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Mesures au laboratoire amateur "Le sage cherche la vérité, l'imbécile l'a déjà trouvée." |
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Introduction |
Maj : 08/03/13
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C'est le côté mesure fine qui m'intéresse,
bien plus que les montages ayant une finalité pour l'exploitation.
Je dispose d'une collection importante de
documents sur la mesure HF et hyper, mais malheureusement bien plus
que je n'ai le temps d'en lire car se sont souvent de gros pavés
lourds à digérer, et il y en a beaucoup… Cette page décrira quelques matériels de mesure de
base pour débuter dans la mesure amateur. Ils seront développés
peu à peu.
4A: Clavier de l’analyseur
Le laboratoire évolue rapidement. Quelques uns des matériels à un moment donné : 08/2005 : Analyseur
de spectre 6 GHz . . . . . : HP8595E 2010 ------------ Abandon de tout le matériel ancien, passage en instrumentation sur USB et PC ---------- 10/2011 : Oscilloscope USB 200 MHZ Atten ADS 1202CL 12/2012 : Analyseur et tracking 12.4 GHz Signalhound |
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Oscilloscope numérique Tektronix TDS 3012
Oscilloscope à mémoire numérique phosphore.
C'est un matériel superbe à affichage couleur VGA, mais évidemment
d'utilisation beaucoup moins complexe que l'analyseur de spectre.
Il n'est
plus fabriqué depuis 2002. Matériel revendu en 2006.
La sauvegarde des écrans se fait très facilement
au format BMP par disquettes compatibles PC. Les paramètres et
les mesures sont aussi sauvegardables. J’utilise la sortie VGA pour envoyer l’image temps réel sur le réseau télévision amateur par l’intermédiaire du convertisseur “VGA TV show”.
Je possède deux modules additionnels particulièrement intéressants :
Le ventilateur est très bruyant d'origine mais il est très facile de baisser par une carte de régulation en fonction de la température pour gagner en silence tout en conservant un refroidissement acceptable. Il chauffe peu. Une autre page est consacrée à l'oscilloscope portable Tektronix TH 720 |
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Exemple de saisie d'écran sur le TDS 3012
La disquette est très pratique pour saisir les écrans. Il faut paramétrer le format en BMP couleur, les images occupent 30 ko, la sauvegarde prend 10 secondes.
En réduisant ensuite les couleurs et en sauvant en GIF, l’image finale occupe moins de 10 ko.
Le matériel ne permet pas de sauver directement en GIF. Les fichiers BMP couleur sont dix fois plus gros que des GIF, tous les points vides sont inutilement sauvés, il est préférable de convertir a posteriori pour archivage.
Analyseur
de spectre Advantest R3463
L’analyseur de spectre est un instrument de mesure merveilleux aux possibilités considérables. Il faut manier ce bijou onéreux avec prudence, il ne supporte pas plus de 30 dBm en entrée, mais surtout ne tolère aucun signal continu. Par sécurité un isolateur supplémentaire soigneusement peaufiné à l’analyseur de réseau protégera l’entrée du continu pour les mesures courantes. Il ne sera enlevé pour des mesures fines qu’avec de grandes précautions, car le condensateur d'isolation n’est pas parfait. Une étourderie serait fatale et entraînerait des coûts de réparations élevés s’il faut renvoyer le matériel au constructeur pour dépanner l’étage d’entrée et refaire la calibration usine. |
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Ce matériel a été distribué par Tektronix et depuis 2002 directement par Advantest. Il existe aussi en version 8 GHz Advantest R3465. Matériel revendu en 2005
Une autre note beaucoup plus spécifique, qui ne peut
intéresser que les seuls possesseurs de ce matériel, mettra en
commun les expériences d’utilisation. Les possesseurs d’Advantest
sont en majorité américains, cette page sera seulement en anglais.
Advantest
spectrum tricks 
Tranfert
des données vers le PC
L'analyseur communique (sans option) avec le monde extérieur, par ports
série,
parallèle, HPIB et par cartes mémoires SRAM PCMCIA. J'utilise
principalement les cartes PCMCIA pour transférer les copies d'écran
VGA vers un PC portable et la sortie VGA via un convertisseur vidéo
pour envoyer l'image temps réeel sur le réseau télévison
local et discuter en direct au sujet des mesures avec les copains.
J’utilise la sortie VGA pour envoyer l’image temps réel
sur le réseau télévision amateur par l’intermédiaire
du convertisseur “VGA TV show”.
Les possibilités
des matériels
La plage d'utilisaton de l'Advantest 3463 est entre 9 kHz
et 3 GHz
La plage d'utilisaton de l'Advantest 3465 est entre 9 kHz
et 8 GHz
Exemple
d'écrans
Vous trouverez de nombreux exemples d'utilisation dans la page complémentaire
: Mesures à l'analyseur de spectre
Analyseur de réseau scalaire : HP 182T + HP 8755C
Ce matériel, bien qu'ancien, offre un nouveau champ d’investigation, en complément de l’analyseur de spectre. Il étend les mesures dans le domaine du réfléchi et s’avère précieux pour tester rapidement les éléments passifs en particulier, jusquà 18 GHz. Matériel revendu en 2006. Une page spéciale lui est consacrée : Mesures à l'analyseur de réseau scalaire |
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C'est un matériel ancien de 1970, un "boat anchor ", sweepant
sur deux bandes, 0.1 à 2 GHz et 1.8 à 4.3 GHz. Un autre tiroir donne 3.2 à 6.5 GHz.
