Analyseur de réseau vectoriel et Radioamateurs

Cet article fait parfois appel à quelques notions pour les amateurs d’analytique mathématique – le stricte nécessaire en quelques pages sur les paramètres « S » (coefficients de répartition) – mais ne vous effrayez pas chers OM car vous y trouverez beaucoup de pratique profitable à la majorité d’entre nous. Vous découvrirez aussi un petit cheminement historique des analyseurs de réseaux vectoriels pour vous aider à bien comprendre certains aspects des mesures. Bref, il y en aura pour tout le monde !

L’analyseur de réseau vectoriel est un appareil de mesure qui permet, comme son nom l’indique, d’analyser un circuit électronique sous test (actif ou passif) que l’on nomme sous l’appellation de réseau. L’analyse du réseau sous test consiste essentiellement à relever son comportement dans le domaine de la fréquence mais peut comporter aussi une analyse du signal à la sortie du réseau en fonction du niveau de puissance injecté à l’entrée du circuit électronique. Les mesures qui sont effectuées par ce type d’appareil sont celles du coefficient de transmission et du coefficient de réflexion aussi bien à l’entrée qu’à la sortie de ce réseau. En ce qui concerne le coefficient de transmission, celui-ci peut être mesuré non seulement de l’entrée vers la sortie du réseau mais aussi de la sortie vers son entrée, c’est-à-dire le coefficient de transmission inverse (isolation) ; nous le verrons plus loin avec des mesures effectuées sur des circulateurs. Un analyseur de réseau vectoriel peut non seulement caractériser un réseau qui possède un port d’entrée et un port de sortie (par exemple un filtre ou un amplificateur), mais aussi un réseau qui ne dispose que d’un seul port (par exemple une antenne ou une charge au sens général du terme). Enfin, il y a moyen de caractériser au moyen d’un analyseur de réseau vectoriel un dispositif électronique (circuit ou réseau) à plusieurs ports (trois ou plus) comme par exemple un duplexeur, un diplexeur, un coupleur directionnel, un circulateur, un diviseur ou un séparateur de puissance à plusieurs ports, un coupleur hybride, etc.

Les notions de coefficient de transmission et de coefficient de réflexion ont déjà été développées dans l’article Analyseur de spectre et mesures scalaires publié sur le site Internet ON5VL. Nous nous sommes donc déjà familiarisés avec la notion des mesures scalaires. Nous allons à présent aborder la notion des mesures vectorielles.

Un vecteur est un objet mathématique qui est caractérisé en physique par une direction, un sens, une intensité (magnitude) et un point d’application. Nous utilisons quotidiennement d’une manière intuitive la notion de vecteur dans la vie courante. La notion d’une force, d’une vitesse, d’une accélération sont caractérisées par des grandeurs vectorielles car elles rassemblent les caractéristiques d’un vecteur (direction, sens, intensité, point d’application). Notre propre poids corporel est la notion vectorielle d’une force (celle de la pesanteur) caractérisée par une direction (selon un rayon passant par le centre de la terre), un sens (dirigé vers le centre de la terre), une intensité (par exemple une force de 750 Newtons) et un point d’application (le centre de gravité de notre masse corporelle, c’est-à-dire le barycentre).

En mathématique, on évoque la notion d’espace vectoriel qui (en très résumé) rassemble une série de propriétés sur les opérations entre un scalaire et un vecteur, et aussi entre des vecteurs. Au sens physique, on peut comprendre intuitivement cette notion par un champ. Dans l’exemple de notre propre poids, nous nous situons dans le champ gravitationnel terrestre et, du fait que nous possédons une masse corporelle, il suffit que nous soyons placés dans le champ gravitationnel terrestre pour subir une force d’attraction qui est caractérisée par notre poids. Dans cet exemple, c’est un représentant du vecteur de la force d’attraction terrestre qui est appliqué au centre de gravité de la masse de notre corps à l’endroit où il se trouve sur terre.

Maintenant que la notion de vecteur est mieux présente dans notre esprit, voyons comment tout cela se traduit dans le domaine des radiofréquences.

