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Introduction à l’analyse vectorielle : Chapitre 6, Les Tuners, Les Boites d'Accord

Parce que la plupart des utilisateurs de VNWA (et autres analyseurs vectoriels) sont également des radioamateurs, j’ai décidé de consacrer quelques chapitres spécifiques aux mesures relevant de ce domaine, et, pour commencer, aux boites d’accord. Mais n’ayez pas d’inquiétude : une boite d’accord est simplement un adaptateur d’impédance. Si vous utilisez un inducteur et un condensateur entre un filtre et un mélangeur dans le but de les raccorder, vous pouvez dire que vous utilisez un « tuner » ou boite d’accord.

Ce que nous demandons à un tel circuit :

• Adapter les impédances, parfois sur une plage de fréquence la plus large possible, parfois sur une fréquence fixe et précise
• Ne pas présenter de trop fortes pertes de transmission, afin de ne pas perdre de puissance de signal dans le circuit
• Remplir parfois une fonction de filtrage, comme par exemple être « en plus » un filtre passe-bas

Comment est construit un tuner ?

Sous sa forme la plus simple, il s’agit d’un inducteur et d’une capa. L’un est monté en parallèle (shunt), l’autre en série.

Ci-dessus, l’abaque de Smith d’un tuner LC. Le point jaune représente la charge, une antenne par exemple. Sur ce graphique, il est situé à 120+j45 ohm, à 10MHz. Le point rouge est le générateur, à 50+j0 ohm. L’inductance série décrit un cercle d’impédance constante, la capacité shunt suis un trajet le long de la ligne des admittances en direction de la charge. C’est ce qui est vu depuis le générateur en direction de la charge. Il s’agit là d’un simple tuner LT, appelé ainsi parce que ses deux composants constitutifs sont disposés en “L”. Le condensateur est du côté de la charge parce que la charge est élevée. Si la charge était plus faible, par exemple 10-j45, nous aurions dû placer le condensateur du coté du générateur, puisqu’il représenterait la charge la plus élevée du circuit. Il en résulte l’image suivante :

Le point jaune représente toujours la charge, et la ligne bleu la capacité shunt, suivant la courbe des admittances. La ligne rouge est celle de l’inductance qui suit le cercle des impédances. L’inducteur présente à peu près toujours la même valeur car sa partie imaginaire ne change quasiment pas ; l’impédance et constante. La capa shunt, en revanche, modifie l’impédance. C’est pourquoi la courbe qui la représente change en valeur et en position.

Dans le monde Amateur, la plupart des utilisateurs utilisent des tuners en T (pas parce que ce sont les meilleurs). Deux capas en série et une inductance shunt au centre du montage. Il existe une multitude de manière de combiner ces différents éléments pour transformer une impédance. Le tracé ci-après est celui d’un tuner en T

Ci-après, d’autres dispositions possibles de L et de C dans un tuner

Reste à savoir lequel conviendra le mieux à nos besoins et comment le tester. Il se raconte beaucoup d’histoires à propos des tuners. Nous allons chercher à en extraire ce qui est vrai et tenter d’en tirer des enseignements pratiques. Tout d’abord, penchons-nous sur l’action du tuner, sur ce qu’il fait réellement. Les graphiques ci-avant ont été réalisés à fréquence constante, en modifiant les caractéristiques d’un élément.

Mais notre VNA peut faire varier la fréquence de test et nous pouvons manuellement modifier la valeur des composants (en changeant de composant ou utilisant des condensateurs et self variable), afin de constater les effets que cela produit.

Exercice pratique : antenne virtuelle et boite d'accord sur mesure

Tout d’abord, nous allons fabriquer une charge d’impédance complexe, autrement appelée « antenne artificielle ». Prenez une chute de pcb et soudez-y ue inductance série –ce sera le fil de notre antenne- suivi par une capa shunt (la capacitance de l’antenne par rapport à la terre) qui elle-même sera prolongée par une résistance (qui simulera la résistance de terre d’un monopole). Ne vous souciez pas des composantes parasites, le tuner s’en chargera. J’ai utilisé une self de 3,7 uH, un condensateur de 150 pf et une résistance de 12 ohms, mais vous pouvez prendre ce que vous avez sous la main, en vous aidant de l’abaque de smith d’un programme de simulation ou d’une calculatrice afin de tomber à peu près sur les valeurs que vous recherchez.

