C’est un Analyseur de Réseau Vectoriel : L’œil invisible des radioamateurs et des concepteurs RF

Le VNA (Vector Network Analyzer) est l’un des instruments les plus puissants pour le réglage et l’optimisation des antennes. Contrairement à un ROS-mètre classique, il ne se limite pas à mesurer un taux d’ondes stationnaires ou une largeur de bande : il dissèque avec une précision chirurgicale l’impédance complexe (Z= R +- jX)*, l’amplitude et la phase de n’importe quel réseau ou composant sur une large plage de fréquences. » Concrètement il permet d’optimiser le rendement d’une antenne.

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• Z = R +- jX il faut se familiariser avec cette formule car tout en découle:
• Z c’est l’impedance de l’antenne ou de n’importe quel circuit composé de self ou Condensateurs
• R c’est la résistance de rayonnement pure « ohmique » Z = 50 veut dire que 100% de la HF sera rayonnée, elle dissipe énergie et détermine le rendement de l’antenne.
• jX c’est la réactance elle ne dissipe pas d’énergie mais elle crée un déphasage qui s’aditionne à la résistance de rayonnement et renvoie une partie de l’énergie vers l’émetteur. Avec un X élevé le facteur Q est très élevé. L’antenne est extrêmement étroite en Bande Passante, quelques khz pour que X varie brutalement, faisant s’envoler le ROS. De plus, les courants réactifs qui circulent dans les conducteurs génèrent des pertes par effet Joule importantes, ce qui effondre le rendement X doit rester inférieur R.
• – j c’est un nombre imaginaire quand il est négatif il représente une Réactance Capacitive de Valeur X Ohms
• + j c’est un nombre imaginaire quand il est postif il représente une Réactance Inductive de valeur X Ohms

Qu’est-ce qu’un VNA et comment ça fonctionne ?

Le VNA mesure deux éléments fondamentaux :

1. L’amplitude (le module) : Il quantifie la quantité d’énergie transmise ou réfléchie.
2. La phase : Il mesure le décalage temporel (retard ou avance) entre le signal d’origine et le signal de retour.

• Les paramètres S (Scattering Parameters) : Comme le VNA mesure les ondes incidentes, réfléchies et transmises. On s’intéresse principalement à :
  • S11 (Réflexion) : Indique l’énergie renvoyée par le dispositif (permet de calculer le ROS, l’impédance complexe, la résistance et la réactance). Idéal pour analyser des antennes ou des lignes de transmission.
  • S21 Transmission) : Indique l’énergie qui traverse le dispositif. Indispensable pour caractériser des filtres, des amplificateurs ou des atténuateurs.

Le Smith Shart ou Diagramme de Smith

Le diagramme de Smith est une représentation graphique polaire qui cartographie l’impédance complexe Z = R + jX sur un plan unique, permettant de visualiser immédiatement l’état d’adaptation d’un circuit ou d’une antenne.

Les repères fondamentaux du diagramme

• Le Centre : C’est le point qui correspond à une impédance pure de 50 Ohms (Z= R50 jX0) (juste après une calibration de [Load] ce qui équivaut à un ROS de 1:1). Toute l’énergie est transmise, 0% de retour, mais en fonction du réseau une autre valeur de calibration peut se faire avec une charge fictive d’une autre valeure ex: 75 Ohms …
• La ligne centrale est la ligne des resistance pures de (R0 = [SHORT] en passant par R=50 [LOAD] a R + infini [OPEN]) sur cette ligne aucune réactance jX = 0
• L’Extrême Droite (Circuit Ouvert) : Représente une impédance infinie (R = infinit). C’est là que se pose la trace lorsque l’extrémité est laisser ouverte sans charge (Open).
• L’Extrême Gauche (Court-circuit) : Représente une impédance nulle (R = 0). C’est là que se pose la trace avec un bouchon Short (court circuit)
• La Moitié Supérieure (Zone Inductive +jX) : Le système présente une composante inductive (réactance positive). Pour une antenne, cela signifie que la fréquence de résonance est trop basse (l’antenne est trop longue pour un dipole center feed).
• La Moitié Inférieure (Zone Capacitive -jX) : Le système présente une composante capacitive (réactance négative). Pour une antenne, cela signifie que la fréquence de résonance est trop haute (l’antenne est trop courte pour un dipole center feed).

