23-11- 2007


PONT DE MESURE  LARGE BANDE
3 - 2500 MHz
(SWR bridge  ---- Return loss bridge---- messbrucke )


Le petit appareil décrit sur cette page est extrêmement utile à toute personne active dans le domaine electronique , et plus spécialement dans le domaine " RF "  ( radio frequency )
Il s'agit d'un pont de mesure permettant de comparer deux impédances . Cet appareil à déja fait l'objet d'une description sous " coupleurs "  ( bas de page, voir " pont "  )
Ce pont à été décrit dans la revue " UKW Berichte " 1-1983 et l'auteur en est DJ7VY  qui à également publié de trés intéressants articles dans ladite revue .
Si je reviens sur cet appareil , c'est simplement suite à des essais d'améliorations ,  de plusieurs OM "DL " , de l'ami André F6AIX et de moi même.
Cet appareil sert essentiellement à mesurer des adaptations d'impédances ,exprimées en dB . Qui dit adaptations d'impédances dit aussi , adaptation d'antennes , adaptation d'impédances d'entrée de filtres , d'entrée d'ampli, etc , bref partout ou il est important d'être au plus prés de 50 ohms afin de transmettre l'energie haute fréquence dans de bonnes conditions . Cet appareil est trés simple ,et pourra être réalisé par tout  " OM " .Il suffira pour le réaliser de respecter les règles élémentaires de base , liées à tout montage "HF "( connections ultra courtes , soudures propres , blindage etc ) Le montage , proprement réalisé , peut fonctionner de quelques MHz jusqu'à 2.5 GHz et pourra donc également intéresser les " décamétristes "

Description de l'appareil.

Il s'agit d'un pont à impédance .Celui-ci est doté de 4 embases ,de préférence " SMA" .Une connectique " BNC " peut également convenir . Sur l'embase " inp " vient se brancher un générateur quelconque  ayant un niveau de sortie de l'ordre de 0 à + 10 dBm
 ,ou beaucoup plus faible dans le cas de mesure du "return loss d'un préampli " par ex .( attention , l'utilisation de résistances aussi petites que possible au niveau du pont lui-même ne permet pas d'injecter un signal de plus de 10 à15 dBm, sous peine de détruire celles-ci ............)  Viennennent ensuite, de façon symétrique , 2 autres connecteurs .L'un de ces deux s'apellera " référence " et l'autre " DUT " ( device under test ) Sur la " référence " sera branché une charge de 50 ohms qui servira à comparer l'élément à tester ou à règler, qui lui sera branché sur la prise "DUT "( antenne , ampli ,filtre etc ) Il va de soi , cette charge " référence " devra être d'excellente qualité et présenter elle-même une adaptation parfaite à un système " 50 ohm " . Le dernier connecteur servira à prélever le signal HF en sortie du pont , afin de l'appliquer à un milliwattmétre sensible et à grande dynamique ( AD8313 par ex ), ou à un analyseur de spectre , suivant la mesure à effectuer.Il est également possible , pur les OMs n'ayant pas de microwattmètre, d'utiliser un recepteur de trafic , à condition que le " s-mètre " soit bien calibré . En utilisant le RX de la station il faudra bien entendu atténuer le signal de façon considérable afin de ne pas détruire l'étage d'entrée du RX!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! .
Lutilisation de ce pont  pourrait se comparer à l'utilisation d'un coupleur directif avec l'avantage de présenter une remarquable directivité sur toute la plage de fréquence  .
Sur 2 exemplaires  réalisés , des directivités de 35 à 45dB ont été obtenues , c'est plus que suffisant pour des travaux "amateur " . En principe, le signal présent sur le port "DUT" est égal au signal d'entrée, moins 6 dB , le port " référence étant chargé par 50 ohm

Venons - en à la réalisation .
Les dessins et schémas ci dessous permettront de mieux comprendre .
Les dimensions du boitier sont de : long = 110 , largeur = 35 et profondeur = 25 .
cotes en mm.Ces dimensions peuvent varier en fonction du nombre de ferrites utiliées.

