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Mesures au laboratoire amateur

"Le sage cherche la vérité, l'imbécile l'a déjà trouvée."

    Ham radio

Introduction
Oscilloscope Tektronix TDS 3012
Analyseur de spectre Advantest R3463
Analyseur de réseau scalaire
Sweeper HP 8620A 8621B
Générateur de bruit
Les coupleurs
Tableau de ROS
Sondes de mesure
Liens

Maj : 08/03/13

Abstract :
Various measurements made with various numerical spectrum analyzers, in my ham radio station, with comments and interpretation of pictures.
These instruments are very powerful, this page shows only a very small part of what that they can do.

Résumé :
Diverses mesures faites avec divers analyseurs de spectre numériques, dans ma station radioamateur, avec des commentaires et l'interprétation des images.
Ces instruments sont très puissants, cette page montre seulement une très petite partie de ce qu’ils peuvent faire.

 

Introduction

Je dispose de divers matériels de mesure pour lesquels je désirerai échanger des informations avec les autres utilisateurs. C'est le côté mesure fine qui m'intéresse, bien plus que les montages ayant une finalité pour l'exploitation. Si vous avez envie de couper les décibels en quatre, nous en discuterons. Je dispose d'une collection très 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…
Les chapitres suivants évoqueront quelques-uns uns des matériels de mesure que j'exploite, ce n'est qu'un début de laboratoire de mesure.
J'ai la chance de bénéficier de l'expérience d'un ami et voisin vétéran de la mesure, Jean-François F1LVO, qui dispose d'un matériel bien plus évolué et sait l'exploiter avec talent pour améliorer en permanence la finesse des mesures.

Cette page décrira quelques matériels de mesure de base pour débuter dans la mesure amateur. Ils seront développés peu à peu.
Sur la tour à roulettes, vous voyez une partie, de haut en bas, le matériel des débuts :

Matériels du début (2004)

4A: Clavier de l’analyseur
4B : Oscilloscope Tektronix TDS 3012
4C : Analyseur de spectre 3 GHz : Advantest R3463
4D : Sweeper HP 8620 et 8621b (0.1 à 2 et 1.8 à 4.3 Ghz) (vendu 12/2004, remplacé par le Wiltron 6647a)
4E : Une alimentation et un sweeper Telonic (1 à 1.5 GHz)
4F : Voltmètre Keytkey et "generatore di rumore"
4G : Amplificateur de mesure HP 8447F 1.3 GHz et tiroir supplémentaire 8621b (3.2 à 6.5 GHz)

 

Evolution des matériels

Le laboratoire évolue rapidement. Quelques uns des matériels à un moment donné :

08/2005 : Analyseur de spectre 6 GHz . . . . . : HP8595E
08/2005 : Référence 10 MHz Rubidium Efratom (page à venir)
11/2005 : Analyseur de spectre 26 GHz . . . . . . . . : HP 8562A
12/2005 : Tracking source 26.5 GHz. . . : HP 85645A
02/2006 : Milliwattmètre 18 GHz numérique Boonton 4300RF
02/2006 : Fréquencemètre locking source 18 GHz . . . . . . . . . . : EIP 575A (page à venir)
03/2006 : Oscilloscope numérique 4*100 MHz, HP 54501A
11/2006 : Analyseur de spectre 40 GHz : HP 8564E et tracking HP8645A
01/2007 : Générateur synthétisé 20 GHz : Wiltron 68147A et scalaire Wiltron 561
12/2007 : Oscilloscope 200 MHZ Tektronics 2445B

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

 Matériel début 2004
Début du labo 2004

 

 

 Matériel début 2006
Labo 2006

 

2008
Labo 2008

 

sh
Labo 2013

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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.

Tranfert des données vers le PC

La sauvegarde des écrans se fait très facilement au format BMP par disquettes compatibles PC. Les paramètres et les mesures sont aussi sauvegardables.
Les interfaces optionnelles permettent aussi de sortir en série, parallèle, VGA, HPIB…

J’utilise la sortie VGA pour envoyer l’image temps réel sur le réseau télévision amateur par l’intermédiaire du convertisseur “VGA TV show”.

Modules additionnels

Je possède deux modules additionnels particulièrement intéressants :
Module télévision qui ajoute un vectorscope et des fonctions pointues.
Module FFT

La nuisance du ventilateur

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

 TDS 3012
TDS 3012

 TDS 3012
Module additionnel

 TDS 3012

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.

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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.

Advantest R3463

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

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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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Sweeper HP 8620A 8621B

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.

 

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Générateur de bruit

"Generatore de Rumore ". C'est un petit matériel de début, d'un excellent rapport qualité/prix.
Il est sensiblement plat jusqu'à 1.5 GHz (voir le spectre entre 0 et 3 GHz) mais reste utilisable à 3 GHz avec une chute rapide du niveau. Il a été décrit dans la revue "Nouvelle Electronique numéro 6 de 12/1994 ".
(document PDF disponible par mail sur demande)

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.

Generatore di rumore

 Generatore di rumore

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

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Les diviseurs de signal

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.

Splitter de Wilkinson

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.

Wilkinson power splitter

 

Splitter résistif

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 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.


Les coupleurs montant à 18 GHz et plus se négocient très cher, bien que ne contenant que deux simples résistances, deux bouts de lignes et trois prises.

Splitter résistif passif 6 dB

La suite montrera les résultats des réalisations.

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Quelques coupleurs

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 !

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Sondes de mesure

Il faut disposer de diverses sondes pour s’adapter aux situations de mesure.
Palette
Voici un dispositif très pratique, c’est une simple palette en circuit imprimé avec une résistance CMS en parallèle pour le haut du spectre et en série pour les fréquences basses.

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,
la masse du coaxial ne doit pas pouvoir
faire un court circuit sur le montage en test
et l’analyseur ne peut accepter la moindre tension continue.

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Pages à venir

 

Frequencemètres EIP "locking source"

 

Standard de fréquence à Rubidium.

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.
Il sort un 10 MHz ultra stable sous 7 dBm et sert de pilote pour tout le laboratoire.
Il s’alimente en 24 volts (alimentation linaire, le découpage est interdit). L’électronique a une consommation permanente de 275 mA, le chauffage est de 1.2 A pendant les deux premières minutes et se régule ensuite vers 300 mA.

 Rubidium

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.

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Conclusion

à suivre...

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Liens mesure

Document technique AFNOR définissant une zone méconnue de la mesure relative aux techniques de la pifométrie.
Charger le document de référence (fichier .DOC zippé à 27 kb)

Portail de l'actualité de la mesure : actutem.com

Un vieux grimoire de référence : microwaves101

AADE Filter Design version : aade.com/filter32

Logiciels : www1.sphere.ne.jp

from Advantest spectrum tricks< to Analyseur et tracking Signalhound

* Liens vérifiés le 08/03/13

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Voile Electronique Photographie Camping-car Divers

 

Liens matériels de mesure et TV ham

Autres pages sur la mesure et le radioamateurisme :

Achat et vente de matériel électronique :

© Christian Couderc 1999-2019     Toute reproduction interdite sans mon autorisation


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