Les prises SMA sont également sujettes aux risques d'endommagement en cas de mauvais serrage, qui peut empêcher la conduction sur la masse et entraîner des claquages statiques. Il est recommandé d'utiliser une clé dynamométrique dédiée pour serrer correctement les prises SMA, sans forcer.
Toujours toucher la prise SMA libre et celle de l’objet à brancher avant de faire contact.

Nous allons vérifier dans les chapitres suivant que pour une technologie donnée (antenne quart d’onde ou dipôle, tronçon de câble, ...) le produit <Longueur * Fréquence> est une constante.
Si vous doublez la longueur, la fréquence sera approximativement divisée par 2.
Cependant, ce n’est pas rigoureux en raison des capacités réparties et de la résistance physique, de l’effet de surface, etc. Ainsi, un tronçon près de la source sera différent de celui près des extrémités.
Vous pouvez le vérifier en mesurant finement les fréquences des pics de <S11 return> sur une antenne ou une ligne, et en reportant les résultats sur une courbe Excel.
Cette courbe ne sera pas une droite car il y aura des variations dues aux effets mentionnés. Un exemple de tel phénomène peut être observé sur cette feuille Excel où les écarts de fréquence visibles sur la deuxième courbe ne sont pas des erreurs de mesure, mais plutôt le résultat d'une résonance curieuse en milieu du câble du kit de 60 cm.

Antenne ressort courte du HC12

En enroulant une antenne quart d’onde sous forme de ressort, la fréquence baissera ; le diamètre et l’espacement des spires jouent aussi, il faudra partir d’une longueur de fil double pour arriver à l’accord voulu. La forme ressort sert simplement à diminuer l’encombrement
J’ai reçu deux versions pour le HC12, mais il doit en exister d’autres, c’est du grand n’importe quoi !

La version courte résonne sur 490 MHz

Antenne ressort longue du HC12

La version longue résonne sur 363 MHz. Cela tombe dans une plage utilisée en Asie pour les télécommandes mais n’a rien à voir avec notre bande UHF.

Chaque HC12, est livré avec une antenne ressort centrée au hasard et sans plan de masse, donc le rendement sera très mauvais. Il faut toutefois nuancer, il n’y a pas de plan de masse structuré stricto sensu, mais le circuit du HC10, la batterie ou le câble d’alimentation constituent un palliatif de contrepoids difficile à caractériser et dépendant de la position de l’antenne axiale ou perpendiculaire à la plaque. La simple mesure de la fréquence de résonance du ressort n’est qu’un des éléments.

Construction de ressorts

En fin de page, recettes de cuisine pour construire des antennes enroulées.

Dipôle "parfait" 2*17 cm

Résonance 428 MHz -> R = 50 Ohms et pas de composante réactive -> ROS parfait

Considérons le quart d’onde linéaire, c’est un bout de fil cuivre (diamètre 1 mm) vertical de 17.3 cm. On doit appliquer un facteur de raccourcissement, du aux capacités réparties du brin d’antenne, autour de 0.98 suivant le diamètre, donc rallonger le brin de plus de 10%, pour le recouper délicatement ou créer des spires lors des mesures finales.
Si le brin est trop court, la soudure d’un petit disque laiton en bout de fouet sera très efficace augmentation de la capacité). C'est un dipôle car le contrepoids est un brin identique, mais l'angle est critique.

Il vaudra mieux utiliser ces simples bouts de fil pour augmenter très sensiblement la portée

Ce même dipôle parfait 2*17 cm au bout de 50 cm de câble

Résonance 424 MHz -> R = 59 Ohms + capacité 14.6 Ohms

La fréquence est plus basse à cause de la capacité parallèle répartie du câble (très haute qualité, hyper).

