Le NanoVNA : comment ça marche ?

Mais tout d'abord, c'est quoi ce bidule ?

Le nanoVNA est un Analyseur de réseau Vectoriel dont la construction est basée sur une étude du japonnais edy555. Tapez "eddy555" sur Twitter et vous tomberez sur sa page. Vous y trouverez nombre d'informations très intéressantes à propos du NanoVNA.

Cet outil de mesure peut fonctionner seul ou couplé à votre PC avec un firmware que vous pouvez trouver ici et même avec une WebApp sur téléphone mobile (Androïd) que vous trouverez ici.

Le principal défaut de cet appareil est très certainement la petitesse de son écran de 2,8 pouces. Il faut de bons yeux ou de bonnes lunettes, c'est selon. Heureusement, en le connectant à un ordinateur ou à un smartphone, la lecture des mesures réalisées est largement plus aisée grâce à un affichage plus confortable.

La gamme de fréquence utilisables va de 50kHz à 900 MHz !

Plutôt pas mal pour ce machin à tout petit prix ! Il est important de préciser qu'il n'y a qu'entre 50kHz et 300 MHz que les mesures sont directement éffectuées. Sur les fréquences plus hautes le NanoVNA restitue les mesures via un système de FI (Fréquence Intermédiaire) utilisant les harmoniques présentes dans le signal de sortie du Si5351. C'est ce qui explique entre autre que la dynamique de cet appareil diminue au fur et à mesure que les fréquences mises en jeu augmentent. C'est la baisse des harmoniques avec leur rang et la dynamique des mélangeurs qui s'éffondre en montant en fréquence, qui génèrent cette perte de sensibilité.

- La gamme de fréquences 50KHz à 300MHz en sortie directe offre une dynamique supérieure à 70dB.
- La gamme de fréquences étendue de 300MHz à 600MHz fournit une dynamique supérieure à 50dB.
- La gamme 600MHz à 900MHz a une dynamique de plus 40dB.

Une dynamique où sensibilité si vous préférez, comprise entre 40 et 70 dB, ce n'est pas génial si l'on fait des mesures de filtre à quartz. Si on veut mesurer des quartz, c'est encore plus compliqué à cause du pas de 100Hz imposé par l'outil. C'est là que l'on rencontre les vraies limites de ce petit VNA, le manque de définition ou nombre de points, se fait sentir pour ce type d'utilisation. Quoiqu'il en soit, c'est tout à fait suffisant si on uttilise cet appareil comme analyseur d'antennes.
Force est de constater que la plupart des personnes qui achètent un NanoVNA, l'utilisent principalement dans ce but précis. Nous allons donc étudier ici le NanoVNA comme analyseur d'antennes.

Approximativement 40 euros port compris, même pour un appareil qui ne ferait qu'analyseur d'antenne, c'est vraiement peu mais nous avons déjà suffisamment de recul pour savoir que le NanoVNA fait le job. Il faut tout de même prendre garde lors de votre achat à certains éléments. Il y a de nombreux clones de ce petit outils de mesure et certains sont de très mauvaises qualités où incomplets. Veillez à ce que votre NanoVNA, soit vendu avec tous ses câbles, soit équipé de sa batterie rechargeable de 5V et surtout, que les chields de protections des circuits de mesures soient bien présents.
Celui que j'ai commandé propose en plus de ce que l'on trouve dans le package habituel, un câble pour le relier à un smartphone afin de pouvoir l'utiliser avec la WebApp. Comble du luxe, il est assemblé dans un boitier de protection en plastic qui permettra de l'utiliser dehors sans craindre que de l'eau ne coule à l'intérieur.

Vérifier la présence de  la batterie et des shields

Je ne parlerai pas ici des logiciels, assez complets, qui peuvent être utilisés avec le nanoVNA, mais simplement de la mise en route, de la navigation, de l'étalonnage et enfin nous mettrons en pratique pour réaliser quelques mesures d'antennes.
L'interprétation de l'abaque de Smith, ou l'utilisation à d'autres fins que la mesure d'antennes feront l'objet d'autres vidéos (quartz, filtres, etc...). Ce tutoriel est conçu pour vous permettre d'être rapidement opérationnel pour réaliser et mettre au point vos aériens.

