Mesures avec VNA.

Quels paramètres peut-on mesurer avec un analyseur de réseaux vectoriel ?

  • Les analyseurs de réseaux vectoriel (VNA pour Vector Network Analyzer) sont des instruments de mesure couramment utilisés dans le domaine des radiofréquences (RF) aussi bien sur des sites de fabrication et de maintenance que des laboratoires.
  • Ces instruments polyvalents sont employés pour caractériser les composants RF, les câbles et les antennes.
  • Pour effectuer une mesure, un signal est transmis au dispositif à tester (DUT pour Device Under Test) et l’analyseur de réseaux vectoriel (VNA) mesure la réponse de ce dispositif.
  • Contrairement aux analyseurs de réseaux scalaires (SNA) qui ne mesurent que l’amplitude du signal de retour, les VNA mesurent également sa phase. Ainsi, contrairement à un SNA, le VNA, instrument plus sophistiqué, peut vérifier le déphasage en fonction de la fréquence, ainsi que le gain d’un amplificateur sur une bande passante donnée.
  • Un analyseur de réseaux vectoriel est utilisé notamment pour mesurer des paramètres de transmission, la diaphonie, la localisation de défaut (DTF). 
  • Un analyseur de réseaux vectoriel peut également être employé pour mesurer la directivité d’une antenne ou les propriétés de matériaux diélectriques.
  • Grâce aux bibliothèques SCPI et VISA des interfaces de programmation d’application (API pour Application Programming Interface) définies et au pilotage en C++, C#, Python ou Matlab, il est possible de mettre en œuvre des solutions de mesure personnalisées, au-delà de celles fournies par le fabricant de l’instrument.

 

Auteur : Pavol Polacek, Anritsu.

 

Types d’analyseur de réseaux vectoriel (VNA)

Les VNA de laboratoire, comme le VectorStar d’Anritsu, disposent d’un écran intégré, d’une interface utilisateur à touches ou à écran tactile, et offrent la possibilité de faire tourner un logiciel embarqué sur l’appareil. Ils conviennent aux applications en laboratoire pour notamment modélisation de composants. Ils peuvent pêcher par leur leur taille, leur poids et leur prix relativement élevé.

D’autres types de VNA sont plus adaptés au test sur le terrain. Alimentés par batterie, comme le VNA Master d’Anritsu, ils disposent également d’un écran intégré et de boutons de commande. Ils peuvent parfois être associés à un analyseur de spectre pour obtenir une solution de test terrain tout-en-un.

Le troisième type de VNA, comme ceux de la famille Anritsu Shockline, ne possèdent ni écran ni clavier. Piloté par un PC externe ou une tablette via un logiciel de contrôle approprié, ils sont plus adaptés aux campagne de mesures sur le terrain. Sans écran ni face-avant de contrôle, ces instruments modulaires sont plus légers, plus compacts, plus robustes et moins coûteux qu’un appareil de laboratoire ou portable tout-en-un.

module analyseur vectoriel ShockLine MS46131A d’Anritsu
Figure 1 : Le MS46131A est un VNA modulaire compact (19,18 x 10,7 x 5,4 cm) piloté par USB de la famille de VNA Anritsu Shockline. Il ne dispose que d’un seul port et couvre une gamme de fréquences de 1 MHz à 43,5 GHz.

Bien que ce troisième type d’appareil peut sembler moins sophistiqué, il offre néamoins une plus grande souplesse d’utilisation, grâce à son interface de commande et à l’utilisation d’API prédéfinies et de logiciels spécialisés personnalisables.

Contrôle de VNA personnalisé grâce au bibliothèques SCPI et VISA
Les VNA peuvent être commandés par plusieurs API ou pilotes, mais les plus courants sont SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments) et VISA (Virtual Instrument Software Architecture).

Ces API très utilisées dans l’industrie et bien définies permettent de créer des logiciels de commande sur mesure pour les VNA. Le SCPI permet un accès aux fonctions d’un VNA à un niveau bas, à la fois plus rapide et moins lourd, mais nécessite la mise en place d’un contrôle d’erreurs et d’un formatage. VISA, de son côté, offre un meilleur confort aux utilisateurs en assurant une vérification d’erreur de base et un formatage, mais peut s’avérer plus lent et plus lourd.

La souplesse du VNA tient à ses capacités de mesure et à son logiciel de commande. Le logiciel de commande peut être écrit dans différents langages de programmation comme C++, C#, Python ou Matlab, qui peuvent communiquer avec le VNA par le biais d’interfaces GPIB, USB ou Ethernet.

Mesures couramment réalisées avec un analyseur de réseaux vectoriel (VNA)

Les analyseurs de réseaux vectoriel (VNA) peuvent servir à caractériser de nombreux composants tels que des systèmes d’antennes complets ou des filtres passe-bande. Leur utilisation la plus courante reste cependant la mesure de composants RF ou hyperfréquence, comme des câbles, des connecteurs ou des antennes, et également des circuits imprimés lors de leur phase de conception. Grâce à la connaissance des caractéristiques d’amplitude et de phase d’un composant, il est possible de dresser un tableau complet de son comportement. Par exemple, l’un des paramètres les plus importants d’un amplificateur est le gain sur une bande de fréquences donnée, mais une variation non linéaire de la phase sur toute la bande passante peut provoquer une distorsion des signaux à large bande, ce qui doit donc être attentivement évalué.