TDR (Time Domain Reflectometer)

Un VNA peut être utilisé comme TDR (Time Domain Reflectometer) pour analyser un réseau, en particulier pour caractériser des câbles. Cependant, ces mesures de TDR sont plus délicates qu'il ne semble et il est important de consulter les datasheets pour connaître le type d'isolant et le coefficient de vélocité du câble.
Un TDR est essentiellement un oscilloscope qui montre l'évolution d'un signal se propageant sur une ligne. À gauche de l'échelle, une impulsion est émise au top zéro et lorsqu'elle se réfléchit en bout de câble, un palier apparaît. La mesure du temps sur l'échelle peut être convertie en longueur en appliquant le coefficient de vélocité. Par exemple, pour un câble de 50 Ohms de diamètre externe 11 mm avec un isolant en polyéthylène plein et un coefficient de vélocité de 0,66, la longueur calculée de 7,15 m correspond exactement à la mesure physique au décamètre.

Une plage quelconque de fréquences peut être utilisée pour ces mesures, mais il est recommandé de monter haut en fréquence pour obtenir un WSR (rapport signal/bruit) plus élevé et faciliter le positionnement des curseurs sur les pics. Pour la localisation des défauts (DTF Distance to Fault), il est possible d'affiner la trace avec un filtre passe-bande en accédant au menu Transform : Display/Transform/lowpass impuls/back/transform on/velocity factor 66x1.

Il n'est pas possible de mesurer la première résonance en bande basse avec ce VNA car il ne descend pas assez bas et le VSWR (rapport d'ondes stationnaires) est énorme dans ces plages. Si le câble est court-circuité, cela provoque un décalage d'une demi-période (changement de phase de Pi radians). Par exemple, pour un exemple entre 2,9 GHz et 2,95 GHz avec des curseurs placés sur les pics, le décalage est d'environ 14 MHz (mesure sur 2 périodes). Le pic 1 est donc sur la 207ème résonance et le pic 2 sur la 209ème.

La relation entre la longueur d'un câble coaxial et sa fréquence de résonance est donnée par la formule suivante :

L est la longueur du câble en mètres
εr est la constante diélectrique (permittivité) relative du matériau diélectrique du câble, de 2.04 pour du PTFE de 2.2 à à 2.4 pour du polyéthylène plein
v est la vitesse de propagation du signal électromagnétique dans le câble, qui dépend du coefficient de vélocité du matériau diélectrique du câble.
Nous prendrons un coefficient de vélocité pour ce câble de 1/εr-2 = 1/ 2.29-2 = 0.66 - > v = c*0.66 = 2 * 108 m/*s
f est la fréquence de résonance du câble en Hertz. La notation √(x) signifie la racine carrée de x, qui s'écrit aussi x-2
L = (v / (4* f * √(εr)))

L = (0.66*3*108)/(4*14*106* √(2.29)) = 7.15m

Ce câble coaxial dont la fréquence de résonance est de 14 MHz et la constante diélectrique relative εr=2.29 mesure bien 7,15 mètres.

Quart d'onde en cuivre large

C'est une plaque de 13*3 cm. L'accord est sur 435 MHz, ce qui correspondrait à un brin un peu plus court que celui du dipôle précédent, vers 17 cm.
L'augmentation de la surface (plaque ou gros diamètre) équivaut à un rallongement et baisse la fréquence d'accord.
L'impédance est de 63 Ohms, avec une composante fortement capacitive de -11 Ohms ----> Les performances sont décevantes.

Quart d'onde gros diamètre + contrepoids -> Dipôle

Nouvelle antenne taillée à peu près pareil (17 cm, deux brins), mais au lieu d’un câble d’électricien de 1 mm, cette fois utilisation de la gaine cuivre d’un coaxial rigide de 3.5 mm de diamètre
La bande passante est beaucoup plus large que pour le dipôle fin : 444-432 = 12 MHz à -3dB, centrée sur 431.6 MHz, mais le ROS est beaucoup moins bon, VWSR = 1.4 seulement, et retour à -15 dB
Ici par exemple, l’angle des deux brins contrepoids est d’environ 100 degrés, mais une légère variation influence beaucoup sur la résistance et sa partie imaginaire. En bricolant finement les angles, on arrive à 50 Ohms, imaginaire nul, mais cela n’a pas beaucoup de sens, car on ne sait rien sur le rayonnement !
Attention de ne pas en tirer de conclusions trop hâtives !

