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Elucubrations avec un nanoVNA

Je l'ai évoqué à plusieurs reprises sur ce site, la radio que j'affectionne est celle de Papy, celle qui m'a fait rêver quand j'ai débuté du temps ou les radios étaient encore des radios, du temps ou on réglait les antennes au grid-dip, idem pour les filtres si on n'était pas trop équipé, ou avec un géné HF et un oscillo ou une sonde HF pour les plus nantis. Pas de VNA dans ma station, les anciens faisaient sans et ce qui était bon pour eux l'est aussi pour moi.
Et puis j'ai eu l'occasion d'en essayer un... et maintenant j'en ai deux dans l'atelier !!! J'ai vendu mon âme au diable mais je ne regrette pas. J'ai d'abord acquis le petit qui coute une trentaine d'€ en chine "pour essayer" mais l'écran étant un peu trop petit je me suis ensuite équipé avec le NanoVNA-F et son écran de 4.2" bien plus confortable.
C'est un petit appareil fabuleux mais au même titre qu'un tour à métaux, une fraiseuse ou une machine à bois qui deviennent indispensable dés qu'on les possèdent il sert rarement et passera le plus clair de son temps à dormir dans sa boite, on ne va pas mettre une antenne au point chaque jour de l'année, mais c'est le lot du plus gros de l'outillage d'un bon bidouilleur. On ne parlera pas ici de nombres complexes, mais plus d'une approche pratique en rassemblant quelques astuces et infos utiles, j'y ai placé tout ce qui m'a semblé utile pour me faire ma propre expérience avec cet appareil.

-------------------------------------------------------------------------------------- Principe ------------------------------------------------------------------------------------

Le nanoVNA est équipé de deux ports, le port S11 (lire S un un) et le port S21 (lire S deux un). Le plus simple pour vulgariser est de prendre l'exemple du tunnel: supposons que le personnage 1 est à l'entrée d'un tunnel ferroviaire sombre et n'ose pas entrer de peur de se prendre un train en pleine figure, il se place à l'entrée du tunnel et crie fort. Si l'écho revient peut-être il y a t'il un obstacle à l'intérieur qui reflète sa voix, s'il n'y a pas d'écho il en peut déduire que le tunnel est vide. On peut dire que le personnage 1 à émis le son et que le personnage 1 à ensuite écouté le retour de son cri pour se faire une idée.
On a utilisé le paramètre S11 pour mesurer le retour, celui qu'on utilisera pour mesurer le ros d'une antenne.

Maintenant supposons que le personnage 1 à un ami de l'autre coté du tunnel, le personnage 2.
2 écoute le cri de 1 et peut déterminer si le tunnel est vide ou encombré. On a mesuré sur le port 2 le signal émis par le port 1, ce signal ayant traversé le composant à mesurer.
2 écoute 1, on utilise le paramètre S21.

------------------------------------------------------------------------------------------- le DUT --------------------------------------------------------------------------------------

Fondamental dans l'utilisation du VNA le DUT (Device Under Test) est tout ce qui ne concerne pas la mesure mais néanmoins nécessaire pour la réaliser, tout ce qui est parasite à la mesure en quelque sorte. Si on veut mesurer une antenne seule, le feeder peut-être considéré comme un DUT. Si on fabrique une petite plaque imprimée pour mesurer selfs, capa ou quartz, cette plaquette est considérée comme un DUT, si on relie cette plaquette au nanoVNA par des câbles, ces câbles font également partie du DUT. Le nanoVNA étant un appareil extrèmement sensible tous ces artifices faussent la mesure, pour palier à ce problème il faut les installer avant et les inclure dans les calibrages pour que le nanoVNA puisse effectuer les corrections nécessaires et ne mesurer au final que l'antenne ou le composant à tester. Si on ne prends pas cette précaution les mesures seront faussées.