Sur cet ancètre, l'ondulation sur la bande est de l'ordre du dB, il
est chaud en une demi heure.
Matériel revendu en 2004, remplacé par le Sweeper Wiltron 6647A (10 MHz-18.6 GHz) décrit ic i 
La nuisance
du ventilateur
Le ventilateur est puissant et bruyant, mais l’appareil est de technologie ancienne et chauffe, il semble très imprudent de réduire sa vitesse.
"Generatore de Rumore ". C'est un petit matériel
de début, d'un excellent rapport qualité/prix. C'est le tracking du pauvre, très complémentaire du générateur pour voir d'un coup d'œil la réponse en fréquence d'un dispositif. Il est intéressant de l'associer avec un amplificateur linéaire car le niveau est très faible à -20 dBm jusqu'à 1.5 GHz, plongeant à -45 dBm pour 3 GHz. |
Très curieusement, les schémas montrent trois MMIC en cascade, mais en observant la photo, vous remarquerez que le premier amplificateur après la jonction de bruit est remplacé par un simple starp (marqué 0) plus économique !
Vous verrez un exemple de l’excellente courbe de réponse, quasiment plate à -20 dBm jusqu’à 1.6 GHz, qui descend ensuite doucement et régulièrement, -30 dBm à 2 GHz.
Mesure à l'analyseur de spectre 
La mesure exige de disposer de matériels permettant de séparer un signal en deux parties.
Coupleur directif
Un coupleur directif permet de ne prélever qu’une très faible partie de la puissance, quasiment sans altérer le transfert, le prélèvement n‘étant que de quelques dizaines de dB.
Un coupleur directif est constitué de lignes, un modèle économique n’a qu’une bande passante limitée et un couplage variable suivant la fréquence, mais le prix explose avec la largeur de bande.
Voir exemples chapitre suivant.
Le splitter de puissance de Wilkinson est constitué par deux lignes accordées quart d’onde, d’impédance racine de deux de l’impédance caractéristique, en partant de l’entrée vers les deux sorties reliées par une résistance au double de l’impédance caractéristique. Ce montage est excellent mais n’est utilisable que sur une plage étroite. C’est un diviseur sans perte, chaque sortie étant à 3 dB de l’entrée. Il en faut un par bande de travail.
L'image du haut représente un splitter commercial "Mini-circuits 15542 ZN2PD-920W ", parfaitement efficace comme l’indique son datasheet en bande étroite 900 MHz, donc inutile pour nos applications amateurs. L’image inférieure représente la ligne modifiée, réalisée en clinquant laiton, en conservant le circuit téflon avec son plan de masse adaptée à l’analyseur de réseau pour la bande 2.4 GHz. |
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Wilkinson power splitter
Un splitter résistif passif (6 dB passive power splitter) présente l’énorme avantage d’être apériodique mais a une perte d’insertion plus grande de 6 dB sur chaque port et seulement 6 dB d’isolation entre les ports de sortie. Il n’est constitué que de trois résistances de R/3 avec point central. Par construction, les 3 entrées sont rigoureusement identiques. Il passe évidemment le continu et peut monter très haut en shf s’il est bien réalisé. Il existe un autre type de coupleur résistif simplement avec deux résistances de valeur égale à l’impédance. Les trois voies ne sont plus banalisées, il y a alors un commun et deux branches.
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Splitter résistif passif 6 dB |
La suite montrera les résultats des réalisations.
Coupleur
HP 774D
Les mesures sur antennes s’effectuent avec un coupleur directif vérifié au
préalable à l’analyseur de réseau et dont on connaît
les courbes de réponse en fonction de la fréquence.
Je dispose de divers coupleurs pour couvrir toutes les bandes, par exemple
:
Le coupleur HP774D couvre les bandes VHF et UHF en offrant des sortie directe
et réfléchie à -20 dB à mieux que +/- 1dB.
Réponse de 0 à 500 MHz (Advantest)
Cette mesure montre que ce coupleur HP774D est très acceptable sur les bandes amateur, à -23.5 dB sur 145 MHz et à -20 dB sur 435 MHz.
