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. Il 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.
| Mesure | Description | Exemple d’application | Interprétation des valeurs |
|---|---|---|---|
| S11 | Mesure du coefficient de réflexion (Γ) : évalue la quantité de signal réfléchie par rapport au signal incident. Indique la qualité de l’adaptation d’impédance (généralement 50 Ω). | Antennes (adaptation d’impédance). | S11 < -15 dB = bonne adaptation. S11 > -10 dB = mauvaise adaptation (réflexions importantes). |
| S21 | Mesure du coefficient de transmission (T) : évalue la quantité de signal transmise du port 1 au port 2. Indique l’atténuation (pertes d’insertion) du dispositif testé. | Câbles (atténuation). | S21 proche de 0 dB = faible atténuation (bon). S21 < -3 dB = atténuation significative. |
Les mesures dérivées de S11
Le paramètre S11 représente le coefficient de réflexion (Γ), qui quantifie la fraction du signal incident réfléchie par une charge (comme une antenne ou un câble). Cependant, pour faciliter l’analyse, on utilise souvent des mesures dérivées de S11, chacune apportant une information spécifique sur les performances du système.
- LOGMAG : La mesure S11 en LogMag affiche le coefficient de réflexion (Γ) en décibels (dB), indiquant la quantité de signal réfléchie par une charge (comme une antenne ou un câble) par rapport au signal incident. Une valeur négative et élevée signifie une bonne adaptation d’impédance (ex: -20 dB représente une réflexion de seulement 1 % de la puissance incidente). À l’inverse, une valeur proche de 0 dB révèle une mauvaise adaptation.
Formule : S11 (dB) = 20 × log10(∣Γ∣) - SWR (Standing Wave Ratio / Taux d’Onde Stationnaire) : Le SWR indique l’adaptation d’impédance entre une charge (ex: antenne) et une ligne de transmission (généralement 50 Ω). Une valeur de 1.0/1.0 signifie une adaptation parfaite (pas de réflexion).
Formule : SWR = (1+∣Γ∣) / (1−∣Γ∣) - SMITH (Abaque de Smith) : Représentation graphique des impédances complexes (résistance + réactance) en fonction de la fréquence, pour visualiser et ajuster facilement l’adaptation d’impédance.
Les mesures dérivées de S21
Le paramètre S21 représente le coefficient de transmission (T), indiquant la quantité de signal transmise entre le port 1 et le port 2. Il permet d’évaluer les pertes d’insertion (atténuation) ou le gain (dans le cas d’un amplificateur) d’un dispositif.
- LOGMAG : La mesure S21 en LogMag affiche le coefficient de transmission en décibels (dB), indiquant la quantité de signal transmise ou atténuée. Une valeur proche de 0 dB signifie une transmission quasi parfaite (peu de pertes). Une valeur négative (ex: -3 dB) indique une atténuation (la moitié de la puissance est transmise).
Formule : S21 (dB) = 20 × log₁₀(∣T∣)
Calibration du NanoVNA
Calibration 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 :
Calibration pour une mesure S21
Pour calibrer une mesure S21, il faut relier les deux ports du NanoVNA avec le câble SMA Femelle-Femelle fourni. Puis lancer la calibration en mode “Thru” (Through). Comme pour la calibration de la mesure S11, il faut tout d’abord régler le stimulus en fonction de la plage de fréquences à étudier.
Note : Si une dispositif à tester est reliée par un câble et/ou connecteur au NanoVNA, 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.
Cas d’application : 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 :
Cas d’application : test d’un câble RF au NanoVNA
Un câble RF de qualité doit présenter une faible atténuation, un réflexion minimale et une impédance adaptée à 50 Ω pour une transmission optimale.
La mesure de la réflexion et de l’adaptation d’impédance se fait via la mesure S11 (comme pour une antenne), tandis que l’atténuation est mesurée via la mesure S21.
La mesure S11 se réalise comme dans le cas d’une antenne décrit plus haut. Après avoir calibré le NanoVNA avec les bouchons (Open, Short, Load), il faut brancher une extrémité du câble à tester sur le port 1 du NanoVNA et placer le bouchon Load sur son autre extrémité.
Dans cet exemple, une LOGMAG de -22.77 dB et un SWR de 1.0/1.16 indiquent :
- Une réflexion extrêmement faible (seulement 0.0056 % de la puissance incidente est réfléchie).
- Une adaptation d’impédance quasi parfaite à 50 Ω (confirmé visuellement par l’abaque de Smith).
La mesure S21 se réalise en reliant en série le câble à tester au câble SMA Femelle-Femelle utilisé pour la calibration entre le port 1 et le port 2. Il faut sélectionner le canal S21 (THRU) et le format LOGMAG pour la trace.
Dans cet exemple, une mesure S21 de -0.21 dB (en représentation LogMag) indique une atténuation très faible, typique d’un câble court (20 cm) de bonne qualité.
J’ai mesuré un autre câble long (6 m) et la mesure S21 de -5.16 dB indique une forte atténuation, cohérente avec un câble long de qualité moyenne.