Découvrez Comment Maîtriser la Calibration d’un Analyseur de Spectre pour des Mesures Ultra-Précises !

Un analyseur de spectre est un instrument de mesure qui affiche l'amplitude d'un signal en fonction de la fréquence. Il est essentiel pour analyser la composition spectrale des signaux, révélant des informations cruciales telles que la fréquence dominante, la puissance, la distorsion harmonique, et la bande passante. La calibration d'un analyseur de spectre est un processus essentiel pour garantir la précision des mesures. Cet article explore en détail les aspects de la calibration, les types d'analyseurs de spectre, et les paramètres clés pour une utilisation efficace.

Analyseurs de spectre

Les analyseurs de spectre sont des instruments du domaine fréquentiel, illustrant la puissance par rapport à la fréquence. La plupart des analyseurs de spectre automatisent certains types de mesure de la puissance par rapport à la fréquence, comme la profondeur de modulation AM ou l'interception de troisième ordre. Ces mesures pourraient être réalisées manuellement mais les automatiser augmente l'efficacité et la précision. D'autres mesures telles que la bande passante occupée ou le taux de fuite du canal adjacent, seraient difficiles voire impossibles à mesurer manuellement.

SIGLENT SVA1075X

L’analyseur de spectres SIGLENT SVA1075X couvre une plage de fréquences de 9 kHz à 7,5 GHz et offre une belle plage dynamique de mesure entre un bruit plancher faible et la possibilité de mesurer des signaux jusqu'à 30 dBm (1 W). Le bruit plancher typique est de l'ordre de -141 dBm. Un pré-amplificateur intégré en standard permet d'accroître la sensibilité jusqu'à -165 dBm. La combinaison d'un grand écran couleur tactile de 1024 x 600 pixels et une résolution de bande passante de seulement 1 Hz permet de visualiser de manière claire et précise les détails spectraux des signaux mesurés. Le SVA1075X est un analyseur fiable et performant qui saura se rendre indispensable pour le test d'appareils et de communications RF dans les domaines les plus divers comme la 5G, la recherche et le développement, l'enseignement, la production et la maintenance, etc. et l'interprétation des images.

Calibration des Analyseurs de Réseaux Vectoriels (VNA)

Les VNA sont d'excellents outils pour l'évaluation de l'amplitude et de la phase des signaux RF. La calibration de mesure est le processus de suppression des erreurs systématiques d'un système de mesure. En reliant des étalons de calibration conçus spécialement au plan de référence - le point où le dispositif sous test (DUT) sera relié - les VNA quantifient l'influence de la configuration de test et corrigent les mesures suivantes. Les erreurs sont inhérentes à tout système de mesure, et les VNA ne font pas exception. Alors que des erreurs de dérive et aléatoires ne peuvent être réduites que par un contrôle environnemental et de bonnes pratiques, les erreurs systématiques peuvent quasiment être entièrement supprimées à l'aide de la calibration. Il est important de noter qu'une calibration de mesure n'est pas la même chose qu'une calibration d'instrument, qui vérifie qu'un instrument fonctionne au sein de ses spécifications.

Étendards de Calibration

La calibration VNA repose sur des étalons de calibration, qui sont des terminaisons ou coupleurs dotés de magnitude et de réponses de phase connues précisément. Ils sont utilisés au cours du processus de calibration afin de quantifier et corriger les erreurs introduites par le VNA et la configuration de test. Les étalons courants incluent :

Through (T) ("Traversé"): Établit une connexion idéale directe entre deux ports, fournissant une ligne de base pour des mesures de transmission.
Open (O) ("Ouvert"): Représente un circuit ouvert sur le plan de référence. Cependant, à des fréquences plus élevées, cet étalon développe une capacitance, et ce comportement doit être pris en compte dans le processus de calibration.
Short (S) ("Court-circuit"): Représente un court-circuit et est un autre étalon pour des mesures de réflexion. Comme l'étalon "ouvert", son imperfection doit être définie pour la précision.
Match (M), parfois appelé “Charge”: Fournit une terminaison adaptée à l'impédance caractéristique (par exemple, 50 ohms), minimisant les réflexions sur le plan de référence.

Méthodes de Calibration

La calibration avec des étalons peut être divisée en calibration manuelle et calibration automatique.

Calibration Manuelle: Chaque étalon est connecté et déconnecté manuellement au plan de référence dans la séquence correcte. Cette méthode est précise mais chronophage et sujette aux erreurs de l'opérateur.
Calibration Automatique (Autocal): Les étalons sont intégrés à l'unité autocal, qui est contrôlée par le VNA. L'unité commute automatiquement les étalons aux points appropriés dans la routine, accélérant significativement le processus et réduisant les erreurs humaines.

Types de Calibration VNA

Les types de calibration dans l'analyse de réseaux vectoriels détermine les étalons spécifiques utilisés et leur processus de connexion au cours de la routine de calibration.