L'appareil est livré avec trois bouchons de calibrages, un ouvert, un court-circuit et un 50ohms, on fait un calibrage avec chaque bouchon en cliquant sur les menus dédiés dans CAL/CALIBRATE.
'OPEN' avec le bouchon ouvert, 'SHORT' avec le bouchon CC, 'LOAD' avec le bouchon 50 ohms. Ceci est suffisant si on n'utilise que la mesure S11.
Pour des mesures S21 il faut également calibrer le port S21 avec un bouchon 50ohms sur S11 et un bouchon 50ohms sur S21, on établit le calibrage "ISOLT", on ôte ensuite les deux bouchons, on relie les deux ports par un câble et on établit le calibrage "THRU". Ensuite on sauvegarde ou non le paramétrage de l'appareil 'DONE' et choix de la case memoire.

. A noter que pour faire des mesures en S11 on n'est pas obligé de paramétrer le port S21.

NOTA: J'ai lu sur un site anglo/saxon qu'il fallait éviter d'utiliser le bouchon "ouvert" pour le calibrage 'OPEN', celui-ci amenant des capacités parasites et qu'il valait mieux laisser l'entrée en l'air. Cà me semble probant mais ne l'ayant pas lu ailleurs je ne le mentionne ici que pour info.

----------------------------------------------------------------------------------- Calibrage connecteurs BNC -----------------------------------------------------------------------------------

Il est pratique d'avoir des câbles terminés par une BNC, cela évite de faire des montages 'usine à gaz' pour arriver à faire des mesures sur différents appareils équipés en BNC, pratique aussi pour intégrer un montage dans une ligne d'antenne, etc. Bien sur ces câbles étant différents de ceux fournis ils forment un autre DUT qu'il faut prendre en compte dans le calibrage, le souci c'est qu'on ne peut plus calibrer le nanoVNA à l'aide des petits bouchons SMA. La confection de deux bouchons BNC permet de se sortir d'affaire. Un bouchon court-circuit pour la mesure "SHORT" et deux bouchons 50ohms formés de 2x 100ohms en // pour les mesures "LOAD", il faut deux bouchons 50ohms pour le calibrage ISOLN nécessaire pour les mesures S21. Le calibrage "OPEN" s'effectue sans bouchon.

Bouchon CC et bouchon 50 ohms (100//100) pour BNC femelle.

------------------------------------------------------------------------- DUT pour mesures sur l'antenne Levy ---------------------------------------------------------------------------

Montage pour relier l'échelle à grenouilles au nanoVNA.
Effectuer le calibrage avec le DUT branché sur le nanoVNA sans connecter l'antenne. Plaquette imprimée avec deux douilles bananes soudées à la largeur du feeder, un inter permet de une charge 50ohms en fonction (2 x 100ohms en //) pour le calibrage "LOAD", le calibrage "OPEN" se fait feeder débranché, le calibrage "SHORT" en faisant un CC entre la masse et l'entrée à l'aide du cavalier vert.

Exemple:
Je veux mesurer mon antenne Levy sur la fréquence 7012Khz, je vais dans un premier temps balayer la gamme 1Mhz -> 20Mhz, je pourrai changer ces valeurs ensuite pour affiner la mesure, par exemple 6Mhz à 8Mhz.
Réglage de la plage de fréquence à analyser: STIMULUS/START fréquence de départ 1M (1Mhz), puis STOP fréquence de fin 20M (20Mhz). Ces deux limites sont affichées en bas de l'écran.
Pour que la lecture soit plus claire je ne garde que la trace jaune DISPLAY/TRACE/ sélection de la trace 0 jaune uniquement.

CHANNEL S11 je branche le câble et le DUT sur le canal S11 (Port 1).
DISPLAY/FORMAT/SWR et je me met en mesure SWR.
On peut se promener dans la plage de fréquence à analyser avec la molette sur le coté du VNA, le curseur à l'écran est symbolisé par un triangle jaune. Le SWR correspondant à la fréquence du curseur est affiché en haut à gauche de l'écran.

