Essai de l'analyseur de réseau vectoriel NanoVNA V2

Qu'est-ce que le NanoVNA V2 ?

Un analyseur de réseau vectoriel (VNA) se compose d'un générateur haute fréquence accordable et d'un récepteur accordé de manière synchrone. Le récepteur mesure l'amplitude et la phase du signal en chaque point. Cela permet de mesurer la partie réelle du signal et la partie imaginaire, ou l'amplitude et l'angle de phase, qui peuvent être représentés ensemble comme un vecteur, d'où le « V » de VNA. Le terme « réseau » désigne tout circuit composé de résistances, de condensateurs et d'inductances. Le VNA possède deux ports, une sortie et une entrée. Vous pouvez placer, par exemple, un filtre passe-bande entre les deux pour mesurer sa réponse en fréquence.

J'ai vu un tel appareil pour la première fois il y a de nombreuses années lorsque j'ai rendu visite à un ami qui travaillait comme technicien RF dans une tour de transmission TV. Il avait un vieil appareil chez lui, car son lieu de travail en avait acquis un plus récent. Il s'agissait d'une énorme et lourde boîte remplie de tubes. À l'époque, je n'étais pas convaincu de son utilité. Nous voulions construire un circuit résonant pour une fréquence spécifique dans la gamme des ondes courtes afin de recevoir un émetteur DRM. Les ports du VNA ayant une impédance de 50 Ω, nous avons dû ajouter des enroulements de couplage au circuit résonant. Nous avons réussi à le faire, mais j'ai trouvé que c'était trop d'efforts. Je préférais utiliser un dip-mètre ou estimer le nombre de tours de la bobine et affiner le réglage à l'aide du noyau plongeur.

Le NanoVNA V2 compact

Aujourd'hui, il existe des appareils petits, compacts et abordables comme le NanoVNA V2, qui présentent d'excellentes caractéristiques. J'en suis venu à apprécier les avantages d'un tel appareil. Cependant, le voyage n'a pas été facile, car j'ai d'abord trouvé l'écran et de nombreuses fonctions de menu très déroutants. Je n'ai pas encore tout compris, mais j'ai trouvé un logiciel qui me permet de tout contrôler à partir de mon PC : VNA View.
 

Tout d'abord, vous devez connecter le câble USB et sélectionner le port COM approprié dans le menu Device. Une fois la connexion établie, l'écran du NanoVNA V2 s'éteint et affiche le message USB MODE.

Mesures pratiques

La première mesure pratique a consisté à examiner un petit modèle d'antenne UHF. Les paramètres de balayage ont été réglés pour la plage de mesure de 300 MHz à 3000 MHz avec 450 points de mesure.

Avant chaque mesure, l'appareil doit être étalonné en utilisant les câbles de connexion exacts prévus pour la mesure. Chaque câble possède une capacité et une inductance qui sont prises en compte lors de l'étalonnage. En général, vous utilisez les câbles coaxiaux fournis avec des connecteurs SMA. L'antenne doit être directement connectée à l'un des deux câbles de connexion bleus semi-rigides. Le NanoVNA a donc été calibré avec ce câble. Il y a trois embouts pour les trois conditions : court-circuit, circuit ouvert et charge de 50 Ω. Cliquer sur Clear Measurements (effacer les mesures) pour effacer l'ancien étalonnage. Ensuite, fixez le capuchon de court-circuit et cliquez sur Short (court-circuit). La mesure est relativement longue en raison du grand nombre de points de mesure. Une fois la mesure terminée, le bouton Short devient bleu. Le même processus est répété pour le circuit ouvert (Open) et la charge de 50 Ω (Load). Lorsque les trois champs sont bleus, l'étalonnage est terminé. Il suffit de cliquer sur Apply pour qu'il soit pris en compte lors des mesures suivantes.

Mesure d'antennes avec le NanoVNA

L'antenne peut maintenant être fixée. Dans ce cas, elle se compose d'un plan de masse et de deux radiales inclinées vers le bas. Le tout a été fabriqué à partir d'un fil de cuivre argenté de 0,6 mm d'épaisseur. Le radiateur quart d'onde et les deux radiales mesuraient exactement 10 cm de long. On peut donc s'attendre à une longueur d'onde de 40 cm et à une fréquence de 750 MHz.
 

