TP Hyperfréquences - Manipulations pratiques. - Applications de l analyseur de réseau

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1 épartement lectronique - ème année Olivier PIGGIO TP Hyperfréquences - anipulations pratiques - pplications de l analyseur de réseau objectif de ce TP est la présentation et l utilisation d un nalyseur de Réseau e part ses fonctionnalités, l nalyseur de Réseau (calaire ou Vectoriel) est un appareil performant que les étudiants n auront certainement pas vu durant tout leur cursus scolaire avant l NIHT es enseignements théoriques ont été dispensés aux étudiants de la filière lectronique sur les paramètres [], 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 obtenir la matrice [] des divers dipôles ou quadripôles à étudier / mise à jour le : 3 novembre 00

2 épartement lectronique - ème année Olivier PIGGIO I escription de la manipulation Pour ce TP, les étudiants mettront en pratique des mesures de paramètres [] pour un dipôle et pour plusieurs quadripôles en utilisant un analyseur de réseau Vectoriel (RV, VN : Vector Network nalyzer) I escription du banc expérimental RF ource B Oscillateur ocal B Port n Port n UT [ Q UT ] B B e banc de mesure schématisé ci-dessus comporte : Un analyseur de réseau vectoriel (gilent N993 Une antenne patch gravée sur substrat Un kit de calibrage (d impédance caractéristique Zc=50Ω) en connectique coaxiale 35mm, comprenant un court-circuit (HO), circuit ouvert (OPN), une charge adaptée (O), une transition (THROUGH- THRU) Une cavité résonante / mise à jour le : 3 novembre 00

3 épartement lectronique - ème année Olivier PIGGIO eux filtres passebas gravés sur substrat eux filtres passebande gravés sur substrat I Principe des mesures 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) a source RF est alternativement commutée vers les ports puis orsque celle-ci est commutée vers le port, un coupleur sur le port permet de récupérer la puissance réfléchie au niveau du port (mesure du paramètre ) et un autre coupleur sur le port permet de récupérer la puissance transmise B au niveau du port (mesure du paramètre ) e façon analogue, lorsque la source RF est commutée vers le port, on peut faire l acquisition des paramètres et insi, pour un balayage des deux ports sur une bande de fréquence donnée, on obtient les valeurs des paramètres de la matrice [ ] = en chaque point de fréquence Un analyseur de réseau scalaire permet une mesure du module uniquement des paramètres alors qu un analyseur de réseau vectoriel permet une mesure du module et de la phase I3 Pourquoi calibrer? Par défaut, l nalyseur 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 e calibrage sert donc à déterminer la matrice des erreurs systématiques du système de mesure (analyseur câbles transitions) I4 Calibrage et mesures avec l analyseur N99 ans ce qui suit sont exposées les méthodes pour réaliser les calibrages en réflexion et transmission I4a Termes utilisés dans la procédure de calibrage 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 ode CT : Cable and ntenna Test ode N : Network nalyzer ou ode VN : Vector Network nalyzer Calibration O,, : Open (Circuit Ouvert) - hort (Court-Circuit) - oad (Charge adaptée) 3 / mise à jour le : 3 novembre 00

