Comment mesurer des pertes de câbles

Aperçu de la mesure de pertes de câbles

Tous les câbles coaxiaux atténuent les signaux radiofréquence qui les traversent, et cette atténuation est communément appelée “perte de câble” ou “perte d'insertion.”

La perte de câble dépend de la longueur du câble et de la fréquence du signal traversant le câble. Comme le signal parcourt le câble, une partie de son énergie est absorbée du fait des pertes résistives et diélectriques. De plus, les discontinuités causées par des connecteurs de câbles, des courbures, ou des endommagements peuvent réfléchir une quantité d'énergie vers la source, augmentant par conséquent les pertes mesurées. Généralement, les pertes de câbles augmentent linéairement avec la longueur – doubler la longueur engendre un doublement des pertes. Cependant, la relation entre les pertes de câbles et la fréquence est bien plus complexe et n'est pas purement linéaire; des fréquences plus élevées ont tendance à subir des pertes plus importantes.

Les pertes représentent une spécification importante fournie par les fabricants de câbles, et elles sont souvent exprimées en décibels (dB) par mètre ou pied. La nature dépendante à la fréquence de ces pertes est généralement représentée par des tableaux ou des graphiques, et la compréhension de la quantité des pertes de câbles est importante pour diverses applications RF.

Malgré les spécifications fournies par le fabricant, cependant, vous pouvez encore avoir besoin de mesurer les pertes de câbles actuelles, en particulier lorsque le type de câble est inconnu ou lorsque des facteurs tels que la connectivité ou l'usure affectent la performance. L'outil le plus courant pour la mesure des pertes de câbles est un analyseur de réseaux vectoriels (VNA).

Mesure de pertes de câbles avec un VNA

Il existe deux manières de mesurer des pertes de câbles avec un VNA :

Une mesure de câble sur un port (S11 ou mesure de réflexion)

• Configuration : Connectez une terminaison du câble au VNA, en laissant l'autre extrémité ouverte ou court-circuitée.
• Processus : Le VNA injecte un signal dans le câble. Le signal parcourt le câble, se réfléchit sur la terminaison ouverte ou court-circuitée, puis revient le long du câble vers le VNA.
• Calcul : Le VNA compare la puissance réfléchie à la puissance émise afin de calculer les pertes du câble. Puisque le signal parcourt deux fois la distance du câble (vers la terminaison ouverte ou court-circuitée et le retour), la quantité de pertes mesurées tient compte de l'atténuation aller / retour totale.
• Avantage : Cette méthode permet de mesurer les pertes d'insertion de câble à partir d'une seule terminaison, éliminant ainsi la nécessité de câbles de test sur le terrain très longs et de haute qualité.

Mesure sur deux ports (S21 ou mesure de transmission)

• Configuration : Connectez les deux terminaisons du câble au VNA.
• Processus : Un port du VNA envoie un signal balayé le long du câble, tandis que l'autre port mesure la magnitude du signal à son extrémité.
• Avantage : Cette méthode est privilégiée pour les câbles ayant des pertes élevées ou lorsque les deux terminaisons sont accessibles.

Pour des mesures de pertes de câbles sur un port, une source ou un générateur suiveur est utilisé afin d'injecter un signal le long du câble. La fréquence de ce signal est balayée sur une plage définie par l'utilisateur. L’extrémité du câble est ouverte ou court-circuitée. Dans les deux cas, un signal qui atteint l’extrémité du câble sera réfléchi vers le port source.

Sur le port source, la quantité de puissance réfléchie est comparée à la puissance émise connue. Les pertes de câbles en dB représentent l'atténuation totale ou “aller / retour” divisée par deux. Comme mentionné précédemment, la perte totale du câble dépend à la fois de la fréquence du signal et de la longueur du câble.