Antenne NRF24

C'est l'antenne caoutchouc de 10 cm livrée avec la petite carte NRF24.
C'est une grande surprise, elle est bien centrée en 2.54 GHz, très bon ROS et 50 MHz de bande passante.

Antenne WiFi caoutchouc 18 cm

Centrée trop haut sur 2.74 GHz.

Antenne Baofeng en spectre large

Antenne d'origine caoutchouc de 17 cm. Calibrage avec un jeu de de bouchons femelles.
Il y a bien deux accords, mais visiblement pas ceux espérés, Comme le montrent les deux détails suivants cette antenne est très médiocre, il sera préférable de la remplacer !

Antenne Baofeng détail en VHF

L'antenne est centrée trop bas, en 142 MHz
Elle couvre de 139.8 à 145.9 MHz, donc la bande VHF de 144 à 146, mais avec ROS et rendement déplorables en VHF,

Antenne Baofeng détail en UHF

Marqueur <1> en début de bande 430 MHz, marqueur <2> en fin de bande amateur 440 MHz.
L'antenne est centrée beaucoup trop haut sur 410 marqueur sur <2>, c'est à dire totalement hors bande. ROS et rendement déplorable en UHF,
Elle serait très correcte en 410.8 MHz

Antenne Nagoya biBande NA-771 de 40cm pour Baofeng

Investissement supplémentaire de 2.43€. Marqueur <1> en 144 MHz, marqueur <2> en fin de bande amateur 432 MHz.
L'antenne est centrée sur le marqueur 3 vers 200 MHz elle est complètement désaccordée dans les bandes amateurs.
La documentation indiquait : Gain en 144 MHz 2.15 dB, en 430 MHz 3 dB, mais les mesures chinoises n’ont rien à voir avec celles du reste du monde… ---> Poubelle

Antenne Comet GP-6 en spectre large

Cette antenne bibande a été installée en 2002 avec 20 m de très bon coaxial. Longueur 3.07 m. 4 radians. Elle est toujours fabriquée.
Mes deux autres Comet ont été détruites par la foudre. Les tri-bandes (1.2 GHz), plus longues, n'ont pas résisté au Mistral. Je m’attendais au pire, après tout ce temps exposée aux intempéries, mais la surprise a été bonne !
Elle a aussi un accord en 235 MHz (mais ce n'est pas une bande HAM en France). Elle est exactement dans les spécifications d'époque du constructeur.
Cette page montre les problèmes de dégradation des antennes : Antennes et foudre .
Voir son spectre large :

Antenne Comet GP-6 détail en VHF

Bien centrée en milieu de bande VHF, couvre toute la bande amateur avec un excellent ROS.

Antenne Comet GP-6 détail en UHF

Bien centrée milieu de bande UHF, couvre toute la bande amateur avec un excellent ROS.

Antenne fractale FR05-S1-R-0-105

Fabriquée par Ignion qui peut réaliser des designs à la demande.
Sa taille est seulement de 19*7 mm, centrée sur 2.334 MHz

Double quad

Carrés de 30 mm de côté, gros fil de diamètre 1.7 mm, espacement 15 mm. Accord sur 2.42 GHz -> L=c/F = 300/2.42 = 124 mm
Le périmètre du carré, 30*4 est égal à la longueur d'onde, aux quelques pour cent près du au raccourcissement et aux imprécisions de la construction.
La forme peut être quelconque, ou circulaire, avec pi*D= 124 mm, soit un diamètre de 39.5 mm
Le ROS pourrait être amélioré en ajustant plus finement l'espacement, autour du huitième de la longueur d'onde, et le parallélisme par rapport au plan réflecteur.

Petit coaxial

Utilisation des deux petits câbles bleus livrés avec le kit chargés en 50 Ohms, diamètre 3.2 mm (Type RG 402 ?? à confirmer). Fréquences relevées au minimum de S11 :
Câble de 20 cm --> F = 520 MHz
Câble de 60 cm --> F = 177 MHz
Câbles en série, environ 82 cm avec le raccord --> F = 129 MHz

<εr> est la constante diélectrique (permittivité) relative du câble, ici environ 2 pour du Téflon, soit un coefficient de vélocité de 1/√εr = 1/√2 = 0.7, ce qui donne les bonnes longueurs en TDR.

