Projets:Lab:2015:Tuto VNWA:L Etalonnage - Revision history

Marc: /* L’étalonnage SOL */

2015-04-18T18:04:10Z

‎L’étalonnage SOL

Marc: /* L’étalonnage SOL */

2015-04-18T17:22:31Z

‎L’étalonnage SOL

Marc: /* L’étalonnage SOL */

2015-04-18T14:15:20Z

‎L’étalonnage SOL

Marc: /* Caractérisation d’un étalon inconnu */

2015-04-17T17:50:15Z

‎Caractérisation d’un étalon inconnu

Marc: /* La ligne de Transmission */

2015-04-17T17:49:21Z

‎La ligne de Transmission

Marc: /* Le plan de reference */

2015-04-17T17:45:40Z

‎Le plan de reference

Marc: /* Calibre “bouchon” (ou Short) */

2015-04-17T17:44:41Z

‎Calibre “bouchon” (ou Short)

Marc: /* Calibre “Ouvert” (ou Open) */

2015-04-17T17:43:50Z

‎Calibre “Ouvert” (ou Open)

Marc: /* Calibre Charge (ou Load) */

2015-04-17T17:42:13Z

‎Calibre Charge (ou Load)

Marc: /* Calibre Charge (ou Load) */

2015-04-17T17:38:51Z

‎Calibre Charge (ou Load)

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 [[File: Etalonnage 5.png|300px|right]]
-Les explications qui suivent sont directement liées à la notion de temps. Bien que les ondes radio voyagent à une vitesse extrême, il leur faut un certain temps pour parcourir la distance entre le port TX et l’extrémité du câble chaque fois que l’on lance un balayage. Au tout début, la tension est deux fois plus élevée que si elle était terminée par une charge 50 Ohm. Le courant, quant à lui, est nul au départ. Lorsque l’onde parvient à l’extrémité du câble, elle s’attend à trouver une charge de 50 Ohm. La résistance interne du VNA est également de 50 Ohms. Ainsi, la tension que l’on mesurerait, après réflexion, serait de la moitié de la tension en début de séquence. Nous avons là un diviseur de tension.
+Les explications qui suivent sont directement liées à la notion de temps. Bien que les ondes radio voyagent à une vitesse extrême, il leur faut un certain temps pour parcourir la distance entre le port TX et l’extrémité du câble chaque fois que l’on lance un balayage. Au tout début, la tension est deux fois plus élevée que si elle était terminée par une charge 50 Ohm. Le courant, quant à lui, est nul au départ. Lorsque l’onde parvient à l’extrémité du câble, elle s’attend à trouver une charge de 50 Ohm. La résistance interne du VNA est également de 50 Ohms. Ainsi, la tension que l’on mesurerait, après réflexion, serait de la moitié de la tension en début de séquence. Nous avons là un diviseur de tension. La règle dit que l’on atteint le maximum possible de transfert de puissance lorsque les impédances de TX et de RX sont  identiques.
 Because we are talking about waves we can say, the wave reaches the load and current begins to
 flow. So there is a wave on its way, a joined force of voltage and current that likes to keep the

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 half the amplitude as a result. Once this state is reached it stays like it is. The phase relation does
 not change.
-This is a picture of the internal layout of the vnwa.
+Gardons à l’esprit que tout est affaire de rapport. Le signal émis est séparé et aiguillé dans deux directions différentes par le biais d’un coupleur (interne dans le cas du VNWA et du Mini-VNA, externe dans la majorité des autres cas, N2PK, MSA, VNA Agilent…). L’un des « demi-signaux » part vers le port TX et de DUT, l’autre moitié est aiguillé vers un détecteur de référence interne, qui possède sa propre charge 50 Ohm. Si nous terminons la ligne du port TX avec une charge 50 Ohm, l’état de la tension et de la phase est inchangé. C’est ce qui arrive lorsque nous étalonnons notre VNA. Nous lui indiquons où se trouve le « point de départ » ou de référence 50 Ohm.
-Left under you see the bridge.
 ==''' Calibre Charge (ou Load) ''' ==

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 [[File: Etalonnage 6.png|400px|center]]
-<center> L'architecture interne du VNWA. En bas, à gauche, le pont résistif qui aiguille le signa en partie vers le porte de sortie, en partie vers la section chargée de la reference </center>
+<center> L'architecture interne du VNWA. En bas, à gauche, le pont résistif qui aiguille le signal en partie vers le porte de sortie, en partie vers la section chargée de la reference </center>
 This is a picture of the internal layout of the vnwa.

