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Tracking sur analyseur de spectre

Le tracking, mais c’est très simple !

Advantest 3463

Introduction
Prototype minimaliste
Avec amplificateur
Les "to do "
Extensions 3-6 et 9-12 Ghz
Liens

Maj : 14/07/09

Abstract :
First draft, "spectrum analyzer tracking project ", for an Advantest R3463/5.
In bonus, an extension to the 5 and 10 GHz ham bands. For the moment, it's only a very simple prototype.
This is not possible with the HP range when the local oscillator output is unavailable. The other approach is to inject the oscillator with an external synchronous sweeper.

Résumé :
Premier brouillon, “projet de tracking analyseur de spectre”, pour un Advantest R3463/5.
En prime, une extension aux bandes amateur 5 et 10 GHz. Pour le moment, ce n'est qu'un prototype très simple.
Ce n'est pas possible avec la série HP quand la sortie de l’oscillateur est indisponible. L'autre approche est d'injecter l'oscillateur avec un sweeper synchrone externe.

 

 

 

Condition liminaire

 

Sur tout analyseur de spectre, un tracking externe est réalisable.
La seule condition nécessaire et suffisante est que l'analyseur dispose sur son panneau arrière de la sortie "Oscillateur local".
C'est souvent une option, si elle n'est pas installée d'origine, il est délicat de l'adapter a posteriori. Sinon il faut changer d'analyseur ou d'accepter un bricolage interne hasardeux pour créer cette sortie.

L'oscillateur local génère une porteuse à niveau constant qui suit la fréquence du signal analysé avec un décalage égal à la fréquence intermédiaire.
Tout comme il est impossible de se mettre à la fenêtre pour se voit passer dans la rue (principe d'ubiquité), il est impossible de voir ce signal sur son propre analyseur.
Il faut vérifier sa sortie OL sur l'analyseur d'un copain pour s'assurer de son bon fonctionnement avant de se lancer dans l'aventure.

La sortie IF, présente sur la plupart des panneaux arrière des analyseurs, est une fréquence fixe, elle ne peut que servir à piloter un CAG ou attaquer un milliwatt mètre.
Il est impossible de verrouiller une quelconque rampe externe sans référence, la précision fréquence de balayage du tracking doit être meilleure que la bande des filtres.
Évidement un générateur de bruit indépendant fonctionne très bien sans demander une quelconque référence, mais il est très difficile d'avoir une plage de bruit étendue à niveau constant et assez élevé.

 

 

 

Introduction

 

Un tracking est un outil formidable pour améliorer le confort d’utilisation d’un analyseur de spectre. Cela consiste en un générateur piloté suivant très exactement la fréquence en cours de l’analyseur de spectre, quelle que soit la vitesse du balayage.
Un tiroir d’origine est vendu très cher, mais avec un peu d’astuce il est facile à réaliser.

Derrière l’analyseur, une prise sort l’oscillateur local, c’est la clef du problème !

Par exemple, sur mon Advantest R3463
Sortie OL (3 dBm)
3 GHz > sortie 7.231400 GHz
0 GHz > sortie 4.231400 GHz (débute à 10 MHz)

Il a suffit de fouiner sur eBay pour dénicher un mélangeur neuf à prises SMA de chez Macom, le MM96c, pour 40 € rendu qui convient parfaitement.
Il demande un oscillateur local puissant à 13 dBm, mais déjà, à 0 dBm, un signal faible mais acceptable est exploitable.

Pour les premiers essais, j’ai utilisé mon générateur comme oscillateur local à 13 dBm.

Le premier test consiste à renvoyer directement la sortie du mélangeur sur l’entrée de l’analyseur de spectre, et miracle un niveau de -14 dBm à +/- 3 dB apparaît entre 0 et 3 GHz, avec un pilote calé à la perfection.
Sur l'exemple au-dessous, le niveau n'est que de -30 dBm car le générateur n'était pas parfaitement calé et le niveau réglé trop bas.
Je n’en espérai pas autant pour le premier essai, sans aucun filtre, sans ampli de sortie linéarisé en fonction de la fréquence par table et détecteur…

La photo montre le système en place

Sur l’entrée LO, local oscillateur, le pilote 4.2314 GHz de 13 dBm au travers d’un circulateur qui est vu avec un très bon ROS depuis le pilote. Cette valeur généreuse offre le meilleur rendement de mélange.

Sur l’entrée RF, le signal à transposer, provenant (4… à 7... GHz) du LO à 3dBm.

