Votre NanoVNA sait faire beaucoup plus que mesurer le ROS : 10 expériences RF à essayer

Pour beaucoup de radioamateurs, le NanoVNA est devenu l’instrument que l’on sort lorsqu’une antenne refuse obstinément d’afficher un ROS convenable. On branche le coaxial sur CH0, on cherche le minimum de ROS et l’appareil retourne dans son tiroir. C’est dommage, car nous n’utilisons alors qu’une petite partie de ses possibilités.

Un NanoVNA est avant tout un analyseur de réseau vectoriel. Il ne mesure pas seulement combien d’énergie revient vers l’émetteur : il mesure également l’amplitude et la phase des signaux. Il peut ainsi nous renseigner sur l’impédance d’une antenne, les pertes d’un câble, la réponse d’un filtre ou encore nous aider à localiser un défaut dans une ligne coaxiale.

Deux paramètres vont nous accompagner dans les expériences suivantes :

• S11 mesure ce qui est réfléchi vers le port CH0 ;
• S21 mesure ce qui est transmis de CH0 vers CH1.

Les deux mesures fondamentales du NanoVNA : S11 analyse le signal réfléchi par l’antenne ou la charge sur CH0, tandis que S21 mesure la transmission d’un signal de CH0 vers CH1 à travers un câble, un filtre ou un autre dispositif RF.

Avec seulement quelques câbles, adaptateurs et composants, notre petit NanoVNA peut donc devenir un véritable laboratoire RF de poche. Voici dix expériences pour le découvrir.

Avant de commencer : calibrez !
Une mesure n’est valable que si le NanoVNA a été correctement calibré sur la plage de fréquences utilisée. Pour les mesures en réflexion, on utilise les références OPEN, SHORT et LOAD. Pour les mesures de transmission entre CH0 et CH1, on ajoute notamment THRU. La calibration doit idéalement être réalisée au niveau du connecteur où commencera réellement le dispositif à mesurer.

1. Trouver la vraie fréquence de résonance d’une antenne

Première expérience : oublions quelques instants le ROS.

Branchez une antenne sur CH0 et affichez simultanément le ROS et l’abaque de Smith. Placez ensuite un marqueur autour de la fréquence où l’antenne semble résonner.

Le NanoVNA permet de lire son impédance sous la forme :

   

avec R, la partie résistive, et X, la partie réactive.

À la résonance, nous recherchons surtout :

   

Une antenne peut donc parfaitement être résonante avec une impédance de 35 Ω, 70 Ω ou 100 Ω. Son ROS ne sera alors pas égal à 1 sur une ligne de 50 Ω.

C’est une distinction essentielle :

résonance et adaptation d’impédance ne sont pas la même chose.

Le NanoVNA permet justement de voir les deux phénomènes séparément, là où un simple ROS-mètre ne nous donne qu’une partie de l’histoire.

2. Mesurer la longueur d’un câble coaxial

Le NanoVNA peut également nous renseigner sur ce qui se passe le long d’un câble. Pour cela, il exploite ses mesures fréquentielles et les transforme dans le domaine temporel : c’est le principe utilisé par la fonction TDR (Time Domain Reflectometry).

Branchez sur CH0 un câble coaxial dont l’autre extrémité reste ouverte. Après calibration, effectuez un balayage sur une plage de fréquences suffisamment large puis affichez la représentation temporelle, directement sur les modèles qui le permettent ou avec un logiciel comme NanoVNA-Saver.

Le signal parcourt le câble, rencontre son extrémité ouverte et revient vers le NanoVNA. Le délai mesuré correspond donc à un aller-retour.

En connaissant la vitesse de propagation dans le câble, le logiciel peut convertir ce délai en distance et ainsi estimer sa longueur.

C’est une façon étonnamment simple de mesurer un coaxial de plusieurs mètres… sans dérouler le mètre ruban !

3. Déterminer le facteur de vélocité d’un coaxial

La vitesse d’une onde RF dans un câble coaxial est inférieure à celle de la lumière. Elle dépend principalement du diélectrique situé entre l’âme et le blindage.

On définit le facteur de vélocité, ou VF, par :

   

où (v) est la vitesse de propagation dans le câble et (c) la vitesse de la lumière.