Comment lire la trace et les marqueurs

• Cercles de ROS constants : Ce sont les cercles concentriques centrés sur le point R50 Ohms au centre. Plus la trace s’éloigne du centre en suivant ces cercles, plus le ROS augmente.
• Lecture de l’impédance (R = jX) : En plaçant un marqueur sur la fréquence cible, l’écran affiche directement la résistance (R) et la réactance (X). Par exemple, une lecture de 45 – j12 Ohms indique une résistance de 45 ohms couplée à une réactance capacitive de 12 ohms.

La stratégie d’optimisation d’une antenne

1. Trouver la résonance (X = 0) : Déplacez le marqueur sur la fréquence où la trace coupe l’axe horizontal central (là où la réactance s’annule). C’est la fréquence de résonance réelle de l’antenne.
2. Corriger la longueur :
   • Si la trace est dans la partie haute à votre fréquence cible, l’antenne est trop longue : il faut la raccourcir pour faire remonter/déplacer le point vers l’axe central.
   • Si la trace est dans la partie basse, l’antenne est trop courte : il faut l’allonger.
3. Ajuster l’adaptation (Resistance) : Si la résonance est parfaite (X = 0) mais que le point n’est pas au centre (par exemple à 25 Ohms ou 100 Ohms), la réactance est nulle mais l’impédance caractéristique ne correspond pas à 50Ohms. Il faut alors agir sur le système d’adaptation (balun, gamma match, ou circuit en L/Pi) pour déplacer le point le long de l’axe horizontal vers le centre exact.

La Phase La Phase et La Phase

• Pour bien comprendre la suite il faut intégrer la Phase dans le raisonnement, La phase mesure le retard ou l’avance du courant par rapport à la tension :
• Résistance pure X = 0 : La tension et le courant sont parfaitement en phase. Tout est transformé en chaleur ou en rayonnement.
• Présence de réactance jX : Le champ magnétique (bobine) ou électrique (condensateur) crée une inertie. Le courant se met à rechercher un retard (inductance) ou une avance (capacité) par rapport à la tension.
• C’est ce décalage temporel que le VNA mesure précisément en degrés (de -180° à +180° pour en déduire la valeur et le signe de jX.

Représentation Vectorielle et Correspondance des Couleurs sur l’Onde

On remarque dans cette animation que la Phase passe bien par des secteur angulaire qui determine comment la resistance et la réactance se positionnent en fonction des de l’angle Alpha pour determiner R, -j et +j

Comprendre la forme de SMITH

Smith est un repliement d’un Diagramme cartésien, une transformation en une forme circulaire, toutes les extrémité d’une valeur de résistance infinie sont reliées en un point commun.

Le point R = 50 Ohms au centre LOAD

Point R = X = 0 SHORT :

Le point R = X = infini OPEN :

Le déplacement de l’onde :

Vers l’antenne la rotation sur l’abaque est Horaire, et l’onde stationnaire retour vers l’emeteur est anti horaire, en pratique la longueur de la ligne de transmission fait tourner la figure a l’interieur de l’abaque. c’est une donnée important a prendre en compte car elle permet dans certain cas de concevoir une adaptation ciblée.

Les cercles de résistance constante

• Ce sont les cercles qui se touchent tous sur le bord droit de l’abaque (au point l’infini).
• Chacun de ces cercles représente une valeur fixe de la partie réelle R. ex : le Cercle 1 sur tout son parcours fait 50 Ohms seul la reactance X augmente et s’aditionne pour finir a une somme qui tant vers l’infini.

Le centre de l’abaque Toujours le R = 50 : (pour un système ROS = 1

Les cercles de ROS constant : Ce sont les grands cercles parfaits concentriques (dont le centre est le milieu exact de l’abaque).

• Le cercle de ROS 2.0, qui englobe tous les points où le rapport d’ondes stationnaires atteint une valeur de 2.
• Le cercle de ROS 5.0, beaucoup plus large, qui délimite une zone de désadaptation importante.

La superposition avec les composantes R et X : On distingue clairement les cercles de résistance (avec leurs valeurs de ROS 0.2, 0.5, 1.0, 2, etc.) croiser les arcs de réactance (notés +1.0, -1.0, etc.).