Sur la sortie IF, le signal mélangé de poursuite qui attaque le DUT (device under tests) relié à l’analyseur de spectre.

Tracking

Test basique

Pour vérifier, j’ai vite intercalé dans l’entrée divers filtres bien connus, testés auparavant à l’analyseur de réseau.
Le résultat est exactement celui espéré et je retrouve parfaitement mes courbes (exemple chapitre suivant).
Il est facile de voir l’influence de la précision de la fréquence du pilote en décalant le 4.2314 GHz, dès que l’écart dépasse la largeur du filtre, le signal s’écroule comme prévu.

 

Cactéristiques nominales Magnum Microwave (Remec) MM96P-3

Il s’avère un peu meilleur que ce que donne le datasheet !

Les mélangeurs fonctionnent linéairement avec un le niveau du LO supérieur au niveau de IF de 6 à 10 dB.

RF : 6-18 GHz (en pratique il descend à 3 GHz !)
LO : 4-18 GHz (en pratique il descend aussi à 3 GHz !)
IF : DC-3.5 GHz (parfait pour l’application)
Conversion loss typically 6 dB (un peu plus en tirant sur les limites basses)
Typical LO power required is 14 dBm (peu de differences visibles de 5 à 15 dBm)
3rd order intercept is +18 dBm
1dB compression point is 8 dBm.

Tracking basique

L'installation minimaliste

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Prototype minimaliste

Premier test en mode prototype, pilote mal réglé, puissance trop faible

 

Dans ce test minimaliste, le générateur a été utilisé comme pilote 4 GHz en oscillateur local.
Il n'y a aucun passe-bas, aucune linéarisation de la courbe. Le résultat est déjà extrêmement satisfaisant.

La courbe verte de référence représente la sortie directe tracking. Réglages de base de l'analyseur, 0 à 3 GHz, 10 dB/carreau. Le marqueur sur 1.245 est à -30 dBm.
Non compensé le niveau remonte de 8 dB autour de 400 MHz et de 15 dB autour de 2.2 GHz.

La courbe jaune montre le filtre en cours d'évaluation centré sur 1.2 GHz en place, comme l’avait montré l'analyseur de réseau, perte quasi nulle sur la bande 1.2 GHz, largeur 100 MHz.

Pour étudier finement le pied dans le bruit, il faudrait un meilleur pilote et un amplificateur de 40 dB linéarisé comme prévu en version finale (cela descendra d'autant le plancher de bruit). Avec un pilote précis, il sera possible de serrer les filtres et d’augmenter encore plus la dynamique.

Idem, en soignant l'accord du pilote, niveau 10 dBm

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Avec amplificateur

Avec amplificateur 30 dB non régulé et mauvais pilote

 

La première amélioration consiste à rajouter un amplificateur du commerce.
Ce modèle est un Keps communication (Je ne le trouve plus sur www.keps.it), 0.1 à 3.5 GHz, acheté 50 € à Seigy 2004.
Le rapport signal/bruit augmente considérablement et permet d’apprécier la réjection hors bande.
Ce span maximum n’a évidemment été choisi que pour des raisons pédagogiques, pour étudier ce filtre, 500 MHz seraient suffisants. Sur la photo, vous voyez l’amplificateur à droite, inséré avant le filtre.

Tracking

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Les "to do "

 

Les « to do » (toudou comme dans les publicités de lessives) ou en français ce qui reste à faire pour que ce prototype sommaire ressemble à quelque chose.

Circulateur

Installer entre le pilote et l’entrée OL un circulateur sur 4.3 GHz, c'est fait sur le premier prototype.
Ce circulateur à ferrite Thomson a été trouvé dans une brocante, il est très commun. Référence : TBC 281
Les courbes sont en page analyseur de réseau scalaire page 2

 Circulateur
circulateur

Pilote

Réaliser un vrai pilote indépendant 4.234 GHz, asservi sur le 10 MHz de référence de l’analyseur.
L’analyseur possède une prise 10 MHz, programmable soit en sortie quand on travaille sur l’OCXO interne, ou en entrée si l’on utilise la référence sur l’oscillateur à Rubidium de haute précision de la station (il est à mieux que 10-11).
Ce pilote sera réalisé par un bloc de récupération provenant du démontage d’un faisceau 6 GHz (émetteur de démontage France Télécom). Le pilote est triplé d’origine, il faut le modifier en doubleur. Il comprend d’origine une PLL à modifier pour remplacer l’enceinte à quartz par le 10 MHz.