En électronique, et spécifiquement dans le domaine des radiofréquences, on peut concevoir l’existence de grandeurs vectorielles là-où il est nécessaire de faire appel à des notions de direction, sens, magnitude et point d’application. En électrotechnique, les vecteurs de Fresnel caractérisent un réseau (circuit électronique) présentant une partie résistive et une partie réactive. Cette représentation graphique fait donc bien appel à la notion de vecteurs. En électronique, ce qui fait particulièrement bien apparaître cette notion de vecteur est la notion de phase. Les mathématiques des nombres complexes offrent des outils précieux pour pouvoir résoudre les calculs des réseaux. Les deux composantes d’un nombre complexe d’une impédance Z = R+jX expriment la notion de grandeur d’intensité ou de magnitude par le calcul du module du nombre complexe : Z1– le module de Z est souvent noté │Z│ – et expriment la notion de direction sous forme de l’amplitude d’un angle (par rapport à un repère de référence) par le calcul de l’argument du nombre complexe : Z2 (la fonction arctan est parfois notée tan-1). Cette notion d’argument, exprimée sous la forme d’un angle, caractérise l’essence même de la notion de phase. Ainsi, dès que l’on a accès à une grandeur d’intensité (module) et à une grandeur d’angle caractérisant une direction (argument) nous sommes en présence de grandeurs vectorielles. Les impédances complexes et les grandeurs vectorielles sont donc intimement liées.

Un analyseur de réseau scalaire nous donne uniquement l’information sur la grandeur d’amplitude d’un signal, c’est-à-dire sur le module d’un nombre complexe. Un analyseur de réseau vectoriel nous donne non seulement l’information sur l’amplitude (module du nombre complexe) mais aussi l’information sur la phase (argument du nombre complexe). En connaissant le module et l’argument d’un nombre complexe, on retrouve aisément par calculs sa partie réelle et sa partie imaginaire. On peut ainsi retrouver par exemple la partie résistive et la partie réactive d’une impédance.

Dans les nombreux exemples d’application qui ont été décrits dans l’article L’abaque de Smith : un outil mystérieux ? Un outil démystifié sur le site ON5VL, nous avons vu le lien étroit entre l’impédance complexe et le coefficient de réflexion (ou le SWR). Nous avons eu l’opportunité de constater la variation d’impédance (à SWR constant) le long d’une ligne de transmission. Le déplacement le long de cette ligne est exprimé en fraction de longueur d’onde électrique de la ligne de transmission. Cette longueur d’onde électrique peut tout aussi bien être exprimée en radians (λ/2 = π) ou en degrés (λ/2 = 180°). Ceci représente donc bien un décalage de phase.

On peut mieux comprendre à présent tout l’intérêt d’un analyseur de réseau vectoriel qui est un instrument de mesure capable de fournir distinctement et en même temps l’amplitude et la phase d’un signal mais aussi la partie réelle et la partie imaginaire d’une impédance.

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Notes de l'auteur :

Cet article traite du sujet des analyseurs de réseaux vectoriels chez les radioamateurs.  Cet article est très long car le sujet est vaste.  Je me suis efforcé de rester simple, pragmatique, utile et didactique : il y en aura pour tout le monde.

Il y a dans cet article la description de tout un aspect pratique avec une situation de répéteurs multiples UHF qui doivent cohabiter sur un même site avec des antennes sur un même pylône.  Ceci constitue une application pratique de l’utilisation de circulateurs dont le fonctionnement y est brièvement décrit.  Bien d’autres choses aussi.

Cet article est à lire à petites doses un jour à la fois.  Toutefois, j’invite tous les OM à le lire en entier car il y a beaucoup d’applications pratiques.
Bonne lecture.

