Si l’on regarde attentivement les spécifications techniques des VNA et analyseurs d’antenne destinés aux radios amateurs, on s’aperçoit que la directivité des instruments mystérieusement n’y figurent pas. En fait, le fabricant n’a pas envie d’étaler publiquement les faiblesses de son instrument. Or la directivité est la caractéristique essentielle et déterminante pour les mesures S11, VSWR, RL, Impédance, etc.
En revanche, lorsqu’il s’agit de VNA à usage professionnel, le fabricant spécifie clairement, avec plein de détails, la directivité de son instrument avec ses limites et ses marges d’erreur.
Contenu
- Mesure
- Principe de la mesure
- Mesure de la directivité d’un VNA professionnel
- Compléments de mesure
- Conclusions
1. Mesure
La précision de la mesure du VSWR d’un dispositif RF est directement lié à la directivité de l’instrument, c’est incontournable. En effet, nous avons vu dans un précédent article (« les erreurs de mesure du VSWR ») que le VNA effectue la mesure grâce à un coupleur directionnel ou pont résistif qui va extraire le signal réfléchi et le comparer avec le signal direct., l’incontournable S11.
À partir de ces deux éléments, l’analyseur est capable d’afficher le coefficient de réflexion, VSWR, RL, impédance, admittance, réactance, etc. Tous ces résultats sont tous liés par de simples formules mathématiques. L’affichage est généralement présenté sous forme graphique à l’aide de diagrammes cartésiens ou mieux encore sur l’abaque de Smith.
La directivité de l’instrument de mesure est la capacité qu’a l’instrument de mesure à séparer (aiguiller) correctement chaque signal sur le port qui lui correspond. Or le coupleur directionnel est loin d’être parfait. En effet, des courants de fuite interne s’invitent gratuitement sur les ports de mesure et s’additionnent aux signaux à mesurer, ce qui génère d’importantes erreurs de mesure.
Notre seule alternative est de mesurer nous-mêmes la directivité. C’est simple.
2. Principe de la mesure
Dans le cas particulier des VNA ou analyseurs d’antenne, on ne peut pas extraire le coupleur directionnel (ou le pont résistif) de son instrument. Nous avons seulement accès uniquement au connecteur de sortie S11
Lorsqu’une charge est connectée à une source (stimulus) à une ligne de transmission, le coefficient de réflexion (ρ) est calculé suivant l’équation de la fig. 2
Connectons une charge de 50 ohms via une ligne coaxiale de 50 ohms, le coefficient de réflexion sera :
0 % d'énergie réfléchie
Il n’y a donc pas de réflexion, cas idéal toute l’énergie est absorbée par la charge de 50 ohms.
Prenons le cas maintenant d’un circuit ouvert (Fig.3)
La charge n’existe plus, le circuit est ouvert, ainsi son impédance est infinie
C’est sur ce principe que la mesure de la directivité sera réalisée :
- En connectant une charge ouverte (impédance infinie) sur le connecteur de sortie, 100 % de l’énergie retournera vers (à l’intérieur) du VNA et sera aiguillée sur le port 'REFL' du coupleur directionnel
- Ensuite, nous connecterons une charge ultra-précise de 50 ohms . 0 % d’énergie retournera vers le VNA .
Le seul signal qui apparaîtra sur port RFL du coupleur directionnel sera celui du courant de fuite, qui est le défaut que nous essayons de mesurer y qui doit être le plus faible possible afin de ne pas trop perturber les mesures du S11 (coefficient de réflexion).
3. Mesure de la directivité d’un VNA « Professionnelle »
Ci-joint la mesure de la directivité d’un VNA professionnel avec des caractéristiques époustouflantes (130 dB de dynamique, 15 000 points, etc.) Acquis en seconde main en 2020. La mesure de la directivité parait attrayante (> à 40 dB sur les bandes radio amateurs).
Cependant, le fabricant annonce une directivité > 46 dB sur la gamme de fréquence de l’instrument (300 kHz – 1300 MHz), la directivité moyenne mesurée est de 43 dB avec d’importantes variations de directivité de 14 dB sur la plage de fréquence. A 1 GHz, la directivité chute à 36 dB !