Il est très difficile de faire un pilote à plus de 4 GHz si l’on ne dispose pas d’un autre analyseur montant haut en fréquence pour tester la pureté spectrale.
En travaillant à F/2 il est parfaitement possible de se contrôler avec les moyens du bord. Une fois le 2.115,5 GHz verrouillé sur le 10 MHz, il est simple de doubler et d’amplifier puis d’aller voir un copain mieux équipé pour regarder la pureté de son pilote à 10 dBm.

Il serait possible de récupérer facilement ce pilote dans l’analyseur, déjà parfaitement verrouillé sur le 10 MHz, mais je ne le fais pas pour préserver l’intégrité de ce matériel onéreux, un bricolage serait de très mauvais goût.
La solution sera donc le pilote indépendant, mais ce ne sera pas aussi simple…

Autre solution, utiliser l’oscillateur interne
Il existe peut-être d’autres solutions à la synthèse directe du pilote. Un oscillateur de référence existe, sur 3810 MHz, il attaque le deuxième mixer vers la deuxième FI à 421.4 MHz. Cet oscillateur est évidemment parfaitement accroché sur le 10 MHz.
Si l’on n’a pas peur de mettre les doigts dans le cambouis, il est très tentant de faire un petit prélèvement, à faible niveau et d’amplifier par deux MMIC, et de fabriquer à côté un 4231.4 – 3810 = 421.4 MHz, par une simple pll. Il est plus simple de fabriquer un 421 MHz qu’un 4231 MHz.
Reste évidemment ensuite à utiliser un autre mélangeur en anneau et un filtre pour créer le pilote.

 

Passe bas 3 GHz

Installer un passe bas de sortie 3 GHz. La réalisation est délicate sur une plage de 10 MHz à 3 GHz…
Il se trouve en récupération.

 

Amplificateur 10 dBm

Installer un amplificateur pour essayer d’atteindre 10 dBm plats sur toute la plage avant atténuateur programmable.
Il faut compenser le gain de deux manières :

Par table, en utilisant :
Un fréquencemètre rustique prélevant son signal sur la sortie OL de 4 à 7 GHz et fournissant un mot de 10 bits image de la fréquence de travail 0 à 3 GHz. Un petit microcontrôleur fait cela facilement.
Un convertisseur analogique numérique lit la tension du détecteur placé avant l’atténuateur en phase apprentissage pour charger la table.
Un convertisseur numérique analogique contrôle le gain de l’amplificateur en fonction de la table et de la fréquence indépendamment du détecteur.

Par GAG : En exploitation, le détecteur affine la linéarisation de la courbe en manipulant aussi le gain.

Le cahier des charge fixe une écart maximal admissible entre 0 et 3 GHz de +/- 1.2 dB.

 

Amplificateur saturé ou non ?

L’approche qui vient spontanément à l’idée dès que l’on observe une courbe de réponse irrégulière est de penser à saturer l'amplficateur de sortie. Cela donnerait effectivement très simplement une courbe plate, mais s’avèrerait désastreux car la saturation est génératrice d’harmoniques. De multiples raies de battement apparaîtraient, faussant totalement les mesures.
Il est donc indispensable de s’assurer que seule la raie fondamentale est présente en sortie du mélangeur.
Il est évident que cela ne peut pas se voir pas directement en mode tracking, la raie instantanée affichée étant la somme de tout le spectre, elle comprend la fondamentale espérée et toutes raies parasites de battement.
Pour cela, le système fonctionnant sur son pilote définitif, il suffit d’une manipulation très simple.
Débrancher la sortie FI et mesurer de 4 à 7 GHz (valeurs arrondies) la puissance de la raie, par exemple +3dBm.
Brancher provisoirement en entrée RF, à la place de la sortie FI, le générateur réglé à la même puissance et balayer doucement la plage 4 à 7 GHz en observant le résultat transposé sur l’analyseur.
On ne doit voir qu’une seule raie entre 0 et 3 GHz, les produits de battement liés à un mauvais passe-bas ou a à une saturation devant être les plus faibles possibles, au moins 30 dB en dessous du fondamental.
Si la raie est pure, le tracking est parfait, sinon on observera des artefacts ininterprétables.

 

Devenir du prototype

Ce projet spécifique à l’Advantest n’évoluera plus, ce matériel ayant été remplacé par un HP 8595e.
Ce HP 8595e a été repris ensuite par F5FFN, Jean Pierre, qui a réalisé un excellent tracking « home made ».