4 épartement lectronique - ème année Olivier PIGGIO I4b Calibrage ( et seulement) 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 ; électionner la bande de fréquences de mesure en appuyant sur Freq/ist, puis : a ppuyer sur tart et entrer la fréquence basse en utilisant le clavier numérique et choisir l unité de fréquence ; b ppuyer sur top et entrer la fréquence haute en utilisant le clavier numérique et choisir l unité de fréquence ; c ppuyer sur eas/etup 4, sélectionner ettings vec le bouton rotatif, se déplacer sur «Résolution», appuyer sur dit, puis Resolution et choisir la résolution souhaitée (pour les TPs ce sera 00) ; d ppuyer enfin sur one dit puis one 3 Par défaut, l appareil se met en mode de mesure CT (Cable and ntenna Test) e mettre en mode VN (Vector Network nalyzer) en appuyant sur la touche ode Puis en sélectionnant la fonction N ; 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,, ; b Choisir le type de connecteur avec la fonction Connector Type puis sélectionner 35 mm -F- (ce qui correspond aux connecteurs femelle sur le kit de calibrage et les circuits à caractériser) et appuyer sur nter ; c ppuyer sur tart Cal ; d Connecter la charge «OPN» sur «RF IN», appuyer sur Open -F- puis sur easure ; e Connecter la charge «HO» sur «RF IN», appuyer sur hort -F- puis sur easure ; f Connecter la charge «O» sur «RF IN», appuyer sur oad -F- puis sur easure ; g ppuyer enfin sur Finish, le calibrage en réflexion est fait 5 ppuyer sur, puis sur la touche Cal 5 ; a ppuyer sur tart Cal ; b Connecter la Transition «THRU» entre les deux accès, appuyer sur Thru puis sur easure ; c ppuyer enfin sur Finish, le calibrage en transmission est fait I4c Formats de visualisation (mesure de et seulement) Il est possible de choisir le nombre de traces affichées sur l écran et leur disposition ppuyer 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 tout moment, pour revenir sur une autre trace, appuyer sur Trace 6 Pour modifier le format de la courbe appuyer sur easure, puis Format es formats utiles pour ce TP sont : ogag pour le module de ou en db ; inear pour le module de ou en naturel ; VWR pour le TO de ou ; Phase pour la phase de ou ; mith pour afficher l impédance sur un abaque de mith 3 Pour modifier l échelle du graphique, appuyer sur cale/mptd Une solution simple étant bien sûr d appuyer sur utoscale, sinon : cale permet de changer l échelle des ordonnées ; Ref evel 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 0 (en bas) 4 Pour ajouter un marqueur sur une courbe, appuyer sur arker 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 arkers ll Off Pour placer automatiquement un marqueur sur un minimum ou un 4 / mise à jour le : 3 novembre 00

5 épartement lectronique - ème année Olivier PIGGIO maximum, appuyer sur kr /Tools et choisir le type de marqueur souhaité a valeur du marqueur s affiche en haut du graphique ou tous les marqueurs peuvent être présentés dans un tableau en appuyant sur arker puis arker Table ON I4d Impressions Pour imprimer les courbes présentes à l écran, il faut soit les enregistrer sur Clé UB (au format png) Pour cela : ppuyer sur ave/recall 9 ; Choisir le format image en sélectionnant File Type puis Picture (pour les projets hyperfréquences de semestre, il faudra choisir ata (P) ) 3 Choisir d enregistrer sur la clé UB en sélectionnant evice puis UB ; 4 électionner ave ; 5 ntrer un nom pour l image au moyen du bouton rotatif et des fonctions elect (pour choisir le caractère), Back pace (pour effacer les caractères un à un) ou Clear (pour tout effacer) ; 6 appuyer sur nter ou one pour enregistrer I5 Calibrage et mesures avec l analyseur N993 Contrairement au modèle N99 qui ne peut mesurer que les paramètres et, le modèle N993 permet de mesurer toute la matrice [] Il faut donc calibrer en réflexion sur les deux accès a gestion des formats d affichage et des marqueurs est identique à celle du N99 ffectuer un Preset de l appareil comme indiqué pour le N99 ; électionner la bande de fréquences de mesure comme indiqué pour le N99 ; 3 e mettre en mode VN comme indiqué pour le N99 ; 4 Pour un calibrage des 4 paramètres, il faut s assurer que les 4 paramètres soient affichés Pour cela, appuyer sur Trace 6 et faire en sorte que,, et 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 echanical Cal puis O,, ; b Choisir le type de connecteur avec la fonction Connector Type puis sélectionner 35 mm -F- (ce qui correspond aux connecteurs femelle sur le kit de calibrage et les circuits à caractériser) pour chacun des deux ports et appuyer sur nter ; c ppuyer sur tart Cal ; d Connecter les charges «OPN», «HO», «O» sur chacun des deux accès comme indiqué sur l écran ou la Transition «THRU» entre les deux accès puis sur easure pour chaque mesure ; e ppuyer enfin sur Finish, le calibrage est fini I6 Correspondance Français nglais pour les N99 et N993 ébut fréq tart Paramètres ettings rrêt fréq top diter dit Résolution Resolution Terminé one Fin dition one dit Terminer Finish Type d étalonnage Cal Type ag og ogag ém tal tart Cal inéaire inear chelle automatique utoscale Niveau réf Ref evel chelle cale Pos réf Ref Pos ésactiver marqueurs arkers ll Off NON OFF Tableau marqueur ON arker Table ON Type fich File Type Image Picture onn (P) ata (P) Périphérique evice nregistrer ave Retour arrière Back pace électionner elect Pour choisir la langue française sur l analyseur, appuyer sur ystem 7, Preferences puis anguage et enfin Français 5 / mise à jour le : 3 novembre 00

