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Département Electronique - 2ème année Olivier PIGAGLIO

1 / 12 mise à jour le : 23 novembre 2010

TP Hyperfréquences

-

Manipulations pratiques

-

Applications de l’analyseur de réseau L'objectif de ce TP est la présentation et l’utilis ation d’un Analyseur de Réseau. De part ses fonctionnalités, l’Analyseur de Réseau (Sc alaire ou Vectoriel) est un appareil performant que les étudiants n’auront certainement pas vu durant tout leur cursus scolaire avant l’ENSEEIHT. Des enseignements théori ques ont été dispensés aux étudiants de la filière Electronique sur les paramè tres [S], les antennes, la synthèse de filtres passifs … . Ce TP est donc là pour montrer l’aspect pratique de ces enseignements afin de caractériser et afin d’obteni r la matrice [S] des divers dipôles ou quadripôles à étudier.



I. Description de la manipulation Pour ce TP, les étudiants mettront en pratique des mesures de paramètres [S] pour un dipôle et pour plusieurs quadripôles en utilisant un analyseur de réseau Vectoriel (ARV, VNA : Vector Network Analyzer). I.1. Description du banc expérimental Le banc de mesure schématisé ci-dessus comporte :

• Un analyseur de réseau vectoriel (Agilent N9923A.

• Un kit de calibrage (d’impédance caractéristique Zc=50Ω) en connectique coaxiale 3.5mm, comprenant un court-circuit (SHORT), 1 circuit ouvert (OPEN), une charge adaptée (LOAD), une transition (THROUGH-THRU).

• Une antenne patch gravée sur substrat • Une cavité résonante

DUT ][ DUTQ

1A

2B1B

Oscil lateur Local

RF Source

A1 A2

B1 B2

Port n°1 Port n°2



• Deux filtres passe-bas gravés sur substrat

• Deux filtres passe-bande gravés sur substrat

I.2. Principe des mesures L’analyseur de réseau est un appareil qui inclut simultanément les diverses composantes représentées sur le schéma précédent et qui sont :

• des générateurs / oscillateur ; • des coupleurs, mélangeurs ; • un dispositif d’acquisition et de traitement des signaux qui proviennent coupleurs ; • le système de visualisation des résultats de mesure (sur écran).

La source RF est alternativement commutée vers les ports 1 puis 2. Lorsque celle-ci est commutée vers le port 1, un coupleur sur le port 1 permet de récupérer la puissance réfléchie A1 au niveau du port 1 (mesure du paramètre 11S ) et un autre coupleur sur le port 2 permet de récupérer la puissance

transmise B2 au niveau du port 2 (mesure du paramètre 21S ). De façon analogue, lorsque la source

RF est commutée vers le port 2, on peut faire l’acquisition des paramètres 12S et 22S . Ainsi, pour un balayage des deux ports sur une bande de fréquence donnée, on obtient les valeurs des paramètres

de la matrice [ ]

=

2221

1211

SS

SSS en chaque point de fréquence.

Un analyseur de réseau scalaire permet une mesure du module uniquement des paramètres S alors qu’un analyseur de réseau vectoriel permet une mesure du module et de la phase. I.3. Pourquoi calibrer ? Par défaut, l’Analyseur de Réseau est seulement calibré au niveau de ses connecteurs pour sa puissance de sortie. Pourquoi faut-il calibrer dans ce cas-là ? Pour effectuer des mesures de dipôles ou de quadripôles il faut rajouter des câbles et si nécessaire des transitions entre les standards de connecteurs coaxiaux. Il faut donc amener le plan de calibrage à l’extrémité des câbles pour s’affranchir des pertes dues aux câbles (pertes en transmission, phase) et des désadaptation dues aux divers transitions. Le calibrage sert donc à déterminer la matrice des erreurs systématiques du système de mesure (analyseur + câbles + transitions). I.4. Calibrage et mesures avec l’analyseur N9912A Dans ce qui suit sont exposées les méthodes pour réaliser les calibrages en réflexion et transmission. I.4.a. Termes utilisés dans la procédure de calib rage et dans le choix des graphiques de visualisation : Preset correspond à une touche sur l’analyseur. Preset correspond à une fonction affichée à l’écran et pouvant être sélectionnée au moyen de la touche correspondante sous l’écran. Mode CAT : Cable and Antenna Test Mode NA : Network Analyzer ou Mode VNA : Vector Network Analyzer Calibration O,S,L : Open (Circuit Ouvert) - Short (Court-Circuit) - Load (Charge adaptée)



