NanoVNA : Calibration indispensable !

Introduction

Un Analyseur de Réseau Vectoriel (VNA) a besoin normalement d’être calibré entre deux mesures. C’est une affirmation que je vais tenter d’éclaircir. Si cette calibration n’est pas réalisée avant chaque nouveau type de mesure,  vous aurez probablement des résultats très éloignés de la réalité.

La deuxième partie de cet article explique, je l’espère clairement, comment procéder à la calibration du NanoVNA. Cette calibration est quelque chose de simple à réaliser et ne nécessite pas de connaissances particulières ou d’instruments autres que ceux qui accompagnent votre NanoVNA.

Dans le cadre d’une mesure à l’aide d’un NanoVNA, chaque élément, câble, connecteur… inséré au bout de son connecteur CH0 (S11) ou entre ses deux connecteurs CH0 et CH1 va avoir une influence sur la mesure. Et pas des moindres. Ceci étant aussi valable pour d’autres modèles de VNA.

Avant d’aller plus loin dans cet l’article, je vais définir rapidement un acronyme qui revient dans l’ensemble des documents que l’on peut trouver çà et là ainsi que dans cet article. Il s’agit de la notion de DUT.

Le DUT signifie Device Under Test ou autrement dit en français : périphérique du test.

On peut parfois trouver aussi l’acronyme EUT pour Equipment Under Test ou aussi UUT pour Unit Under Test. Tous ces acronymes désignent le dipôle, le quadripôle que l’on va mettre en test ou mesurer à l’aide du VNA en fonction d’un spectre de fréquence.

Tout système ou composant d’un système qui sera connecté sur le connecteur CH0 ou entre CH0 et CH1 sera vu comme un DUT par le VNA.

Mais voilà, dans les faits, on est pour x raisons obligé d’ajouter pour réaliser la mesure, des câbles, des connecteurs… pour relier le DUT au VNA. Et ces câbles, connecteurs viennent alors perturber la mesure. Je vais donc les appeler : éléments perturbateurs.

Il existe sur internet et ailleurs des tas de démonstrations mathématiques mettant en œuvre les « Paramètres S » pour expliquer le bien fait de calibrer un VNA. Mon objectif par cet article est de démocratiser au plus grand nombre (mathématicien ou pas) l’usage de cet appareil et non de le rendre peu accessible au plus grand nombre en le noyant dans un usage basé sur des mathématiques.

Pour les plus mathématiciens/scientifiques d’entre nous qui souhaitent comprendre de manière méthodique et/ou quantifié l’intérêt de procéder à la calibration, voici quelques documents relatifs aux Paramètres S puis à la calibration des VNA :

Eléments perturbateurs

Par l’exemple concret de la mesure d’une antenne je vais vous montrer simplement que tout élément connecté dans la chaîne de mesure au VNA vient influencer/perturber la mesure, y compris un câble coaxial, connecteur… car il devient lui aussi un DUT au regard des connecteurs du VNA.

Dans cet exemple, j’utilise une antenne d’un talkie-walkie UHF.

Remarque: Votre antenne sera probablement différente de la mienne donc votre résultat sera donc différent. C’est le déroulé des étapes qui est important comme vous allez pouvoir vous en apercevoir au fur et mesure de la lecture de l’article.

Afin d’argumenter mon discourt sur les éléments perturbateurs, je vais donc prendre l’exemple suivant :

Nous connectons sur CH0 du NanoVNA un câble, par exemple l’un des deux fourni avec le NanoVNA, alors nous obtenons une « jolie » spirale si nous observons le diagramme de Smith. Ce câble est alors considéré par le VNA comme un DUT.

Cable sans calibration

Cette fois-ci toujours sans calibrer le NanoVNA, nous connectons à l’autre extrémité du câble coaxial, une antenne.

Le DUT connecté sur CH0 est donc constitué de l’antenne, du câble coaxial, des connecteurs/adaptateurs des liaisons… donc le diagramme de Smith que nous obtenons correspond à ce DUT qui est en fait une somme de périphérique et non à celui de l’antenne uniquement. Donc à priori notre mesure d’antenne est erronée par la présence du câble coaxial et de ses connecteurs/adaptateurs.

Le diagramme de Smith ci-dessous nous montre le résultat de cette mesure pour laquelle le DUT est constitué du câble coaxial, de ses connecteurs/adaptateurs et de l’antenne.

Smith avec cable sans calibration

Si nous avions mesuré l’antenne et uniquement celle-ci nous aurions obtenu le diagramme de Smith ci-dessous. Dans ce cas, grace à la calibration, l’antenne est donc alors le DUT. Ce qui est bien différent en terme de résultat.

Smith calibré

Donc, je pense que vous venez de réaliser sans difficulté simplement par la différence de la représentation graphique de l’intérêt de réaliser la calibration en prenant les éléments qui doivent pris en compte lors de la calibration afin de les écarter de la mesure en elle-même.

