TP HF Manipulation 3 ANALYSEUR DE RESEAUX VECTORIELS

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1 TP HF Manipulation 3 ANALYSEUR DE RESEAUX VECTORIELS I. Introduction En hyperfréquence, la caractérisation des dispositifs passifs ou actifs est assez différentes des techniques utilisées en basse fréquence. Le raisonnement ne fait plus en terme de tension et de courant ou en terme d impédance ou d admittance mais amplitude des champs électromagnétiques en coefficients de réflexion et de transmission. L instrument permettant de déterminer les coefficients de réflexion et de transmission s appelle un analyseur de réseaux vectoriels. L analyseur de réseaux vectoriels permet de déterminer les modules et les phases des coefficients de réflexions et de transmissions. Dans ce TP, nous allons étudier quelques circuits passifs afin de déterminer leurs coefficients de réflexions et de transmissions. Rappel sur les paramètres S Accès 1 a 1 Accès a b 1 b P 1 Un quadripôle est un circuit à voies d accès. Il est défini par sa matrice S : P S S 11 S 1 S 1 S b 1 S 11 a 1 + S 1 a b S 1 a 1 + S a Une onde incidente donne naissance à une onde réfléchie et à une onde transmise. Significations physiques de ces paramètres : b1 S 11 a1 b S 1 a1 a 0 a 0 onde recue sur onde envoyé onde recue sur onde envoyé la voie sur 1 la voie sur 1 1 Zcensortie Zcensortie IUP STRI eme année : ADROIT Laurent, FOUQUES Fabrice 1

2 b1 S 1 a a1 0 onde recue sur onde envoyé la sur voie 1 Zcenentrée b S a a1 0 onde recue sur onde envoyé la voie sur Zcenentrée S 11 et S sont les coefficients de réflexion de l accès 1 (ou ) avec l accès (ou 1) adaptée. S 1 et S 1 sont les coefficients de transmission de l accès 1 à l accès (ou de l accès à la accès 1), l accès (ou 1) étant adaptée. A partir des équations ci-dessus, il est alors possible de déterminer les valeurs a1, a, b1, b en fonction des tensions et des courants. Accès 1 Accès 1 v1 + Zo * i1 1 v + Zo * i a 1 onde _ incidente a Zo Zo onde _ incidente 1 v1 Zo * i1 1 v Zo * i b 1 onde _ réfléchie b Zo Zo onde _ réfléchie II. Analyseur de réseaux vectoriels Réglages initiaux La fréquence de travail est fixée à 10Ghz à l aide du vernier générateur. Pour avoir une meilleur précision, il faut accorder la fréquence de résonance de la cavité. Un voltmètre qui est branché à la sortie de la cavité permet de détecter un maximum de tension qui correspondra à la résonance à 10Ghz du circuit RLC. IUP STRI eme année : ADROIT Laurent, FOUQUES Fabrice

3 III. Mesures en réflexions onde incidente onde réfléchie A. Calibration du banc Une fois le gain de l atténuateur positionné à 0dB et le déphasage à 0, on place un court circuit puis on règle l atténuation et le déphasage de manière à ramener le spot au point de court circuit. G9,dB ϕ47,5 Lorque on retire le court circuit, le spot ne reste pas au niveau du court circuit mais de déplace près du circuit ouvert. Logiquement il devrait être pile au niveau du circuit ouvert, car justement le circuit est ouvert. Il ne s y trouve pas à cause du phénomène de dispersion. Pour obtenir un circuit ouvert, il faut mettre un tronçon λ/4 terminé par un court circuit. B. Influence de la longueur de la ligne Pour étudier l influence de la longueur de la ligne, un court circuit variable est utilisé. Celui-ci permet d étendre la longueur d une ligne terminée par un court circuit et donc de modifier son impédance. Lorsque l on place le court circuit variable avec le gain et le déphasage du calibrage, le spot se trouve bien au niveau du court circuit. L 1 0 cm Longueur de ligne pour avoir un circuit ouvert : L 1 cm Longueur de ligne pour avoir un court circuit : L 1 cm IUP STRI eme année : ADROIT Laurent, FOUQUES Fabrice 3

