeichnen des zeitlichen Verlaufs schneller Wechselströme.
• Zur Überprüfung der Frequenzreinheit eines Senders.
• Zur Bestimmung des Erdungswiderstandes einer Amateurfunkstation.

EI205 Welche Maßnahme ist vor Gebrauch eines vektoriellen Netzwerkanalysators (VNA) zusammen mit dem Messaufbau durchzuführen?

• Kalibrierung
• Nullpunktabgleich
• Einstellen der Triggerschwelle
• Rauschunterdrückung aktivieren

EI206 Sie ermitteln die Resonanzfrequenz und die Impedanz ihrer selbstgebauten Antennen mit Hilfe eines vektoriellen Netzwerkanalysators (VNA). Wie könnten Sie die Funktion des Gerätes vorher prüfen?

• Durch Prüfen der Anzeigewerte in den Betriebszuständen Kurzschluss, Leerlauf und Anpassung. Das SWR sollte bei Anpassung nahe bei 1, bei Kurzschluss und Leerlauf unendlich sein.
• Durch Prüfen der Anzeigewerte in den Betriebszuständen Leerlauf und Anpassung. Der Messanschluss des Gerätes darf keinesfalls kurzgeschlossen werden.
• Durch Beschalten des Messeingangs am VNA mit einem Abschlusswiderstand. Das angezeigte SWR sollte im gesamten Frequenzbereich größer als 2 sein.
• Durch Beschalten des Messeingangs am VNA mit einem Blindwiderstand. Der Anzeigewert des SWR muss bei allen Frequenzen nahe bei 1 sein.

AI204 Sie haben einen vektoriellen Netzwerkanalysator (VNA) an den Speisepunkt ihrer Kurzwellenantenne angeschlossen. Das Gerät zeigt R = 54 Ohm und jX = -12 Ohm an. Was bedeutet das Messergebnis?

• Der ohmsche Widerstand der Antennenimpedanz beträgt 54 Ohm, der Blindanteil beträgt 12 Ohm und ist kapazitiv.
• Die Impedanz der Antenne beträgt 66 Ohm. Es entsteht eine große induktive Fehlanpassung.
• Der ohmsche Anteil der Antennenimpedanz beträgt 54 Ohm, der Blindanteil beträgt 12 Ohm und ist induktiv.
• Die Antenne ist wegen ihres großen Blindwiderstandes nur zum Empfang, nicht jedoch zum Senden geeignet.

AI207 Sie haben einen vektoriellen Netzwerkanalysator (VNA) an einen selbstgebauten Halbwellendipol angeschlossen und messen den dargestellten Resonanzverlauf. Was müssen Sie tun, um diese Antenne auf das 80 m-Band abzustimmen?

• Sie verkürzen beide Enden gleichmäßig.
• Sie verlängern beide Enden gleichmäßig.
• Sie fügen in beide Strahlerhälften jeweils eine Induktivität ein.
• Sie fügen in beide Strahlerhälften jeweils einen 50 Ohm Widerstand ein

Diese Fragen stammen aus dem offiziellen Fragenkatalog der Bundesnetzagentur (Klassen E und A), gültig seit dem 24. Juni 2024. In der Prüfung können auch inhaltlich entsprechende, nicht wortgleiche Fragen vorkommen. Im Lernbereich übst du sie mit Fortschrittsspeicherung und persönlicher Auswertung.

SWR und Smith-Diagramm beim VNA

Ein VNA misst SWR ohne Sendebetrieb, als Verlauf über das ganze Band und zusammen mit der Information, woher ein schlechtes SWR kommt. Was ein gutes SWR ist und was der Sender davon merkt, steht im Eintrag zum Stehwellenverhältnis. Zwei Dinge, die nur der VNA unterscheidet: Ein SWR von 1,0 heißt "angepasst", nicht "strahlt gut". Ein Abschlusswiderstand hat auch SWR 1,0. Und zwei Antennen mit demselben SWR von 2,0 können 25 Ohm oder 100 Ohm haben.

Das Smith-Diagramm ist die Darstellung, die ein VNA kann und ein SWR-Meter nicht. Jeder Messpunkt ist eine komplexe Impedanz: Die Mitte ist 50 + j0 Ohm, der rechte Rand Leerlauf, der linke Kurzschluss, oben induktiv, unten kapazitiv. Ein Sweep über die Frequenz zeichnet eine Ortskurve. Wo sie die waagerechte Mittellinie kreuzt, ist die Antenne resonant. Der Abstand vom Mittelpunkt entspricht dem Betrag des Reflexionsfaktors, daraus ergibt sich das SWR. Wie du die Kurve liest und wie Spule oder Kondensator den Punkt verschieben, erklärt der Eintrag zum Smith-Diagramm mit einem interaktiven Diagramm.