Dans la suite de l’article, nous allons conserver ce même montage : antenne, câble coaxial, connecteurs/adaptateurs et NanoVNA de manière à ce que le NanoVNA prenne en compte dans son processus de calibration le câble coaxial et les connecteurs/adaptateurs qui permettent de le relier au DUT (l’antenne uniquement).

Processus de calibration du NanoVNA

Dans la théorie, vous disposez de tout le nécessaire pour procéder au processus de calibration du NanoVNA. On va utiliser les 3 bouchons de calibration et un des deux câbles coaxiaux livrés avec :

  • Bouchon circuit ouvert, appelé par convention : Open
  • Bouchon de court-circuit, appelé par convention : Short
  • Bouchon avec une résistance de 50 Ohms, appelé par convention : Load

Dans cet exemple, j’ajoute le petit adaptateur femelle/femelle SMA (livré avec le NanoVNA) du fait de la connectique du câble.

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La calibration se décompose en 5 mesures différentes. Il est possible normalement de les réaliser dans n’importe quel ordre. Par simplicité au regard du logiciel firmware du NanoVNA je les déroule dans cet ordre ci :

  • Open : Avec le bouchon Open connecté à CH0 ou au bout d’un câble coaxial s’il n’est pas un élément du DUT. CH1 est non connecté.
  • Short : Avec le bouchon Short connecté à CH0 ou au bout du câble coaxial s’il n’est pas un élément du DUT. CH1 est non connecté.
  • Load : Avec le bouchon Load connecté à CH0 ou au bout du câble coaxial s’il n’est pas un élément du DUT. CH1 est non connecté.
  • Isolation : Les deux connecteurs CHO et CH1 sont non connectés à quoique ce soit. Si le câble coaxial et ses connecteurs/adaptateurs sont nécessaires à la réalisation de la mesure du DUT alors ils doivent être connectés au VNA.
  • Through : On relie alors CH0 et CH1 ensemble via un des 2 câbles coaxial 50 Ohms fourni avec le NanoVNA

Les 5 étapes de calibration par un exemple

Nous allons nous rendre dans le menu « CAL » du NanoVNA pour accéder aux 5 étapes du processus de calibration. Ce même menu peut être atteint via le logiciel PC en cliquant sur le bouton « CALIBRATE ».

Idéalement et surtout ne connaissant le fonctionnement précis du firmware du NanoVNA, il est vivement conseillé de cliquer sur « RESET » qui apparait dans le menu « CAL » précédent puis ensuite on se rend dans le menu « CALIBRATE ». Il s’avère que cette manipulation « RESET » n’est pas accessible quand on passe par le logiciel PC. Ce reset est-il réellement nécessaire, je ne sais pas, ça reste un mystère. Au cas où… je n’ai pas constaté d’écart avec ou sans dans mes tests de calibration.

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Calibration – Etape Open

On connecte le bouchon Open sur le connecteur CH0 du NanoVNA. Le connecteur CH1 est non connecté à quoi que ce soit.

Le bouchon Open étant celui dans lequel il n’y a pas de broche dorée. Sur la photo ci-dessous je l’ai vissé sur l’adaptateur femelle/femelle. Il doit donc vous rester à côté les deux autres bouchons Short et Load.

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Si un câble coaxial et ses connecteurs/adaptateurs sont nécessaires pour réaliser la mesure du DUT, on connectera le bouchon Open à l’une des extrémités du câble et l’autre au connecteur CH0 du NanoVNA.

Puis cliquez sur Open et l’étape Short bascule en vert.

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Calibration – Etape Short

On connecte le bouchon Short sur le connecteur CH0 du NanoVNA. Le connecteur CH1 est non connecté à quoi que ce soit.

Le bouchon Short étant celui dans lequel il y a une broche dorée. Sur la photo ci-dessous je l’ai vissé sur l’adaptateur femelle/femelle. Il doit donc vous rester à côté les deux autres bouchons Open et Load.

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Si un câble coaxial et ses connecteurs/adaptateurs sont nécessaires pour réaliser la mesure du DUT, on connectera le bouchon Short à l’une des extrémités du câble et l’autre au connecteur CH0 du NanoVNA.

Puis cliquez sur Short et l’étape Load bascule en vert.

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Calibration – Etape Load

On connecte le bouchon Load sur le connecteur CH0 du NanoVNA. Le connecteur CH1 est non connecté à quoi que ce soit.

Le bouchon Load étant celui qui a une couleur argentée dans lequel il y a une broche argentée et une matière blanche (téflon probablement) au fond du connecteur. Sur la photo ci-dessous je l’ai vissé sur l’adaptateur femelle/femelle. Il doit donc vous rester à côté les deux autres bouchons Open et Short.

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Si un câble coaxial et ses connecteurs/adaptateurs sont nécessaires pour réaliser la mesure du DUT, on connectera le bouchon Load à l’une des extrémités du câble et l’autre au connecteur CH0 du NanoVNA.

Puis cliquez sur Load et l’étape ISOLN bascule en vert.

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Calibration – Etape Isolation (Isoln)

Le but de cette étape est de mesurer l’isolation entre les 2 points de mesure (CH0 et CH1) du VNA.