4 Vérification de la fréquence de travail à 10Ghz Un tour d abaque est équivalent à λ/. λ cm λ4cm Or λt héorique 3,9703cm La valeur trouvée est donc correcte, la fréquence à laquelle nous travaillons est bien de 10Ghz. C. Mesures d impédances 1. Vérification de la charge adaptée Lorsque on l on place la charge adaptée, le spot se trouve au centre. Cela correspond bien à une charge adaptée puisque l impédance réduite est égale à 1. Et donc le coefficient de réflexion est nul. R Γ 1 0 z z R. Mesure à niveau constant avec G (G cal - G cor )/0 Γ 10 ( G) G cal : gain des atténuateurs ajustés lors de la calibration G cor : gain corrigé pour revenir au niveau détecté constant G cal et G cor sont positifs. Explication des 180 supplémentaires ϕ M ϕ cor - ϕ cal 180 Il faut soustraire le déphasage de 180 parce que le calibrage a été effectué sur un court circuit. Et le court circuit correspond à un angle de 180 sur l abaque de Smith. D. Mesures de quadripôles Le quadripôle est placé dans le plan Π. Il est terminé par une charge adaptée. G1,dB ϕ14 1. Impédance d entrée Γ 10 ( G) 10 (9,-1,) 0,7 ϕ M ϕ cor - ϕ cal , ,5 1 + Γ Ze 0,19+j0,330.39e j Γ IUP STRI eme année : ADROIT Laurent, FOUQUES Fabrice 4

5 S 11 0,7e- j85,5 Vérification Par lecture directe sur l analyseur réseau, on obtient S 11 0,78e -j88 G1,6dB ϕ34,5 Γ 0,67 ϕ M Impédance de sortie 1 + Γ Zs 0,31+j0,75 1 Γ S 0,67e -j193 Vérification Par lecture directe sur l analyseur réseau, on obtient S 0,7e --j165 E. Mesure de la permittivité relative des matériaux diélectriques Grâce à l analyseur de réseaux vectoriels, il est possible aussi de déterminer la constante de pertes et l angle de pertes des matériaux diélectriques. Ces deux valeurs permettent en effet de caractériser un matériaux. ε t ε r (1 j tan(δ)) ε r λg λ + λ λ c ε r g λ λ R( y ) ( ) 1cc. co tanδ 1 I( cc. co) Dans la suite de ce paragraphe nous allons déterminer ε r et tanδ. Pour les déterminer, nous allons utiliser les deux formules ci-dessus. Nous avons trouvé facilement les valeurs de λc, λg et λ en annexe. Il nous faut maintenant spécifier y 1cc et y 1co. Une fois la vérification de la bonne calibration avec le court circuit variable, on détermine la valeur de z 1cc qui nous donnera l admittance. z 1cc 0,15+j0,8 Puis on se déplace de 1cm (car on a vu qu il fallait se déplacer de 1cm dans la partie III) B) pour passer du court circuit au circuit ouvert). On mesure alors z co. z co 0.05-j0.7 IUP STRI eme année : ADROIT Laurent, FOUQUES Fabrice 5

6 Détermination des caractéristiques du matériau Il faut d abord calculer les admittances y 1cc 0,-j1, y 1co 0,08+j1,6 Puis nous faisons le produit des admittances y 1cc y 1co 1,74+0,0j D où ε ( ) ( ) r cc. co λg λ R + λ λ 1,4 avec λc4.57 cm, λg cm, λ.9978 cm c tanδ 1 I( cc. co) ε r g λ λ -0,08 ε r 1,4 tanδ -0,08 ε t 1,4+j0,116 IV. Mesures en transmission onde transmise onde incidente Pour les mesures en transmission, il faut se placer en circuit ouvert. En effet, si on place le court circuit, tout le signal sera réfléchi et rien ne sera transmis. A. Calibration du banc La calibration est identique à celle effectuée pour les mesures en réflexion sauf qu on se place en circuit ouvert. La diode détectrice est placée après l élément à tester. G3,4dB ϕ73,5 IUP STRI eme année : ADROIT Laurent, FOUQUES Fabrice 6

7 G6,5dB ϕ30,5 B. Mesures de quadripôles Γ 0,7 ϕ M 30,5-73,5157 S 1 0,7e j157 Vérification Par lecture directe sur l analyseur réseau, on obtient S 1 0,7e j15 G5,8dB ϕ03,5 Γ 0,758 ϕ M 130 S 1 0,758e j130 Vérification Par lecture directe sur l analyseur réseau, on obtient S 1 0,75e j18 V. Matrice S du quadripôle S 0,7e -j85,5 0,758e j130 0,7e j157 0,67e -j193 VI. Conclusion Ce TP était très intéressant car il nous a permis de mieux comprendre le fonctionnement d un analyseur réseaux vectoriel et de nous sensibiliser à la mesure des paramètres S. L analyseur réseau peut effectuer les calculs de deux manières différentes. Les analyseurs réseaux modernes permettent d obtenir les mesures simplement mais en réalité la procédure de mesure est complexe comme nous l avons pu voir dans ce TP. IUP STRI eme année : ADROIT Laurent, FOUQUES Fabrice 7

8 IUP STRI eme année : ADROIT Laurent, FOUQUES Fabrice 8

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