AD8307 et AD8318 : mesurer la puissance RF

Découvrez comment les AD8307 et AD8318 mesurent la puissance RF en dBm et en watts, des bandes HF aux micro-ondes, avec atténuateur ou coupleur.

Mesurer la puissance d’un émetteur semble normalement exiger un wattmètre RF inséré entre la station et une charge fictive ou une antenne. Pourtant, deux circuits intégrés rendent possible la construction d’un appareil numérique compact couvrant une plage impressionnante : l’AD8307 pour les bandes HF et VHF, et l’AD8318 pour les UHF et les micro-ondes.

Ces composants ne supportent toutefois pas directement les 10, 50 ou 100 W d’un émetteur. Ils mesurent un échantillon fortement atténué du signal RF et produisent une tension continue exploitable par un Arduino, un ESP32 ou un RP2040.

Pourquoi un simple multimètre ne suffit-il pas ?

Un multimètre mesure facilement une tension continue ou un signal alternatif à 50 Hz. Mais à 14 MHz, 144 MHz ou 2,4 GHz, ses circuits d’entrée sont beaucoup trop lents. Il faut d’abord transformer le signal RF en une tension continue représentative de son niveau.

Une diode peut remplir cette fonction, mais sa tension de seuil limite fortement la mesure des petits signaux. Un détecteur logarithmique est beaucoup plus sensible et couvre une dynamique considérable : il peut détecter aussi bien des puissances de quelques nanowatts que des niveaux proches du milliwatt.

Avec un prélèvement correctement calculé, cette plage peut être transposée aux puissances utilisées dans une station radioamateur.

Du watt au dBm

Les détecteurs logarithmiques travaillent naturellement en décibels. La puissance est donc généralement exprimée en dBm, c’est-à-dire en décibels par rapport à 1 mW :

$P_{\mathrm{dBm}}=10\log_{10}\left(\frac{P_{\mathrm{W}}}{1\ \mathrm{mW}}\right)$

Pour revenir aux watts :

$P_{\mathrm{W}}=10^{\frac{P_{\mathrm{dBm}}-30}{10}}$

Quelques valeurs permettent de se repérer :

Puissance	Niveau
1 µW	−30 dBm
10 µW	−20 dBm
100 µW	−10 dBm
1 mW	0 dBm
10 mW	+10 dBm
100 mW	+20 dBm
1 W	+30 dBm
10 W	+40 dBm
100 W	+50 dBm

Cette représentation facilite les calculs. Lorsqu’un atténuateur de 30 dB est placé devant le détecteur, il suffit d’ajouter 30 dB à la puissance mesurée pour retrouver celle présente à son entrée.

Comment fonctionne un détecteur logarithmique ?

L’AD8307 et l’AD8318 contiennent une succession d’étages amplificateurs. Lorsque le signal traverse cette chaîne, les derniers étages atteignent leur saturation avant les premiers. Chaque étage contribue à une détection globale dont la sortie suit approximativement le logarithme de l’amplitude RF.

Le résultat est une tension dite « linéaire en dB » : une variation de puissance de 1 dB provoque une variation presque constante de la tension de sortie.

La relation peut s’écrire sous une forme générale :

$V_{\mathrm{OUT}}=S\left(P_{\mathrm{IN}}-P_{\mathrm{INTERCEPT}}\right)$

où

$<span class="katex">S$

représente la pente en volts par décibel. Pour ces deux circuits, elle est voisine de 25 mV/dB, mais son sens est différent.

En pratique, on utilisera plutôt une équation obtenue par calibration :

$P_{\mathrm{IN}}(\mathrm{dBm})=aV_{\mathrm{OUT}}+b$

Les coefficients $aa$ et $bb$ sont calculés en appliquant au montage au moins deux puissances RF connues.

L’AD8307 pour les bandes HF et VHF

L’AD8307 fonctionne du continu jusqu’à environ 500 MHz. Analog Devices annonce une dynamique maximale de 92 dB et une très bonne conformité logarithmique aux fréquences inférieures à 100 MHz.

Sa tension de sortie augmente avec la puissance reçue, avec une pente nominale de :

$+25\ \mathrm{mV/dB}$

Il consomme seulement 7,5 mA et accepte une alimentation comprise entre 2,7 et 5,5 V. Il convient particulièrement aux applications suivantes :

wattmètre pour les bandes décamétriques ;
mesure d’un émetteur QRP ;
contrôle d’une balise WSPR ;
mesure sur 50 ou 144 MHz ;
indicateur de niveau pour générateur HF ;
mesure simultanée de la puissance directe et réfléchie.