Prenons maintenant un câble dont nous connaissons précisément la longueur physique. En mesurant son délai de propagation avec le NanoVNA, nous pouvons calculer sa vitesse réelle, puis en déduire son facteur de vélocité.

L’expérience devient particulièrement intéressante en comparant plusieurs câbles : un RG-58 à diélectrique plein, un câble à mousse ou encore un coaxial faible perte.

On constate alors directement que deux câbles de même longueur physique n’ont pas nécessairement la même longueur électrique.

Ce paramètre devient essentiel dès que le coaxial participe au fonctionnement du circuit : ligne quart d’onde, stub d’adaptation, transformateur d’impédance, phasage d’antennes, etc.

4. Localiser un défaut dans un câble avec le TDR

Voici probablement l’une des expériences les plus spectaculaires à réaliser avec un NanoVNA.

Prenez un câble coaxial de plusieurs mètres et observez sa réponse dans le domaine temporel. Une discontinuité d’impédance provoque une réflexion : le NanoVNA peut donc indiquer à quelle distance elle se trouve.

Essayez successivement :

• une extrémité ouverte ;
• un court-circuit ;
• un raccord coaxial ;
• un connecteur mal monté ;
• ou, sur un vieux câble, une zone réellement endommagée.

Chaque anomalie produit une signature différente.

Le principe est exactement celui d’un radar miniature : le NanoVNA observe le temps nécessaire pour que la réflexion revienne vers lui. Connaissant la vitesse de propagation dans le câble, il peut en déduire la position du défaut.

Un point mérite cependant d’être retenu : la précision dépend notamment de la largeur du balayage fréquentiel, de la calibration et du facteur de vélocité renseigné.

Le NanoVNA ne remplace donc pas toujours un véritable réflectomètre professionnel, mais il permet déjà de répondre à une question extrêmement utile dans une station radioamateur :

« Mon coaxial est défectueux… mais à combien de mètres du shack ? »

En mode temporel, le NanoVNA transforme les réflexions mesurées dans le coaxial en informations de distance. Une rupture, un court-circuit ou une variation d’impédance peut ainsi être localisé le long du câble.

5. Mesurer les pertes réelles d’un câble coaxial

Après S11, passons à S21, c’est-à-dire à ce qui traverse réellement un dispositif.

Reliez CH0 à une extrémité du câble et CH1 à l’autre extrémité, puis affichez la courbe LOGMAG en dB. Après une calibration THRU correcte, la valeur mesurée correspond directement à la perte d’insertion du câble.

Un câble parfait donnerait 0 dB. En pratique, on lira par exemple :

   

Cela signifie que le câble atténue le signal de 1,2 dB sur la fréquence considérée.

L’expérience devient très instructive en comparant plusieurs longueurs ou plusieurs types de coaxiaux. On voit immédiatement que les pertes augmentent avec la fréquence et qu’un câble acceptable sur 7 MHz peut devenir beaucoup moins intéressant sur 432 MHz ou 1,3 GHz.

6. Tracer la courbe d’un filtre

Le NanoVNA peut également devenir un petit analyseur de filtres.

Branchez simplement :

CH0 → filtre → CH1

Puis balayez une plage de fréquences suffisamment large autour de la zone qui vous intéresse.

Avec S21 LOGMAG, on visualise directement :

• la bande passante ;
• les fréquences de coupure ;
• la perte d’insertion ;
• l’atténuation hors bande ;
• et la pente du filtre.

Essayez par exemple un filtre passe-bas destiné au 14 MHz. Dans sa bande utile, la courbe doit rester proche de 0 dB, puis chuter rapidement au-delà de la fréquence de coupure.

On peut même afficher simultanément la phase afin de mieux comprendre le comportement du filtre autour de sa transition.

C’est une excellente façon de vérifier un filtre construit soi-même avant de le placer entre un émetteur et son antenne.

7. Observer la résonance d’un circuit LC

Pour cette expérience, réalisons un circuit composé simplement d’une self L et d’un condensateur C.

Sa fréquence théorique de résonance est :

   

Prenons par exemple :

   

et

   

La résonance théorique se situe alors autour de :

   

Connectez le circuit au NanoVNA et balayez quelques MHz autour de cette fréquence.

Vous constaterez probablement que la valeur mesurée n’est pas exactement 15,9 MHz. Pourquoi ?