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 La capture d’écran suivante montre la mesure d’un tel réseau en utilisant le « calkit idéal ». On remarque immédiatement que le tracé rouge sort totalement de l’abaque de Smith… ce n’est pas bon signe.
 Mais en utilisant les bons paramètres, on peut obtenir un tracé plus conforme (ci-après)
 Moins d’ondulation sur la trace des pertes en retour, et le tracé de la Smith demeur à l’intérieur de l’abaque. Avec cette méthode, et en se référant aux explications de Tom DG8SAQ, il est possible de récupérer les caractéristiques de votre propre kit d’étalonnage. Le résultat doit être comparable au tracé ci-dessus.

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 La chose est simple à prouver. Il suffit de dénuder une petite longueur de coaxial, d’en souder les deux extrémités de l’âme sur la borne 1 et le GND de notre DUT-holder, et de lancer un balayage en S11. En affichant d’une part l’abaque de Smith et d’autre part une trace L, on peut obtenir le résultat suivant
 Il s’agit là d’une chute de 89 cm de RG59, un coaxial 75 Ohm, ouvert à son extrémité.
 La trace rouge coutre dans le sens trigonométrique le long du bord de la Smith, comme le ferait une inductance.
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 Mais nous disions qu’une ligne de transmission est un réseau LC. Qu’en est-il de la capacitance ? pour ce faire, nous déconnectons le conducteur central coté « masse » du DUT-Holder, et y connectons la tresse à la place. On obtient un véritable condensateur de 61,61 pf (résultat obtenu après soustraction de la capacité parasite du DUT holder).
 Quel que soit le type de ligne que l’on utilise, twin lead ou coaxial, cette ligne est toujours composée de deux conducteurs parallèles, qui forment un réseau composé de deux inductances –les conducteurs- et d’une capacitance située entre les deux. Puisque cette capacitance est uniformément répartie tous le long des deux conducteurs, l’on peut couper en deux le morceau de câble qui a servi à notre mesure. Non seulement cela a pour effet de diviser l’inductance par deux, mais également la valeur de la capacité. Si nous les rejoignons à nouveau, nous plaçons les inductances en série et les condensateurs en parallèle, qui, par conséquent s’additionnent. Si l’on recoupe chaque demi-morceaux en deux, puis en 100, puis en un million de tronçons, les inductances et capacitances seront divisées d’autant, mais le rapport entre les deux sera toujours le même. Si l’on utilise les bonnes méthodes de calcul, ces deux réactances nous permettront de retrouver l’impédance caractéristique de la ligne de transmission.
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 Un peu de travaux pratiques. Après avoir coupé notre câble en deux, mesuré ses caractéristiques, puis recoupé ce même câble en deux, puis remesuré ses caractéristiques, ajoutons un nouvel élément : un potentiomètre en extrémité de câble. Lancez un balayage (continu) et voyez si vous pouvez voir en quoi se sont transformés les 50 Ohm  du VNWA. Astuce : utilisez le tracé Vswr. Ensuite, mesurez la valeur du potentiomètre… et vous obtiendrez le rapport effectif de transformation. Rien de plus facile que d’adapter des filtres avec cette méthode.
-Le tracé ci-après est celui du balayage d’une ligne de transmission. J’ai relié  un segment ouvert de RG59 aux pinces croco de mon DUT-holder. Maintenant, faites attention aux quatre marqueurs qui ont été posés. Chacun, sur l’abaque de Smith, est situé à 90° par rapport à un autre. Ce 90° correspond à un quart de longueur d’onde. On passe d’une impédance minimale (point 1) à une impédance maximale(3) et, aux deux points intermédiaires (2 et 4), aux environs de 50 Ohm. Chacun de ces points remarquables est situé à un quart de longueur d’onde de distance. Mais l’influence néfaste des pinces croco se fait encore sentir. J’ai donc décidé d’écarter le DUT-holder et d’utiliser un bout de RG58 (spécifié à 50 Ohm), lui-même doté de connecteurs coaxiaux.
+Le tracé ci-après est celui du balayage d’une ligne de transmission. J’ai relié  un segment ouvert de RG59 aux pinces croco de mon DUT-holder. Maintenant, faites attention aux quatre marqueurs qui ont été posés. Chacun, sur l’abaque de Smith, est situé à 90° par rapport à un autre. Ce 90° correspond à un quart de longueur d’onde. On passe d’une impédance minimale (point 1) à une impédance maximale(3) et, aux deux points intermédiaires (2 et 4), aux environs de 50 Ohm. Chacun de ces points remarquables est situé à un quart de longueur d’onde de distance.
-Ce qui donne le tracé ci-dessous, relativement similaire au précédent réalisé avec du câble 75 Ohm. Mais cette fois-ci, la transformation d’impédance s’effectue quasi parfaitement à 50 Ohm. Le tracé de phase (vert) et propre et les transitions franches. Les marqueurs de quart d’onde sont répartis à équidistance les uns des autres le long de ce même tracé de phase (ce qui n’était pas franchement le cas avec la mesure précédente). Les marqueurs placés à lambda/4 et ¾ de lambda sont à 50 Ohm, l’impédance à demi-onde est de plusieurs milliers d’Ohm et coïncide avec la résonance. La répartition de la trace sur la Smith est régulièrement espacée.
+Restons encore un peu sur ce montage et court-circuitons cette fois l’extrémité du câble laissée ouverte jusqu’à présent, puis relançons une mesure. Cette fois, l’impédance la plus élevée se trouve au milieu du tracé de phase. Si l’on regarde attentivement les valeurs des marqueurs, on remarque que les points à 50 Ohm sont toujours situés à la même fréquence, mais ceux étant aux impédances maximales et minimales ont échangé leur position.
-Restons encore un peu sur ce montage et court-circuitons cette fois l’extrémité du câble laissée ouverte jusqu’à présent, puis relançons une mesure. Cette fois, l’impédance la plus élevée se trouve au milieu du tracé de phase. Si l’on regarde attentivement les valeurs des marqueurs, on remarque que les points à 50 Ohm sont toujours situés à la même fréquence, mais ceux étant aux impédances maximales et minimales ont échangé leur position.
+[[File: Etalonnage 21.png|900px|center]]
 ==''' Caractérisation d’un étalon inconnu''' ==