Retrouver la suite de cet article passionnant en version Pdf : Analyseur vectoriel articleAnalyseur vectoriel article (13.92 Mo)

J'attends toujours vos commentaires à mon adresse mailto:jf.fm@skynet.be

 

Commentaires :

J'ai reçu ces mails :

 

Bonjour Jean-François,

je réponds tardivement, mais j'ai lu le message dès son arrivée. Je comptais en lire une petite partie avant de répondre, mais je n'en ai pas eu le temps. Merci pour cette nouvelle publication qui va sans nul doute m'intéresser. Je l'ai parcouru, et j'ai vu une partie historique au début du document, je vais donc commencer par cette plongée dans l'histoire des VNA.
Et je reviendrai ensuite vers vous pour vous donner mes impressions sur ce document.
J'avais bien noté le changement d'adresse du site Web.

 

Bonne journée, et meilleures 73,

Philippe - F4GRT

 

Bonjour cher OM

Félicitation pour votre article sur analyse vectoriel.
On apprend plein d’information indispensable a ce sujet.

Votre site est une mine de renseignements tous plus utile, les uns que les autres.

Continuer à nous « régaler » et bravos.

Amitiés

Jean Michel F5BVJ

 

Bonjour Jean-François F1LVO.

Je vois que nous avons le même prénom, hi.

Félicitation pour vos deux appareils de légende HP 8753E et 8720D : ils font partie des appareils les plus aboutis de la grande époque de Hewlett Packard.  Ces appareils restent tout-à-fait actuels en 2017.  Vous pouvez donc caractériser des réseaux jusqu’à 20 GHz.  Je ne connais pas toutes les subtilités du 8753E car il doit disposer de fonctionnalités de calibrage qui n’existaient pas encore dans la version 8753C dont je dispose.

Je vous souhaite une bonne lecture de l’article publié sur ON5VL et nous pourrons partager nos expériences sur les analyseurs de réseaux vectoriel.

Meilleurs 73.

 

Bonjour Jean-François,

je réponds tardivement, mais j'ai lu le message dès son arrivée. Je comptais en lire une petite partie avant de répondre, mais je n'en ai pas eu le temps. Merci pour cette nouvelle publication qui va sans nul doute m'intéresser. Je l'ai parcouru, et j'ai vu une partie historique au début du document, je vais donc commencer par cette plongée dans l'histoire des VNA.
Et je reviendrai ensuite vers vous pour vous donner mes impressions sur ce document.
J'avais bien noté le changement d'adresse du site Web.

Bonne journée, et meilleures 73,

73... Philippe

 

Bonjour Michel F1CLQ.

Merci pour votre courriel à ON5VL et pour vos encouragements au sujet de l’article sur les analyseurs de réseau vectoriel.

Félicitation pour vos trois appareils HP 8753C, HP 8510C et HP 8757C : ce sont des analyseurs de référence de la grande époque et qui sont toujours actuels en 2017.
Je suis particulièrement heureux que vous ayez apprécié cet article technique qui a été rédigé dans l’intention de partager quelques informations utiles à tous les OM francophones.

Comme vous avez pu le deviner, je dispose à peu près du même matériel : principalement un HP 8753C et un HP 8757C avec quelques détecteurs 18 GHz et  ponts directionnels 18 et 26,5 GHz.  Pour de futures expériences et pour le plaisir dans les ondes millimétriques entre 26,5 GHz et 40 GHz (même si ce n’est pas une gamme d’ondes OM), je dispose déjà de trois détecteurs R85026A, d’un power splitter WR28 et de trois coupleurs directionnels WR28, quelques isolateurs et accessoires WR28 ainsi que d’une ligne à fente WR28 et un tuner à vis WR28.  Le vobulateur est un HP 83620A avec une source mm-Wave HP 83554A.  Actuellement, je ne dispose pas encore d’un analyseur de réseau vectoriel pour aller au-delà de 6 GHz, mais c’est déjà un bon début (hi) (peut-être un 8720 dans le futur).

Je vous souhaite de redécouvrir ainsi vos appareils de mesure sur un autre angle de vue en allant puiser les informations dont vous avez besoin dans l’article qui a été rédigé.

Meilleurs salutations et portez-vous bien.

On4ij 

Cet article a été rédigé par Jean-François FLAMÉE - ON4IJ

 

 

 

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