Son fonctionnement reste possible vers 432 MHz, mais sa précision, sa sensibilité et sa régularité diminuent lorsqu’on approche de sa limite supérieure. Une calibration spécifique à cette bande devient alors indispensable.

L’AD8318 pour les UHF et les micro-ondes

L’AD8318 est destiné aux fréquences plus élevées. Sa conformité logarithmique est spécifiée de 1 MHz à 6 GHz et son fonctionnement reste utile jusqu’à environ 8 GHz.

Il trouve naturellement sa place sur :

432 MHz ;
1 296 MHz ;
2,4 GHz, notamment pour QO-100 ;
5,8 GHz ;
les équipements Wi-Fi et les montages micro-ondes expérimentaux.

Sa dynamique pratique se situe autour de 60 à 70 dB selon la fréquence et l’erreur acceptable. Contrairement à l’AD8307, sa tension de sortie diminue lorsque la puissance RF augmente. Sa pente nominale est donc :

$-25\ \mathrm{mV/dB}$

L’AD8318 demande une alimentation de 5 V et consomme environ 68 mA. Son utilisation est également plus exigeante : pistes RF très courtes, plan de masse continu, connecteurs adaptés et découplage soigneux.

Les petits modules AD8318 vendus à bas prix facilitent les essais, mais leurs performances peuvent varier. La qualité du circuit imprimé, du connecteur SMA et des composants d’adaptation influence fortement la mesure, surtout à plusieurs gigahertz.

Comparatif RF AD8307 et AD8318

L’AD8307 privilégie la dynamique en HF/VHF, tandis que l’AD8318 étend la mesure aux bandes UHF et micro-ondes.

Trois façons de prélever la puissance RF

Mesurer directement un petit signal

Un générateur HF de laboratoire ou un oscillateur de quelques milliwatts peut être relié au détecteur, à condition de respecter sa plage d’entrée et l’impédance de 50 Ω.

Cette configuration convient à la mise au point d’oscillateurs, de filtres, d’amplificateurs ou d’atténuateurs. Elle ne doit jamais être raccordée directement à la sortie d’un émetteur de plusieurs watts.

Ajouter un atténuateur

Un atténuateur résistif réduit le niveau appliqué au détecteur. Avec une atténuation de 30 dB, la puissance est divisée par 1 000 :

$1\ \mathrm{W}=+30\ \mathrm{dBm}$

Après une atténuation de 30 dB :

$P_{\mathrm{détecteur}}=30-30=0\ \mathrm{dBm}$

Le détecteur ne reçoit plus que 1 mW. Toutefois, l’atténuateur placé en tête doit pouvoir dissiper presque toute la puissance initiale. Un modèle SMA prévu pour 2 W ne peut pas mesurer directement un émetteur de 100 W, même s’il offre 40 dB d’atténuation.

Mesure RF sûre d’un émetteur 100 W

Un coupleur de −40 dB réduit l’échantillon de 100 W à seulement 10 mW pour protéger le détecteur.

Employer un coupleur directionnel

Pour mesurer un émetteur HF de puissance moyenne ou élevée, le coupleur directionnel constitue la meilleure solution. Il laisse circuler l’essentiel de l’énergie entre l’émetteur et la charge, tout en prélevant une faible fraction du signal.

Prenons un émetteur de 100 W, soit +50 dBm, et un coupleur de 40 dB :

$P_{\mathrm{détecteur}}=50-40=+10\ \mathrm{dBm}$

Le détecteur reçoit 10 mW, tandis que les 100 W circulent dans la ligne principale.

La précision dépend alors du facteur de couplage, de sa variation avec la fréquence et de la directivité du dispositif. Un coupleur réalisé pour les bandes HF ne conservera pas forcément les mêmes caractéristiques sur 144 ou 432 MHz.

Du détecteur à l’affichage numérique

Un wattmètre numérique complet se compose de plusieurs blocs :

un atténuateur ou un coupleur ;
un AD8307 ou un AD8318 ;
un convertisseur analogique-numérique ;
un microcontrôleur ;
un écran ou une interface informatique.