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Ci dessous le détail du pont proprement dit .En rouge les 3 lignes "microstip"
En bleu les résistances cms 50 ohm( 2 x 100 en parall) et les points de soudure .Important : l'âme du petit coax devra se présenter comme sur le dessin , perpendiculairement au coax, et parallèlement aux 2 lignes microstrip, et être aussi court que possible .En lieu et place des lignes microstrip il est également possible d'utiliser du coax semi-rigide en minimisant au max la longueur de l'âme ( 1 mm max )
Le coax à utiliser devra être aussi fin que possible afin de présenter beaucoup de " self " au niveau du balun .Oui en fait il s'agit d'un " balun large bande" que bon nombre d'OMs connaissent car ils sont souvent utilisé sur des antennes .
Le coax à utiliser est du type RG174 ou RG178. Il est trés important de noter que les perles ferrites ne doivent pas bouger sur le coax , il faudra donc les choisir avec un diamètre intérieur égal au diam ext du coax . Au besoin il peut être necessaire d'enlever la gaine isolante exterieure du coax sans entraver le fonctionnement .Le nombre de perles et par conséquence la longueur du boitier est en rapport avec la fréquence d'utilisation la plus basse. Avec sur le coax et sur le fil  20  perles de  3 mm de longueur, la fréquence la plus basse du pont se situe aux environ de 3 MHz . La qualité de ces perles est trés importante .Plusieurs OM DL utilisent des ferrites de type " 4W620 " de chez " Wurth "  .Pour ma part j'ai pris des " fonds de tiroirs "( diam ext 3.5 mm et diam tou 1 mm ) et cela  à fonctionné , mais toutes ne conviennent pas !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! Certains OMs utilisent aussi des ferrites à deux trous, mais un essai de ma part, s'est soldé par un échec ............Le fil de 1 mm de diam qui représente la deuxième branche du pont est un simple fil de cuivre de 1 mm de diam, raidi par étirement. Avec l'utilisation de coax aussi fin ,la branche du pont utilisant le coax, devra être revêtue de gaine thermorétractable afin de la raidir quelque peu , ou les perles devront être collées à la colle rapide pour tenir ensemble et amener un peu de rigidité . Il est aussi possible et bénéfique,de séparer les deux branches du pont et de les fixer à la colle rapide sur leur côté respectif au boitier.( voir bridge proto )
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Les résistances 100 ohm " cms " sont disposées verticalement, et soudées ensemble 2 par 2 .
ces résistances sont de petite taille  ( 0603 )




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Ci dessous les détails du côté " sortie du pont " ou l'on constate que la platine 2 est présentée " plan de masse vers le haut " contrairement à la platine 1,qui à le plan de masse en dessous .Cette façon de procéder améliore " l'isolation  inp - out "A noter comme dans toute réalisation RF , les deux platines ont leur pourtour entièrement soudé au boitier . (voir images )


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VUE DU PONT avec seulemnt les "cms " de 50 ohm en place.
Pour percer le boitier , penser à décaler le trou pour la "SMA " de sortie, de sorte que la platine de droite se situe sur le même plan que celle de gauche .

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Ci dessous quelques exemples d'utilisation de ce pont.

Avec cet appareil il est également simple de " tailler " un coax .Mettre celui-ci sur le port " mesure " injecter un signal à la fréquence désirée, laisser le port " reference " ouvert et commencer à couper le coax par petits bouts . Lorsque l'on passera sur la " demie onde " on aura un creux ou minimum  trés prononcé sur le milliwattmetre . Il en est de même pour tailler un " quart d'onde " à la différence prés , il faudra mettre le port " reférence " en court-cicuit .

UTILISATION

Premier cas , pour les OMs possèdant un microwattmètre ou un analyseur de spectre .