Si on trafique souvent sur les mêmes fréquences habituelles, plutôt que de faire de longs tunes et bricoler à chaque fois pour accorder l'ensemble TX/BA/Antenne, on se branche une fois pour toutes avec le nanoVNA sur l'entrée TX de la boite d'accord et on effectue les réglages selfs et CV en observant la courbe sur l'écran, le meilleur réglage est au minumum de ROS sur la fréquence voulue. Il suffit de faire ensuite des marquages sur la face avant de la BA pour retrouver facilement les bons réglages de chaque QRG.
Cette méthode est également très pratique pour mettre au point une boite d'antenne. Voir aussi plus bas avec l'abaque de Smith.

------------------------------------------------------------------ DUT pour mesures de composants, mise au point de filtres, etc. --------------------------------------------------

Petit montage simple et pratique pour réaliser diverses mesures, une variation sur l'idée de PA4TIM.
Composé d'une plaque de circuit imprimé gravée pour pouvoir y souder tous les composants d'un filtre, selfs, tores et capas, équipé de deux BNC pour pouvoir l'utiliser avec d'autres appareils de mesure ou l'intégrer dans une ligne coaxiale. Deux prises SMA pour le brancher sur le nanoVNA, deux pinces crocos montées sur des douilles bananes 2mm pour prendre des composants et une ligne de barettes sil pour les mesures rapides de quartz, selfs ou capas.
Comme n'importe quel DUT il devra être pris en compte lors du calibrage du nanoVNA en faisant un pont entre l'entrée et la sortie à l'aide du cavalier vert (ne pas oublier d'ôter ce cavalier pour les mesures).

------------------------------------------------------------------------------- DUT pour mesures de selfs -------------------------------------------------------------------------

Suivant une idée de https://pchene.wordpress.com/2020/04/06/nanovna-inductance-inconnue-a-determiner/ que j'ai mise en pratique à ma sauce.
Le principe est de créer un circuit oscillant et de mesurer la fréquence obtenue avec une capa connue, ce que le nanoVNA sait bien faire, il ne reste plus ensuite qu'à calculer la valeur de la self. Tout radioamateur qui se respecte connait ou devrait connaître la formule du calcul de fréquence Fo=1/(2PI.racine(LC)). Un peu de révision d'algèbre pour en tirer L et le tour est joué mais comme c'est fastidieux de ressortir la calculette à chaque fois on peut utiliser comme décrit dans le site en lien ci-dessus l'exellent soft RFSIM. Pour ma part je préfère utiliser une autre méthode, j'ai créé voilà bien longtemps une feuille de calcul à tout faire ou je mets toutes les formules utiles dans toutes mes activités (électronique, usinage métal, travail du bois, etc.), cette feuille est sur mon bureau et elle me sert à tout. J'y ai programmé entre autre les formules du calcul de L ou C suivant la fréquence en utilisant une formule approchée qui donne de très bons résultats: L=(26000/f²C)
Voici ci-dessous la partie en question avec les bonnes équations, tout y est pour qui voudrait la recopier. La valeur de la capa est choisie suivant la bande de fréquences de travail, je bidouille principalement dans le bas de la gamme HF et j'ai choisi une capa de 100pf, les OM actifs en VHF, UHF choisiront des valeurs adaptées. On entre les valeurs connues dans les cases blanches, le résultat dans la case rouge.

Le DUT est simple à construire, une chute de PCB, deux connecteurs SMA, une capa et un morceau de barette SIL femelle pour enficher la self à connaître, on peut aussi la souder sur le PCB. 3 pins SIL mâles permettent de mettre le DUT en CC avec le cavalier rouge pour les opérations de calibrage, ne pas oublier de l'ôter pour les mesures.