Nous allons fabriquer un tuner pour cette antenne, mais cela ne va pas être simple. Nous allons tout d’abord avoir besoin d’une bobine de valeur variable (un variomètre ou une self à roulette) ainsi que d’un condensateur variable. Le premier composant des deux n’est pas très courant. On le remplacera par un mandrin à noyau ferrite réglable, ça suffira amplement pour nos tests. La valeur de l’inductance dépendra de l’AL du type de ferrite, du diamètre du mandrin et du nombre de tours. La valeur de l’inductance dépends des valeurs de votre « l’antenne ». Nous allons donc commencer à mesurer tout ça.

J’ai pris une section du spectre un peu au hasard, dans une portion comprenant un léger creux –plus précisément entre 30 et 50 MHz. A ces fréquences, les valeurs des composants seront relativement faibles. L’antenne présente un SWR de 5,48, et notre tuner aura la tâche facile. Notre antenne ainsi créé présente une impédance de 165-j130 ohm à 40MHz.Notre tuner doit donc présenter une inductance série faible et une capacité shunt située du coté de l’antenne. Passons-le d’abord à la simulation

Ce qui nous done environ 20pF et 400nH.

Mais la construction de notre tuner va ajouter quelques composantes parasites et nous aurons probablement besoin d’un peu moins de capacitance et d’inductance.

Pour ce test, j’ai simplement utilisé l’étalonnage principal (master cal). Mais si vous souhaitez vraiment connaitre de manière précise tous les paramètres, il est souhaitable d’effectuer un étalonnage limité de 30 à 50 MHz. Le plan de référence sera l’extrémité de votre câble, car la prise en compte du support de test –DUT holder- n’est pas importante. Votre tuner, dans le monde réel, sera lui aussi monté sur un morceau de pcb ou autre matériau qui influencera légèrement la mesure.

L’inductance est montée en pont entre les deux extrémités de piste du DUT holder, et compte 6 ou 7 tours de fil sur un mandrin à ferrite. Le VNA est connecté à droite, l’antenne à gauche. Gardez en mémoire que le petit bout de câble reliant le tuner à l’entrée de l’antenne joue légèrement sur l’impédance. Tentez d’utiliser différentes longueurs pour voir dans quelle proportion. Ce genre de détail est à prendre en compte lorsqu’un câble de grande longueur est installé entre l’antenne et le tuner. Donc, effectuer des mesures au pied du mat d’antenne, puis utiliser ces données pour réaliser un tuner, puis relier ledit tuner par la suite avec 20 mètres de coaxial affectera nécessairement les résultats.

Réglez le VNA avec une fréquence de balayage pas trop lente, et modifiez la valeur des composant jusqu’à ce que vous obteniez un VSWR de 1. Posez un marqueur sur 40 MHz pour voir dans quelle direction vous allez sur l’abaque de Smith. C’est fait ? C’est sympa, pas vrais ? Vous voyez la trace sur l’abaque de Smith décrire un cercle en direction du centre, l’action de la bobine faisant varier ce cerle de bas en haut pour corriger la part imaginaire, et l’action de la capa déplaçant le marqueur sur le cercle de gauche à droite pour modifier la partie réelle. Maintenant, votre courbe doit ressembler à celle ci-dessous.

Nous avons -29 dB de pertes en retour, ce qui nous donne un VSWR de 1.07. Un accord presque parfait. Mais n’y aurait-il pas un problème ? nous avons tous entendu parler de tuners consommant toute la puissance de sortie… Or, nous n’avons fait que mesurer les pertes. Connectons maintenant le VNA sur l’entrée et la sortie de notre tuner et lançons un balayage. Les résultats que nous avons obtenus jusqu’à présent sont inutilisables. Nous avons totalement oublié notre charge et notre système et totalement désaccordé. Heureusement, notre VNWA possède une fonction très pratique que nous avons déjà utilisé : le calculateur d’adaptation d’impédance (matching tool).

