Guides introductifs VNA/VNWA

... à destination des débutants et des curieux.

Pourquoi une telle série d'articles ?

Pour comprendre comment utiliser un analyseur vectoriel en général, et celui mis à disposition par Citron Vert aux membres de l’Electrolab en particulier.

De manière très égoïste surtout, pour que le "tantôt traducteur, tantôt auteur" de ce qui suit -non technicien de formation et de confession- apprenne à se servir de son, de ses instruments. Car que l’on parle du VNWA de DG8SAQ, du VNA de N2PK ou du MSA de Scotty Sprowl, ce sont là des appareils dont le fonctionnement et la pratique ne sont pas d’une évidence folle lorsque l’on n’est pas du métier.

Enfin, parce que cet appareil nous fait découvrir des choses que l’on n’apprend pas forcément dans les cours préparant à la licence Radioamateur. Pourquoi une self est également un condensateur, pourquoi une antenne fonctionne correctement alors qu’elle n’est pas nécessairement à son point de résonance maximum, pourquoi une résistance de 50 Ohms n’est pas toujours à cette valeur, pourquoi la vie, l'univers et le reste, pourquoi 42...

Pourquoi mais également comment. Comment mesurer correctement une résistance, un condensateur, une self, un quartz, un filtre… un balun, un coupleur, une choke, voir même une guirlande de noël ou une cloture à vache coupée "quelque part".

Comment, mais également pourquoi. Pourquoi avons-nous, pour la plupart d’entre nous, acheté, construit un analyseur vectoriel ? généralement parce que nous cherchions, qui un analyseur d’antenne perfectionné (partant du principe de « qui peut le plus peut le moins »), qui un « bidule » universel nous permettant de régler rapidement un filtre passe-bande ou passe-bas, confondant ainsi allègrement les fonctions d’analyse de spectre, d’impédancemètre etc. Bref, des articles destinés à tenter, sans recours aux maths, de chasser les fausses idées et donner quelques notions de base aux usagers non techniciens/électroniciens/ingénieurs radio.

Ce qui suit donc n’est qu’une série d’articles de vulgarisation, dont la plus grande partie a été rédigée en Anglais et en Hollandais par Fred PA4TIM, et traduite en Français par l'équipe de l'Electrolab. Le tout est suivis de quelques autres papiers rédigés par des membres de l’Electrolab, peut-être un peu plus « pratiques », et portant indifféremment soit sur des astuces d’utilisation du VNWA, soit sur des méthodes de montage ou d’usage du N2PK… le MSA ayant, pour sa part, plusieurs centaines de page consacrées à son montage et à son utilisation. Cette base d'article s'enrichira avec le temps. Qui souhaite y contribuer est le bienvenu.

A quoi sert un VNA amateur

Lecteur, mon semblable, mon frère. Toi qui a crû acheter un pseudo analyseur de spectre ou un super « antenna tester», saches que l’objet qui trône sur ton établi fait tout, à l’exception du café. C’est effectivement un analyseur de spectre. Pas terrible s'il s'agit du N2PK ou du VNWA, digne d'un appareil du commerce si l'on parle du MSA. C’est surtout un appareil qui te donne à la fois des informations non seulement sur l’amplitude, la fréquence et l’étalement d’un signal sur une plage de fréquence donnée, mais également des données très précises sur la phase du signal traversant le composant –ou l’ensemble de composants- en cours de test. Et qui dit phase comprend qu’il est également possible d’en extrapoler l’impédance ainsi que toutes les « ances » possibles : inductance, résistance, capacitance, bref, les réactances de tous poils, imaginaires et réelles.

Du coup, un VNA, c’est également

Un géné HF
Un selfmètre de précision
Un milliohmmètre de précision
Un capacimètre de précision
Un fréquencemètre
Un réflectomètre
Un impédancemètre
Un voltmètre vectoriel(delta U et Phi de deux signaux de fréquence identique)
Un analyseur amplitude/fréquence/phase de signal passant dans un ensemble de composants de natures très diverses (un réseau)
Un analyseur d’antenne (impédance, résonance, phase , bande passante, régimes harmoniques.... avec tracé de diagramme de rayonnement horizontal en prime)
Un outil de réglage et d’adaptation d’impédance, y compris pour des filtres à quartz, cavités, saw etc
Un outil capable de trier des quartz en grandes quantités
Le complement indispensable à tout outil de simulation (import et export de données avec Qucs, LTSpice, Elsie ou tout autre logiciel compatible fichier S2P)

Mais aussi, et surtout, un instrument capable de fournir des données totalement incompréhensibles et des résultats absolument loufoques tant que l’on n’a pas compris certaines règles d’usage ou le principe de certaines mesures.

Il serait franchement dommage qu’une trop grande incompréhension de ces principes réduise le VNA à sa fonction la moins efficace, celle de presse papier.

Quel VNA et à quel prix

Depuis l’apparition des DDS monochip, notamment chez Analog Device, le nombre de VNA destinés au marché amateur a considérablement augmenté, mettant à la portée de tous –ou presque- un instrument qui coûte, dans les milieux professionnels, le prix d’une voiture de sport. S’ajoute à ceci la généralisation des ordinateurs personnels. Grâce à eux, une grande partie de la « quincaillerie d’affichage et de traitement » qui représente beaucoup d’électronique et de composants –donc d’argent- peut ainsi être éliminée. La majorité des VNA Amateur se présentent sous la forme d’un boitier à relier sur un port USB d’ordinateur.