Parce que dans le monde réel, les composants possèdent des tolérances, des pertes, des capacités parasites et même une inductance parasite pour le condensateur.

C’est justement tout l’intérêt de l’expérience : le NanoVNA permet de voir la différence entre le composant idéal de nos formules et le circuit RF réellement posé sur l’établi.

Trois applications de S21 avec le NanoVNA : mesurer les pertes d’un câble coaxial, tracer la réponse en fréquence d’un filtre et observer la résonance d’un circuit LC. Dans chaque cas, le dispositif à tester est inséré entre CH0 et CH1.

8. Mesurer une self ou un condensateur inconnu

Le NanoVNA peut aussi devenir un petit instrument de caractérisation de composants.

En mesurant l’impédance complexe d’un composant sur CH0, nous obtenons :

   

Pour une inductance, la réactance permet d’estimer :

   

et pour un condensateur :

   

Essayez avec une self ou un condensateur dont vous connaissez déjà la valeur, puis comparez mesure et marquage.

Encore plus intéressant : augmentez progressivement la fréquence. Le composant finit par s’éloigner de son modèle idéal à cause de ses éléments parasites et peut même atteindre sa fréquence d’auto-résonance.

9. Tester réellement un choke ou un balun

Voilà une expérience particulièrement utile pour l’amateur qui construit ses antennes.

Bobinez quelques spires de coaxial sur une ferrite et mesurez son comportement sur plusieurs bandes. On peut ainsi étudier l’impédance de mode commun du choke et observer comment elle évolue avec la fréquence.

L’expérience permet surtout de comprendre qu’un choke n’est pas simplement « bon » ou « mauvais ».

Un montage très efficace sur 7 MHz peut l’être beaucoup moins sur 28 MHz. Le résultat dépend du matériau de la ferrite, de ses dimensions, du nombre de spires et de la façon dont elles sont bobinées.

Le NanoVNA devient alors particulièrement intéressant pour comparer plusieurs constructions avant d’installer le choke au pied d’une antenne.

10. Voir un coaxial transformer une impédance

Terminons par une expérience qui peut sembler presque magique.

Connectez sur CH0 une longueur de coaxial terminée successivement par un circuit ouvert puis un court-circuit, et observez son impédance sur l’abaque de Smith en faisant varier la fréquence.

La ligne ne se comporte plus comme un simple morceau de câble.

Lorsque sa longueur électrique approche :

   

une ligne quart d’onde transforme les impédances. Pour une ligne sans pertes :

   

Ainsi, à exactement λ/4, une charge très faible est transformée en impédance très élevée et, inversement, une charge très élevée en impédance très faible.

Sur l’abaque de Smith, c’est spectaculaire : lorsque la fréquence varie, le point d’impédance tourne autour de l’abaque.

Nous venons d’observer directement le principe utilisé dans les stubs, transformateurs quart d’onde et de nombreux systèmes d’adaptation RF.

Le coaxial n’est donc plus seulement le câble qui transporte notre HF : sa longueur électrique peut devenir une partie intégrante du circuit.

Liens et ressources utiles

Envie de reproduire ces expériences ou d’aller plus loin avec votre NanoVNA ? Quelques ressources permettent d’exploiter beaucoup plus facilement S11, S21, l’abaque de Smith et le domaine temporel.

• NanoVNA-Saver — Probablement le complément logiciel le plus intéressant. Il permet d’afficher S11 et S21 sous différentes formes (Smith, LogMag, phase, VSWR), d’effectuer des balayages comportant davantage de points, d’analyser des filtres, d’exporter des fichiers Touchstone et surtout d’utiliser une fonction TDR pour mesurer et examiner les câbles.
• Téléchargement de NanoVNA-Saver — Les versions disponibles pour les différents systèmes se trouvent directement dans la rubrique Releases du projet.
• Calibration du NanoVNA — Une lecture indispensable avant de rechercher de la précision. La procédure SOLT — Short, Open, Load, Through — permet de définir correctement le plan de référence et de compenser les erreurs introduites par les connecteurs, adaptateurs et câbles de mesure.

Conseil F5KEE : avec un VNA, une belle courbe n’est pas nécessairement une bonne mesure. Avant toute expérience, vérifiez la plage de fréquences et surtout la calibration au niveau où commence réellement le dispositif à tester.