Petit, peu coûteux et aujourd’hui très répandu dans les shacks, le NanoVNA est souvent acheté pour une seule raison : régler une antenne. On le branche, on affiche le ROS, on cherche le creux de la courbe… et on le range dans un tiroir.
C’est dommage, car ce petit appareil est capable de beaucoup plus !
Un VNA (Vector Network Analyzer, ou analyseur de réseau vectoriel) permet d’examiner le comportement d’un circuit en radiofréquence. Antenne, câble coaxial, filtre, balun, self, condensateur ou atténuateur : une quantité étonnante de choses peut passer sous sa loupe.
Et nul besoin d’être ingénieur RF pour commencer.
Deux mesures à retenir : S11 et S21
Derrière les menus du NanoVNA se cachent principalement deux mesures : S11 et S21.
La première, S11, observe ce qui revient vers l’appareil. Le NanoVNA envoie un signal vers notre antenne ou notre circuit et mesure la partie qui lui revient.
C’est avec S11 que nous pouvons étudier le ROS, le coefficient de réflexion, l’impédance et la résonance d’une antenne.
La seconde, S21, observe ce qui traverse un dispositif. On injecte le signal par CH0 et on récupère ce qui ressort sur CH1.
C’est donc la mesure idéale pour tester un filtre, un câble, un atténuateur ou certains amplificateurs.
Retenons simplement :
- S11 = ce qui revient.
- S21 = ce qui passe.
Nous avons déjà compris une bonne partie du principe d’un VNA !
Avec le NanoVNA, S11 mesure ce qui revient, tandis que S21 mesure ce qui traverse le dispositif testé.
Avant toute chose : calibrons !
C’est probablement l’étape la moins amusante… et pourtant la plus importante.
Un VNA doit tenir compte de ses propres câbles, connecteurs et imperfections. Pour cela, nous disposons généralement avec le NanoVNA de petits accessoires marqués : OPEN – SHORT – LOAD – THRU
OPEN correspond à un circuit ouvert, SHORT à un court-circuit et LOAD à une charge de référence de 50 Ω. THRU sert à relier les deux voies pour la mesure en transmission.
La règle essentielle est simple : la calibration doit être réalisée au niveau où commencera réellement notre mesure.
Si nous calibrons directement sur le connecteur du NanoVNA puis ajoutons ensuite 50 cm de câble et deux adaptateurs, ceux-ci feront partie de la mesure !
Il faut également choisir auparavant la plage de fréquences que nous voulons examiner. La documentation du NanoVNA recommande de refaire la calibration lorsque cette plage est modifiée de manière significative.
Quelques minutes consacrées à une bonne calibration évitent donc beaucoup de conclusions fantaisistes.
Mesurer le ROS d’une antenne
Commençons par l’utilisation la plus connue.
Nous raccordons l’antenne sur CH0, choisissons la bande de fréquences et affichons le ROS (SWR).
Supposons que nous analysions une antenne destinée au 40 mètres entre 6,8 et 7,3 MHz. La courbe peut présenter un minimum à 7,080 MHz avec, par exemple, un ROS de 1,3.
Nous savons immédiatement que l’ensemble antenne-ligne présente sa meilleure adaptation autour de cette fréquence.
Mais le NanoVNA permet également de placer des marqueurs pour déterminer la plage dans laquelle le ROS reste inférieur à 1,5 ou 2.
Nous obtenons ainsi une information importante : la largeur de bande de notre système d’antenne.
Et pourtant, nous n’avons encore utilisé qu’une petite partie des informations disponibles.
50 Ω ne signifie pas forcément résonance
Affichons maintenant l’impédance.
Nous rencontrerons quelque chose ressemblant à : Z = R + jX
Pas de panique !
R représente la partie résistive de l’impédance et X sa partie réactive.
Par exemple : 48 + j3 Ω signifie environ 48 Ω résistifs auxquels s’ajoute une petite composante inductive.
Si X est positif, le comportement est inductif. S’il est négatif, il est capacitif. Lorsque X passe par zéro, nous sommes au voisinage d’une résonance.
Cela nous apprend quelque chose de fondamental : une antenne résonante n’est pas obligatoirement une antenne présentant exactement 50 Ω.
Inversement, une belle valeur de ROS ne raconte pas à elle seule toute l’histoire.
C’est précisément là que le VNA devient beaucoup plus intéressant qu’un simple ROS-mètre.
Et cet étrange abaque de Smith ?
À la première rencontre, l’abaque de Smith ressemble volontiers à une carte météorologique dessinée par un ingénieur particulièrement contrarié.
Pourtant, trois notions suffisent pour commencer.
Le centre correspond à une adaptation de 50 Ω.
La partie supérieure représente un comportement inductif.
La partie inférieure représente un comportement capacitif.
Lorsque nous modifions la longueur d’une antenne ou son système d’adaptation, nous voyons son point se déplacer sur l’abaque.
Il devient alors possible de comprendre non seulement que notre antenne est mal adaptée, mais également dans quelle direction il faudrait la corriger.