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 Voyons tout d’abord les effets de cette transformation. Précisons, afin de mieux comprendre l’expérience qui va suivre, que cette transformation ne s’opère que lorsque la ligne n’est pas terminée avec son impédance caractéristique. Et, autre détail important (corolaire), elle ne peut jamais ramener la ligne à son impédance caractéristique si celle-ci n’est pas « terminée » -chargée- correctement avec ladite impédance.
 Ci-dessus, nous retrouvons notre bonne vieille charge 75 Ohm. Cette fois, j’ajouté 25 cm de câble coaxial et mon adaptateur SMA/BNC et je n’utilise pas la fonction d’extension de port. C’est très exactement ce qui arrive lorsque l’on étalonne son VNA et que l’on ajoute un tronçon de câble pour mesurer une antenne.  On voit l’impédance tournoyer dans l’abaque de Smith et les traces verte et jaune onduler. On s’aperçoit au passage que l’impédance n’atteint jamais 50 Ohms, bien qu’il y ait plusieurs points de résonance. Et ceci n’est dû qu’à cause de nos 25 cm de câble supplémentaires… que dire des mesures des OM qui mesurent leurs antennes au bout de plusieurs mètres de câble (NdT : sous-entendu sans utiliser la fonction Delay, sans avoir effectué l’étalonnage en extrémité de cette « rallonge » de coax)
 Cette fois, j’ai remplacé les 25 cm de coax par près d’un mètre de câble. On comprend la raison pour laquelle il est important d’avoir un plan de référence. Dans le tracé ci-dessus, il est absolument impossible de deviner que l’on mesure une charge de 75 Ohm

