Introduction
Les analyseurs de réseau vectoriels, plus connus sous le nom de VNA (Vector Network Analyzer), sont devenus des instruments particulièrement appréciés des radioamateurs. Avec l’arrivée des NanoVNA, ces appareils autrefois réservés aux laboratoires professionnels sont désormais accessibles à tous.
Ils permettent de mesurer l’impédance d’une antenne, de vérifier son adaptation, d’analyser un filtre ou encore de déterminer les pertes d’un câble coaxial.
Mais lorsqu’on utilise un NanoVNA pour la première fois, deux indications peuvent paraître mystérieuses : S11 et S21.
Que signifient ces paramètres ? Pourquoi utilise-t-on S11 pour régler une antenne et S21 pour mesurer un filtre ? Que représentent les valeurs affichées en décibels ?
Pour répondre à ces questions, nous allons découvrir leur signification, leur principe de fonctionnement et leurs applications pratiques dans notre activité radioamateur.
1. Qu’est-ce qu’un paramètre S ?
La lettre S vient de l’expression anglaise Scattering Parameters, généralement traduite par « paramètres de répartition » ou « paramètres de diffusion ».
Ces paramètres décrivent la manière dont les signaux radiofréquences se comportent lorsqu’ils rencontrent un dispositif électronique.
Lorsqu’un signal RF arrive sur un circuit, plusieurs phénomènes peuvent se produire :
- Une partie du signal peut être réfléchie vers sa source.
- Une partie peut traverser le dispositif.
- Une partie de l’énergie peut être dissipée sous forme de chaleur ou, dans le cas d’une antenne, être rayonnée.
Les paramètres S permettent de caractériser ces phénomènes en mesurant les amplitudes et les phases des ondes RF.
Pourquoi deux chiffres après la lettre S ?
Les deux chiffres identifient les ports concernés par la mesure.
Le premier indique le port sur lequel le signal est observé.
Le second indique le port sur lequel le signal est injecté.
Ainsi :
S11 signifie que nous observons sur le port 1 le signal réfléchi lorsque le signal est injecté sur ce même port.
S21 signifie que nous observons sur le port 2 le signal transmis lorsque le signal est injecté sur le port 1.
Cette distinction est fondamentale pour comprendre le fonctionnement de notre VNA.
Les paramètres S11 et S21 caractérisent respectivement la réflexion du signal à l’entrée et sa transmission entre les deux ports d’un dispositif RF.
2. S11 : comprendre la réflexion du signal
Le paramètre S11 est probablement celui que les radioamateurs utilisent le plus fréquemment.
Il permet de déterminer si une antenne ou un circuit présente une bonne adaptation à l’impédance de référence du système, généralement 50 ohms.
Pourquoi un signal est-il réfléchi ?
Imaginons un émetteur relié à une antenne par un câble coaxial de 50 Ω.
Si l’impédance présentée par l’antenne est exactement de 50 Ω, sans composante réactive, l’adaptation est parfaite.
Dans ces conditions, aucune puissance n’est réfléchie à l’entrée de l’antenne.
En revanche, si l’impédance de l’antenne est différente de 50 Ω, une partie de l’énergie incidente est réfléchie.
C’est précisément ce que mesure S11.
Le VNA compare l’onde réfléchie à l’onde incidente et détermine leur rapport complexe, appelé coefficient de réflexion.
Ce coefficient est généralement désigné par la lettre grecque Γ (gamma).
La relation est :
S11 = Γ = (Z − Z₀) / (Z + Z₀)
Avec :
- Z : impédance complexe du dispositif mesuré.
- Z₀ : impédance de référence, généralement 50 Ω.
- Γ : coefficient de réflexion.
Cette relation permet de comprendre pourquoi une antenne présentant une impédance de 50 + j0 Ω possède un coefficient de réflexion nul.
Comment interpréter S11 en décibels ?
Sur un NanoVNA, S11 est souvent affiché sous forme de courbe en décibels.
La valeur affichée correspond à :
S11 (dB) = 20 × log₁₀(|Γ|)
Pour un dispositif passif, plus cette valeur est négative, meilleure est l’adaptation.