Les connecteurs CH0 et CH1 du NanoVNA sont libres de tout bouchon. Rien n’est donc connecté.

Si un câble coaxial et ses connecteurs/adaptateurs sont nécessaires pour réaliser la mesure du DUT, on les installera sur CH0 comme présenté sur la photo ci-dessous.  Par contre aucun bouchon ne sera pas connecté à l’autre extrémité du câble coaxial.

Puis cliquez sur ISOLN et l’étape THRU bascule en vert.

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Calibration – Etape Through (Thru)

Le but de cette étape est de mesurer la liaison entre les 2 points de mesure (CH0 et CH1) du VNA.

On relie alors CH0 et CH1 par un des 2 câble coaxial fourni avec le NanoVNA.

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Si un câble coaxial et ses connecteurs/adaptateurs sont nécessaires pour réaliser la mesure du DUT, il sera donc installé dans la liaison câblée entre CH0 et CH1.

Puis cliquez sur THRU et l’étape DONE bascule en vert.

Sauvegarde de la calibration

La calibration via les 3 bouchons connecté à CH0, l’isolation de CH0 par rapport à CH1 et la liaison de CH0 à CH1 ont été réalisé alors il ne reste plus qu’à cliquer sur « DONE » pour clôturer la calibration et basculer automatiquement dans le menu « SAVE » afin de sauvegarder cette nouvelle configuration du NanoVNA.

De là, si vous n’avez pas modifié précédément la mémoire 0 du NanoVNA autant sauvegarder le résultat de calibration dans « SAVE 0 » en cliquant dessus. La mémoire 0 étant la mémoire par défaut de votre NanoVNA. Les autres mémoires sont plutôt à réserver pour d’autres plages de fréquence que celle par défaut.

Remarque

Idéalement avant de réaliser la calibration, on fixe l’intervalle de fréquence dans lequel celui va être amené à réaliser la mesure. Dans cet exemple, je n’ai pas proposé volontairement de modifier cet intervalle de fréquence afin de ne pas perdre les plus débutants d’entre nous dans l’utilisation de cet appareil de mesure.

Le menu « SAVE » permet de sauvegarder par exemple la calibration en fonction d’un intervalle de fréquence dans l’une ou l’autre des 5 mémoires disponibles.

Je vous invite à consulter le manuel utilisateur du NanoVNA en anglais (ici) ou celui en francais (ici) pour obtenir les informations relatives aux mémoires de sauvegarde du NanoVNA.

Visualiser le résultat de la calibration

Pour s’assurer que tout s’est bien passé, rien de plus simple. Vous connectez le bouchon Open sur votre VNA et vous devez observer le diagramme ci-dessous, c’est à dire le point orange correspondant à S11 doit être complètement à droite.

Open

Puis vous connectez le bouchon Short et alors le point orange (S11) se retrouve complétement à gauche du diagramme de Smith comme ci-après.Short

Puis enfin vous connectez le bouchon Load et le point orange se trouve centré sur la valeur 1 du diagramme de Smith comme montré ci-dessous.Load

Vous pouvez donc maintenant mesurer votre DUT (antenne par exemple) et obtenir des mesures qui sont cohérentes.

Pour éviter tout erreur lors des mesures, on prendra l’habitude de calibrer le NanoVNA à chaque nouvelle utilisation.

7 réflexions sur “NanoVNA : Calibration indispensable !

  1. Bonjour Cher OM.
    Vous avez raison, tout élément nécessaire pour la mesure doit être pris en compte, les OM’s qui pensaient pouvoir observer la courbe de SWR pour leur antenne installée au bout de leurs 15 mètres de coaxial avec une fiche PL est impossible.
    Et sans aller jusqu’à cette extrémité !! l’opération de calibrage est tout de même un peu faussée. Si l’on utilise un morceau de coaxial livré avec le NanoVna et que l’on veut faire une mesure sur une antenne bibande de talky comportant une sma femelle, aucun problème de genre, sauf que pour l’opération de calibration on aura utilisé un raccord femelle- femelle pour connecter les éléments de calibration et le raccord devra être retiré pour la mesure, je vous assure que ça se voit sur l’écran entre le raccord présent ou non. La solution, peut-être d’utiliser un raccord mâle femelle en remplacement du sma-f sma-f.

    73 Qro de F6BXH.

  2. Comment alors calibrer dans le cas d’une antenne verticale au bout du coax? Ce n’est vraiement pas claire pour moi. Le réglage ce fait à la base de l’antenne ou le au bout de la chaine, près du TX?

    1. Bonjour Roland,

      J’ai bien vu votre question.
      Je vous réponds avec un dessin pour éclaircir le mieux possible ce point.
      Cette question est importante et je dois avouer qu’elle revient régulièrement.
      Donc je fais le dessin qui devrait lever les doutes et surtout qui explique ce qu’on mesure en fonction du branchement du VNA. Ca devrait être utile. Et je reviens pour vous donner son lien.

      A très vite
      Patrick

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