Pourquoi le VNA est-il devenu incontournable ?

Autrefois réservés aux laboratoires de métrologie et coûtant le prix d’une berline, les VNA portables (comme les gammes NanoVNA ou les modèles plus évolués) ont démocratisé cette technologie. Pour le fan RF, l’expérimentateur ou le radioamateur, son intérêt se manifeste dans des domaines variés :

• Optimisation des antennes : Fini les réglages à l’aveugle. On visualise immédiatement la fréquence de résonance exacte d’une antenne (qu’il s’agisse d’une Delta Loop, d’une yagi ou d’un dipôle), sa bande passante à un ROS inférieur à 1.5:1, et surtout la resistance de rayonnement vs Réactances en valeur ce qui permet de calculer l’adaptation pour un couplage parfait.
• Cas concret : J’ai une Loop de 43m accordée sur la bande des 40M, et je veux trafiquer avec sur 80M, Comment faire?
• la stratégie sera de mesurer la réactance (capacitive)a 3500KHz et de la compenser par une bobine qui sera placé sur un ventre de tension dans la Bande de 40 pour perturber au minimum l’accord primaire…
• une autre solution jouer sur la longueur de la ligne de transmission Déplacement de l’onde : Chaque quart de longueur d’onde (1/4Lambda ) dans la ligne de transmission correspond à une rotation de 180° sur le pourtour de l’abaque.
• Conception et réglage de filtres : Pour tailler un filtre passe-bas, un stub d’arrêt ou un diplexeur, le VNA permet de mesurer l’atténuation dans la bande passante et la réjection hors bande avec une visibilité immédiate de la perte d’insertion.
• Caractérisation des câbles coaxiaux : Mesure précise de la longueur électrique, du facteur de vélocité, de l’affaiblissement linéique (pertes en dB) et repérage de défauts ou de ruptures d’impédance par la fonction TDR (Time Domain Reflectometry).
• Adaptation d’impédance et baluns : Vérification de l’efficacité d’un transformateur d’impédance (un Unun ou un Balun 1:1 / 4:1) pour s’assurer qu’il ne dissipe pas l’énergie en chaleur et présente une réactance nulle.

Les pièges à éviter lors de son utilisation

Posséder un VNA est une chose, s’en servir correctement en est une autre. Quelques règles d’or garantissent la véracité des mesures :

1. La calibration rigoureuse (SOLT) : C’est l’étape reine. Un VNA doit être étalonné au bout du câble qui sera connecté au composant à mesurer, changer la longueur du cable après calibration transforme les composantes mesurées. on branche le VNA au CUL de l’antenne,
2. âpres chauffe appuyer sur l’ecran tactile ..
3. [CALIBRATE] 2x puis:
4. [Open] (en ayant visé le bouchon Circuit ouvert),
5. [Load] (avec la Charge 50 ohms)
6. [Thru] (Traversée). Oublier cette étape si pour une antenne.
7. Le couplage avec un PC : Si l’écran tactile de terrain dépanne, exploiter un logiciel de contrôle externe (comme NanoVNA-Saver ou NanoVNA-QT) via une liaison USB libère tout le potentiel de l’appareil : augmentation du nombre de points de balayage, lissage par moyennes, et captures graphiques nettes pour documenter une réalisation.
8. Mesure avec une longueur de cable different il est possible de l’intégrer en fonction du coef de vélocité du coaxial pour retomber sur la bonne phase.

Expérimentation:

C’est le support pédagogique incontournable pour tout utilisateur de VNA : le RF Demo Kit (ici la version classique pour NanoVNA).

C’est l’outil parfait pour illustrer concrètement sur le terrain tout ce que l’on vient d’évoquer (Z = R \ jX, abaque de Smith et calibration). Chaque module de cette carte imprimée représente un cas d’école :

1. La zone de calibration (en bas, circuits 13, 14, 15)

C’est la première étape indispensable avant toute mesure avec un VNA :

• 13. Short (Court-circuit) : R = 0, X = 0. Sur l’abaque de Smith, la trace se positionne à l’extrême gauche
• 14. Open (Circuit ouvert) : R = infini, X = infini. La trace se positionne à l’extrême droite de l’abaque .
• 15. Load (Charge 50 Ohms) : R = 50 Ohms, X = 0. La trace se pose exactement au centre de l’abaque (adaptation parfaite, ROS = 1).