Voici quelques exemples d’applications possibles :

Paramètres de transmission
Le coefficient de transmission caractérise la façon dont le signal d’entrée change en passant par le DUT (Device Under Test, ou dispositif testé). Si l’amplitude de la tension transmise est inférieure à celle de la tension d’entrée, le DUT présente une perte d’insertion, et si l’amplitude est supérieure, il présente un gain. La partie phase de la mesure est appelée phase d’insertion. Pour chaque signal composé de plusieurs fréquences porteuses, il est important de savoir dans quelle mesure le DUT déforme et altère la forme du signal. La connaissance des paramètres de transmission du DUT permet de sélectionner les porteuses les plus adaptées et de compenser les pertes et distorsions pendant la transmission.

Diaphonie
La diaphonie est un effet de couplage indésirable qui se produit du fait de la proximité d’éléments conducteurs sur un composant. Il se mesure en pourcentage relatif (ou dB) du signal provenant de la ligne d’origine, qui apparaît sur la ligne victime de diaphonie. Par exemple, pour la conception de circuits numériques, la tendance est à la réduction des dimensions de circuits imprimés (PCB) et les composants sont implantés de plus en plus près les uns des autres, de sorte que les pistes peuvent présenter des couplages capacitifs ou inductifs. Les mesures de diaphonie analogique peuvent donc s’avérer étonnamment utiles lors de la conception de circuits numériques, pour atténuer l’impact négatif de cette diaphonie sur le comportement du circuit imprimé.

Localisation d’un défaut (DTF)
La localisation d’un défaut en distance (DTF pour Distance To fault) est une mesure dans le domaine du Temps, plutôt que dans le domaine des Fréquences. Elle permet de repérer toutes les discontinuités des sous-ensembles d’antennes ou de câbles, qui peuvent se produire en raison de dommages, de connecteurs desserrés, de corrosion ou d’effets dus au vieillissement. Pour déterminer les distances jusqu’aux discontinuités, un balayage est effectué sur une plage de fréquence donnée et toutes les informations d’amplitude et de phase mesurées sont enregistrées. Ensuite, le VNA applique une transformée de Fourier rapide inverse pour convertir les données dans le domaine du Temps. Enfin, le niveau du signal réfléchi à chaque point distant est obtenu en multipliant la valeur du temps par la vitesse de propagation spécifique du signal. En utilisant un balayage de fréquences assez large, les défauts peuvent être localisés avec une très grande précision.

Applications personnalisées pour la réalisation de mesures spécifiques avec un VNA

Les analyseurs de réseaux vectoriel (VNA) peuvent répondre à de nombreuses exigences client si l’on dispose du logiciel de commande approprié. Voici quelques exemples qui illustrent la souplesse des VNA et leur potentiel de personnalisation.

Logiciel de commande léger pour la mesure de DTF
Les techniciens de terrain disposent souvent d’une tablette pour diagnostiquer, contrôler ou gérer les équipements de communication. Cette tablette peut aussi servir à faire tourner un petit logiciel capable d’effectuer quelques mesures telles que des mesures de DTF (Distance To fault). Plutôt que le logiciel de commande d’un VNA standard, qui a tendance à offrir un grand nombre de fonctionnalités et à disposer de menus complexes, un logiciel « léger » permet de couvrir quelques fonctions de base, comme la calibration, la mesure et la sauvegarde des résultats de mesure. Ainsi, avec le logiciel approprié sur sa tablette, un technicien de terrain n’a besoin que d’un simple VNA pour effectuer des mesures de base.

Figure 2 : Exemple de conception d’un logiciel léger permettant d’effectuer une calibration et des mesures de perte de retour et de localisation de défaut puis de sauvegarder les résultats.

Mesures d’antennes

Il est également possible de réaliser avec un analyseur de réseaux vectoriel (VNA) des mesures de directivité d’antenne. Le dispositif de mesure se compose d’un VNA à 2 ports, d’une commande de positionneur, d’un positionneur, d’un PC de commande et d’une chambre OTA (Over-The-Air) en option. Comme il intègre un générateur de signaux et un analyseur de spectre, un VNA offre l’avantage de combiner les fonctions de deux instruments.

Le PC (ou la tablette) permet de régler l’azimut et l’élévation du positionneur par le biais du contrôleur afin d’effectuer les mesures sur l’antenne à tester dans toutes les orientations. Cela permet d’obtenir une représentation 3D du diagramme de rayonnement de l’antenne. Une fois qu’une position est définie, l’un des ports du VNA sert à générer le signal qui sera rayonné par l’antenne à tester. Le signal rayonné est ensuite reçu par l’antenne de mesure et traité en utilisant le second port du VNA.

Cela permet de mesurer le gain d’antenne, la directivité, la puissance isotrope rayonnée effective (EIRP pour Effective Isotropic Radiated Power), la puissance rayonnée totale (TRP pour Total Radiated Power), etc. Les mesures peuvent être effectuées pour de multiples fréquences au cours d’une seule rotation de l’antenne testée.

Figure 3 : Mesure d’antenne en chambre OTA à l’aide d’un analyseur de réseaux vectoriel, servant à la fois de source et de récepteur de signal.

Mesure de matériaux

Les analyseurs de réseaux vectoriels (VNA) peuvent aussi servir à mesurer les propriétés de différents matériaux diélectriques, comme la permittivité ou la perméabilité. Cela peut se faire en utilisant un VNA, deux antennes très directives et un dispositif de fixation pour les antennes incorporant le porte-échantillon. L’échantillon à mesurer est placé au milieu entre les deux antennes, et un balayage est effectué sur la bande de fréquence requise. Chaque antenne directive concentre son faisceau étroit sur l’autre, afin de maximiser la précision de mesure. À partir des mesures de transmission, les caractéristiques du matériau peuvent être déterminées à l’aide d’un logiciel spécialisé.

Figure 4 : Mesure de matériaux à l’aide d’un analyseur de réseau vectoriel (VNA). Grâce à un VNA et à deux antennes directionnelles, une mesure de transmission est effectuée et un logiciel calcule les caractéristiques du matériau.