Inutile, pour commencer, d’en savoir beaucoup plus.
Le NanoVNA permet de visualiser simultanément le ROS, l’impédance et la position de l’antenne sur l’abaque
Notre câble coaxial est-il encore bon ?
Voici une autre utilisation particulièrement pratique.
Prenons un câble coaxial qui traîne depuis quinze ans au fond du garage. Extérieurement, il semble impeccable. Le multimètre confirme qu’il n’y a ni court-circuit ni conducteur coupé.
Est-il pour autant encore bon à 145 MHz ?
Le NanoVNA peut nous apporter une réponse.
Pour mesurer ses pertes, nous relions : CH0 → câble coaxial → CH1
Nous travaillons maintenant en S21.
Si le NanoVNA affiche par exemple −1,2 dB à 145 MHz, cela signifie que le câble introduit cette atténuation à cette fréquence.
En balayant une plage plus importante, nous pouvons observer comment les pertes augmentent avec la fréquence et comparer deux câbles.
Voilà une mesure qu’un multimètre serait bien incapable d’effectuer.
Trouver un défaut dans un coaxial
Le NanoVNA possède une autre possibilité étonnante : examiner une ligne dans le domaine temporel, selon un principe proche de la réflectométrie TDR.
Une rupture, un mauvais connecteur ou une variation brutale d’impédance provoque une réflexion.
Le VNA mesure normalement dans le domaine fréquentiel, mais un traitement mathématique permet de transformer ces données afin de représenter les réflexions en fonction de leur position le long du câble. Le logiciel NanoVNA-Saver propose notamment une fonction TDR permettant d’estimer la longueur d’un câble et d’afficher son impédance.
Il faut indiquer le facteur de vélocité du câble, car le signal électrique ne s’y propage pas exactement à la vitesse de la lumière.
Nous pouvons alors nous retrouver devant une information du genre : forte discontinuité vers 12,4 mètres.
Si notre câble mesure 20 mètres, nous savons maintenant où commencer à chercher !
Le mode TDR permet d’estimer la distance d’un défaut ou d’une discontinuité dans un câble coaxial.
Observer la courbe d’un filtre
C’est certainement l’une des expériences les plus démonstratives.
Prenons un filtre passe-bas HF.
Nous raccordons : CH0 → filtre → CH1 et affichons S21.
Dans la bande passante, le signal traverse relativement bien le filtre. Arrivé à la fréquence de coupure, la courbe commence à descendre. Plus loin, l’atténuation peut atteindre −20, −30, −40 dB ou davantage selon le filtre et les limites de mesure de l’appareil.
Nous pouvons ainsi mesurer :
- la fréquence de coupure ;
- la bande passante ;
- les pertes d’insertion ;
- la réjection hors bande ;
- la largeur de bande d’un passe-bande.
Un filtre que nous venons de construire devient immédiatement visible à l’écran.
Et s’il a été calculé pour couper à 30 MHz mais commence à chuter à 24 MHz… inutile d’accuser le NanoVNA immédiatement : il est peut-être temps de regarder nos selfs et nos condensateurs !
Tester un diplexeur ou un duplexeur
Même principe pour les filtres utilisés afin de séparer plusieurs bandes.
En mesurant successivement les différents chemins, nous pouvons vérifier leur bande passante, leurs pertes et leur réjection.
Cela devient particulièrement intéressant lorsqu’on réalise soi-même des équipements VHF/UHF.
Nous ne nous contentons plus de constater que « ça fonctionne ». Nous pouvons réellement voir comment le montage se comporte en fonction de la fréquence.
Mesurer une self ou un condensateur
Le NanoVNA peut également devenir un instrument très intéressant pour examiner les composants RF.
Une self marquée 10 µH ne se comporte pas nécessairement comme une self parfaite de 10 µH à toutes les fréquences.
À cause de ses capacités parasites, elle finit par atteindre sa fréquence d’auto-résonance. Au-delà, son comportement peut devenir très différent de celui que nous attendions.
Même chose pour un condensateur réel qui possède des éléments parasites.
Avec un montage de mesure approprié, le VNA permet d’observer l’impédance du composant en fonction de la fréquence et d’en déduire notamment une inductance ou une capacité équivalente.
NanoVNA-Saver peut directement afficher aux marqueurs l’impédance, le facteur Q ainsi que les valeurs équivalentes de capacité ou d’inductance.
Voilà qui devient particulièrement utile lorsque nous construisons nos propres filtres.
Et nos baluns et ununs ?
Encore un domaine où le NanoVNA devient précieux.
Nous construisons un balun 1:1, un transformateur 4:1 ou le fameux transformateur 49:1 d’une antenne EFHW.
Mais fonctionne-t-il réellement sur toutes les bandes souhaitées ?
Avec des montages de test et des charges adaptées, nous pouvons examiner :
- son adaptation ;
- sa transformation d’impédance ;
- ses pertes ;
- sa bande passante.
Deux transformateurs réalisés avec des ferrites différentes peuvent alors être comparés objectivement.
Le NanoVNA devient ainsi un excellent outil pour expérimenter avec les ferrites et les transformateurs HF.