I.4.b. Calibrage (S11 et S21 seulement) 1. Un analyseur de réseau n’étant pas utilisé par une unique personne, on ne connaît pas a priori les

réglages et calibrages effectués par les personnes précédentes. Il est préférable dans ce cas de rappeler d’abord les paramètres d’usine en appuyant sur la touche Preset puis en sélectionnant la fonction Preset ;

2. Sélectionner la bande de fréquences de mesure en appuyant sur Freq/Dist , puis : a. Appuyer sur Start et entrer la fréquence basse en utilisant le clavier numérique et choisir

l’unité de fréquence ; b. Appuyer sur Stop et entrer la fréquence haute en utilisant le clavier numérique et choisir

l’unité de fréquence ; c. Appuyer sur Meas/Setup 4 , sélectionner Settings . Avec le bouton rotatif, se déplacer sur

« Résolution », appuyer sur Edit , puis Resolution et choisir la résolution souhaitée (pour les TPs ce sera 1001) ;

d. Appuyer enfin sur Done Edit puis Done . 3. Par défaut, l’appareil se met en mode de mesure CAT (Cable and Antenna Test). Se mettre en

mode VNA (Vector Network Analyzer) en appuyant sur la touche Mode Puis en sélectionnant la fonction NA ;

4. Pour démarrer un nouveau calibrage, appuyer d’abord sur la touche Cal 5 ; a. Choisir le type de calibrage : choisir la fonction Cal Type puis O,S,L ; b. Choisir le type de connecteur avec la fonction Connector Type puis sélectionner 3.5 mm -F-

(ce qui correspond aux connecteurs SMA femelle sur le kit de calibrage et les circuits à caractériser) et appuyer sur Enter ;

c. Appuyer sur Start Cal ; d. Connecter la charge « OPEN » sur « RF IN », appuyer sur Open -F- puis sur Measure ; e. Connecter la charge « SHORT » sur « RF IN », appuyer sur Short -F- puis sur Measure ; f. Connecter la charge « LOAD » sur « RF IN », appuyer sur Load -F- puis sur Measure ; g. Appuyer enfin sur Finish ., le calibrage en réflexion est fait.

5. Appuyer sur S21, puis sur la touche Cal 5 ; a. Appuyer sur Start Cal ; b. Connecter la Transition « THRU » entre les deux accès, appuyer sur Thru puis sur

Measure ; c. Appuyer enfin sur Finish , le calibrage en transmission est fait.

I.4.c. Formats de visualisation (mesure de S11 et S21 seulement) 1. Il est possible de choisir le nombre de traces affichées sur l’écran et leur disposition. Appuyer sur

Trace 6 , et choisir la disposition voulue. Pour chaque trace affichée, il est alors possible de définir l’échelle, le type de courbe visualisée et la position des marqueurs. A tout moment, pour revenir sur une autre trace, appuyer sur Trace 6 .

2. Pour modifier le format de la courbe appuyer sur Measure 1 , puis Format . Les formats utiles pour ce TP sont :

⇒⇒⇒⇒ LogMag pour le module de S11 ou S21 en dB ; ⇒⇒⇒⇒ Linear pour le module de S11 ou S21 en naturel ; ⇒⇒⇒⇒ VSWR pour le TOS de S11 ou S21 ; ⇒⇒⇒⇒ Phase pour la phase de S11 ou S21 ; ⇒⇒⇒⇒ Smith pour afficher l’impédance sur un abaque de Smith.

3. Pour modifier l’échelle du graphique, appuyer sur Scale/Amptd . Une solution simple étant bien sûr d’appuyer sur Autoscale , sinon :

⇒⇒⇒⇒ Scale permet de changer l’échelle des ordonnées ; ⇒⇒⇒⇒ Ref Level permet de modifier la valeur de la ligne de Référence ; ⇒⇒⇒⇒ Ref Pos permet de modifier la position de cette ligne, entre 0 (en haut) et 10 (en bas).

4. Pour ajouter un marqueur sur une courbe, appuyer sur Marker et s’assurer que OFF apparaît en bleu et Normal en jaune. Il est possible d’ajouter jusqu’à 6 marqueurs. Pour tous les effacer, sélectionner Markers All Off . Pour placer automatiquement un marqueur sur un minimum ou un



maximum, appuyer sur Mkr → /Tools et choisir le type de marqueur souhaité. La valeur du marqueur s’affiche en haut du graphique ou tous les marqueurs peuvent être présentés dans un tableau en appuyant sur Marker puis Marker Table ON .