Calibration à un port complète: Nécessite la connexion séquentielle d'un étalon ouvert, court-circuit et charge au plan de référence.
Normalisation de réflexion: Utilise un seul étalon, soit ouvert soit court-circuit, afin de normaliser la réponse de réflexion. Cela est plus rapide qu'une calibration à un port complète, mais également moins précis.
Calibration à deux ports: Utilisée pour des mesures de transmission et implique des procédures plus complexes afin de prendre en compte les erreurs affectant les deux ports.
Normalisation de transmission: Nécessite un seul étalon "traversé" pour mesurer la transmission. La calibration peut être effectuée dans une direction ou les deux.
Calibration à deux ports sur un trajet: Combine une calibration à un port complète avec une normalisation de transmission entre deux ports. Il s'agit d'une méthode de calibration hybride qui trouve un équilibre entre vitesse et précision.
Calibration à deux ports complète: Méthode de calibration complète qui fournit les résultats les plus précis pour des mesures sur deux ports, corrigeant toutes les erreurs de réflexion et de transmission pour les deux ports. TOSM est l'étalon et la méthode la plus largement utilisée pour une calibration à deux ports complète. Le processus implique la réalisation d'une calibration à un port (ouvert, court-circuit et charge) sur les deux ports, puis la connexion d'un étalon "traversé" entre les deux ports et la mesure dans les deux directions - un total de huit balayages est nécessaire. Cette méthode permet des mesures précises de tous les paramètres S; cependant, elle peut être très fastidieuse et chronophage du fait de la connexion de multiples étalons.
UOSM: Est une variation du TOSM où l'étalon "traversé" connu est remplacé par un coupleur inconnu, qui doit avoir des caractéristiques symétriques dans les deux directions. Elle est particulièrement pratique lorsque le DUT a des types de connecteurs différents (par exemple, SMA sur une terminaison et type N sur l'autre) et fournit une alternative pratique dans des situations où aucun étalon "traversé" n'est disponible.

Modules d'Étalonnage Électronique (ECal)

Le module d'étalonnage électronique Keysight N4431B RF (ECal) rend l'étalonnage des analyseurs de réseau vectoriel rapide, facile et précis. L'ECal est une technique d'étalonnage de précision à connexion unique pour votre analyseur de réseau vectoriel. Effectuer un calibrage complet à trois ou quatre ports prend deux fois moins de temps par rapport aux kits de calibrage mécanique. De plus, la précision de l'étalonnage est comparable entre les méthodes électroniques et mécaniques. Les étalonnages mécaniques traditionnels nécessitent une interaction intensive de l'opérateur, qui est sujette à des erreurs. Les modules ECal sont des standards de transfert capables de transférer la précision d'étalonnage d'usine à votre analyseur de réseau.

Paramètres Essentiels pour l'Utilisation d'un Analyseur de Spectre

Il y a quatre paramètres essentiels nécessaires pour utiliser un analyseur de spectre. Par exemple, pour mesurer la puissance entre 840 MHz et 860 MHz. Ces valeurs pourraient être saisies dans un analyseur de spectre comme des fréquences de début et de fin, mais le centre et le span sont utilisés plus communément.