Vérification d'une antenne par exemple.
Injecter un signal de 0 dBm à l'entée du pont , à la fréquence désirée. Le port " DUT " ouvert ,et le port " Réference bouclé sur une excellente charge , lire sur le microwattmétre la valeur . A présent brancher l'objet à vérifier sur le port " DUT " et lire la deuxième valeur . La différence entre ces 2 mesures représente le " return loss " de l'bjet à mesurer . il suffit ensuite de consulter le tableau en dessous pour connaitre le "SWR " ou les pertes engendrées .
Pour des mesures sur filtres , la procédure est identique, mais il va de soi qu'il faut charger la sortie du filtre sur son impédance caractéristique .
Pour des mesures sur préampli par exemple ne pas oublier d'atténuer considérablement le signal d'entrée afin de ne pas détruire le préampli .
Pour les OMs ne possédant pas de microwattmètre, et utilisant le RX de la station .
Le principe de mesure est identique , mais il faut tenir compte du niveau de signal injecté à l'entrée du pont de façon à ne pas détériorer létage d'entré du RX  !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
Règler le niveau du signal du générateur sur environ - 40 dBm . injecter le signal sur l'entrée du pont , brancher le RX de la station sur la sortie du pont , le port " DUT " ouvert . Règler à présent le niveau du signal injecté de façon à ramener l'aiguille du S-mètre sur 59 + 40  . Ensuite brancher l'objet à mesurer sur le port " DUT " et  lire la nouvelle valeur sur le S- mètre .
En supposant que cette deuxième valeur est de 59 + 10, cela signifie que le Return Loss de l'objet à mesurer est de 30 dB,
Ce qui , sur le tableau en dessous nous donne un " SWR " de 1.07 environ .
Dans le cas cité l'adaptation est déja bonne . Il va de soi que la graduation du " Smètre " doit au paravent être vérifiée car tous les " S mètres " ne sont pas systématiquement règlés correctement . Prudence également avec le " statique " car bon nombre d'étages d'entrée de RX sont des " Fets "
Finalement un microwattmètre ( par ex AD 8313 )est assez simple à réaliser et évite de prendre des risques en utilisant le RX de la station . De plus , ce composant couvre toute la plage de fréquence de ce pont .


En jaune la plage correspondant à une adaptation d'impédance " bonne " .


Ci dessous un petit rappel de l'erreur engendrée dans une mesure de SWR en fonction de la directivité du pont .
----------------------   à ne pas négliger  !!!!!--------------------



Platine double face pour FR4 1.5 mm à couper au nivau du trait fin .


Vérifications et mise au point .
 Lorsque le pont est réalisé, et aprés une vérification minutieuse à la loupe , il faudra bien entendu procéder à un test ,avant de se servir de l'appareil pour des mesures . Ce test consiste à mesurer la directivité du pont en premier lieu, car de cette directivité dépendra la qualité du pont . Celle ci doit impérativement être supérieure à 30 dB . Procédure : injecter un signal  à l'entrée du pont . ne rien brancher sur la prise " DUT " brancher une excellente charge sur la prise " référence " , à l'aide d'un microwattmètre, mesurer le niveau du signal en sortie de pont et le noter . Ensuite brancher une  charge de qualité identique sur la prise " DUT " et mesurer le niveau du signal en sortie de pont . La différence de niveau entre ces deux mesures constitue la directivité du pont . Ces valeurs sont  sujettes à variation en fonction de la fréquence ..  A titre d'exemple, une charge sma  provenant d'un coupleur 10 GHz sera idéale comme référence et comme " DUT " pour ce test . Si la différence de ces deux mesures ne donne pas satisfaction , il se pourrait que le pont ne soit pas équilibré. Dans ce cas une opération un peu plus délicate reste à faire .Il faudra confectionner l'ustensile suivant pour continuer .Il s'agit d'un " cure - dent " fendu à son extrémité . Dans cette fente on collera à la super glue ,une petite languette métallique de cuivre ou de laiton  de 2 mm de large et de 10 à 12 mm de long . (voir croquis ) cette languette sera " balladée "tout prés du connecteur " DUT " en évitant de toucher , ni la ligne 50 ohm , ni la masse , mais elle sera en contact avec le substrat FR4 ( isolant ) , tout en observant le microwattmètre.
En principe l'on trouvera un endroit ou la mesure de la directivité fera un bond dans le sens d'une amélioration . Noter cet endroit .Coller à la super- glue une languette identique à cet endroit sur le FR4 et laisser sècher . Ensuite ,trés trés doucement, approcher ou éloigner cette languette de la piste, sans jamais  toucher celle-ci , ni toucher la masse, pour retrouver le réglage optimum . L'écartement languette - ligne est trés faible , environ 0.5 mm !!!!!!!!!!!!!  Aprés cette mise au point on arrive à des directivités de 35 à 45 dB , en fonction de la fréquence.Il est important de parler également du port " Réference " car à ma grande surprise, lorsque le port " DUT " me semblait adapté, il s'est avéré que le port " référence " pouvait aussi être amélioré , alors qu'au paravent, ce port réagissait à l'inverse , .c.à.d.détérioration de la directivité en essayant une adaptation de ce côté .Finalement il à aussi fallu retoucher trés légèrement l'adaptation sur le port " référence " en utilisant la même méthode , à vous de voir et d'en tirer vos conclusions,  aprés adaptation des 2 ports , référence et DUT , on sera en présence d'une adaptation  parfaite et le pont pourra être "déclaré fiable et  bon pour le service "