Avant de commencer la mesure, vous devez configurer le VNA. Cela implique trois principaux groupes de réglages :

• La plage de balayage en fréquence : Il s'agit de la plage de fréquence sur laquelle le générateur suiveur ou le signal de stimulation est balayé. Elle devra couvrir les fréquences pour lesquelles le câble sera utilisé.
• Le nombre de points de mesure sur le span (largeur de représentation) : Augmenter ce nombre fournira plus de détails, mais plus de points de fréquence augmentera également la durée d'un seul balayage.
• Le moyennage de plusieurs balayages : Cela peut être utilisé pour réduire le bruit et obtenir un résultat plus précis, particulièrement pratique pour des câbles à pertes très élevées. Cependant, l'augmentation du nombre de balayages augmentera également la durée totale de la mesure.

Après la configuration, vous pouvez connecter le câble à tester au VNA de deux manières différentes :

• Directement sur le port de l'analyseur
• En utilisant un câble DUT court et stable en phase de haute qualité

Pourquoi voudriez-vous utiliser un câble DUT ? Eh bien, un câble DUT est pratique lorsque le câble à tester possède un connecteur qui est difficile à accéder, comme lorsque l’extrémité du câble se situe dans un boîtier ou qu'elle est reliée à une tour ou un mât. Une autre raison est qu'un câble DUT peut réduire l'usure et le stress mécanique sur le port de l'analyseur. Vous pouvez supprimer l'effet du câble DUT sur les résultats de mesure au cours de la calibration.

La calibration est nécessaire pour des mesures de pertes de câbles précises. Pour ce faire, vous fixez séquentiellement un étalon "ouvert", un étalon "court-circuit" et un étalon adapté (ou charge) au câble à tester. Ces étalons peuvent prendre la forme d'étalons discrets ou peuvent être combinés sur un “té de calibration.” En plus de ces étalons reliés manuellement, des unités de calibration électroniques (autocal) peuvent aussi être utilisées; ces unités commutent leurs étalons internes automatiquement et sont contrôlées par le VNA relié.

La calibration est généralement un processus “de suivi d'instructions” dans lequel le VNA indiquera quels étalons doivent être connectés dans quel ordre et à quel moment. Il s'agit d'un processus rapide (généralement quelques minutes), et les unités de calibration automatiques ont tendance à être plus rapides que l'utilisation d'étalons manuels.

La manière dont vous connectez l'étalon de calibration au VNA dépend de la manière dont vous connecterez le câble à tester au VNA. C'est à dire que, si vous connectez le câble à tester au VNA directement, les étalons de calibration devront également être directement connectés au port. Si vous utilisez un câble DUT, les étalons de calibration devront également être connectés à la terminaison du câble DUT.

Regardons un exemple de résultat de mesure de pertes de câbles sur un port. Dans l'image ci-dessous, vous pouvez voir les pertes du câble en fonction de la fréquence entre 1 GHz et 5 GHz avec l'axe y indiquant les pertes ou l'atténuation en dB. Cette trace est caractéristique de deux choses :

• L'atténuation augmente avec l'augmentation de la fréquence.
• La trace a une pattern ondulée ou “des ondulations” causée par des réflexions.

Vous pouvez quantifier les pertes de câbles en moyennant les valeurs minimum et maximum. Dans cet exemple, la valeur minimum est –1,2 dB et la valeur maximum est –3,5 dB, donc les pertes seraient de –2,35 dB.

Maintenant, parlons des mesures sur deux ports. Les mesures sur deux ports sont privilégiées aux mesures sur un port dans deux cas :

• S'il existe un accès facile aux deux extrémités du câble.
• Si le câble présente des pertes très élevées (au-delà de 20 dB).

Pour la plupart des mesures de câbles sur deux ports, vous pouvez seulement connecter directement le câble à tester aux deux ports de l'analyseur. Si, cependant, des câbles DUT sont utilisés pour connecter le câble à tester à l'analyseur, alors une normalisation devra être effectuée afin de supprimer l'influence des câbles DUT sur la mesure.

Les pertes de câbles dans des mesures sur deux ports dépendent toujours de la fréquence, mais la trace présente moins d'ondulations que dans des mesures sur un port car les deux extrémités du câble sont terminées dans leur impédance caractéristique. Bien qu'il existe de nombreux cas où la fixation des deux extrémités d'un câble au VNA soit peu pratique ou impossible, les mesures des pertes de câbles sur deux ports sont généralement privilégiées au détriment des mesures de pertes de câbles sur un port.