2. Les circuits de désadaptation (en haut, circuits 1 à 4)

Ces modules permettent de voir comment le point se déplace sur l’abaque de Smith lorsque l’impédance diverge de $50\,\Omega$ :

• Les circuits 3 (33 Ohms) et 4 (75 Ohms) affichent un ROS de 1.5 théorique. Sur l’abaque, cela se traduit par un point qui s’écarte du centre pour venir se placer sur le cercle de ROS correspondant.
• Les circuits 1 et 2 intègrent des combinaisons de composants réactifs (LC), créant de la réactance (jX) et faisant « tourner » l’impédance le long des arcs de l’abaque.

3. Les filtres et atténuateurs (milieu et droite, circuits 5 à 12, 17, 18)

• Ils permettent de basculer en mode Transmission (S21) pour observer le gabarit de filtres (passe-bande, coupe-bande, passe-bas, passe-haut) ou de mesurer l’atténuation.

Le piège a éviter la longueur de ligne :

Lorsqu’on mesure une antenne avec un VNA, on a vite fait de considérer le câble coaxial comme un simple raccord neutre qui relie l’émetteur à l’aérien. La longueur de la ligne de transmission change la donne dans la majeure partie des cas.

1. Tout dépend de l’adaptation de l’antenne

• Si l’antenne est parfaitement adaptée 50 Ohms pur, sans réactance) : le câble 50 Ohms « Parfait » avec des connecteurs sans rupture d’impédance (variation des diamètres mécaniques) . Il transmet l’impédance à l’identique. Quelle que soit la longueur du câble ou la fréquence balayée, le point restera immobile au centre exact de l’abaque de Smith (ROS = 1). c’est le seul cas précis, ou longueur du câble n’a aucun impact sur la valeur R et jX, mais attention le VNA balaye en fréquence sur une largeur de bande qui trace une courbe et cette courbe tournera autour du point centrl.
• Si l’antenne est désadaptée (par exemple 30 + j20) : la situation change radicalement. Une partie de l’énergie est réfléchie vers l’instrument. En faisant l’aller-retour dans le câble, les ondes incidentes et réfléchies interfèrent, créant des variations de phase et d’amplitude.

2. Le balayage en fréquence : la trace en spirale

C’est le symptôme courant lors d’un balayage en fréquence avec un câble sur une antenne désadaptée :

• Au lieu d’obtenir un simple point ou une courbe localisée, la trace se met à tourner en cercle ou en spirale autour du centre de l’abaque de Smith.
• Plus le câble est long, plus le nombre de tours complets est important sur la plage de fréquences balayée.

Le piège pour l’expérimentateur

L’impédance que vous lisez directement sur l’écran du VNA (côté station) n’est pas l’impédance réelle de votre antenne, mais la valeur transformée par la longueur du câble à cette fréquence précise. Si vous ajustez votre antenne en vous fiant uniquement à cette lecture décalée, vous risquez d’empirer les choses au lieu de les régler.

3. Comment s’affranchir de l’effet du câble ?

Pour retrouver la vérité du terrain et mesurer exactement ce qui se passe aux bornes de l’antenne, deux méthodes existent :

1. La calibration au bout du câble (La solution reine) :Plutôt que de calibrer le VNA sur ses propres prises, on place les étalons de référence (Open, Short, Load) à l’extrémité lointaine du câble coaxial, juste avant l’antenne. De cette façon, tout le trajet du câble est pris en compte et « gommé » par l’appareil dès la calibration.
2. L’utilisation du « Port Extension » (Rallonge de port) :Si le câble est déjà en place et inaccessible, on peut configurer le VNA en lui indiquant la longueur électrique du câble (ou son retard en picosecondes). Le VNA applique alors une correction mathématique pour recaler virtuellement le plan de mesure directement aux bornes de l’antenne.

Une règle d’or en manipulation RF : avec un câble non étalonné, l’abaque de Smith vous montre ce que voit la station, pas forcément ce que fait l’antenne !

Article proposé par le Radio Club d’Issy-les-Moulineaux (RC-Issy)

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