F = Vitesse dans le câble / (2 * longueur) = c * 0.7 / (2*0.2 ) = 525 MHz, très conforme à la valeur mesurée, aux incertitudes près pour le câble de 20 cm

Charge 50 Ohms en direct

Sans cette ligne intermédiaire, la charge en direct sur la sortie VNA serait évidemment le point central.
Il existe une grande variété de qualités dans les charges SMA 50 Ohms, les meilleures (rares) montent très haut en GHz avec des retours à mieux que -70 dB, d’autres pourtant d’aspect voisin, sont lamentables.
Un tri parmi mon stock m’a fait jeter une douzaine des plus mauvaises.

Atténuateur 6 dB

C’est un atténuateur hyper de haute qualité (INMET 64671), mais l’atténuation n’est jamais constante sur une large plage.
Valeurs calculées pour un flltre en <T> de 6 dB sur 50 Ohms : 2 * 16.5 + 66.9 Ohms, vérifiées à l'ohmmètre
Voir la courbe de gain S21, le point à -6dB est sur 1.5 MHz.

Filtre passe-bande à lignes 1.25 GHz

Réalisation amateur. Il est sur 1250 MHz, bande passante 80 MHz.
Les deux condensateurs permettent de faire largement varier la fréquence et d'ajuster la symétrie avec précision

Quartz 24 MHz

Le marqueur 2 est sur la fréquence de résonance série de 24 MHz, le marqueur 3 est sur la fréquence de résonance parallèle de 24.0935 MHz.

Circulateur Radiall R460 506

Très pointu sur 1870 MHz, adaptation parfaite.

Série de mesures des circuits de tests de la carte démo avec un seul câble SMA <–> U.FL IPEX du kit.

Mesure pour les composants R,L,C :
La fréquence haute ne pose pas de problème (marqueur 3), mais comme il y a une compression des points en haut de bande, je l’ai limitée à des valeurs raisonnables.
Avec ce VNA, la fréquence basse (marqueur 1) ne peut pratiquement pas descendre en dessous de 30 MHz en conservant des traces significatives, c’est pour cela que les différentes courbes ne démarrent jamais comme le montre la sérigraphie, de Z=0 (à gauche) ou R = infini (à droite) de l’axe des résistances pures.
Avant de commencer, il faut faire le calibrage avec le câble SMA <–> MMX du kit sur les Short/Open/Load de la carte.

(7) Condensateur

100 pF
Les mesures dérivent trop en dessous de 30 MHz, le marqueur 1 devrait tendre vers infini (open) à droite en baissant la fréquence.
Au-dessus de 300 MHz (marqueur 3) la partie selfique du condensateur perturbe trop les résultats, les mesures sont non significatives. ----> Inexploitable
Voir les très complexes mesures d'impédances pour L et C dans les liens,

(8) Self

8 nH (mesure douteuse). Idem, mais le le marqueur 1 devrait tendre vers Z=0 à gauche en baissant la fréquence.
Au-dessus de 70 MHz (marqueur 3) la partie capacitive de la self perturbe trop les résultats, les mesures sont non significatives. ----> Inexploitable
Il est préférable de tester les petites selfs dans un circuit LC dont on connait la valeur de la capacité.

(9) Condensateur + Résistance

100 pF + 68 k

Mèmes remarques sur les limites de fréquences

(10) Self + Condensateur

Circuit LC série 50 pF + 1 nH ---> Résonance mesurée = 272 MHz (très approximativement !)
Un circuit LC série a une impédance nulle à la fréquence de résonance ---> Les courbes montrent 2 Ohms et une composante selfique de 15 Ohms, les composants ne sont pas parfaits !

L * C = 1 / (2 * Pi * F)2 ---> En prenant L = 1 * 10-9 H et C = 50 * 10-12 F ---> L * C = 50 * 10-21
F = 1 / (2 * Pi * √L*C)) ---> F = 1 / (2 * Pi * (50 * 10-21)-2 ) =71 MHz ---> Erreur probable sur la self, à confirmer

(11) Condensateur + (L R parallèles)

100 pF + (8 nH // 68 k)

(12) Résistance // Condensateur + Self

50 Ohms // (160 nF + ? nF)

--> Suite des mesures sur la carte démo avec les deux câbles SMA <–> MMX du kit .