Warum muss ein VNA kalibriert werden?

Weil der VNA sonst nicht die Antenne misst, sondern Antenne plus Kabel plus Adapter plus seine eigenen Unvollkommenheiten. Jeder Steckverbinder reflektiert ein wenig, jedes Kabel dämpft und dreht die Phase, und der eingebaute Richtkoppler trennt hin- und rücklaufende Welle nicht perfekt. Das sind systematische Fehler: Sie sind bei jeder Messung gleich und lassen sich deshalb herausrechnen. Dafür misst der VNA nacheinander Prüflinge mit bekannten Eigenschaften, die Kalibrierstandards, und berechnet aus der Abweichung eine Korrektur.

Eine Kalibrierung legt dabei die Referenzebene fest, auch Kalibrierebene genannt: die Stelle, ab der die Messung gilt. Alles davor wird herausgerechnet, alles dahinter ist Prüfling.

Open, Short, Load, Through

Das sind Idealwerte. Reale Kalibrierstandards weichen frequenzabhängig davon ab, ein Open hat etwa eine kleine Streukapazität. Hochwertige VNAs berücksichtigen das über die hinterlegten Daten des Kalibriersatzes. Das Verfahren heißt nach den Anfangsbuchstaben SOLT (Short, Open, Load, Through). Für eine reine Reflexionsmessung an Tor 1 genügen die ersten drei, die "1-Tor-Kalibrierung". Beim NanoVNA kommt optional ein Schritt "Isolation" dazu, bei dem beide Tore abgeschlossen werden. Er verbessert die Dynamik von S21-Messungen und darf bei Antennenmessungen entfallen.

Kontrolle im Smith-Diagramm nach DC4KU: Der offene Anschluss muss als Punkt am rechten Ende der Mittellinie liegen, die 50-Ohm-Last im Zentrum, der Kurzschluss am linken Ende. Sind statt Punkten noch Linien zu sehen, wird die Kalibrierung wiederholt.

Muss ein VNA mit angeschlossenem Messkabel kalibriert werden?

Ja. Die Standards gehören genau dorthin, wo später der Prüfling angeschlossen wird: ans Ende des Messkabels, hinter den Adapter, an die Klemme. Wer am Gerät kalibriert und dann über zwei Meter Kabel misst, hat das Kabel im Ergebnis, und im Smith-Diagramm dreht sich die Ortskurve je nach Kabellänge um die Mitte. Für die Messung kleiner Bauteile an einem Adapter gilt dasselbe: erst Adapter aufstecken, dann kalibrieren.

Wann neu kalibrieren?

Eine Kalibrierung bleibt grundsätzlich verwendbar, solange sich Aufbau und Umgebungsbedingungen nicht wesentlich ändern. Neu kalibriert wird bei deutlich geändertem Frequenzbereich, der NanoVNA interpoliert eine vorhandene Kalibrierung zwar, zeigt das mit kleinem "c" statt "C" an, und die Genauigkeit sinkt. Außerdem nach jedem Wechsel von Kabel oder Adapter, weil die Referenzebene dann eine andere ist, und nach Temperaturänderungen oder längerer Zeit, weil Drift zu den Fehlern gehört, die sich nicht herausrechnen lassen. Für jedes Band ein eigener Speicherplatz spart Zeit.

Zwei Dinge, die eine Kalibrierung nicht heilt: zufällige Fehler wie einen wackelnden Stecker, und einen schlechten Kalibriersatz. Ein 50-Ohm-Abschluss, der in Wahrheit 48 Ohm mit Blindanteil hat, wird vom VNA als "perfekte Mitte" gelernt. Für typische Amateurfunkmessungen auf Kurzwelle sind einfache SMA-Kalibrierstandards häufig ausreichend, mit steigender Frequenz und höheren Genauigkeitsansprüchen wird ihre Qualität zunehmend relevant.

VNA benutzen: Antenne in sechs Schritten messen

Kabel, Filter und mehr messen

Kann ein VNA Koaxialkabel messen?

Ja, gleich mehrere Eigenschaften. Mit beiden Enden am VNA zeigt S21 die Dämpfung über die Frequenz und S11 die Rückflussdämpfung, also wie sauber die 50 Ohm eingehalten werden. Mit einem Ende offen oder kurzgeschlossen rechnet der VNA aus dem Frequenzgang per Fourier-Transformation eine TDR-Darstellung: Reflexionen lassen sich darin räumlich zuordnen, etwa das Kabelende oder eine deutliche Fehlstelle wie eine Quetschung oder ein schlecht montierter Stecker. Der Abstand ergibt sich aus der Laufzeit und dem Verkürzungsfaktor des Kabels. Der muss eingegeben werden, sonst ist die Länge falsch. NanoVNASaver am PC hat dafür eine eigene TDR-Funktion, das Gerät selbst das Menü TRANSFORM.