I.4.d. Impressions Pour imprimer les courbes présentes à l’écran, il faut soit les enregistrer sur Clé USB (au format png). Pour cela : 1. Appuyer sur Save/Recall 9 ; 2. Choisir le format image en sélectionnant File Type puis Picture (pour les projets

hyperfréquences de 2° semestre, il faudra choisir Data (S2P) ). 3. Choisir d’enregistrer sur la clé USB en sélectionnant Device puis USB ; 4. Sélectionner Save ; 5. Entrer un nom pour l’image au moyen du bouton rotatif et des fonctions Select (pour choisir le

caractère), Back Space (pour effacer les caractères un à un) ou Clear (pour tout effacer) ; 6. appuyer sur Enter ou Done pour enregistrer. I.5. Calibrage et mesures avec l’analyseur N9923A Contrairement au modèle N9912A qui ne peut mesurer que les paramètres S11 et S21, le modèle N9923A permet de mesurer toute la matrice [S]. Il faut donc calibrer en réflexion sur les deux accès. La gestion des formats d’affichage et des marqueurs est identique à celle du N9912A. 1. Effectuer un Preset de l’appareil comme indiqué pour le N9912A ; 2. Sélectionner la bande de fréquences de mesure comme indiqué pour le N9912A ; 3. Se mettre en mode VNA comme indiqué pour le N9912A ; 4. Pour un calibrage des 4 paramètres S, il faut s’assurer que les 4 paramètres soient affichés. Pour

cela, appuyer sur Trace 6 et faire en sorte que S11, S21, S12 et S22 soient affichés. 5. Pour démarrer un nouveau calibrage, appuyer d’abord sur la touche Cal 5 ;

a. Choisir le type de calibrage : choisir la fonction Mechanical Cal puis O,S,L ; b. Choisir le type de connecteur avec la fonction Connector Type puis sélectionner 3.5 mm -F-

(ce qui correspond aux connecteurs SMA femelle sur le kit de calibrage et les circuits à caractériser) pour chacun des deux ports et appuyer sur Enter ;

c. Appuyer sur Start Cal ; d. Connecter les charges « OPEN », « SHORT », « LOAD » sur chacun des deux accès comme

indiqué sur l’écran ou la Transition « THRU » entre les deux accès puis sur Measure pour chaque mesure ;

e. Appuyer enfin sur Finish ., le calibrage est fini. I.6. Correspondance Français → Anglais pour les N9912A et N9923A Début fréq. → Start | Paramètres → Settings Arrêt fréq. → Stop | Editer → Edit Résolution → Resolution | Terminé → Done Fin Edition → Done Edit | Terminer → Finish Type d’étalonnage → Cal Type | Mag. Log → LogMag Dém Etal → Start Cal | Linéaire → Linear Echelle automatique → Autoscale | Niveau réf. → Ref Level Echelle → Scale | Pos réf → Ref Pos Désactiver marqueurs → Markers All Off | NON → OFF Tableau marqueur ON → Marker Table ON | Type fich. → File Type Image → Picture | Donn. (S2P) → Data (S2P) Périphérique → Device | Enregistrer → Save Retour arrière → Back Space | Sélectionner → Select Pour choisir la langue française sur l’analyseur, appuyer sur System 7 , Preferences puis Language et enfin Français .



II. Mesures à effectuer L’écran n’étant pas tactile, il faut utiliser les 6 boutons en dessous de l’écran pour sélectionner la fonction souhaitée.

Effectuer un calibrage en transmission sur la totalité de la bande de fréquence de l’analyseur de réseau, à savoir 2MHz-6GHz. II.1. Mesure en réflexion d’une antenne patch Il s’agit ici de trouver les caractéristiques d’une antenne plaquée, gravée sur un substrat en verre époxy (FR4) d’épaisseur 1,524mm et de permittivité εr = 4,4.

Antenne plaquée sur substrat époxy Rappel théorique :

Pour réaliser une antenne patch à une fréquence Rf donnée, il faut d’abord déterminer sa permittivité

effective reffε pour déterminer la longueur « électrique » effL du patch.

-

W

h

rrreff

.121

1 .

2

1

2

1

+

−+

+=

εεε

-

+−++

+=∆+=).8,0).(258,0(

).264,0).(3,0( . .412,0 . 2.2

hW

hWhLLLL

reff

reff

eff εε

d’où : reffeff

RL

cf

ε..2=

Mesures : - Mesurer la largeur du patch et en déduire les valeurs théoriques pour reffε , Rf , effL et L∆ .