Nous devons tout d’abord réaliser une mesure « deux ports » (S21/S12, ndt). Puis nous lançons l’outil d’adaptation et indiquons la valeur de notre charge –dans mon cas, 150 Ohm et -32 pf, car le câble de liaison n’est plus présent. Si vous utilisez ce câble, vous verrez que vous devrez utiliser les mêmes valeurs que celles mesurées auparavant. Deux traces se dessineront, qui se rejoindront par le milieu pour montrer le point d’accord.

L’écran suivant donne la valeur de S21. Cette capture fournit les bonnes mesures et indications (l’écran précédent, simplement photographié, n’est là que pour montrer le pop-up de l’outil d’adaptation d’impédance). Cette fois, vous pouvez constater que les pertes de transmission du tuner sont de 0,17 dB. Vous pouvez effectuer une vérification en lançant un balayage avec les câbles reliés, sans le tuner au milieu. La mesure doit friser les 0dB.

Dans le cas présent, si nous transmettons 100 W, les pertes dans le tuner ne dépasseraient pas 4W. Je parie que vous perdrez bien plus dans le câble de liaison d’antenne.

Avec cette méthode, vous pouvez tester un véritable tuner commercial ou de fabrication maison. L’expérience suivant a été réalisée avec un tuner MFJ en « T ». Il est couplé à mon antenne verticale et accordé pour une fréquence de 9,36 MHz. Pourquoi cette fréquence ? Et pourquoi pas !

Il faisait chaud, j’étais frappé par une flemme colossale… donc un accord au hasard a donné cette résonance.

… mais également parce que ma verticale résone sur presque toutes les fréquences radioamateur situées au-dessus de 40m. Il me fallait trouver une impédance telle qu’elle puisse faire travailler mon tuner Maintenant que le tuner est réglé, nous allons le tester de la même manière que précédemment.

Voilà à quoi ressemble ma verticale sans le tuner et à cette fréquence. Le VSWR est de 8. Pas franchement terrible, mais largement trop élevé pour qu’un tuner intégré à un émetteur puisse le rattraper

Cette fois, c’est le tuner que l’on mesure (VNA connecté à l’entrée et à la sortie), avec l’outil d’adaptation d’impédance qui nous donne une perte de 1,33 dB

Avec cette méthode, il est possible de mesurer l’efficacité de n’importe quel tuner. Cela ne veut pas dire que le MFJ va toujours présenter une telle perte, mais que la perte est de 1,3 dB à cette fréquence pour cette antenne précisément. L’article suivant de la série traite précisément de ce sujet et de la manière d’employer un tuner.

A propos des tuners symétriques

Ceux-ci sont plus complexes, mais leur étude n’est pas impossible. 

La principale difficulté est que les masses des deux connecteurs de sortie utilisent le même GND. De ce fait, le signal contourne le circuit GND de notre tuner. J’ai dessiné un schéma pour que tout ça soit plus clair. Un tuner normal n’offre qu’une seule sortie par connecteur. Ce n’est pas le cas d’un tuner symétrique. En revanche, notre VNA ne possède lui aussi qu’une seule sortie par connecteur. Mesurer en insérant un balun n’est pas une option. En revanche, rien n’interdit d’effectuer une mesure « 3 ports ».

Un tuner symétrique se mesure comme un composant à 3 ports avec une masse commune. Durant la mesure, chaque port inutilisé doit être terminé par un bouchon 50 Ohm reliant la sortie et la masse. Ce genre de tuner possède trois « points chauds » : une entrée en direction du TX/RX, et deux sorties à destination d’une ligne ouverte (les deux brins d’un dipole). L’entrée, qui ne possède qu’un seul port de sortie, possède sa propre terre. Les deux autres sorties n’ont pas de liaison de terre. C’est la terre du connecteur d’entrée qui servira de référence et de terre commune aux trois ports. On connecte à chaque fois le port inutilisé à GND via une 50 Ohm durant chaque phase de la mesure « 3 ports ». Je ne m’étendrais pas plus avant sur ce sujet, le fichier d’aide du VNWA contient un bon tutoriel sur cette méthode. Les tracés obtenus avec cette technique ne sont guères différents que ceux fournis par un tuner « simple sortie » deux ports assymétriques.