Les VNA les plus populaires en Europe

Le VNWA de DG8SAQ, commercialisé aux environs de 450 Euros « nu » (sans kit d’étalonnage, cordon, extensions diverses) sur la boutique en ligne de SDR-Kit. Les toutes premières versions, proposées en kit (passifs en 0603, qfp en 0,5 mil) étaient vendu moitié moins cher… mais la maintenance des montages « ratés » par certains OM constructeurs a contraint l’auteur à se cantonner dans le « tout monté ». C’est, de loin, l’appareil qui possède le logiciel le plus complet et le plus éprouvé. C'est surtout le VNA autour duquel les communautés amateur Allemande, Hollandaise, Danoise et Britannique on le plus écrit de "tutos" et autres articles techniques (OZ7OU, PA4TIM, DG8SAQ...). Il peut recevoir de nombreuses extensions : inverseur de DUT pour la mesure des paramètres S, une tête RF-IV (celle du N2PK, dont la gestion est assurée par le logiciel), un oscillateur de référence –TCXO ou GPS-DO-, DUT-holder divers, kits d’étalonnage etc. La dynamique de l’appareil se situe aux environs de 90 dB, son étendue de mesure couvre de 0,1mHz à 1300 MHz, la plage la plus performante se situant entre 0,1 et 500 MHz.

Le N2PK. Ce n’est ni un kit, ni un appareil « tout monté » (bien que certains OM vendent courageusement des jeux de composants complets). Ivan Makarov VE3IVM propose un circuit imprimé de l’appareil pour une quarantaine de dollars. Le coût total, alimentation, boitiers et accessoires compris, oscille entre 800 et 1200 euros. Plusieurs accessoires peuvent accompagner ce VNA, notamment un atténuateur programmable, une tête RF-IV (mesure des impédances élevée ou faibles), une tête de mesure des paramètres S, un DUT-holder pour quartz et transverters pour analyser des plages UHF ou VHF. La dynamique de l’appareil se situe aux environs de 130 dB, son étendue de mesure couvre de 0,1mHz à 60 MHz, une modification de l’oscillateur peut étendre cette plage de mesure au détriment de la sensibilité. Le N2PK soutient la comparaison avec un HP 3577. Plusieurs logiciels –tous propriétaires- pilotent l’appareil : Le programme du VNWA de DG8SAQ et MyVNA de G8KBB sont parmi les plus populaires (sous Windows)

Le MSA : lui également n’est ni un kit, ni un instrument tout monté. C’est, de loin, l’appareil amateur le plus lourd et le plus complexe de la famille, mais ses performances sont à la hauteur. Son coût de réalisation oscille entre 250 Euros pour une version de base, et 1000 Euros accessoires compris. La version de base se limite à un simple analyseur de spectre de 100kHz à 1 GHz, la version la plus évoluée cumule les fonctions d’analyseur de spectre, d’analyseur scalaire (spectre + générateur de suivi) et analyseur vectoriel. La base matérielle est conçue pour pouvoir piloter une multitude d’accessoires : atténuateurs, inverseur de DUT/mesure des paramètres S, mesure du réfléchi etc. Une description complète est disponible sur ce Wiki Projets:Lab:2011:SA-Scotty. La dynamique de l’appareil se situe aux environs de 110 à 130 dB, son étendue de mesure couvre de 100kHz à 3 GHz en trois plage de 1 GHz. Côté logiciel, il est possible d’utiliser soit MyVNA de G8KBB, soit une vieille version en Basic semi-compilé (MSA.exe), soit encore le portage de cette même application en Python (MSAPy, compatible donc Windows, Linux, OSX, Android etc).

le Mini-VNA. C’est l’appareil le plus populaire en Europe, ayant été l’un des moins chers de sa génération au début des années 2000. La dynamique annoncée était de 50 dB pour une plage de fréquence couvrant environ de 1 à 150 MHz dans les premières versions, 70 dB et 1 à 3000 MHz pour les modèles contemporains (attention aux petites annonces, un même nom cache des appareils totalement différents) . Son prix gravite aux environs de 430 Euros chez son importateur Européen Wimo. Le logiciel, initialement sous Windows, a été en Java par DL2SBA . La richesse fonctionnelle du programme y est moins poussée si l’on compare cet outil au VNWA. L’argument commercial majeur est que cet appareil est totalement autonome –alimentation par batterie, liaison avec l’ordinateur via une clef Bluetooth optionnelle- et peut donc être posé en tête de mât pour mesurer une antenne sans les composantes parasites de la ligne de transmission. C’est un faux argument, tout VNA peut prendre en compte la présence dudit câble, soit par étalonnage préalable, soit par ajout d’un délai correspondant au décalage du plan de référence (voir ci-après, chapitre « étalonnage »

Les accessoires et complements du VNA

Organisation des articles

A cette page principale est inféodée toute une série d'articles, débutant par la série de PA4TIM. Chaque article peut être lu indépendamment des autres, mais il est vivement conseillé de respecter l’ordre de lecture, surtout si l’on est un béotien. Il est également indispensable de suivre chaque article avec un analyseur sous la main, afin de reproduire les « TP » au fil de la lecture.

La progression technique des articles va croissant. Une fois les 7 premiers thèmes de fond compris (les résistances, les condensateurs, les inductances, les circuits LC, le Q, les tuners, les antennes), on peut « picorer » à droite et à gauche en fonction de l’intérêt que chacun portera à un titre ou à un autre. Les « prérequis » seront considérés comme maitrisés, les notions de base de seront pas répétées.

Les tutoriels de PA4TIM

Chaque tutoriel est disponible en deux versions : une édition au format pdf, à télécharger, et une version en ligne, directement accessible. Est-il utile de préciser que leur lecture doit s'accompagner de travaux pratiques visant au moins à répéter les exemples fournis par l'auteur.

Les versions en ligne sont accessibles via les liens suivants :