La mesure montre en effet une forte résonance à 739 MHz. L'impédance du point d'alimentation est commodément proche de 50 Ω. Quelques petites expériences ont démontré que cette impédance peut être ajustée en changeant l'angle des deux radiales. Il est facile d'obtenir une correspondance exacte de 50 Ω.

La mesure montre également une deuxième résonance à environ trois fois la fréquence, la résonance à trois quarts de longueur d'onde, à 2272 MHz. Ici, l'impédance est d'environ 97 Ω.

Il est possible de raccourcir l'antenne pour atteindre une fréquence plus élevée. Il s'agit d'une procédure courante chez les radioamateurs : au départ, l'antenne est légèrement trop longue, puis elle est progressivement raccourcie jusqu'à ce que la résonance soit à la fréquence souhaitée. Les mesures d'antennes sont l'une des applications les plus fréquentes du NanoVNA, mais il peut faire bien plus.

Mesure des composants

Étant donné que je m'intéresse particulièrement aux ondes courtes, j'ai réglé la gamme de fréquences sur 1 MHz à 30 MHz pour les mesures suivantes. J'ai également défini 500 points de mesure. C'est beaucoup et cela donne une bonne résolution, mais aussi des mesures relativement lentes. La puissance de sortie du générateur a été réglée à -20 dBm.

 

Pour mes expériences, j'ai fabriqué un câble coaxial avec deux pinces crocodiles aux extrémités, les extrémités libres ne mesurant qu'environ 5 cm de long. Jusqu'à 30 MHz, cette configuration fonctionne bien car les connexions sont beaucoup plus courtes que le quart de longueur d'onde de 2,5 m à 30 MHz. Les inductances supplémentaires des connexions affectent la mesure, c'est pourquoi l'étalonnage doit être effectué avec ce câble. Pour les câbles SMA standard, il existe trois capuchons d'extrémité pour le court-circuit, le circuit ouvert et la charge de 50 Ω. Cependant, avec un câble personnalisé, je ne peux pas les utiliser.
 

Si un étalonnage a déjà été effectué, les trois champs Short, Open et Load apparaissent en bleu. Cliquez d'abord sur Clear Measurements pour supprimer l'ancien étalonnage. Les trois champs deviennent blancs. Créez ensuite un court-circuit à l'extrémité du câble de test, dans ce cas en connectant les deux pinces crocodiles. Cliquez sur Short. L'appareil passe par tous les points de mesure et enregistre les résultats pour la condition de court-circuit. Lorsqu'il a terminé, le bouton Short redevient bleu. Ouvrez ensuite la connexion, cliquez sur Open et attendez que ce champ devienne également bleu. Enfin, fixez une résistance de 50 Ω (51 Ω ou deux résistances de 100 Ω en parallèle fonctionneront également), cliquez sur Load et attendez que ce champ devienne bleu. Cliquez ensuite sur Apply pour que ce calibrage soit effectif pour les mesures suivantes.

J'ai utilisé uniquement le port CH0, comme pour la mesure d'antenne UHF, pour effectuer des mesures S11, c'est-à-dire mesurer l'impédance complexe de composants ou d'antennes. Cependant, le signal sur CH2 est toujours affiché en rouge. Habituellement, vous voyez ici le bruit de fond à -70 dB. En réduisant la plage de mesure, le canal bleu CH0 devient plus visible et le canal rouge n'interfère plus. Sous View/Graph Limits, j'ai sélectionné -30 dB à +20 dB avec cinq divisions.

 

Les mesures proprement dites commencent maintenant. En utilisant la même résistance que celle que j'ai utilisée pour l'étalonnage, je vois un point situé exactement au centre de l'abaque de Smith. Le diagramme de droite, mag(S11), montre la puissance réfléchie à environ -30 dB, ce qui indique une adaptation presque parfaite. Après un fonctionnement prolongé, l'étalonnage peut se décaler légèrement. Par conséquent, à 1 MHz, je peux maintenant lire une valeur de résistance de 53 Ω. La capacité parallèle mesurée de 3,5 pF est négligeable.
 