- En visualisant le module de 11S entre 800MHz et 5GHz, déterminer quelles sont les différentes

résonances de l’antenne ainsi que pour chacune d’elles les valeurs du paramètre 11S et du ROS. Pour quelle résonance l’antenne est-elle la mieux adaptée ? A quoi correspond cette fréquence particulière ? Justifier ? A quoi correspondent les autres résonances ?

- En resserrant la plage de fréquence entre 0,9 et 1GHz, déterminer pour la seule résonance visible la valeur de l’impédance de l’antenne ainsi que son ROS ? Déterminer la bande passante à –10dB de cette résonance à partir du paramètre 11S sur cette plage de fréquence.

- Cette antenne est-elle sensible aux perturbations extérieures ? Pourquoi ? II.2. Mesures en transmission II.2.a. Cavité résonante La cavité à étudier a été réalisée sur une base de guide d’ondes de section rectangulaire (section dans le plan XY et de direction Oz) fermé à ses deux extrémités (z=0 et z=d) par des plaques métalliques. La géométrie de cette cavité avec ses dimensions est présentée ci-dessous.

L’excitation de cette cavité a été réalisée de façon à générer les champs électriques selon l’axe « y »

(en 2

ax = ), on considère donc qu’il y a invariance en translation suivant ce même axe. Les conditions

aux limites pour cette cavité sont des murs électriques en x=0, x=a, y=0 et y=b. La cavité ayant été réalisée sur une base de guide d’ondes avec propagation selon l’axe « z », on a 0== yx EE en z=0

et z=d. Des modes mnTE (on ne considèrera pas les modes TM dans cette manipulation) dans un

guides d’ondes, on en déduit la fréquence de résonance des modes mnpTE par la relation :

)².

()².

()².

(..2

_d

p

b

n

a

mcf mnpR

ππππ

++=

sachant que pd .. πβ = ,

22

2 ..

+

=b

n

a

mkC

ππ et

c

fk

π20 = .

Les indices m, n et p se réfèrent au nombre d’ondes stationnaires selon les directions x, y et z respectivement. Dans la mesure où il n’y a que de l’air dans cette cavité, le calcul des fréquences de résonance et donc :

Y

X

Z

o a=86,36m

d=150mm

b=43,18m

Y

X

Z

o

m=1

m=2

m=3 m=1

m=2

m=3



)²()²()²(.2

_d

p

b

n

a

mcf mnpR ++=

Ci-après, sont représentées les lignes de champ des deux premiers modes de résonance d’une cavité parallélépipédique.

1° mode 2°mode Mesures : - Déterminer quels modes mnpTE peuvent être excités dans cette cavité en justifiant les valeurs des

entiers m, n et p et en calculer les fréquences théoriques de résonance (inférieures à 3GHz). - Quel format permet la visualisation du coefficient de transmission 21S ? Visualiser ce coefficient

sur la plage de fréquence de 1,8 à 3GHz. - Donner les valeurs des fréquences de résonance et pour chacune d’elles donner l’erreur par

rapport à la fréquence théorique ainsi que la valeur du paramètre 21S .

II.2.b. Filtres en microruban

Filtre Passe-Bas n°1 et Filtre Passe-Bas n°2

Filtre Passe-bande n°1 et Filtre Passe-bande n°2 Mesures : - Pour une plage de fréquence de 1MHz à 6GHz, donner les courbes du coefficient de transmission

21S ainsi que le coefficient de réflexion 11S pour chacun des filtres.



- Pour les filtres passe-bas : déterminer la fréquence de coupure 0f à -3dB par rapport au niveau

minimum de pertes. Observer le paramètre de réflexion 11S . Quel est le niveau minimum

d’adaptation du filtre ? - Pour les filtres passe-bande : déterminer les fréquences de coupure haute et basse à -3dB

( CHFf , CBFf ) par rapport à l’atténuation minimale dans la bande. Quelle est la fréquence centrale

0f et la bande passante relative ? Quelle est la différence entre les deux filtres (dans la bande

passante et dans la bande atténuée) ? Pour les filtres à stubs, quelle est la longueur électrique des stubs ? Expliquer alors l’allure de la réponse en transmission. On donne l’expression de la

permittivité effective en fonction de la largeur w du ruban :

W

h

rr

reff

.121

1.

2

1

2

1

+

−+

+=

εεε .

- Constituer des filtres en mettant en série un passe-bas et un passe-bande. Expliquer pour ces ensembles l’intérêt de l’adjonction d’un passe-bas supplémentaire et indiquer aussi quel filtre passe-bas est le plus approprié pour chacun des deux filtres passe-bande.