Le microcontrôleur mesure

$V_{\mathrm{OUT}}$

, applique les coefficients de calibration, ajoute l’atténuation du système de prélèvement puis convertit les dBm en watts :

$P_{\mathrm{ligne}}(\mathrm{dBm}) = P_{\mathrm{détecteur}}(\mathrm{dBm}) + A_{\mathrm{prélèvement}}(\mathrm{dB})$

Comme 1 dB ne représente qu’environ 25 mV, la stabilité de l’alimentation et la qualité du convertisseur analogique-numérique sont importantes. Le moyennage de plusieurs mesures permet également de stabiliser l’affichage.

Peut-on se passer complètement d’un wattmètre étalon ?

Une fois calibré, le montage fonctionne sans wattmètre classique. Mais la première calibration exige une référence connue : générateur RF étalonné, analyseur de spectre, wattmètre emprunté au radio-club ou émetteur préalablement mesuré sur charge fictive.

Une calibration à deux points permet de déterminer la pente et le décalage. Pour une meilleure précision, on utilisera plusieurs niveaux et une table de correction différente pour chaque bande.

Cette opération compense :

les tolérances du détecteur ;
l’atténuation réelle du prélèvement ;
les pertes des câbles et connecteurs ;
la variation de réponse avec la fréquence ;
les erreurs du convertisseur analogique-numérique.

Le titre « sans wattmètre classique » doit donc être compris comme « sans wattmètre classique après calibration ».

Mesurer également le ROS

Avec un coupleur bidirectionnel et deux détecteurs identiques, il devient possible de mesurer séparément la puissance directe

$P_D$

et la puissance réfléchie

$P_R$

Architecture d’un wattmètre RF numérique

Deux détecteurs mesurent les puissances directe et réfléchie afin de calculer la puissance RF et le ROS.

Le coefficient de réflexion vaut :

$\Gamma|=\sqrt{\frac{P_R}{P_D}}$

Le ROS est ensuite calculé par :

$ROS=\frac{1+|\Gamma|}{1-|\Gamma|}$

Aux faibles niveaux réfléchis, la précision dépend surtout de la directivité du coupleur et du bruit résiduel des détecteurs. Un appareil affichant un ROS de 1,00 n’est donc pas nécessairement plus précis qu’un modèle indiquant 1,05 !

Attention à la nature du signal

Ces circuits sont généralement caractérisés avec une porteuse sinusoïdale continue. Leur indication est relativement simple à interpréter en CW ou en FM à amplitude constante.

En SSB, en AM ou avec certains modes numériques, l’enveloppe varie rapidement. Le résultat dépend alors du temps de réponse, du filtrage et du moyennage appliqué. Il faut préciser si l’on souhaite afficher :

la puissance instantanée ;
la puissance moyenne ;
la puissance de crête ;
la puissance moyenne sur la durée d’une émission.

Un détecteur logarithmique n’est pas un véritable wattmètre RMS thermique. Il additionne également tout ce qu’il reçoit dans sa bande passante : signal utile, bruit, harmoniques et rayonnements parasites. Un filtrage peut donc être nécessaire.

AD8307 ou AD8318 : lequel choisir ?

Pour un wattmètre décamétrique, un mesureur QRP ou un appareil couvrant 1,8 à 144 MHz, l’AD8307 est généralement le meilleur choix. Il est sensible, économique, peu gourmand et relativement facile à mettre en œuvre.

Pour 432 MHz, 1,2 GHz, 2,4 GHz ou 5,8 GHz, l’AD8318 devient préférable. Il demande davantage de précautions de construction, mais permet de couvrir les bandes micro-ondes, notamment pour surveiller la puissance d’un amplificateur QO-100.

Dans les deux cas, le circuit intégré n’est qu’un maillon de la chaîne. La précision finale dépendra autant du coupleur, de l’atténuateur, de l’adaptation 50 Ω et de la calibration que du détecteur lui-même.

AD8307 et AD8318 : mesurer une puissance RF sans wattmètre classique

Pourquoi un simple multimètre ne suffit-il pas ?

Du watt au dBm

Comment fonctionne un détecteur logarithmique ?

L’AD8307 pour les bandes HF et VHF

L’AD8318 pour les UHF et les micro-ondes

Trois façons de prélever la puissance RF

Mesurer directement un petit signal

Ajouter un atténuateur

Employer un coupleur directionnel

Du détecteur à l’affichage numérique

Peut-on se passer complètement d’un wattmètre étalon ?

Mesurer également le ROS

Attention à la nature du signal

AD8307 ou AD8318 : lequel choisir ?

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