Voir les explications en images ci dessous .

Lamelle collée tout prés du port " mesure " Cette lamelle ne doit en aucun cas toucher la ligne , ni la masse et forme donc simplement une capa de trés trés faible valeur ..........................



en dessous, l'outil servant à repérer l'endroit optimum de la languette métallique .
Il s'agit d'un " cure- dent " en bois fendu à l'extrémité .La fente est ensuite garnie d'une languette de cuivre .





En deuxième lieu, il sera utile de mesurer l'adaptation des différents ports ( DUT - Ref et in ) afin d'en vérifier l'adaptation en impédance .Si toutes les règles ont été respectées vous aurez un appareil permettant des mesures d'adaptation d'impédance de façon trés fiable sur toute la plage de fréquences.

Premiers résultats





On peut donc dire que cet appareil trés simple à réaliser présente une  trés bonne directivité, et rend ainsi les mesures
d'adaptations  d'impédances fiables.

VUE DE L'APPAREIL






Ci dessous un autre schéma dont je ne retrouve plus l'origine , mais ou l'on voit que l'auteur
rajoute des capacités de faible valeurs vers la masse  sur les deux ports " Z1 et Z 2 ".
Il s'agit ici d'un pont à detecteur incorporé.





Je serais trés intéressé de conaître les résultats obtenus par d'éventuels réalisateurs de ce pont..
Vous pouvez faire part de vos résultats à l'adresse suivante:



Links      avec d'intéressantes images pro et homebrew ( forum malheureusement en DL )
Une autre réalisation trouvée sur le web F6EXE

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16-06-2008
Complément d'informations

Aprés avoir fouillé dans des documents techniques officiels, je me dois de rajouter les intéressantes infos complémentaires .
Au sujet des perles ferrites ,  sujet à questions , j'ai découvert dans plusieurs documents que les perles prés des 3 lignes 50 ohms devraient être des perles " nikel - zinc " alors que les perles côté " mesure " pourront elles être du type " manganèse - zinc .
On trouve ces perles chez "Ferronics " , et sans doute aussi en Europe .......
Le câble coaxial pourrait être du type " UT 47 "Les perles du côté input doivent être déplaçables à des fins de règlages .( F5RCT l'avait déja suggéré )
Ce dernier groupe de perles peut avantageusement être " coiffé " d'un absorbant "microwave " en forme de U également déplaçable au dessus des perles.Dans cette dernière hypothèse il faudra évidemment pratiquer une petite ouverture ou fenêtre dans le matériau absorbant pour avoir accés aux ferrites.Ce matériau absorbant devra impérativement être en contact " electrique " avec le corps de l"appareil sur 2 côtés pour êtte efficace .
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