Le blog À propos Guide pour des mesures précises des paramètres S avec des analyseurs de réseau

Dans le domaine de l'ingénierie électronique, l'évaluation et l'optimisation précises des performances des réseaux de circuits sont cruciales. Sans des mesures précises des caractéristiques des circuits, la conception de dispositifs électroniques haute performance reviendrait à naviguer les yeux bandés. Les analyseurs de réseaux constituent la solution fondamentale à ce défi en mesurant l'impédance et l'atténuation dans les réseaux de circuits, fournissant aux ingénieurs des informations essentielles.

Les analyseurs de réseaux sont des instruments spécialisés conçus pour analyser les réseaux de circuits électroniques, avec des capacités de base axées sur la mesure de l'impédance et de l'atténuation. Les avancées technologiques ont continuellement élargi leur gamme de fréquences, couvrant désormais les bandes d'ondes millimétriques jusqu'à 110 GHz, ce qui élargit considérablement leur champ d'application.

Il existe deux principaux types d'analyseurs de réseaux :

• Analyseurs de réseaux scalaires : Mesurent uniquement l'amplitude du signal pour déterminer les caractéristiques de fréquence. Leur architecture plus simple facilite la mise en œuvre de mesures à haute fréquence.
• Analyseurs de réseaux vectoriels (ANV) : Mesurent à la fois l'amplitude et la phase du signal, fournissant des informations complètes sur les réseaux de circuits. Les ANV offrent une précision de mesure supérieure et sont devenus indispensables dans les applications modernes de mesure électronique.

Compte tenu du rôle essentiel des ANV dans l'électronique contemporaine, cet article se concentre spécifiquement sur les principes et les applications des analyseurs de réseaux vectoriels.

Bien que divers paramètres puissent décrire les réseaux de circuits (y compris les paramètres V, les paramètres Z et les paramètres H), les analyseurs de réseaux utilisent principalement les paramètres S (paramètres de diffusion) en raison de leur nature basée sur la puissance, ce qui les rend particulièrement adaptés à la caractérisation des circuits à haute fréquence.

L'architecture fondamentale d'un analyseur de réseaux comprend plusieurs composants clés : une source de signal, un diviseur de signal (diviseur de puissance), un coupleur directionnel et au moins trois récepteurs. Ces éléments doivent couvrir toute la gamme de fréquences de fonctionnement de l'instrument.

Le processus de mesure commence par la source de signal qui génère un signal de test qui se divise en deux chemins : l'un se connecte à un récepteur de référence (R) comme base, tandis que l'autre sert de signal incident entrant dans le dispositif sous test (DUT) via le coupleur directionnel. Le récepteur A capture les signaux réfléchis, tandis que le récepteur B mesure les signaux transmis.

Les paramètres S sont déterminés en calculant les rapports A/R et B/R. Les signaux reçus subissent une conversion en fréquences intermédiaires, suivie d'une détection synchrone pour extraire les composantes réelles et imaginaires. Le traitement numérique présente ensuite ces données dans divers formats, notamment les diagrammes de Smith, l'amplitude logarithmique, la phase et le délai de groupe.

Les paramètres S décrivent quantitativement les caractéristiques de transmission et de réflexion d'un DUT. Pour un réseau à deux ports, les principaux paramètres S sont :

• S11 : Signal réfléchi du port 1 lorsqu'il est excité au port 1
• S21 : Signal transmis au port 2 lorsqu'il est excité au port 1
• S12 : Signal transmis au port 1 lorsqu'il est excité au port 2
• S22 : Signal réfléchi du port 2 lorsqu'il est excité au port 2

Chaque paramètre S est un nombre complexe avec des composantes réelles (amplitude) et imaginaires (phase). Les caractéristiques de transmission (S21/S12) sont liées au gain, à la perte, à l'isolement, au délai de groupe et aux coefficients de transmission, tandis que les caractéristiques de réflexion (S11/S22) correspondent à l'impédance, à la perte de retour, au taux d'ondes stationnaires de tension (TOS) et au coefficient de réflexion.

La précision de mesure exceptionnelle des analyseurs de réseaux découle de processus d'étalonnage sophistiqués qui éliminent les erreurs inhérentes au système. En mesurant des étalons connus (ouvert, court-circuit, charge), le système caractérise ses propres paramètres S, puis supprime mathématiquement ces erreurs des mesures du DUT lors du post-traitement.

• SOLT (Short-Open-Load-Thru) : Norme pour les systèmes coaxiaux
• Offset Short : Préféré pour les applications de guide d'ondes
• LRL/TRL/LRM (variantes Line-Reflect-Line) : Idéal pour les structures microbandes et guides d'ondes coplanaires (CPW)

1. Établir des plans de référence de mesure aux extrémités des câbles coaxiaux (port 1 et 2)
2. Mesurer l'ouverture (résistance ∞) sur le port 1 et le court-circuit (résistance 0) sur le port 2, en stockant les réponses de réflexion directe
3. Inverser les étalons et mesurer les réponses de réflexion inverse
4. Connecter des charges adaptées (50Ω) aux deux ports pour les mesures de directivité/isolement
5. Effectuer une connexion directe entre les ports pour la caractérisation de la réponse de transmission

Les étalons d'étalonnage se réfèrent généralement aux normes de mesure nationales, ce qui permet la correction des erreurs grâce aux mathématiques vectorielles. L'étalonnage complet à deux ports (correction d'erreur à 12 termes) traite les erreurs de directivité, d'adaptation source/charge, de réponse en fréquence et d'isolement.

Bien que l'étalonnage supprime les erreurs systématiques, plusieurs sources d'erreurs non reproductibles persistent :

• Variations de la répétabilité des connecteurs
• Bruit résiduel du récepteur
• Fluctuations environnementales (température, humidité, vibrations)
• Incidences de la stabilité de la fréquence sur les mesures de phase
• Répétabilité du processus d'étalonnage

Les pratiques de mesure optimales incluent :

• Maintenir un couple constant des connecteurs
• Contrôler la température ambiante
• Utiliser des sources de signaux à haute stabilité
• Minimiser les mouvements des câbles coaxiaux pendant les mesures

Ces précautions permettent de minimiser les contributions d'erreurs instables et d'assurer la précision des mesures.

Les analyseurs de réseaux représentent des outils indispensables dans la mesure électronique moderne. Grâce à une compréhension approfondie de la théorie des paramètres S, à des pratiques d'étalonnage méticuleuses et à une gestion attentive des erreurs, les ingénieurs peuvent caractériser et optimiser avec précision les performances des réseaux de circuits. La maîtrise des techniques d'analyseur de réseaux reste essentielle pour les professionnels travaillant dans la conception de circuits RF, hyperfréquences et numériques à grande vitesse.