Un atténuateur de 10 dB fait-il vraiment 10 dB ?
Voici une expérience très simple.
Plaçons un atténuateur entre CH0 et CH1.
Après calibration, un modèle de 10 dB devrait afficher approximativement : S21 = −10 dB
Nous pouvons également observer si cette atténuation reste constante lorsque la fréquence augmente.
Même expérience avec un préamplificateur : un S21 positif correspond à un gain.
Mais cette fois, prudence !
Le NanoVNA n’est pas un wattmètre et ses entrées ne doivent jamais recevoir directement la puissance d’un émetteur.
Il faut également connaître les limites du modèle utilisé. Le NanoVNA original, par exemple, utilise des harmoniques pour certaines mesures au-dessus de 300 MHz, ce qui demande des précautions particulières lorsqu’on mesure le gain d’un amplificateur.
NanoVNA-Saver : beaucoup plus confortable sur ordinateur
L’écran du NanoVNA est remarquable compte tenu de la taille de l’appareil, mais pour examiner tranquillement une courbe, un écran d’ordinateur est autrement confortable.
Le logiciel libre NanoVNA-Saver communique directement avec l’appareil.
Il permet notamment d’afficher Smith, ROS, LogMag et phase, d’effectuer des balayages en plusieurs segments pour obtenir beaucoup plus de points, d’utiliser des marqueurs, d’afficher les valeurs équivalentes de L et C, d’analyser des filtres, d’effectuer des mesures TDR et d’importer ou exporter des fichiers Touchstone.
Pour travailler sérieusement sur un filtre ou comparer plusieurs antennes, c’est un complément particulièrement intéressant.
Les pièges à éviter
Un NanoVNA peut afficher une courbe extrêmement précise… d’une mesure complètement fausse !
La plupart des erreurs proviennent de quelques mauvaises habitudes.
Calibrer sur la bonne plage de fréquences. Une calibration effectuée pour une mesure très large n’est pas forcément idéale lorsqu’on veut examiner avec précision quelques centaines de kilohertz autour d’une fréquence particulière.
Calibrer au bon endroit. Les câbles et adaptateurs placés avant le plan de calibration sont compensés ; ceux ajoutés ensuite font partie de ce que nous mesurons.
Éviter de manipuler les câbles pendant la mesure. En particulier en VHF et UHF, leur position peut influencer les résultats.
Ne jamais mesurer directement la sortie d’un émetteur. Les ports du NanoVNA sont des entrées de mesure sensibles, pas des charges capables d’absorber plusieurs watts.
Et surtout : lorsqu’une mesure semble impossible, vérifions d’abord notre calibration et notre montage avant de conclure que les lois de la radio viennent de changer.
Alors, que pouvons-nous réellement mesurer ?
| Ce que nous voulons connaître | Mesure | Connexion principale |
|---|---|---|
| ROS d’une antenne | S11 | CH0 |
| Impédance R + jX | S11 | CH0 |
| Résonance d’une antenne | S11 | CH0 |
| Return loss | S11 | CH0 |
| Longueur d’un coaxial | S11 / TDR | CH0 |
| Défaut dans un coaxial | S11 / TDR | CH0 |
| Pertes d’un coaxial | S21 | CH0 → câble → CH1 |
| Courbe d’un filtre | S21 | CH0 → filtre → CH1 |
| Atténuateur | S21 | CH0 → atténuateur → CH1 |
| Balun ou transformateur | S11 / S21 | selon montage |
| Self ou condensateur | S11 | montage de test |
| Gain d’un amplificateur | S21 | avec précautions |
Un véritable petit laboratoire RF
Il y a quelques années encore, disposer d’un analyseur de réseau vectoriel représentait un investissement considérable. Le NanoVNA a rendu ce type de mesure accessible au radioamateur.
Et finalement, nul besoin de commencer par apprendre des dizaines de paramètres S.
Retenons simplement :
- S11 regarde ce qui revient.
- S21 regarde ce qui passe.
À partir de ces deux mesures, nous pouvons régler une antenne, mesurer son impédance, examiner un câble, retrouver un défaut, caractériser un filtre, tester un balun, observer une self ou vérifier un atténuateur.
Le NanoVNA n’est donc pas simplement un ROS-mètre amélioré.
C’est un véritable petit laboratoire RF qui tient dans la poche.
Pour aller plus loin
La documentation NanoVNA – prise en main présente le fonctionnement général, S11, S21 et les premières opérations de calibration.
La page NanoVNA – commencer une mesure détaille les plages de fréquences, traces, marqueurs et fonctions dans le domaine temporel.
La procédure Calibration du NanoVNA décrit l’utilisation des références OPEN, SHORT, LOAD, ISOLATION et THRU.
Le manuel NanoVNA V2 de NanoRFE constitue également une excellente documentation technique pour approfondir les méthodes de calibration et de mesure.
Enfin, NanoVNA-Saver permet d’exploiter le NanoVNA depuis un ordinateur et d’aller beaucoup plus loin dans l’analyse des mesures.
