Le NanoVNA est souvent associé au réglage des antennes et à la mesure du ROS. Pourtant, ce petit appareil sait faire beaucoup plus. Il peut notamment nous renseigner sur l’état d’un câble coaxial : combien de signal perd-il ? Quelle est sa longueur ? Présente-t-il un défaut et, surtout, à quelle distance se trouve celui-ci ?
Autrement dit, notre NanoVNA peut devenir un véritable outil de diagnostic des lignes coaxiales.
Un câble n’est jamais parfait
Un câble coaxial de 50 Ω semble être un composant extrêmement simple : une âme centrale, un diélectrique et un blindage. Pourtant, lorsqu’un signal HF le traverse, une partie de son énergie est perdue.
Ces pertes dépendent notamment de la longueur du câble, de sa construction et de la fréquence utilisée. Un coaxial parfaitement convenable à 7 MHz peut devenir beaucoup moins intéressant à 145 MHz et franchement médiocre à 435 MHz.
À cela s’ajoutent les défauts possibles : connecteur mal monté, câble écrasé, infiltration d’eau, raccord défectueux, coupure de l’âme ou court-circuit.
Le NanoVNA va justement nous permettre d’examiner tout cela.
Commençons par une bonne calibration
Avant toute mesure sérieuse, le NanoVNA doit être calibré sur la plage de fréquences qui nous intéresse. Nous avons expliqué en détail cette opération dans notre précédent article consacré aux standards OPEN, SHORT, LOAD et THRU.
Un point est particulièrement important : le plan de calibration.
Si nous calibrons au bout d’un petit cordon puis ajoutons ensuite un adaptateur et le câble à mesurer, cet adaptateur fera partie de la mesure. Pour obtenir une mesure précise, la calibration doit donc être réalisée aussi près que possible du point où commencera réellement le câble testé.
Pour mesurer ses pertes en transmission, nous utiliserons les deux ports du NanoVNA et une calibration comprenant le THRU.
Mesurer les pertes : place à S21
Pour cette première expérience, le montage est particulièrement simple :
CH0 → câble coaxial → CH1
Mesure de l’atténuation d’un câble coaxial en S21 : les pertes augmentent généralement avec la fréquence.
Le NanoVNA mesure alors ce qui entre dans le câble et ce qui en ressort.
CH0 est principalement utilisé pour S11, c’est-à-dire la réflexion, tandis que CH1 permet d’observer S21, la transmission.
Pour notre câble, c’est donc S21 qui nous intéresse.
Après calibration, sélectionnons une trace CH1 THROUGH avec un affichage LOGMAG. Un câble idéal présenterait 0 dB de perte. Dans la réalité, nous trouverons par exemple –0,5 dB, –1 dB ou –3 dB suivant sa longueur, sa qualité et la fréquence.
Plus la valeur descend sous 0 dB, plus le câble atténue notre signal.
Que représentent réellement quelques décibels ?
Les décibels peuvent sembler abstraits. Traduisons-les en puissance disponible à l’autre bout du câble :
| Perte du câble | Puissance restante |
|---|---|
| 0,5 dB | environ 89 % |
| 1 dB | environ 79 % |
| 2 dB | environ 63 % |
| 3 dB | environ 50 % |
| 6 dB | environ 25 % |
Avec 3 dB de pertes, la moitié de notre puissance est donc dissipée avant même d’atteindre l’antenne !
Un émetteur fournissant 50 W ne délivrerait plus qu’environ 25 W à l’antenne. Et en réception, le signal subit naturellement la même atténuation.
La mesure S21 permet ainsi de comparer immédiatement deux câbles ou de vérifier si une vieille descente coaxiale est encore utilisable.
Les pertes augmentent avec la fréquence
Faisons maintenant un balayage sur une plage suffisamment large.
Nous constaterons généralement que la courbe S21 descend progressivement lorsque la fréquence augmente. Cela provient principalement des pertes dans les conducteurs et le diélectrique, avec notamment l’influence de l’effet de peau.
C’est pourquoi les fabricants indiquent généralement l’atténuation de leurs câbles en dB pour 100 mètres, à différentes fréquences.
Cette mesure est particulièrement intéressante pour les installations VHF, UHF et SHF : quelques dizaines de mètres d’un câble économique peuvent absorber une part considérable du signal à 435 MHz ou davantage.
Et maintenant, mesurons sa longueur !
Voici une fonction beaucoup plus surprenante.
Le NanoVNA peut déterminer la longueur d’un câble sans que nous ayons besoin de dérouler celui-ci dans le jardin avec un mètre ruban !
Pour cela, nous allons utiliser sa fonction Time Domain, proche dans son principe d’utilisation d’un TDR — Time Domain Reflectometer.
Le NanoVNA effectue normalement ses mesures dans le domaine fréquentiel. Sa fonction Transform exploite mathématiquement ces mesures pour obtenir une représentation dans le domaine temporel. Une réflexion peut alors être associée à une distance.
Dans le menu du NanoVNA :
DISPLAY → TRANSFORM → TRANSFORM ON
Nous pouvons alors rechercher l’écho correspondant à l’extrémité du câble.
Le Velocity Factor, indispensable
Il reste cependant une petite difficulté.
Une onde électromagnétique ne se propage pas dans un coaxial exactement à la vitesse de la lumière dans le vide. Sa vitesse dépend notamment du diélectrique employé.
On utilise donc le Velocity Factor, ou facteur de vélocité.
À titre indicatif, un coaxial à diélectrique polyéthylène plein possède souvent un facteur voisin de 0,66, tandis qu’un diélectrique mousse peut présenter des valeurs de l’ordre de 0,80 à 0,85. Il faut cependant utiliser en priorité la valeur donnée par le fabricant du câble.