Voici quelques valeurs caractéristiques :
| S11 | Puissance réfléchie | ROS approximatif |
|---|---|---|
| 0 dB | 100 % | Infini |
| −3 dB | 50 % | 5,85 |
| −6 dB | 25 % | 3,01 |
| −10 dB | 10 % | 1,92 |
| −15 dB | 3,16 % | 1,43 |
| −20 dB | 1 % | 1,22 |
| −30 dB | 0,1 % | 1,07 |
Prenons un exemple.
Si notre antenne présente un S11 de −20 dB à 145 MHz, cela signifie que seulement 1 % de la puissance incidente est réfléchie.
Les 99 % restants sont acceptés par l’antenne.
Attention toutefois : cette puissance acceptée n’est pas nécessairement intégralement rayonnée. Une partie peut être dissipée dans les pertes de l’antenne.
Une antenne correctement adaptée réfléchit très peu d’énergie. Une désadaptation provoque une augmentation du coefficient de réflexion et du ROS.
3. Quel rapport entre S11 et le ROS ?
Les radioamateurs connaissent généralement mieux le ROS (Rapport d’Ondes Stationnaires) que le paramètre S11.
Pourtant, ces deux grandeurs sont directement liées.
Le ROS dépend de la valeur absolue du coefficient de réflexion :
ROS = (1 + |Γ|) / (1 − |Γ|)
Lorsque Γ est nul, le ROS vaut 1.
Lorsque Γ augmente, le ROS augmente également.
Ainsi, un S11 de −20 dB correspond à un ROS d’environ 1,22.
Un S11 de −10 dB correspond à un ROS proche de 1,92.
Ces deux indications décrivent donc le même phénomène, mais sous deux formes différentes.
Pourquoi utiliser S11 plutôt que le ROS ?
Le ROS constitue une indication simple pour vérifier l’adaptation d’une antenne.
Cependant, le paramètre S11 présente plusieurs avantages.
Il permet notamment d’étudier la réflexion sur une large plage de fréquences et d’exploiter les informations de phase pour déterminer l’impédance complexe.
C’est cette information qui permet également de représenter les mesures sur un diagramme de Smith.
Le NanoVNA ne se limite donc pas à mesurer un ROS : il permet d’analyser beaucoup plus précisément le comportement électrique de l’antenne.
Un point important : adaptation et rendement
Une antenne présentant un excellent S11 n’est pas nécessairement une bonne antenne.
Prenons l’exemple d’une charge fictive de 50 Ω.
Elle présente une adaptation presque parfaite et donc un S11 très faible.
Pourtant, elle ne rayonne pratiquement aucune énergie radioélectrique : la puissance est essentiellement transformée en chaleur.
S11 renseigne sur l’adaptation, pas directement sur le rendement de rayonnement.
Cette distinction est essentielle lors de la conception et du réglage des antennes.
4. S21 : comprendre la transmission du signal
Contrairement à S11, qui mesure la réflexion, S21 mesure la transmission entre deux ports.
Le VNA injecte un signal sur son port 1 et mesure celui qui arrive sur son port 2.
Nous pouvons ainsi déterminer comment un dispositif laisse passer ou atténue un signal selon sa fréquence.
Ce paramètre est particulièrement utile pour étudier :
- Les câbles coaxiaux.
- Les filtres passe-bas, passe-haut et passe-bande.
- Les atténuateurs.
- Les coupleurs RF.
- Les amplificateurs, lorsque les conditions de mesure le permettent.
Comment interpréter S21 ?
S21 représente un rapport complexe entre l’onde transmise et l’onde incidente, dans les conditions de mesure définies.
Son module est généralement exprimé en décibels :
S21 (dB) = 20 × log₁₀(|S21|)
Pour un système dont les ports utilisent la même impédance de référence, la puissance transmise relativement à la puissance incidente correspond à |S21|², lorsque les autres ports sont correctement adaptés.