Une résistance à film de carbone de 100 Ω a été mesurée à 99,79 Ω. L'abaque de Smith montre un point sur la ligne médiane, indiquant que toute capacité ou inductance est négligeable. L'affaiblissement de retour est constant sur toute la gamme de fréquences.
 

Pour mieux se familiariser avec les mesures, il est utile de commencer par des objets bien définis. Ainsi, une résistance de 51 Ω a été connectée en parallèle avec un condensateur de 220 pF. L'abaque de Smith montre une ligne courbe. Le fait qu'elle se situe en dessous de la ligne médiane indique une composante capacitive. Le diagramme de droite montre que la puissance réfléchie augmente avec la fréquence. Mathématiquement, la réactance capacitive du condensateur à 14,5 MHz est exactement de 50 Ω. À cette fréquence de coupure, la perte de retour est de 6 dB. Cette fréquence a été réglée à l'aide du curseur situé en bas de l'écran. Elle montre que les composantes réelles et imaginaires de l'impédance sont d'une ampleur similaire et que la capacité, à 240 pF, est légèrement supérieure à celle spécifiée.

 

Pour examiner un condensateur variable, on l'a tourné vers la capacité maximale, qui a été mesurée à 258 pF. L'abaque de Smith montre un segment circulaire situé sur le cercle des unités. De légères déviations vers l'extérieur indiquent qu'un nouvel étalonnage est nécessaire. La perte de retour est de 0 dB, ce qui signifie qu'aucune perte n'a été mesurée dans le condensateur variable.
 

Une résistance de puissance en céramique de 91 Ω, 10 W présente une forte composante inductive car elle contient une résistance en fil enroulé. Cette « bobine » a évidemment une inductance, mesurée à 3,6 µH. La courbe du diagramme de Smith se trouve entièrement dans la moitié supérieure. Il est donc clair que cette résistance n'est pas adaptée aux hautes fréquences.

 

En revanche, une résistance de puissance plus petite de 68 Ω, 5 W, n'a montré aucune inductance. Elle peut être utilisée comme charge fictive pour les petits amplificateurs de puissance HF jusqu'à 30 MHz. Cependant, j'ai déjà une charge fictive faite maison à partir de 24 résistances à film de carbone de 1,2 kΩ, 1 W, connectées en parallèle. J'ai également mesuré cette charge, et elle a passé le test : 50 Ω lisse sans réactance jusqu'à 30 MHz.

Une petite inductance d'une valeur nominale de 1,1 µH a été mesurée à 1,04 µH à 1 MHz. La résistance de perte en série est d'environ 4 Ω à 1 MHz mais passe à 16 Ω à 30 MHz. Les pertes sont évidentes du fait que la courbe de mesure de l'abaque de Smith se situe clairement à l'intérieur du cercle unitaire.

 

J'utilise souvent de simples bobines à air dans les filtres passe-bas. Dix tours de fil de cuivre émaillé de 0,2 mm avec un diamètre de bobine de 5 mm devraient donner environ 0,5 µH. La dernière spire est également utilisée pour lier le faisceau. Il est clair que cette conception entraîne des pertes plus importantes. Mais je peux enfin mesurer l'importance de ces pertes.
 

Avec 495 nH, il s'en rapproche beaucoup. Cependant, à 30 MHz, je vois déjà une résistance de perte en série de 10 Ω. A 7 MHz, elle n'est que de 5 Ω. En estimant grossièrement, un tel filtre apporte des pertes d'environ 10%. C'est quelque chose que je n'aurais pas découvert avec mes méthodes de mesure précédentes. Le VNA prouve sa valeur !
 

Le NanoVNA peut également examiner les câbles. Un câble spiralé de 50 Ω a été connecté à une extrémité et laissé ouvert à l'autre. La mesure montre une capacité à l'extrémité inférieure et une inductance à l'extrémité supérieure. À 21,57 MHz, la courbe de l'abaque de Smith croise la ligne centrale neutre. Cela indique la résonance quart d'onde. La longueur électrique du câble est donc de 3,48 m. Cependant, la longueur mécanique n'était que de 2,95 m. Le rapport permet de calculer un facteur de vitesse de 0,86, ce qui signifie que les ondes se déplacent dans le câble à 86% de la vitesse de la lumière.