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Mesures hyperfréquences de composants

• Mesure de dipole
• caractérisé par son facteur de réflexion
  complexe
• permet dobtenir limpédance/admittance complexe
• nécessite la mesure/détection dondes incidentes
  et réfléchies
• Mesure de quadripole
• facteur de réflexion aux deux accès
• facteur de transmission aux deux accès
• concept de matrice de répartition
• plusieurs notions de gain associées

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Détection

Principe utilisation de la nonlinéarité dune
diode conversion de la tension hyperfréquence
en une composante continue
Terme quadratique proportionel au carré de
tension RF
3
Détection

Génération dun courant dont la composante DC
vaut
4
Détection

Principe conversion de la tension
hyperfréquence en une composante continue
supprimé par filtrage
5
Détection

Si filtres idéaux
Prf
r
r
IDC
Ro
Ro
C
V
Sensibilité en courant
Sensibilité en tension
6
Détection

Prf
r
r
IDC
Ro
Ro
C
V

• Attention
• pour maximiser les sensibilités ? adapter le
  circuit RF à la ligne dentrée
• prise en compte du bruit généré par la diode
• ? sensibilité tangentielle du détecteur
• Pentrée telle que

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Dipoles

• Caractérisés par leur impédance, mesurée par leur
  facteur de réflexion
• Hypothèse impédance de référence de la ligne
  daccès réelle ZR Zc Rc
• Deux méthodes de mesures
• mesure par sonde fixe ou mobile
• utilise un détecteur sur une ligne fendue
  coaxiale ou guide dondes
• détecteur fixe?? fréquence variable
• détecteur mobile (ligne fendue) ?? fréquence
  fixe
• mesure par réflectométrie
• comparaison de la puissance mesurée par
  coupleurs directionnels
• à la puissance incidente

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Dipoles - Mesures à la ligne fendue

• Principe
• fente selon laxe z de propagation dun guide
  donde rectangulaire
• en x a/2, et y b
• ? pas de perturbation des lignes de courant
• insertion dune petite tige métallique
• ? sensibilité au champ électrique normal à la
  paroi
• ? tension RF prélevée ? enfoncement de la sonde
• schéma expérimental

b
a
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Dipoles - Mesures à la ligne fendue

V(z)
en z1
en z2 lt z1
lg/2
z1
z2
Si charge remplacée par court-circuit minimum en
z nlg/2
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Dipoles - Mesures à la ligne fendue
en z1
en z2 lt z1
zcc
z1
z2
D
en z 0, zcc
? générateur
plan de charge
En zcc le court-circuit le plus proche côté
charge En z1 Z est minimum et G1 réel
négatif z1 - zcc D avec 4pD/lg déphasage entre
Gcharge et G1 réel négatif NB. D souvent
difficile à mesurer
G1
Gcharge
4pD/lg angle dont il faut tourner vers le
générateur pour, partant de la charge,
rencontrer le premier minimum (G réel négatif)
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Mesures à la ligne fendue - Analyse des erreurs

• instabilité de fréquence
• perturbe la valeur de lg, donc la position des
  noeuds
• perturbe la valeur de Zc, donc de G mesuré
• connecteurs
• ? couplage idéal si serrage parfait
• erreur due à la présence de la sonde
• ? admittance en parallèle sur la ligne Ys
• ? glissement des nuds et des ventres si Ys
  complexe
• ? solution accorder la sonde
• ? minimiser la valeur de Ys en réglant
  lenfoncement
• ? matrice S équivalente dune admittance shunt
  Ys

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Dipoles - Erreur due à la sonde

L
générateur
Z
ligne fendue
a1
S12
a
e- jbu
e- jb(L-u)
b2
G
S11
S11
Gg 
G
a2
b1
S12
e- jb(L-u)
b
e- jbu
NB L choisi tel que G et Gg réels gt 0
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Dipoles - Erreur due à la sonde

Si Ys 0 (S11 0)
Si Gg 0
Perturbe la courbe théorique déplacement des
nuds et des ventres
car D 1 si Gg S11 0
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Dipoles - Erreur due à la sonde

Si Gg 0
Si accord Ys réel petit ? S11 réel lt 0
La puissance à détecter vaut
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Dipoles - Erreur due à la sonde

extremum si
? solution si sin2bu 0 ? 2bu np ? u nlg/4
? Laccord de la sonde préserve la position des
nuds et des ventres
G réel positif
Cas idéal Ys 0
Maxima en nlg/2 Minima en (2n1)lg/4
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Dipoles - Erreur due à la sonde

extremum si u nlg/4
Si n impair
Si n pair
Vmin
Vmax
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Dipoles - Erreur due à la sonde

a1
S12
a
e- jbu
e- jb(L-u)
b2
G
NB L choisi tel que G et Gg réels gt 0
S11
S11
Gg 
G
a2
b1
S12
e- jb(L-u)
b
e- jbu
Si accord seul (Gg ? 0) Ys réel petit ? S11 réel
lt 0
cas idéal
avec
? D est fonction de u ? déplacement des nuds et
des ventres par rapport au cas idéal
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Dipoles - Mesures à la sonde fixe

Principe la sonde est fixe, le générateur balaye
en fréquence
générateur
Z
ligne fendue
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Dipoles - Mesures à la sonde fixe

• Si Gg 0

Principe f1 telle que f - 2 q(f1) 2 n p
? f2 telle que f - 2 q(f2) (2n1) p ?