Une boîte d'accord en reception ?

Certaines personnes discutent de l’utilité d’un tuner en réception. Grâce à notre VNA, ce genre de question peut aisément trouver une réponse.

J’utilise toujours le même tuner MFJ, et la fonction Analyseur de Spectre sera parfaite pour ce genre de mesure. Je connecte ma verticale à l’analyseur (port 2, trace S21), choisi une largeur de balayage et sélectionne un filtre (RBW) d’une largeur de 2500 Hz. Un premier contrôle sur le niveau de bruit aux environs de -100 dB, pas de « pics » anormaux qui auraient nécessité des comparaison ardues. Le niveau de référence est à -20 dB.

TRES IMPORTANT : coupler votre VNA directement à l’antenne comme je l’ai fait n’est absolument pas prudent. Sur de grandes antennes peuvent se développer des charges statiques élevée qu’il ne serait pas bon de voir se décharger dans votre appareil de mesure. Donc avant toute mesure, déchargez votre antenne par un court-circuit franc à la terre. Utilisez si possible un coupleur ou un atténuateur. Le chapitre suivant qui traite des antennes détaille plus avant de ces mesures de sécurité.

Voici le premier balayage obtenu. Je n’ai pas utilisé de tuner dans ce cas. On peut voir des signaux présents sur la totalité du spectre. Le niveau de bruit se situe dans la zone des 100 dB. Voyons maintenant les effets du tuner.

La première chose que nous remarquons est que le niveau de bruit se situe désormais à -110 dB, soit 10 dB de mieux que précédemment, mais il nous faut noter que le plancher de bruit de l’analyseur est également de 110 dB. Donc le gain pourrait être plus important. Si vous regardez le début de bande, vous pouvez constater que toutes les stations AM de radiodiffusion ont disparu. Comme l’amplitude des autres signaux est difficile à évaluer sur une image statique –un signal SSB ou AM peut varier en amplitude-, je vais utiliser une autre méthode de mesure. Vous remarquerez que le marqueur (signal central) est d’une amplitude comparable à celle mesurée sans tuner. Les signaux « désirés » ne sont donc pas atténués.

Pour tester l’atténuation d’un signal désifé, j’ai injecté un signal de 0 dBm dans une autre antenne, un dipole. J’ai réduit le spectre analysé à 1 MHz pour mieux voir le signal. Cette mesure est effectuée avec le tuner et atteint -38,86 dB

Cette fois, la mesure est réalisée sans le tuner. Le signal étalon culmine désormais à -43,23 dB, soit 3 dB de pertes. Souvenez-vous que 3 dB correspond à la moitié de la puissance !

Cette fois, la largeur de spectre est de 100 kHz. La trace bleu est celle d’une mesure avec tuner, la rouge –mise en mémoire- est sans tuner. Comme vous pouvez voir, utiliser un tuner d’antenne en réception n’est pas un mauvais choix. C’est même plutôt bénéfique. Il est préférable de mesurer plutôt que d’ergoter sans fin sur ce genre de choses, la plupart du temps avec des arguments du genre « j’ai contacté des DX rares avec cette antenne, donc ça doit fonctionner pour tout le monde » ou, pis encore, « c’est vrai parce que j’ai décroché ma licence avant même que vous soyez né ».

Peu importe que d’autres radioamateurs ne vous croient pas, tant que vous, vous avez appris et savez.

Fred PA4TIM

L’original de ce texte est disponible à l’adresse

http://www.pa4tim.nl/wp-content/uploads/2010/11/VNA_hfst6_tuners.pdf

L’intégralité du didacticiel est accessible à l’adresse

http://www.pa4tim.nl/?p=1594

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