Filter mit dem VNA messen

Ein Filter kommt zwischen Tor 1 und Tor 2, und S21 zeichnet die Durchlasskurve: Durchlassbereich, Sperrbereich, Grenzfrequenzen und Einfügedämpfung auf einen Blick. Bei einem Bandpass wird die Bandbreite häufig zwischen den -3-dB-Punkten angegeben, für einen Tiefpass die Oberwellendämpfung. Die Dynamik des Geräts setzt die Grenze: Beim NanoVNA-H gibt das Handbuch über 70 dB bis 300 MHz an, DC4KU hat an einem NanoVNA-F 85 dB bis 150 MHz gemessen. Ein Filter mit 100 dB Sperrdämpfung zeigt also den Rauschboden des Geräts, nicht sich selbst.

Weitere Anwendungen

Typische Fehler bei VNA-Messungen

Die maximal zulässigen HF- und Gleichspannungspegel sind modellabhängig und müssen im Handbuch des verwendeten Geräts geprüft werden.

VNA, Antennenanalysator oder Spektrumanalysator?

Ein Antennenanalysator ist ein Reflexionsmessgerät für eine Aufgabe: SWR und Impedanz einer Antenne, batteriebetrieben, häufig ohne Kalibrierung durch den Nutzer, sofort bedienbar. Dafür misst er keine Transmission, und manche Modelle bestimmen nicht einmal das Vorzeichen des Blindanteils. Das Handbuch des MFJ-259C sagt, dass die meisten Handgeräte die nötige Rechenleistung dafür nicht haben, und beschreibt, wie man das Vorzeichen durch Verstimmen ermittelt. Neuere Geräte wie die RigExpert-Serie zeigen X mit Vorzeichen an. Ein VNA ist das universellere Gerät: Reflexion und Transmission, Phase, S-Parameter, Smith-Diagramm, Filter und Kabel, dafür mit Kalibrierpflicht und einer Bedienung, die man einmal lernen muss.

Der Spektrumanalysator ist ein Empfänger: Er zeigt, welche Leistung bei welcher Frequenz an seinem Eingang anliegt, etwa die Oberwellen eines Senders oder eine Störquelle. Der VNA erzeugt dagegen selbst ein bekanntes Signal und beschreibt den Prüfling. Mit einem Mitlaufgenerator (Tracking Generator) und einer Messbrücke kann ein Spektrumanalysator Durchlasskurven und Rückflussdämpfung messen, aber nur nach Betrag, ohne Phase und ohne vektorielle Fehlerkorrektur. Für Impedanz und Anpassung bleibt deshalb der VNA das richtige Werkzeug, für Senderreinheit und Störungssuche der Spektrumanalysator.

Was ist ein NanoVNA?

Der NanoVNA ist ein quelloffener Vektornetzwerkanalysator im Taschenformat, entworfen vom japanischen Entwickler edy555 und seit 2019 in vielen Varianten erhältlich, oft für unter 100 Euro. Damit wurde das Gerät für Funkamateure erschwinglich, das vorher Laboren vorbehalten war. Das Original misst 50 kHz bis 300 MHz, mit Oberwellen des Synthesizers bis 900 MHz, auf einem kleinen Touchdisplay mit 101 Messpunkten je Durchlauf. Zwei SMA-Buchsen: CH0 für S11, CH1 für S21. Ein Kalibriersatz aus Open, Short, Load und einer Kupplung liegt bei, die kostenlose PC-Software NanoVNASaver erweitert ihn um segmentierte Sweeps mit mehr Punkten, TDR und Datenexport.

Die Grenzen gegenüber einem Labor-VNA: weniger Dynamik, vor allem oberhalb des Grundwellenbereichs, einfachere Kalibrierstandards, und die 101 Punkte. Bei einem Sweep von 1 bis 30 MHz liegen sie fast 300 kHz auseinander, eine scharfe 80-m-Resonanz fällt dann zwischen zwei Punkte. Für viele typische Amateurfunkmessungen an Antennen, Filtern und Kabeln auf Kurzwelle und UKW ist es gut geeignet: DC4KU hat an einem NanoVNA-F eine S21-Dynamik von 85 dB bis 150 MHz gemessen, und ein 51,2-Ohm-Widerstand wurde mit 51,35 Ohm bei 10 kHz und 51,41 Ohm bei 100 MHz angezeigt. Varianten, Frequenzbereiche, Firmware und Software, die Kalibrierung Schritt für Schritt und die PC-Software NanoVNA Saver stehen im eigenen Eintrag zum NanoVNA.