Un NanoVNA (Nano Vector Network Analyzer) est un petit analyseur de réseau vectoriel à prix abordable. Ce type d’appareil permet de tester des équipements dans le domaine des radiofréquences.
Un NanoVNA possède 2 ports (port 1 et port 2), qui permettent 2 types de mesures :
- La mesure S11 représente le coefficient de réflexion au port 1 d’un dispositif sous test (DUT). Il est exprimé sous forme complexe (magnitude et phase) et décrit la quantité de signal réfléchie par ce dispositif par rapport au signal incident. Par exemple, si vous mesurez une antenne, S11 vous indique à quel point l’antenne réfléchit le signal au lieu de le rayonner.
- La mesure S21 représente le coefficient de transmission, soit la quantité de signal qui passe du port 1 au port 2. Par exemple, si vous mesurez un câble, S21 vous indique la perte de signal (ou l’atténuation) dans le câble.
Les grandeurs dérivées de S11
S11 est la mesure de base du coefficient de réflexion, mais nous utilisons habituellement les grandeurs dérivées de S11 suivantes :
- Return Loss (Perte de retour) : la perte de retour mesure la quantité de puissance réfléchie par une charge (comme une antenne) par rapport à la puissance incidente. Elle est exprimée en décibels (dB). Une valeur élevée (> 20 dB) indique une bonne adaptation d’impédance (moins de réflexion).
- SWR (Rapport d’Ondes Stationnaires) : le SWR mesure le rapport entre l’amplitude maximale et l’amplitude minimale de l’onde stationnaire sur une ligne de transmission. Il indique à quel point l’impédance de la charge est adaptée à l’impédance caractéristique de la ligne de transmission. Un VSWR de 1.0/1.0 indique une adaptation parfaite (aucune réflexion).
- Smith Chart (Abaque de Smith) : ce diagramme permet de représenter graphiquement la variation de l’impédance (partie réelle et imaginaire) du dispositif testé en fonction de la fréquence.
Calibration du NanoVNA pour une mesure S11
La calibration Open-Short-Load (OSL) est essentielle pour mesurer S11 avec précision. Elle permet de corriger les erreurs systématiques introduites par le système de mesure (câbles, connecteurs, etc.) et d’obtenir des résultats fiables. Sans calibration, les câbles, connecteurs et autres éléments du système de mesure introduisent des réflexions parasites qui faussent les résultats.
La calibration OSL utilise trois étalons connus :
- Open (circuit ouvert) : Mesure la réflexion totale d’un circuit ouvert.
- Short (court-circuit) : Mesure la réflexion totale d’un circuit ouvert.
- Load (charge de 50 ohms) : Mesure une réflexion minimale (adaptation parfaite).
Avant de lancer la calibration sur le NanoVNA, il faut tout d’abord régler le stimulus. Le stimulus correspond à la plage de fréquences sur laquelle le NanoVNA va envoyer un signal sinusoïdal au dispositif sous test (DUT). Dans l’exemple ci-dessous on souhaite tester une antenne sur la plage de fréquence 300-600 MHz, et par conséquent on règle le START sur 300M et le STOP sur 600M.
Une fois le stimulus réglé, on peut lancer la calibration du NanoVNA via le menu CAL->CALIBRATE et effectuer dans l’ordre la calibration OPEN, puis SHORT puis LOAD (le THRU est inutile pour la mesure S11) en connectant à chaque étape le connecteur SMA étalon correspondant.
Voici une vidéo montrant le réglage du stimulus 300-600 MHz et la calibration OSL :
Note : Si une dispositif à tester est reliée par un câble et/ou connecteur au NanoVNA pour une mesure S11, il est fortement recommandé de calibrer le NanoVNA avec ce câble et/ou connecteur. Cela permet d’éliminer les erreurs introduites par le câble et/ou connecteur et d’obtenir des mesures précises du dispositif seul.
Mesure S11 d’une antenne artisanale 433 MHz
Pour illustrer la mesure S11, nous allons tester une antenne artisanale que j’ai réalisé pour recevoir des signaux de capteurs sans fil sur la bande 433 MHz.
Après avoir configuré la bande de fréquence 300 MHz-600 MHz et calibrer le NanoVNA, nous observons 3 mesures (voir capture d’écran ci-dessous) :
- La courbe verte correspond à la mesure du rapport d’ondes stationnaires (S11 SWR)
- La courbe jaune correspond à la mesure des pertes de retour (S11 LOGMAG)
- La courbe bleue représente l’abaque de Smith (S11 SMITH).
J’ai positionné 2 marqueurs, permettant ainsi de visualiser les mesures pour 2 fréquences différentes :
- Le marqueur 1 correspond aux mesures à la fréquence de 432 MHz. On voit qu’à cette fréquence le rapport d’onde stationnaire est de 1.0/3.0, les pertes de retour sont de -5.86 dB et l’abaque de Smith indique que l’impédance est de 16.9 – 9.56j (16.9 étant la partie réelle et -9.56 la partie imaginaire).
- Le marqueur 2 correspond aux mesures à la fréquence de 375 MHz. On voit qu’à cette fréquence le rapport d’onde stationnaire est de 1.0/1.22, les pertes de retour sont de -19.94 dB et l’abaque de Smith indique que l’impédance est de 41.3 – 2.96j.
La NanoVNA permet de voir rapidement que l’antenne n’est pas bien adaptée en impédance pour la fréquence de 433 MHz mais plutôt pour une fréquence de 375 MHz (SWR proche de 1.0/1.0, LOGMAG proche de -20 dB, impédance proche de 50 Ohm).
En modifiant légèrement la géométrie de l’antenne et en raccourcissant le brin vertical de 5 mm, on voit que l’antenne est maintenant adaptée pour la fréquence 420 MHz (SWR proche de 1.0/1.0, LOGMAG supérieur à -20 dB, impédance proche de 50 Ohm).
Il ne reste plus qu’à continuer de régler notre antenne pour s’approcher de la fréquence souhaitée de 433 MHz.
Voici en vidéo un exemple de mesure S11 de cette antenne avec le NanoVNA :