6 épartement lectronique - ème année Olivier PIGGIO II esures à effectuer écran n étant pas tactile, il faut utiliser les 6 boutons en dessous de l écran pour sélectionner la fonction souhaitée ffectuer un calibrage en transmission sur la totalité de la bande de fréquence de l analyseur de réseau, à savoir Hz-6GHz II esure 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,54mm et de permittivité εr = 4,4 Rappel théorique : ntenne plaquée sur substrat époxy Pour réaliser une antenne patch à une fréquence f R donnée, il faut d abord déterminer sa permittivité effective ε reff pour déterminer la longueur «électrique» eff du patch - - ε reff eff εr εr = h W ( ε = = 0,4 h ( ε reff reff 0,3)( W 0,64 h) 0,58)( W 0,8 h) d où : f R = eff c ε reff esures : - esurer la largeur du patch et en déduire les valeurs théoriques pourε reff, f R, eff et 6 / mise à jour le : 3 novembre 00

7 épartement lectronique - ème année Olivier PIGGIO - n visualisant le module de entre 800Hz et 5GHz, déterminer quelles sont les différentes résonances de l antenne ainsi que pour chacune d elles les valeurs du paramètre et du RO Pour quelle résonance l antenne est-elle la mieux adaptée? quoi correspond cette fréquence particulière? Justifier? quoi correspondent les autres résonances? - n resserrant la plage de fréquence entre 0,9 et GHz, déterminer pour la seule résonance visible la valeur de l impédance de l antenne ainsi que son RO? éterminer la bande passante à 0dB de cette résonance à partir du paramètre sur cette plage de fréquence - Cette antenne est-elle sensible aux perturbations extérieures? Pourquoi? II esures en transmission IIa Cavité résonante a cavité à étudier a été réalisée sur une base de guide d ondes de section rectangulaire (section dans le plan Y et de direction Oz) fermé à ses deux extrémités (z=0 et z=d) par des plaques métalliques a géométrie de cette cavité avec ses dimensions est présentée ci-dessous Y m= m= m= m=3 Y m= m=3 o b=43,8m o a=86,36m Z Z d=50mm excitation de cette cavité a été réalisée de façon à générer les champs électriques selon l axe «y» (en a x = ), on considère donc qu il y a invariance en translation suivant ce même axe es conditions aux limites pour cette cavité sont des murs électriques en x=0, x=a, y=0 et y=b a cavité ayant été réalisée sur une base de guide d ondes avec propagation selon l axe «z», on a = 0 en z=0 et z=d es modes x = y T mn (on ne considèrera pas les modes T dans cette manipulation) dans un T mnp par la relation : guides d ondes, on en déduit la fréquence de résonance des modes sachant que β d = π p, fr _ mnp c = π m π n k C = a m π n π p π ( )² ( )² ( )² a b d π b et 7 / mise à jour le : 3 novembre 00 k πf c 0 = es indices m, n et p se réfèrent au nombre d ondes stationnaires selon les directions x, y et z respectivement ans la mesure où il n y a que de l air dans cette cavité, le calcul des fréquences de résonance et donc :