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 Le dernier étalon de la liste –du moins pour ce qui concerne les mesures en réflexion- est le « Short », bouchon ou court-circuit. Il existe bien sur d’autres types d’étalons, notamment capacitifs avec des composants à Q élevé, des associations LC calibrées… mais la description et l’usage de ces étalons complexe sort de ce tutoriel à destination des débutants. OZ7OU a notamment rédigé d’autres articles plus techniques sur le sujet (NdT : ainsi que Paul N2PK et Sam Wetterlin).
 Comme vous pouvez vous en douter, un bouchon n’est pas parfait lui non plus. Il présente une certaine inductance et un décalage du plan de référence. Dans le cas du Short, le signal part avec une amplitude maximale, progresse et atteint le court-circuit. La tension est nulle, le courant qui s’écoule est à son maximum. Un courant qui est deux fois plus important que dans le cas d’usage d’une charge puisqu’il n’est limité que par 50 Ohm et non par 100 (résistance du port TX 50 Ohm en série avec la charge  également de 50 Ohms). Donc l’onde est réfléchie, il n’y a aucune perte de puissance dans un Short de 0 Ohm. Ainsi, les pertes en retour sont de 0 dB. Nous avons informé le VNWA des caractéristiques de notre bouchon puis lancé un étalonnage. Si nous trichons, nous rencontrerons les mêmes problèmes que lorsque nous avons trompé l’étalonnage Open. Ci-dessous, on voit que la trace se situe de l’autre côté de l’abaque de Smith, le long de la périphérie du grand cercle. On peut également voir l’influence de la composante selfique de l’étalon.
 ==''' Calibre “traversant” (ou Through) ''' ==

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 Le problème, en ajoutant ce « femelle-femelle », c’est que nous avons avancé notre plan de référence de quelques millimètres. Il faut donc en informer le VNA, en entrant la valeur -57,9ps dans le champ caractérisant le délai du calibre Open. Le trajet du signal est un peu loin long, il est donc nécessaire d’y soustraire deux fois la longueur de l’adaptateur (une fois pour le trajet aller, une fois pour le trajet retour si l’on souhaite que le plan de référence soit identique à celui de la charge).
 La position de ce plan de référence doit être strictement définie.  C’est une question de transformation d’impédance. On a déjà vu les effets d’un tel déplacement en ajoutant ou supprimant le délai de l’extension de port.
-Ci-dessus, les paramètres de correction du CalKit Amphénol, avec un délai de 57,9 ps correspondant à deux demi-longueurs de l’adaptateur femelle-femelle, délais qui fait coïncider le plan de référence avec le milieu du connecteur « thru ».
+<center> Ci-dessus, les paramètres de correction du CalKit Amphénol, avec un délai de 57,9 ps correspondant à deux demi-longueurs de l’adaptateur femelle-femelle, délais qui fait coïncider le plan de référence avec le milieu du connecteur « thru ».</center>
 Si l’on revient sur le tracé de ce début de sous-chapitre, on peut constater que le résultat n’est pas si catastrophique que ça. L’échelle S11 (bleu ciel) est de 0,1 dB par graduation verticale –ce qui donne l’impression d’avoir un bruit très important passé 900 MHz alors qu’en fait il ne dépasse pas 0,3 dB-, et la trace sur l’abaque de Smith reflète la présence du délais lié au connecteur d’adaptation, comme c’est bien le cas dans la réalité. La trace demeure bien sur la périphérie du cercle (résistance infinie). S’il dépassait cette limite et que la trace se promenait en dehors du cercle, ce serait le signe d’un mauvais étalonnage ou de paramètres de correction erronés.