Mesure de self:
DISPLAY/CHANNEL/S21 THROUGH
DISPLAY/FORMAT/LOGMAG
On aura pris soin auparavant de régler la bande de fréquence à scruter assez large avec STIMULUS et l'échelle avec SCALE.

Après une première lecture pour dégrossir on réduit le span autour du pic pour avoir une vue plus précise et un déplacement du marqueur plus fin.

On connait la fréquence d'oscillation, on connait la valeur de capa, il ne reste plus qu'à utiliser la feuille de calcul, RFSIM ou une calculette pour connaître la valeur de self avec la formule habituelle:
1/(2PI.racine(LC))

Exemples de mesures sur quelques selfs avec une capa de 4.7pf, on est dans les tolérances:

self1 marquée 22µH -> 3.340Mhz -> 23.31µH
self2 marquée 22µH -> 3.385Mhz -> 22.69µH
self3 marquée 22µH -> 3.355Mhz -> 23.1µH
self4 marquée 10µH -> 5.120Mhz -> 9.92µH
self5 marquée 47µH -> 7.430Mhz -> 4.71µH

-------------------------------------------------------------------------------- L'abaque de Smith en pratique ------------------------------------------------------------------------

Parlons un peu de l'abaque de Smith, il peut rebuter au premier abord mais on peut l'utiliser simplement lors de la mise au point d'une antenne. Pas de nombres complexes ici mais plus une démarche pratique quand on est au pied de l'antenne, le nanoVNA d'une main et la caisse à outils de l'autre. Pour se faire une idée de l'état de notre antenne et les modifications à y apporter on peut passer aisément de la fenêtre 'SWR' à la fenêtre 'SMITH'.

Ligne des résistances (en bleu), à gauche résistance en court-circuit (égale à zéro), au milieu 50 ohms, à droite résistance infinie. C'est précisémment le calibrage que l'on effectue avec les bouchons, on peut donc vérifier ainsi si le calibrage à été bien fait en plaçant les bouchons sur la sortie S11. Le tracé d'une antenne devant avoir une impédance de 50 ohms à une fréquence précise devra se trouver le plus près possible de ce centre. Le centre de cette ligne qui est aussi le centre de l'abaque et également le centre des cercles à SWR constant.

L'antenne est-elle trop courte ou trop longue ? même si on peut s'en rendre compte aisément en vérifiant sur quelle fréquence elle vibre dans la fenêtre SWR, l'abaque de Smith nous donne une indication. L'antenne est-elle inductive ou capacitive ? si le marker se situe dans la partie supérieure du cercle l'antenne est inductive, dans la partie inférieure elle est capacitive.

Cercles de SWR constant, ils sont rarement représentés et il faut donc les imaginer sur l'abaque. Sur la périphérie de ces cercles concentriques le swr est constant, à l'intérieur il diminuera si on se rapproche du centre qui représente le SWR 1.0. Il suffit de déplacer le marker le long du tracé avec la molette pour faire varier la fréquence et connaître ainsi la bande passante de notre antenne.

Exemple pratique: on le fait tous, pour régler notre boite d'accord antenne on tourne les boutons de CV et self avec l'oeil fixé sur l'aiguille du ros-mètre en cherchant empiriquement un maxi direct et un mini retour. Avec le nanoVNA et l'abaque de Smith on peut déterminer les réglages optimums une fois pour toutes pour chaque fréquence utilisée, le nanoVNA branché sur la ligne d'antenne à la place du TX, l'ensemble aérien regroupant donc SWRmètre, boite d'accord, feeder et antenne, tout ce qui est normalement vu par le TX, le marqueur du nanoVNA positionné sur la fréquence de travail on joue sur les réglages de la boite d'accord jusqu'à l'amener le plus près possible du centre 50 ohms de l'abaque. Il ne reste plus qu'à noter ces réglages pour les ré-utiliser ultérieurement.

On peut choisir le mode d'affichage des valeurs dans la fenêtre de l'abaque de Smith:
'MARKER/SMITH VALUE/', j'ai choisi 'R+L/C'.