Annexe : Le calibrage pour corriger les erreurs sys tématiques Diagramme de fluence d’une mesure en réflexion seul e (calibrage « One-Port ») :

AS11 : paramètre 11S de la charge

MS11 : paramètre 11S mesuré

DE : erreur liée à la directivité

SE : erreur liée à la désadaptation de la source

RTE : erreur liée à la réponse fréquentielle du système

Le paramètre MS11 correspond à AS

ARTDM

SE

SEES

11

1111

.1

.

−+= . Pour un calibrage en réflexion seulement

(« One-Port »), il faut faire 3 mesures sur trois charges connues qui sont ,dans le cas d’un calibrage SOL, un court-circuit (Short), un circuit ouvert (Open) et une charge (Load). Diagramme de fluence d’une mesure en transmission ( calibrage « Full-Port »): Erreurs systématiques de l’analyseur de réseau en transmission directe (transmission de 1 vers 2)

Erreurs systématiques de l’analyseur de réseau en transmission inverse (transmission de 2 vers 1)

1

DE AS11 SE

RTE

MS11

RF in

Adaptation de l’erreur

1

SE '

AS12

XE '

AS22 AS11

LE '

TTE '

DE '

RTE '

1a

1b

2a

2b

AS21

SE

AS12

XE

AS22 AS11 LE

TTE

DE

RTE

1a

1b

2a

2b

AS21 Port 2 1



AS11 , AS21 , AS12 et AS22 : paramètres 11S , 21S , 12S et 22S de la charge

MS11 , MS21 , MS12 et MS22 : paramètres 11S , 21S , 12S et 22S mesurés

DE et DE ' : erreurs liées à la directivité respectivement directe et inverse

SE et SE ' : erreurs liées à la désadaptation de la source respectivement 1 et 2

RTE et RTE ' : erreur liée à la réponse fréquentielle du système respectivement directe et inverse

XE et XE ' : erreurs liées à l’isolation respectivement directe et inverse

TTE et TTE ' : erreurs liées à la transmission respectivement directe et inverse

LE et LE ' : erreurs liées à la désadaptation de la charge respectivement 2 et 1 Pour un calibrage complet des 4 paramètres ijS (« Full-Port »), il faut faire 12 mesures le cas d’un

calibrage SOLT, un court-circuit (Short), un circuit ouvert (Open), une charge (Load) et enfin une jonction (Thru).

− les paramètres DE , DE ' , SE , SE ' , RTE et RTE ' sont obtenus par la mesure de MS11 et

MS22 sur les charges Short, Open et Load ;

− les paramètres XE et XE ' sont obtenus en incluant l’isolation lors du calibrage ;

− les paramètres TTE , TTE ' , LE et LE ' sont obtenus avec la jonction (Thru). Les relations entre les paramètres mesurés ( MS11 , MS21 , MS12 et MS22 ) et les paramètres de la

charge ( AS11 , AS21 , AS12 et AS22 ) sont données ci-dessous :

−

−

−−

−+

−+

−

−−

−+

−

=

TT

XM

TT

XMLL

RT

DMS

RT

DMS

TT

XM

TT

XML

RT

DMS

RT

DM

A

E

ES

E

ESEE

E

ESE

E

ESE

E

ES

E

ESE

E

ESE

E

ES

S

'

'..'.

'

'.'1..1

'

'..

'

'.'1.

12212211

12211111

11

−

( )

−

−−

−+

−+

−−+

−

=

TT

XM

TT

XMLL

RT

DMS

RT

DMS

RT

DMLS

TT

XM

A

E

ES

E

ESEE

E

ESE

E

ESE

E

ESEE

E

ES

S

'

'..'.

'

'.'1..1

'

'.'1.

12212211

2221

21

−

( )

−

−−

−+

−+

−−+

−

=

TT

XM

TT

XMLL

RT

DMS

RT

DMS

RT

DMLS

TT

XM

A

E

ES

E

ESEE

E

ESE

E

ESE

E

ESEE

E

ES

S

'

'..'.

'

'.'1..1

.'1.'

'

12212211

2212

12

−

−

−−

−+

−+

−

−−

−+

−

=

TT

XM

TT

XMLL

RT

DMS

RT

DMS

TT

XM

TT

XML

RT

DMS

RT

DM

A

E

ES

E

ESEE

E

ESE

E

ESE

E

ES

E

ESE

E

ESE

E

ES

S

'

'..'.

'

'.'1..1

'

'..'.1.

'

12212211

12211122

22

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