• Si Gg ? 0

erreur max
TOS mesuré
TOS
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Etalonnage des wattmètres

? méthode de la ligne de mesure, supposée adaptée
au générateur (GG 0)
On mesure avec un wattmètre suposé connu
On mesure avec le wattmètre à étalonner
Si sonde sur la ligne, supposée idéale
? mesure des minimas et maximas de tension
permet détalonnner
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Mesure permanente de la puissance

? wattmètre de passage utilisation du
wattmètre lui-même comme détecteur sur une ligne
fendue ? mesure de la puissance sur la ligne
détecteur mobile
Mais le wattmètre mesure une puissance aux
minimas et maximas
mesuré au ventre
mesuré au noeud
valable si générateur adapté
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Réflectométrie

• élément de base coupleur directionnel
• prélève en 4 une fraction de la puissance
  incidente en 1 transmise vers 3
• répartition de la puissance incidente entre les
  accès 3 et 4
• 3 est laccès direct, 4 laccès couplé

Coupleur idéal
S41(41) et S23(32) couplage S31(13) et S24(42)
transmission directe directivités S21(12)
S43(34) 0 adaptations Sii 0
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Réflectométrie

Coupleur non idéal
S41(41) et S23(32) couplage S31(13) et S24(42)
direct défaut dadaptation Sii ? 0 défaut de
directivité S21(12) ? 0
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Réflectométrie à 1 coupleur

• mesure par réflectométrie
• comparaison de la puissance mesurée par
  coupleurs directionnels
• à la puissance incidente
• élément de base coupleur directionnel

b3
S31
G
S32
a3
a1
a2
0
b1
b2
sur charge à mesurer
b4
0
S24
S14
sur court-circuit
a4
25
Réflectométrie - défaut de directivité

• mesure par réflectométrie
• comparaison de la puissance mesurée par
  coupleurs directionnels
• à la puissance incidente
• élément de base coupleur directionnel

b3
S31
G
S32
a3
a1
a2
S21
0
b1
b2
sur charge à mesurer
b4
0
S24
S14
sur court-circuit
a4
26
Réflectométrie - mésadaptation de laccès 3

• mesure par réflectométrie
• comparaison de la puissance mesurée par
  coupleurs directionnels
• à la puissance incidente
• élément de base coupleur directionnel

b3
S33
S31
S32
G
a3
a1
a2
0
b1
b2
sur charge à mesurer
b4
0
S24
S14
sur court-circuit
a4
27
Réflectométrie - mésadaptation de laccès 2

b3
S31
S32
G
a3
a1
a2
S22
Gd
b1
b2
sur charge à mesurer
b4
0
S24
S14
sur court-circuit
a4
détecteur adapté Gd 0
Si le détecteur est adapté la mésadaptation de
laccès 2 na pas deffet
28
Réflectométrie - mésadaptation du générateur

b3
S31
S32
G
a3
a1
a2
Gg
0
b1
b2
sur charge à mesurer
b4
0
S24
S14
0
sur court-circuit
a4
29
Réflectométrie - instabilité du générateur

b3
S31
S32
G
a3
a1
a2
0
b1
b2
Même si le coupleur est idéal, et le
générateur adapté, càd
b4
0
S24
S14
0
a4
En pratique on ne mesure pas le rapport b2/a1,
mais on détecte uniquement b2 Si le générateur
est instable
Létalonnage ne compense pas linstabilité du
générateur
30
Réflectométrie à 2 coupleurs

• ajout dun coupleur permet déliminer certains
  défauts de la réflectométrie

b3 et b4 mesurés en même temps
31
Réflectométrie à 2 coupleurs

• Si on ne sintéresse quau module
• Si on ne connaît pas les paramètres du coupleur
  
• étalonnage sur court-circuit

Insensible à une variation de puissance du
générateur
b3 et b4 mesurés en même temps
32
Réflectométrie à 2 coupleurs

• ajout dun déphaseur et dun atténuateur

détecteur
T hybride
déphaseur réglable f
atténuateur réglable atténuation Le
4
3
3
4
Z
2
1
A
Source
sur court-circuit Lecc et fcc pour obtenir zero
au détecteur, soit b3 b4
sur charge LeZ et fZ pour obtenir zero au
détecteur, soit b3 b4
33
Réflectométrie à 2 coupleurs

sur court-circuit Lecc et fcc pour obtenir zero
au détecteur, soit b3 b4
sur charge LeZ et fZ pour obtenir zero au
détecteur, soit b3 b4
Mesure vectorielle du facteur de réflexion
Attention atténuateur et déphaseur supposés
idéaux
34
Réflectométrie à 2 coupleurs - défaut de
directivité

S4A
S3A
35
Réflectométrie à 2 coupleurs - défaut de
directivité

Mesure en faisant lhypothèse coupleurs idéaux
Si directivité finie
Si les coupleurs sont bons
pour G modérés, mettre en tête le coupleur le
moins bon
36
Analyseur de réseau scalaire - mesure en réflexion

• mesure par réflectométrie
• comparaison de la puissance incidente à la
  puissance réfléchie
• élément de base coupleur directionnel

élément à mesurer
37
Analyseur de réseau scalaire - mesure en réflexion

sur charge à mesurer
sur court-circuit
sauf si S33 S21 0
? addition dune mesure sur circuit-ouvert pour
minimiser lerreur on utilise la moyenne des
mesures cc et co pour létalonnage
38
Analyseur de réseau scalaire - mesure en
transmission

élément à mesurer
sortie détecteur 2
39
Analyseur de réseau scalaire - mesure en
transmission

2
élément
sortie détecteur 2
1
3
3 
Source
S33
b3
b3
b3
S33
S33
S31
S31
S33
G
a3
a3
a3
S32
a1
a1
a2
a2
S21
0
0
b1
b1
b2
b2
b4
b4
étalonnage avec ligne  idéale 
0
0
S24
S24
S14
S14
a4
a4
Étalonnage en transmission indépendant de celui
en réflexion