------------------------------------------------------------------------------- Adaptation d'une antenne -------------------------------------------------------------------------------

Exemple sur cette antenne loop destinée à la réception des 40 et 80m. Plus de précisions ici.

Le calibrage du nanovna à été effectué avec le câble BNC branché. En premier lieu régler la bande de fréquence allouée à la mesure avec 'STIMULUS/START' et 'STIMULUS/STOP'. En général je commence de 1 à 30Mhz et je réduis la bande ensuite pour affiner.

CHANNEL S11.
DISPLAY/FORMAT/SWR.

Cette mesure affiche le point de ros minimum, par conséquent la fréquence sur laquelle l'antenne est adaptée, il affiche également les harmoniques comme dans l'exemple ci-dessous si elles sont comprises dans les limites de la bande de fréquence visualisée. Déplacer le marker avec la molette jusqu'à l'amener au point de ROS minimum, le nanoVNA affichera la fréquence précise de ce point ainsi que la valeur de ROS. Ci-dessous on voit que l'antenne est taillée sur 11.150Mhz avec un ros de 1.07, on peut voir une harmonique un peu plus haut. Cette antenne étant destinée à la réception 80 et 40m elle est trop courte et il va falloir rajouter quelques spires.

Quelques spires plus loin j'effectue une nouvelle mesure sur 5500Khz, ce n'est toujours pas la fréquence de travail souhaitée mais il y a du mieux, il faudra rajouter de la longueur mais je vais finir ici sur cet exemple, n'ayant plus assez de fil pour continuer les essais pour l'instant. Le VNA étant calibré de 1Mhz à 30Mhz cette mesure reste approximative, quand on déplace le marker avec la molette il nous indique le pic mini et saute tout de suite aux maxi d'un coté ou de l'autre. Pour affiner la mesure on retourne dans 'STIMULUS/CENTER' et on règle la fréquence sur 5500Khz, on fait ensuite un 'STIMULUS/SPAN' de 500k (excursion en fréquence de 500Khz autour du centre de 5500Khz) et le déplacement du marker devient plus précis, on peut à présent travailler d'une manière plus fine sur l'adaptation de l'antenne. L'appareil nous indique que l'antenne est pour l'instant taillée sur 5.485Khz avec un ros de 3.25. La valeur élevée du ros n'est pas vraiment inquiétante pour l'instant, on n'est pas sur la fréquence souhaitée, l'antenne est fixée sur mon établi avec des serre-joints et du matériel tout autour, j'étais positionné tout contre quand j'ai fais la mesure, que des conditions défavorables. Et de toutes façons cette antenne n'est destinée que pour la réception, le ros n'est pas un critère important ici.

Les mêmes tests aussi probants avec le petit nanoVNA à 30€ (l'image est floue à cause du photographe, l'écran de l'appareil est lui bien net):

------------------------------------------------------------------------------- Mise au point d'une boite de couplage d'antenne -------------------------------------------------------------------------------

Je prends ici mon exemple mais la marche à suivre est la même pour n'importe quelle installation. J'utilise pour l'instant une antenne levy 2x40m matchée par une boite d'accord F3LG.. Cette boite utilise une seule self autotransformateur à prise multiples, les connections sur les bonnes spires sont données mais ce ne peut-être qu'une solution empirique, une moyenne. Personne n'à la même configuration de terrain et un même type d'antenne est toujours un peu différent d'un OM à l'autre. Pour l'instant mon antenne n'est pas terrible, le feeder n'est pas tendu, le point d'ancrage étant trop près de la fenêtre d'entrée dans la station, elle est tendue dans les arbres, un brin est très dégagé sur de la prairie, l'autre passe au-dessus d'une mare, donc le plan de sol diffère d'un brin à l'autre, et en plus il fait un angle, bref pas l'antenne idéale, la misère. Ce sont les arbres disponibles et la forme de la maison qui ont commandé, chacun fait avec la configuration de son terrain. Tout cela évidemment amène des distorsions, on peut le vérifier sur le tracé de l'abaque de Smith, et çà demande à être optimisé.