Dans le NanoVNA :
DISPLAY → TRANSFORM → VELOCITY FACTOR
Une erreur sur ce paramètre entraîne directement une erreur sur la distance affichée. Si nous ne connaissons pas le facteur de vélocité d’un câble inconnu, une longueur connue peut d’ailleurs servir à l’estimer.
En mode TDR, la réflexion à l’extrémité du câble permet d’en mesurer la longueur en tenant compte du facteur de vélocité (VF).
Faisons une expérience très simple
Prenons un câble de 10 mètres et laissons son extrémité libre.
Nous connectons une extrémité sur CH0 et lançons la mesure Time Domain. Le signal se propage dans le coaxial, atteint son extrémité ouverte et produit une forte réflexion.
Le NanoVNA mesure en réalité un aller-retour du signal, mais son affichage de distance TDR tient compte de ce trajet lorsque le facteur de vélocité est correctement renseigné.
Le marqueur placé sur cette réflexion nous indique alors la distance jusqu’au bout du câble.
Nous venons de mesurer sa longueur électriquement !
OPEN, SHORT et LOAD : trois comportements différents
Refaisons maintenant l’expérience en changeant uniquement ce qui se trouve au bout du coaxial.
Avec une extrémité OPEN, donc ouverte, nous obtenons une forte réflexion.
Avec un SHORT, donc un court-circuit, nous obtenons également une forte réflexion, mais de polarité opposée.
Plaçons maintenant une bonne charge 50 Ω au bout du câble : la réflexion devient très faible, puisque l’énergie est absorbée par la charge.
Voilà une excellente démonstration de ce que signifie réellement « adapter une ligne à 50 Ω ».
Cherchons maintenant un défaut
C’est probablement l’utilisation la plus spectaculaire du mode TDR.
Imaginons une descente coaxiale de 25 mètres installée depuis plusieurs années. Son ROS est devenu anormal, mais où se trouve le problème ?
Chaque variation brutale d’impédance peut produire une réflexion : mauvais connecteur, raccord, câble écrasé, âme endommagée, court-circuit, coupure ou infiltration d’eau.
Supposons qu’une anomalie apparaisse sur notre affichage à environ 7,5 mètres.
Inutile de démonter immédiatement les 25 mètres de câble : nous savons déjà approximativement où chercher !
On parle également de DTF — Distance To Fault, autrement dit distance jusqu’au défaut.
Une expérience à faire sur l’établi
Nous pouvons facilement créer notre propre ligne de test :
NanoVNA → 4 m de coaxial → raccord → 6 m de coaxial → extrémité ouverte
En mode TDR, chaque discontinuité crée une réflexion : ici, un défaut à 4 m et l’extrémité du câble à 10 m.
La représentation temporelle devrait permettre de distinguer la petite discontinuité introduite par le raccord vers 4 mètres, puis la forte réflexion correspondant à l’extrémité ouverte vers 10 mètres.
Essayez ensuite différents raccords, adaptateurs ou connecteurs. Le résultat permet de comprendre très concrètement que chaque élément inséré dans une ligne coaxiale peut introduire une petite discontinuité.
Résolution ou distance : il faut choisir
La fonction TDR possède toutefois ses limites.
Une large bande de fréquences améliore la capacité à distinguer deux défauts proches. À l’inverse, l’espacement entre les points de mesure intervient dans la distance maximale exploitable.
En simplifiant :
plus la bande de fréquences analysée est large, meilleure sera la résolution en distance.
Il faut donc adapter le balayage au câble étudié plutôt que d’utiliser systématiquement les mêmes réglages.
Le menu Time Domain propose également différents fenêtrages. MINIMUM favorise la résolution, MAXIMUM la dynamique, tandis que NORMAL constitue un bon compromis pour commencer.
NanoVNA-Saver : encore plus confortable
Pour étudier sérieusement une installation, un ordinateur apporte un confort appréciable.
Le logiciel libre NanoVNA-Saver permet notamment d’afficher S11 et S21, d’utiliser des marqueurs, d’effectuer des balayages comportant davantage de points, d’enregistrer les mesures au format Touchstone et surtout de disposer d’une fenêtre TDR dédiée.
On peut y sélectionner un type de câble ou renseigner manuellement son facteur de propagation. C’est particulièrement pratique pour analyser précisément une ligne ou conserver une mesure de référence afin de la comparer quelques mois plus tard.
Trois mesures pour ausculter nos coaxiaux
Finalement, retenons simplement :
| Ce que nous cherchons | Fonction à utiliser |
|---|---|
| Pertes du câble | S21 / LogMag |
| Longueur du câble | S11 / Time Domain |
| Position d’un défaut | S11 / TDR-DTF |
| Adaptation de la ligne | S11 / Return Loss ou ROS |
Le NanoVNA n’est donc pas seulement un petit appareil destiné à régler une antenne. Correctement calibré, il devient aussi un remarquable analyseur de câbles.
Avant de remplacer une descente coaxiale suspecte, nous pouvons mesurer ses pertes. Avant de sortir le mètre, nous pouvons déterminer sa longueur électrique. Et lorsqu’un défaut apparaît quelque part entre la station et l’antenne, nous pouvons même savoir approximativement à quelle distance sortir la boîte à outils !
Liens utiles
Documentation NanoVNA — mesures et Time Domain
https://nanovna.com/?page_id=64
Site NanoVNA
https://nanovna.com/
NanoVNA-Saver — projet officiel sur GitHub
https://github.com/NanoVNA-Saver/nanovna-saver
Téléchargements NanoVNA-Saver
https://github.com/NanoVNA-Saver/nanovna-saver/releases