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	[[File: Etalonnage 8.png\|400px\|right]]		[[File: Etalonnage 8.png\|400px\|right]]

−	La capture ci-dessus montre le tracé d’une charge parfaite, avec de bonnes pertes en retour sur la totalité du spectre balayé et une position bien centrée sur l’abaque de Smith. Les tracés R+jx affichent, comme nous l’avons précisé, 50,01 Ohm et 30 fF.	+	La capture ci-dessus montre le tracé d’une charge parfaite, avec de bonnes pertes en retour sur la totalité du spectre balayé et une position bien centrée sur l’abaque de Smith. Les tracés R+jx affichent, comme nous l’avons précisé, 50,01 Ohm et 30 fF. Cette mesure a été réalisée avec un étalon virtuel "ideal" activé via la fenêtre de dialogue ci-contre.

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 Ci-dessus, la capture d’une charge 50 Ohms après étalonnage et en utilisant les “bons” paramètres complémentaires fournis avec le CalKit. Il s’agit d’un jeu d’étalons SMA Amphenol vendu par SDR-Kits, utilisé sur un VNWA 3. Si nous n’indiquons pas au VNA la valeur de la référence qu’il mesure, nous risquons d’avoir des problèmes. N’oublions pas qu’il est totalement sourd, et qu’in le ne sait comparer quoi que ce soit que par rapport à un 50 Ohm parfait. Et comme le VNA pense qu’il est parfait, il commettra parfaitement des erreurs si ladite référence n’est pas parfaite. N’oublions jamais qu’aussi puissant soit cet appareil, il ne fournira jamais des résultats plus précis que son étalonnage. En outre, l’appareil lui-même est loin d’être parfait. La résistance de charge est affectée par une capacitance et une inductance parasite et ne fait jamais 50 Ohm très exactement. A ceci s’ajoutent les pertes dans les coupleurs et ponts situés en aval du port TX (ou branchés à l’extérieur du VNA sur un N2PK ou MSA par exemple), la non-linéarité des amplificateurs coté émission et coté réception etc. Une grande partie des imperfections –y compris certains bruits- peuvent être corrigés et compensés par le logiciel. Rien de ceci n’est franchement dramatique tant que l’on dit la stricte vérité à notre vnwa. Si je vous dit de couper des bûches de 1 mètre et que je vous fournis une « pige » de mesure qui fait 1,2 mètre, vous serez persuadé avoir coupé des tronçons de 1 mètre. Hélas non… je vous ai menti. C’est pareil dans le cadre d’utilisation d’un VNA. On tente de lui fournir une charge de référence 50 Ohm la plus proche possible de la veritable valeur, et nous lui indiquons, dans le menu « calibration kit », les paramètres précis de ladite charge. Dans notre cas, 50,01 Ohm et 30 fF (femtoFarad). Le logiciel aidé par ces informations, établira une table de correction pour compenser l’effet de ces éléments parasites en fonction de la fréquence. Toutes les imperfections résultantes et prévisibles par calcul, ondes réfléchies, rotations de phase… seront corrigées durant la mesure. Un peu comme si vous appreniez que la pige que je vous ai donné mesurait 1,2 mètre… il vous aurait fallu simplement retrancher 20 cm à la longueur-étalon pour pouvoir scier des bûches de 1 mètres. Les imperfections d’un étalon ne sont donc pas un problème à partir du moment où elles sont connues. Cependant, les capacités d’ajustement et de compensation du logiciel ont des limites, et il est hautement préférable que l’étalon soit le plus près possible de la vérité.
+[[File: Etalonnage 8.png|400px|right]]
 La capture ci-dessus montre le tracé d’une charge parfaite, avec de bonnes pertes en retour sur la totalité du spectre balayé et une position bien centrée sur l’abaque de Smith. Les tracés R+jx affichent, comme nous l’avons précisé, 50,01 Ohm et 30 fF.
 La différence avec les réglages « Calkit idéal » étant donc trop faible pour prouver quoi que ce soit, j’ai décidé d’utiliser une résistance 75 Ohm. Ce qui donne, en paramétrant le VNA avec le « calkit idéal », le tracé ci-dessous. Notez au passage l’inscription Dly dans le coin inférieur gauche qui indique que j’utilise l’extension de port pour que mon plan de référence soit avancé en raison de la présence d’un adaptateur BNC intercalé entre la SMA du câble de mesure et le DUT.