Quelques exemples :
| S21 | Puissance transmise | Signification |
|---|---|---|
| 0 dB | 100 % | Transmission idéale |
| −1 dB | 79,4 % | Faibles pertes |
| −3 dB | 50,1 % | Environ la moitié de la puissance |
| −6 dB | 25,1 % | Atténuation importante |
| −10 dB | 10 % | Forte atténuation |
| −20 dB | 1 % | Très forte atténuation |
| −30 dB | 0,1 % | Transmission très faible |
Pour un câble coaxial, nous recherchons généralement une valeur S21 aussi proche que possible de 0 dB.
Pour un filtre, en revanche, nous souhaitons obtenir une valeur proche de 0 dB dans la bande passante et une valeur très négative dans les fréquences que nous voulons rejeter.
La mesure S21 permet de visualiser la quantité de signal traversant un filtre, un câble coaxial ou tout autre dispositif RF à deux ports.
5. Exemple pratique : mesurer les pertes d’un câble coaxial
Supposons que nous possédions un câble coaxial de 20 mètres destiné à alimenter une antenne VHF.
Nous souhaitons connaître ses pertes à 145 MHz.
Pour effectuer cette mesure, nous raccordons une extrémité du câble au port CH0 du NanoVNA et l’autre au port CH1.
Après avoir réalisé l’étalonnage approprié, notamment la calibration THRU, nous pouvons mesurer S21.
Imaginons que le résultat soit :
S21 = −2,5 dB à 145 MHz
Cela signifie que le câble présente une perte d’insertion de 2,5 dB dans les conditions de mesure.
La proportion de puissance transmise est :
Ptransmise / Pincidente = 10^(−2,5/10)
Soit environ 0,562.
Autrement dit, environ 56,2 % de la puissance incidente parvient à l’autre extrémité du câble.
Si nous injectons 100 W, cela correspond théoriquement à environ 56 W en sortie, en supposant que la mesure reste représentative à cette puissance et que les adaptations soient correctes.
Près de 44 W sont donc perdus dans cet exemple.
Cette mesure montre immédiatement pourquoi le choix d’un câble coaxial de qualité est important, particulièrement en UHF et en hyperfréquences.
Attention à la calibration
Pour obtenir une mesure fiable, il faut étalonner le NanoVNA en tenant compte des câbles de mesure et des adaptateurs utilisés.
L’étalonnage définit un plan de référence.
Si nous souhaitons mesurer uniquement les pertes du câble testé, les effets des accessoires situés avant ce plan de référence doivent être éliminés autant que possible.
6. Exemple pratique : analyser un filtre passe-bande
Un autre exemple particulièrement intéressant concerne les filtres RF.
Imaginons un filtre passe-bande destiné à fonctionner autour de 145 MHz.
- Nous raccordons son entrée au port CH0 et sa sortie au port CH1 du NanoVNA.
- Nous réglons ensuite le balayage entre 120 et 170 MHz.
- Nous pourrions obtenir les résultats suivants :
| Fréquence | S21 |
|---|---|
| 120 MHz | −35 dB |
| 130 MHz | −25 dB |
| 140 MHz | −10 dB |
| 145 MHz | −1 dB |
| 150 MHz | −8 dB |
| 160 MHz | −30 dB |
| 170 MHz | −42 dB |
Ces valeurs sont données à titre d’exemple.
Nous constatons que le filtre laisse relativement bien passer les signaux autour de 145 MHz.
En revanche, les signaux éloignés de cette fréquence sont fortement atténués.
Le paramètre S21 permet donc de déterminer :
- La fréquence centrale du filtre.
- Les pertes d’insertion.
- La bande passante.
- Les fréquences de coupure.
- L’atténuation hors bande.
La bande passante à −3 dB est généralement déterminée par rapport au niveau maximal de transmission du filtre, et non nécessairement par rapport à 0 dB.
La courbe S21 d’un filtre passe-bande permet de visualiser sa fréquence centrale, ses pertes d’insertion et son atténuation hors bande.
7. Pourquoi existe-t-il également S12 et S22 ?
Jusqu’à présent, nous avons principalement parlé de S11 et S21.
Cependant, un dispositif RF à deux ports possède en réalité quatre paramètres S.
| Paramètre | Fonction |
|---|---|
| S11 | Réflexion à l’entrée |
| S21 | Transmission de l’entrée vers la sortie |
| S12 | Transmission de la sortie vers l’entrée |
| S22 | Réflexion à la sortie |
S12 permet notamment d’étudier la transmission inverse d’un dispositif.