Fréquence Centrale et Span: Les noms sont intuitifs : le centre est la fréquence au milieu de l'affichage, et le span est la largeur de l'affichage. La gamme 840 MHz à 860 MHz est la même chose qu'un centre à 850 MHz et un span de 20 MHz.
Niveau de Référence: Le niveau de référence est le front le plus élevé affiché et représente la puissance attendue maximale à l'entrée de l'analyseur de spectre. Un réglage trop élevé ou trop faible du niveau doit être évité. Un réglage trop élevé du niveau de référence diminue la gamme dynamique et la possibilité de visualiser les petits changements dans l'amplitude. Si le niveau de référence est réglé trop faible, la trace dépasse le haut de l'écran. Derrière l'entrée RF, certaines des premières sections de l'analyseur de spectre incluent des composants actifs tels que des mélangeurs et des amplificateurs. Si le niveau d'entrée est trop élevé, ces appareils peuvent passer en compression, ce qui crée une distorsion et affectent négativement les résultats de mesure, parfois très sévèrement. Pour éviter que cela n'arrive, un atténuateur d'entrée variable est placé entre l'entrée RF et ces composants sensibles.
Bande Passante de Résolution (RBW): Pour des mesures de spectre de base, la bande passante de résolution est, de loin, le réglage le plus important. La plupart des analyseurs de spectre utilisent des analyseurs à base d'hétérodyne pour mesurer le spectre en balayant un span. Une manière d'aider la compréhension de la bande passante de résolution c'est de la voir comme une fenêtre se déplaçant sur le span, mesurant le niveau au fur et à mesure. Quoi qu'il en soit, la fenêtre ou le filtre de résolution n'est pas carré mais a une forme Gaussienne ou similaire. La fenêtre ne bouge pas non plus, le spectre passe à la place de la fenêtre. Les effets de la bande passante de résolution sont la capacité à séparer ou résoudre des signaux faiblement espacés. Deux signaux étroits peuvent uniquement être séparés si la bande passante de résolution est plus petite que la distance entre ces deux signaux. Un autre aspect de la bande passante de résolution est l'effet qu'il a sur le bruit. Plus spécifiquement, la bande passante de résolution affecte le plancher de bruit, également appelé niveau de bruit moyen affiché, ou DANL. Le plancher de bruit monte ou descend en fonction de la bande passante de résolution choisie. La diminution de la bande passante de résolution d'un facteur de 10 réduit le plancher de bruit d'environ 10 dB. La diminution de la bande passante de résolution fournit une meilleure séparation de signaux et un bruit plus faible, donc pourquoi ne pas toujours utiliser la bande passante de résolution la plus faible possible ? La bande passante de résolution est essentiellement un filtre, et des filtres étroits prennent un temps plus long pour régler, ou pour obtenir un résultat stable, comparé aux filtres plus larges. Cela signifie que le balayage ralentit lors de l'utilisation de bandes passantes de résolution plus petites afin d'obtenir des résultats plus précis. Le principal facteur déterminant le temps de balayage d'un analyseur de spectre est la bande passante de résolution. La bande passante de résolution optimale est quasiment entièrement une fonction du signal étant mesuré, et doit souvent être déterminée par expérimentation. Il y a un compromis entre la vitesse et la sélectivité / le bruit.
Bande Passante Vidéo (VBW): Pour comprendre la bande passante vidéo, le terme signal vidéo doit être expliqué. Les traces sont essentiellement une enveloppe de puissance à des fréquences individuelles, et cette enveloppe est appelée signal vidéo. Elle est nommée vidéo car, par le passé, ce signal était appliqué à la déflexion verticale d’un tube cathodique afin de dessiner une trame vidéo sur l'écran. En diminuant la bande passante vidéo à 200 kHz une quantité de bruit importante peut être observée sur le signal. Ce bruit est réduit, lorsque la bande passante vidéo est abaissée à 20 kHz, et décroît même plus lorsque la bande passante vidéo est inférieure à seulement 2 kHz. La réduction de la bande passante vidéo réduit uniquement le bruit sur la trace, elle ne diminue pas le plancher de bruit comme le fait la bande passante de résolution. La bande passante vidéo change uniquement ce à quoi ressemble la trace, donc dans une certaine mesure le bon réglage de la bande passante vidéo dépend de l'application. La plupart des analyseurs de spectre modernes configureront et mettrons à jour automatiquement la bande passante vidéo en se basant sur d'autres paramètres comme la bande passante de résolution. Dans de nombreux cas une bande passante vidéo plus petite ou plus étroite semble souhaitable car elle réduit le bruit sur la trace.

Applications Pratiques et Mesures Spécifiques

Mesure du Bruit d'un Amplificateur

Pour mesurer le bruit d’un amplificateur, un matériel lourd est nécessaire avec une source de bruit étalonnée et un analyseur de bruit. La mesure est parfaite et donne un résultat absolu, gain et bruit sur toutes les fréquences. Si l’on ne dispose pas de tels bijoux, un simple analyseur de spectre peut venir en aide. La méthode consiste à brancher la sortie du préamplificateur (chargé en entrée sur 50 ohms) sur l’entrée de l’analyseur de spectre. Une première mesure donne le plancher de bruit de l’analyseur, préamplificateur éteint. Exemple mesuré sur un préamplificateur large bande du commerce, gain de environ 33 dB en VHF , décroissant régulièrement vers 24 dB à 3.4 GHz. Centré sur 1.5 GHz, span étroit de 200 kHz, filtres larges 300 kHz, atténuation 0 dB (suppression des atténuateurs de sécurité), moyennage sur 100 échantillons.

Mesures Diverses

Les analyseurs de spectre peuvent être utilisés pour diverses mesures, notamment :

Analyse des signaux TV : L'analyseur de spectre est acceptable pour l’application en télévision car les signaux sont faibles. Les conditions sont identiques, mais nous rajoutons les modulations.
Analyse d'antennes : Vue générale de la réponse spectrale de l'antenne. Mesure identique en zoomant sur la bande utile en VHF. Mesure identique en zoomant sur la bande utile en UHF.
Mesure du ROS (Retour d'Onde Stationnaire) : Au-delà de -40 dB de retour, le ROS est négligeable ! Beaucoup des mesures suivantes seront faites au travers de divers coupleurs directifs adaptés aux plages de mesures. Sur les copies d’écrans suivantes, la courbe supérieure représente l’onde directe, celle inférieure l’onde réfléchie. Attention aux échelles, regardez bien le nombre de dB par carreau et le span et la largeur de la bande affichée.
Analyse de signaux de télécommande : Mesure de signaux pour les télécommandes sur 433.920 MHz.

Précautions et Considérations

Réglages Mal Maîtrisés : Il est crucial d’éviter d’utiliser des réglages mal maîtrisés. Nous voyons ici le risque d’utiliser des réglages mal maîtrisés.
Conditions Limites : Nous ferrons toujours les mesures hors de ces conditions limites.
Coupleurs Directifs : Analyse de la courbe de réponse du coupleur directif HP 774D.

tags: #calibration #analyseur #de #spectre

Thomas Hohn

Facteur d'arcs, spécialiste Longbow

Analyse de la Calibration d'un Analyseur de Spectre