Coupleur
MECA KS-21603L7
| Le coupleur MECA KS-21603L7 est donné pour 50W entre 750 et 950 MHz, mais reste utilisable jusqu'à 3 GHz, la courbe de réponse est évidemment
moins plate que celle du HP car la plage de mesure est très grande. La sortie est à -15.5 dB pour 145 MHz, -8 dB pour 435 MHz, -13.5 dB pour 1255 MHz et -20 dB pour 2300 MHz. Ces variations ne posent aucun problème car elles sont connues, la mesure se fait en deux temps, d’abord en remplaçant l’objet à mesurer par une charge 50 Ohms pour obtenir une référence de la vraie mesure. Ce coupleur est équipé de prises SMA et ne possède qu'une sortie, il faut donc le retourner pour passer du direct au réfléchi. |
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Valeur du ROS en fonction
des pertes en dB
Ce petit tableau donne les valeurs du ROS (rapport d'ondes stationnaires)
en fonction des écarts en dB entre direct et réfléchi.
dB
|
ROS
|
***
|
dB
|
ROS
|
***
|
dB
|
ROS
|
***
|
dB
|
ROS
|
***
|
dB
|
ROS
|
0
|
inf
|
10
|
1.92
|
20
|
1.22
|
30
|
1.065
|
40
|
1.020
|
||||
1
|
17.39
|
11
|
1.78
|
21
|
1.20
|
31
|
1.058
|
||||||
2
|
8.72
|
12
|
1.67
|
22
|
1.17
|
32
|
1.052
|
||||||
3
|
5.85
|
13
|
1.58
|
23
|
1.15
|
33
|
1.046
|
||||||
4
|
4.42
|
14
|
1.50
|
24
|
1.13
|
34
|
1.041
|
||||||
5
|
3.57
|
15
|
1.43
|
25
|
1.12
|
35
|
1.036
|
||||||
6
|
3.01
|
16
|
1.38
|
26
|
1.11
|
36
|
1.032
|
||||||
7
|
2.61
|
17
|
1.33
|
27
|
1.09
|
37
|
1.029
|
||||||
8
|
2.32
|
18
|
1.29
|
28
|
1.08
|
38
|
1.025
|
||||||
9
|
2.10
|
19
|
1.25
|
29
|
1.074
|
39
|
1.023
|
Au delà de -40 dB de retour, le ROS est négligeable et non mesurable !
| Il faut disposer de diverses sondes pour s’adapter aux
situations de mesure. |
 |
Boucles
en coaxial
Des
boucles plus petites et souples sont faites avec un simple coaxial fin permettent
de
se
faufiler
dans les montages denses.
Antenne
Une sonde type antenne courte est constituée par un bout de
coaxial à la
gaine dénudée sur quelques centimètres.
Pointe de touche
Une sonde à pointe de touche est parfois utile. N’oubliez pas
l’indispensable
condensateur d’isolement. Attention l'analyseur ne supporte pas plus
de 30 dBm soit 1 watt sous 50 ohms. P = V2/R, la tension limite est donc de
racine de P*R soit 7 volts. Il faut être extrêmement prudent. Une
résistance en série de 50 kohms, avec la pointe et le condensateur
d'isolement, soit mille fois l’impédance d’entrée,
atténuera le signal direct de 30 dB, ce qui ne pose pas de problème
(sauf pour des signaux proches du bruit). Cela offrira une sécurité acceptable.
Cette résistance CMS sera de la puissance la plus faible possible pour
servir de fusible. Il faut utiliser ces pointes avec prudence, pour les fréquences
basses, dans des cas exceptionnels.
Toutes ces sondes sont bouclées sur une résistance de 50 ohms en extrémité chaude pour casser les résonances parasites du coaxial de mesure.
Attention de bien isoler les sondes, |
Pages à venir
Frequencemètres EIP "locking source"
Ce petit bijou introduit dans le laboratoite en mars 2005 a une précision absolue meilleure que 10-11, soit le dixième de Hertz sur 10 GHz. |
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Il est chaud et verrouillé en 4 minutes avec une précision 5 * 10-12 et s'améliore encore en chauffant, il fait mieux que 1 * 10-12 après 20 jours de chauffe.
Il est contrôlé périodiquement par battement de phase (mesure de la fraction de degré sur longue période) avec des signaux étalons. Un premier contrôle sur un étalon verrouillé sur le GPS s'est avéré de précision très insuffisante, le bruit de phase du GPS pompait trop pour de telles précisions. La solution GPS a été abandonnée.
La précision garantie est évidemment très supérieure aux besoins du laboratoire, il est dommage que les autres grandeurs ne soient pas connues aussi facilement. Nous verrons par exemple à l’opposé, que la notion de référence de puissance absolue s’avère un problème insoluble. La fréquence est connue au millième de milliardième, mais il et impossible de donner une puissance au centième…
Un tel matériel se négocie quelques centaines d'euros en occasion, moins du dixième du prix neuf.
Une future page suivra.
Conclusion
à suivre...
Document technique AFNOR définissant une zone méconnue
de la mesure relative aux techniques de la pifométrie.
Charger le document
de référence
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kb) 
Portail de l'actualité de la mesure : actutem.com
from Advantest spectrum tricks to Analyseur et tracking Signalhound 
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matériels de mesure et TV ham
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Résumé :
Module télévision
qui ajoute un vectorscope et des fonctions pointues.