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Extension à 3-6 et 9-12 GHz (hors tracking)

 

Un analyseur 0-3 GHz moderne st un formidable outil pour la station. Un problème apparaît quand l’envie prend de s’essayer aux bandes 5.6 GHz et au 10 GHz, car l’on se retrouve totalement démuni. Il faut donc pousser l’outil dans ces bandes.
Une petite modification du générateur de tracking permet de réaliser cela. Il faut tout d’abord réaliser les deux pilotes sur 3 et 9 GHz.

Attention, nous ne parlons plus ici de tracking, mais de la réutilisation du matériel précèdent pour augmenter les bandes de l’analyseur.

Ce n’est qu’un bricolage, il y aura des raies parasites et la précision des mesures en amplitude de l’analyseur sera perdue, la dynamique sera très réduite, mais c’est un dépannage précieux si l’on n’a pas de vrai matériel pour explorer ces bandes.

Le plus astucieux est de réaliser un premier pilote primaire sur 1 ou 1.5 GHz, car il tombe en plein dans la bande basique de l’analyseur, nous disposons donc de tout le matériel nécessaire pour réaliser le pilote callé au Hertz près. Le Net propose de nombreuses réalisations de PLL verrouillées sur le 10 MHz.
Ce pilote primaire étant disponible, un multiplicateur avec amplificateur accordé permet de sortir les raies des pilotes secondaires à 15 dBm en 3 et 9 GHz. Une visite chez un copain mieux équipé permettra de vérifier la qualité du spectre. Nous avons alors réalisé le morceau le plus délicat du projet.

Les filtres passe bandes 0-3 et 9-12 GHz sont des classiques que l’on alignera à l’analyseur de réseau.

Le très bon mélangeur utilisé pour le tracking fonctionne tout aussi bien à 3, 4.2 et 9 GHz de LO !
Il suffit de débrancher les deux sma LO et RF pour passer de tracking en 3-6 ou 9-12 GHz.

 

Résultats et limites des bandes étendues

Ce dispositif rustique permet de disposer de deux bandes supplémentaires, avec évidemment une restriction de taille. Sur la bande basique, les mesures se font en absolu au Hz et au centième de dB absolu.
En bande transposée, la fréquence sera tout aussi précise, car le pilote est parfaitement calé, mais il n’en est pas de même pour la lecture de la puissance.
La perte de conversion liée au mélange est de l’ordre de la dizaine de dB et , mais elle n’est pas constante sur la plage. Il faudra évidemment étalonner le dispositif grâce à un générateur de référence en fonction des fréquences et partiellement des puissances. Le plancher de bruit remontera et la table de conversion sera inévitable, mais ce n’est qu’une faible contrainte au vu de l’agrément ajouté.

Il est illusoire de penser réaliser un amplificateur à gain piloté pour essayer de linéariser la matrice de transfert, c’est hors de notre portée de modestes bricoleurs.

 

 Bandes étendues

Extension de bandes (sans tracking)

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Matériels commerciaux

Cette modeste page ne présente qu’une réalisation très économique, qui n’a pas pour ambition de concurrencer ces excellents matériels professionnels qui n’ont pour défaut que leur prix.
Ce petit bricolage a toutefois un excellent rapport qualité/prix et s’avère très pratique. +

Générateurs de tracking simples, mono bande

Au catalogue Agilent/HP, nous trouvons les HP 85644A, 85645A, 85640A tracking generators, qui s’adaptent parfaitement aux familles 8560 et 70000 et permettent le tracking et l’analyse scalaire à 2.9, 6.5 ou 26.5 GHz suivant les modèles.

HP 85644A

HP 85644A Tracking basique de 0 à 2.9 GHz

Générateurs de tracking multibandes haut de gamme

La solution adoptée par HP sur le HP85645A est très complexe, mais le résultat s'avère stupéfiant, la réponse en fréquence est plate de 300 kHz à 26.5 GHz, sans trou entre les bandes....

Dans son utilisation la plus simple, le tracking se pilote par l’analyseur de spectre, en fréquences et vitesse de balayage. La puissance se règle sur le tracking.
Deux interconnexions principales sont utilisées, en sortie de l’analyseur de spectre :
Le first LO, image de la fréquence en cours d’analyse, par bandes de 3 GHz.
Une tension proportionnelle à la fréquence qui permet d’identifier la bande en cours.

Relation entre le first LO et la fréquence en cours sur l'analyseur de spectre HP 8562A

Fonctionnement du tracking source HP 85645a

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Liens tracking

Un tracking générique intéresssant : dkdinst.com

Les réalisations de John Miles, KE5FX : thegleam.com/ke5fx

* Liens vérifiés le 14/07/09

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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 :

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