8 épartement lectronique - ème année Olivier PIGGIO c = m n ( )² ( )² a b fr _ mnp p ( )² d Ci-après, sont représentées les lignes de champ des deux premiers modes de résonance d une cavité parallélépipédique esures : mode mode - éterminer quels modes T mnp 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? Visualiser ce coefficient sur la plage de fréquence de,8 à 3GHz - onner 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 IIb Filtres en microruban Filtre Passe-Bas n et Filtre Passe-Bas n Filtre Passe-bande n et Filtre Passe-bande n esures : - Pour une plage de fréquence de Hz à 6GHz, donner les courbes du coefficient de transmission ainsi que le coefficient de réflexion pour chacun des filtres 8 / mise à jour le : 3 novembre 00

9 épartement lectronique - ème année Olivier PIGGIO - Pour les filtres passe-bas : déterminer la fréquence de coupuref 0 à -3dB par rapport au niveau minimum de pertes Observer le paramètre de réflexion Quel est le niveau minimum d adaptation du filtre? - Pour les filtres passe-bande : déterminer les fréquences de coupure haute et basse à -3dB ( f CHF, f CBF ) par rapport à l atténuation minimale dans la bande Quelle est la fréquence centrale f 0 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? xpliquer alors l allure de la réponse en transmission On donne l expression de la r r permittivité effective en fonction de la largeur w du ruban : ε reff ε ε = h W - Constituer des filtres en mettant en série un passe-bas et un passe-bande xpliquer 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 9 / mise à jour le : 3 novembre 00

10 épartement lectronique - ème année Olivier PIGGIO nnexe : e calibrage pour corriger les erreurs systématiques iagramme de fluence d une mesure en réflexion seule (calibrage «One-Port») : RF in daptation de l erreur : paramètre de la charge : paramètre : : : e paramètre mesuré erreur liée à la directivité erreur liée à la désadaptation de la source erreur liée à la réponse fréquentielle du système correspond à = 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 O, un court-circuit (hort), un circuit ouvert (Open) et une charge (oad) iagramme de fluence d une mesure en transmission (calibrage «Full-Port»): rreurs systématiques de l analyseur de réseau en transmission directe (transmission de vers ) a b Port a b rreurs systématiques de l analyseur de réseau en transmission inverse (transmission de vers ) b a b a 0 / mise à jour le : 3 novembre 00

11 épartement lectronique - ème année Olivier PIGGIO / mise à jour le : 3 novembre 00,, et : paramètres,, et de la charge,, et : paramètres,, et mesurés et : erreurs liées à la directivité respectivement directe et inverse et : erreurs liées à la désadaptation de la source respectivement et et : erreur liée à la réponse fréquentielle du système respectivement directe et inverse et : erreurs liées à l isolation respectivement directe et inverse et : erreurs liées à la transmission respectivement directe et inverse et : erreurs liées à la désadaptation de la charge respectivement et Pour un calibrage complet des 4 paramètres ij («Full-Port»), il faut faire mesures le cas d un calibrage OT, un court-circuit (hort), un circuit ouvert (Open), une charge (oad) et enfin une jonction (Thru) les paramètres,,,, et sont obtenus par la mesure de et sur les charges hort, Open et oad ; les paramètres et sont obtenus en incluant l isolation lors du calibrage ; les paramètres,, et sont obtenus avec la jonction (Thru) es relations entre les paramètres mesurés (,, et ) et les paramètres de la charge (,, et ) sont données ci-dessous : = ( ) = ( ) = =

12 épartement lectronique - ème année Olivier PIGGIO / mise à jour le : 3 novembre 00