Si cela n'a pas été fait au début, il faut faire le calibrage complet avec les deux câble SMA <–> MMX du kit sur les Short/Open/Load + Thru de la carte.

Le montage de simples composants de surface sur une carte époxy basique sans blindage ne présageait pas des performances élevées, mais avec la limitation à du VNA à 3 GHz les résultats s’avèrent bien meilleurs que prévu.

(1) LPF 30 MHz

Filtre passif passe-bas en Pi (filtre Collins) : pieds 200 nF, tête 265 nH (à vérifier)
Fcutoff= 1 / (2 * Pi * √L*C)) = 30 MHz, avec les valeurs incertaines, mais le relevé au VNA est douteux
Low Pass Filter ----> Médiocre

(2) HPF 100 MHz

Filtre passif passe-haut en Pi : pieds 10 pH, tête 250 pF (à vérifier)
Même formule Fcutoff= 1 / (2 * Pi * √L*C)) , on trouve bien 100 MHz avec deux condensateurs, mais le relevé au VNA est douteux
High Pass Filter ---->Médiocre

(17) Atténuateur 5 dB

Valeurs calculées pour un flltre en <T> de 5 dB sur 50 Ohms : 2 * 14 + 82.4 Ohms, vérifiées à l'ohmmètre.

Il est proche de 50 Ohms, avec une composante capacitive, -5dB en bas de bande et -6dB au milieu ----> Très acceptable

(18) Atténuateur 10 dB

Valeurs calculées pour un flltre en <T> de 10 dB sur 50 Ohms : 2 * 26 + 35 Ohms , vérifiées à l'ohmmètre.
Il est voisin de 46 Ohms, avec une forte composante capacitive de -10 Ohms, -10 dB en bas de bande et -11.5 dB au milieu ----> Peut mieux faire…

(3) Filtre passe-bande 432 MHz (BPF)

La bande passante est de 12 MHz centrée sur 432 MHz (saw filter)
Il est proche de 50 Ohms avec une légère composante selfique de +3.7 Ohms ----> Très acceptable

(4) Filtre passe-fréquence (BSF) 6.5 MHz

Composant <X6.56 T>. Nous sommes dans le bas de bande du VNA !
La bande passante de ce filtre céramique est de 75 kHz, soit un rapport F/(delta F) de 6500/75 = 87, c’est un filtre assez étroit.
Problème : Il n'est pas sur 50 Ohms mais sur 37, avec une composante capacitive de -2.5 Ohms ----> Demande une meilleure adaptation.

Il est important de noter que la construction d'une antenne enroulée peut sembler plus accessible que la construction d'un avion, mais cela ne signifie pas que c'est facile pour autant. Ces antennes peuvent être une alternative pratique aux dipôles ou quarts d'onde traditionnels dans certaines situations où la longueur pose un problème (17 cm en UHF). En ajoutant quelques tours à la base de l'antenne, on peut créer une self qui raccourcit la longueur totale. En continuant à enrouler, l'antenne prend la forme d'un ressort ou d'un boudin. On peut également replier le brin rayonnant pour l'adapter à un boîtier, bien que cela réduise le rendement de l'antenne. Dans tous les cas, l'utilisation d'un VNA pour accorder l'antenne est essentielle pour optimiser ses performances.

Pour créer deux ressorts identiques à spires non jointives, il est possible d'enrouler deux longs fils simultanément sur un axe, puis de les dédoubler en finale. En étirant le ressort, la fréquence, baissera d'autant plus que les spires seront séparées. Il est important de noter que le diamètre d'enroulement aura une incidence sur les performances de l'antenne. Les fils fins de moins de 1 mm de diamètre doivent être évités, car la conduction se fait en surface. On peut également utiliser du fil gainé, sachant que l'isolant ou le tube de protection PVC qui entoure le ressort auront peu d'effet sur le rayonnement, mais baisseront la fréquence de l'antenne.