Cette mesure est importante pour les amplificateurs, les isolateurs et certains circuits actifs.
S22 permet de vérifier l’adaptation de la sortie.
Sur un NanoVNA classique, les mesures directes concernent généralement S11 et S21.
Pour mesurer S12 et S22, nous pouvons inverser les connexions du dispositif, à condition de respecter son fonctionnement et ses éventuelles contraintes de polarisation ou de puissance.
Un analyseur de réseau vectoriel professionnel à deux ports peut généralement mesurer directement les quatre paramètres.
8. Comment choisir entre S11 et S21 ?
Pour simplifier, retenons une règle pratique :
S11 sert principalement à savoir ce qui revient.
S21 sert principalement à savoir ce qui passe.
Le tableau suivant résume les applications les plus courantes.
| Mesure souhaitée | Paramètre |
|---|---|
| ROS d’une antenne | S11 |
| Impédance d’une antenne | S11 |
| Réglage d’un Gamma Match | S11 |
| Adaptation d’une charge fictive | S11 |
| Diagramme de Smith | S11 |
| Pertes d’un câble coaxial | S21 |
| Bande passante d’un filtre | S21 |
| Atténuation d’un filtre | S21 |
| Mesure d’un atténuateur | S21 |
| Gain d’un amplificateur | S21 |
| Adaptation d’entrée d’un filtre | S11 |
Il faut également retenir qu’un filtre ou un amplificateur peut nécessiter plusieurs mesures complémentaires.
Par exemple, un filtre peut présenter une bonne transmission S21 tout en étant imparfaitement adapté à son entrée.
L’analyse conjointe de S11 et S21 permet alors d’obtenir une caractérisation plus complète.
9. Quelques précautions avant d’effectuer une mesure
Un NanoVNA est un instrument de mesure sensible.
Il convient donc de respecter certaines précautions.
Ne jamais connecter directement un émetteur en émission
Les ports RF d’un NanoVNA ne sont pas conçus pour recevoir la puissance d’un émetteur radioamateur.
Une puissance excessive peut détruire les circuits internes.
Effectuer un étalonnage adapté
Pour les mesures S11, nous utilisons généralement les trois références : OPEN – SHORT – LOAD
Pour les mesures S21, il faut également réaliser une calibration de transmission, notamment avec la référence : THRU
Selon le modèle de NanoVNA et le logiciel utilisé, d’autres étapes de calibration peuvent être proposées.
Choisir correctement la plage de fréquences
Un balayage trop large peut masquer certains détails.
Pour régler une antenne 145 MHz, il sera souvent plus intéressant d’observer une plage relativement étroite autour de cette fréquence.
Pour étudier un filtre, nous choisirons une plage suffisamment large pour visualiser la bande passante et les zones d’atténuation.
Vérifier les connecteurs et les adaptateurs
Un connecteur mal serré, un adaptateur défectueux ou un câble de mesure endommagé peut provoquer des erreurs importantes.
Ces défauts deviennent particulièrement sensibles lorsque nous travaillons en UHF et en hyperfréquences.
10. Conclusion : deux paramètres essentiels à maîtriser
Comprendre S11 et S21 constitue une étape importante pour exploiter pleinement les possibilités d’un analyseur de réseau vectoriel.
Avec S11, nous pouvons étudier l’adaptation d’une antenne, mesurer son impédance et déterminer son ROS.
Avec S21, nous pouvons mesurer les pertes d’un câble, caractériser un filtre ou analyser la transmission d’un circuit RF.
Ces deux paramètres sont complémentaires.
Ils permettent de dépasser la simple mesure du ROS et d’aborder plus précisément le comportement des circuits radiofréquences.
Pour les radioamateurs qui souhaitent expérimenter, construire leurs propres antennes ou réaliser des filtres, le NanoVNA devient ainsi un véritable outil de laboratoire.
À retenir : S11 mesure la réflexion, S21 mesure la transmission.
Une fois cette distinction comprise, les courbes affichées par notre NanoVNA prennent tout leur sens.