J'ai connecté le nanoVNA à l'entrée de la boite d'antenne, il voit donc le coupleur et l'antenne, oubli de ma part j'ai oublié d'inclure de rosmètre, je referai des essais plus tard.

Self 40m: J'ai réglé avec un 'CENTER' sur 7012KIhz, la QRG que j'utilise le plus souvent sur cette bande. J'aurai pu régler un 'SPAN' plus réduit, oublié de le faire mais çà n'empêche pas la mesure. Première chose à constater, l'abaque de Smith indique que le nanoVNA voit une impédance du couple coupleur/aérien de 49.1 ohms, parfait. Par tâtonnement j'ai joué sur les prises de la self coté TX et coté antenne tout en observant le résultat sur l'abaque de Smith, le but étant de se rapprocher au maximum du centre 50 ohms, à chaque modification je jouais également sur les deux CV pour optimiser le réglage. Je suis arrivé à un SWR de 1.27 sur 7.012Mhz, le tracé semble bien torturé mais n'oublions pas que j'ai oublié de réduire le SPAN et que l'appareil mesure un large spectre de fréquence pour lequel la self n'est pas conçue. L'essentiel est d'être bien adapté sur la fréquence choisie.

On voit les points de résonnance de l'antenne en basculant sur la fenêtre 'SWR.

Avec cette même self on observe également un autre pic négatif un peu plus haut, cerise sur le gâteau il correspond à la fréquence 10.092 avec un SWR de 1.03, en plein dans la bande 30m. Cette self pourra servir à la fois pour le 40 et le 30m. Si on observe la courbe on voit que le swr dépasse à peine 2.0 entre le 40 et le 30m, cette courbe montre que ma levy est large-bande entre ces deux fréquences pour peu que j'accepte un SWR de 2.

Self 80m: Autre QRG que j'aime bien utiliser les rares fois ou je trafique, 3560Khz. Je refais les mêmes manips cette fois avec la grosse self 80m pour arriver à un SWR de 1.73. Pas si mal pour une antenne un peu bancale. Evidemment toutes les positions des CV ont été notées pour pouvoir se régler à l'avenir en évitant de faire des tunes systématiques.

---o0O (#) O0o---

Un peu plus tard.
J'ai pris mon courage d'une main, le VNA de l'autre et l'échelle sous le bras pour aller améliorer cette antenne. Je l'ai raccourcie par petites touches en scrutant l'écran jusqu'à pointer précisémment sur le milieu de la gamme CW du 80m avec le minimum de retour. De la même façon qu'expliqué au-dessus j'ai ensuite retouché la self 80m du coupleur F3LG pour affiner. Un coupleur sert à adapter l'aérien au TX, mais pour optimiser on peut également adapter le coupleur à l'aérien quand le maximum à été fait de ce coté, le but final étant de trouver la meilleure adaptation de l'ensemble. Le résultat ci-dessous est parlant sur l'écran du nanoVNA et autant avec les aiguilles du ROS-mètre. On peut voir sur la fenêtre 'SMITH' que deux fréquences se trouvent très proches de l'impédance 50 ohms, 47,7 ohms sur 3550Khz, milieu de gamme CW du 80m, et 48 ohms sur 5850Khz qui ne nous intéresse pas n'étant pas dans la bande amateur.

Passage en SWR.

Le résultat est maintenant meilleur, on voit que le tracé sur l'abaque de SMITH est plus propre et le SWR est descendu à 1.09 sur 3550 Khz et ne bouge guère sur toute la bande CW du 80m. Je ne touche plus à l'antenne, il me reste à travailler sur la self 40m du coupleur pour l'optimiser de la même manière.