Par conséquent, l’instrument doit retourner chez le fabricant pour une calibration usine. Le prix de la calibration usine est supérieur au prix auquel j’ai acheté l’instrument de seconde main sur eBay !
Par curiosité, j’ai mesuré la directivité avec plusieurs charges étalons de 50 ohms très précis du même fabricant Mini Circuits, modèle KARN50+ (VSWR < 1 008). Malgré cela, le VNA est hors spécifications.
4. Compléments de mesure
4.1 Le rapport Short / Open
Nous avons vu précédemment, fig 2 et fig 3, comment était calculé le coefficient de réflexion. Il nous reste à voir ce qui se passe quand la charge est en court-circuit (Fig 9).
Le cas est similaire au circuit ouvert (100 % du signal est réfléchi) mais dans de ce cas la valeur du coefficient de réflexion est –
1. Le signe (-) a une signification physique importante , l’onde réfléchie est «inversée». En d’autres mots, le signal est déphasé de 180 degrés par rapport à l’onde réfléchie en circuit ouvert.
4.2 Le rapport Short / Open
Il est tout à fait possible de visualiser ces 2 cas extrêmes de maximum réflexion sur un VNA (fig.10).
- Connectons d’abord un étalon court-circuit sur le port S11 du VNA ( sans calibration). Mémorisons la trace qui apparait en bleu sur l’écran. L’échelle verticale a été fortement agrandie (0.05 dB/div) afin de rendre l’ondulation visible.
- Connectons ensuite un étalon circuit ouvert sur le port S11 (sans calibration). Nous obtenons la trace couleur violette.
Nous voyons clairement que les deux signaux réfléchis sont en opposition de phase, c'est-à-dire que lorsqu’un signal est au maximum, l’autre signal est au minimum.
Ces deux signaux ne sont pas égaux, ce qui montre certains petits défauts du coupleur directionnel, mais qui seront éliminés avec la calibration.
Néanmoins, l’erreur Open / short est de l’ordre de 0.25 dB (sans calibration), ce qui est excellent et démontre la qualité de l’instrument. À titre d'information, les meilleurs RLB (return loss bridge) ont un rapport S/C de l’ordre de 1 dB.
4.3 Pourquoi faut-il calibrer le VNA en mode Open avant la mesure ?
Regardons la fig 11a. Nous y voyons le signal réfléchi à 100 % en mode Open. L’échelle verticale a été agrandie (0.05 dB/ div). L’origine de l’ondulation peut être expliquée avec la fig 11b (Abaque de Smith).
En effet, nous y voyons clairement un effet capacitif, qui en provient de la capacité résiduelle (fringing capacitance en anglais) de l’étalon OPEN qui est de l’ordre de 0.5 pF à 1300 MHz.
La calibration « open » éliminera les ondulations résiduelles.
5. Conclusions
- La mesure de la directivité d'un VNA ou pont de mesure est très simple à réaliser. Je vous conseille de la réaliser périodiquement ou de la réaliser avec un appareil dont vous ignorez ces spécifications. Elle s’effectue directement aux bornes du VNA ( sans adaptateur coaxial).
- Soyez très vigilant au moment d’acheter un VNA d'une bonne marque (HP, Rohde Schwarz, Anritsu, Copper Mountain, etc.) .
L’instrument peut-être 100 % fonctionnel et esthétiquement intact. Néanmoins, assurez-vous que l'instrument est calibré. Cas contraire, la calibration usine vous coutera très cher. - La seule condition pour effectuer une mesure précise est de disposer d'une charge étalon de haute précision de 50 ohms. Je vous recommande le modèle KARN50+ (N mâle) ou ANNE 50X (SMA mâle) du fabricant Mini Circuits. Le prix est d’environ 20 Euros.
Je tiens à vous faire remarquer que je n'ai aucuns intérêts financiers, ni liens commerciaux avec aucunes sociétés.
Bonne chance à tous
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