Rentrons maintenant dans le vif du sujet

Mon NanoVNA a été commandé chez "ALi..." et m'a coûté 36 euros port compris. Les prix de cet article bougent constament. Il faut donc le suivre pendant quelques jours pour pouvoir profiter des promotions qui sont régulièrement proposées. C'est ici. Je l'ai reçu dans une belle et solide boîte cartonnée, emballée dans du papier bulle. Le matériel était bien protégé, est arrivé sans aucun dommages et le package conforme aux photos et informations trouvées sur le site du vendeur.

Que trouve-t-on dans le package ?

- 1 NanoVNA
- 2 câbles SMA/SMA mâles
- 1 câble USB/MiniUSB pour connecter votre matériel à un ordinateur
- 1 Câble MiniUSB/MiniUSB pour le connecter sur un smartphone
- 3 bouchon SMA d'étalonnage (circuit ouvert, court-circuit et charge non rayonnante de 50 ohms)
- 1 raccord SMA femelle/SMA femelle
- l'oganigramme des menus du nanoVNA sur un dépliant papier.

Le package complet du  NanoVNA

Le port MiniUSB qui se trouve sur le NanoVNA sert à recharger la batterie ou à alimenter votre NanoVNA avec un tension de +5V via le port USB de votre ordinateur par exemple.
Il ya également un indicateur de charge. Quand la batterie est en charge, le voyant clignote en bleu. Il indique que la batterie est en charge. L’arrêt du clignotement et donc l’éclairage constant du voyant, indique que la batterie est complètement chargée. Le temps de rechagre de cet appareil est d'environ une heure, ce qui est relativement peu.

Il faut utiliser l'intérupteur on/off pour mettre l'appareil sous tension. Quand vous le recevez, la batterie est chargée, vous pouvez donc l'allumer et l'utiliser immédiatement.

Pour naviguer, vous pouvez déplacer le curseur de repère et utiliser les menus avec le commutateur multifonction, ou directement via l'écran tactile avec un stilet (c'est plus précis que vos doigts sur un si petit écran).

Il y a 2 cannaux, dont un pour mesurer la rélfexion (le canal "0") et un pour mesurer la transmission (le canal "1"). Pour les mesures d'antennes, nous utiliserons simplement le canal "0" puisque nous sommes intéressés par la réflexion et plus précisément, le retour d'ondes stationnaires.

Présentation du  NanoVNA

Paramètrages personnalisés 

MENUS [STIMULUS > Start et STOP]
Pour commencer, il faut régler la plage de fréquences sur laquelle nous désirons travailler. Nous définissons la fréquence de départ et la fréquence d'arrêt.
Pour ce faire, dans le menu racine, sélectionner "STIMULUS" puis sélectionner "Start". Un clavier virtuel s'affiche à l'écran. Entrez votre fréquence de départ (exemple 100M pour 100MHz). Ensuite, sélectionner "Stop" et renseigner votre fréqnence d'arrêt de la même manière que vous l'avez fait pour la fréquence d'entrée. La fréquence de départ s'affiche en bas à gauche de l'écran et la fréquence d'arrêt, en bas à droite.

Paramètrage des  fréquences start et stop

MENUS [DYSPLAY > Trace > TRACE 0]
Pour réaliser des mesures sur des aériens, nous n'avons pas besoin de toutes les courbes fournies d'office par la NanoVNA. La courbe servant à mesurer la réflexion nous suffit. Nous allons donc garder la première courbe.
Pour commencer, il faut sélectionner "Display" dans le menu racine puis dans le premier sous-menu, sélectionner "Trace".
Dans le sous-menu suivant, Nous choississons la trace "0" qui est en jaune pour les mesures de reflexion (SWR). Par défaut toutes les courbes sont sélectionnées.
Il faut donc déselectionner les courbes que l'on ne veux pas conserver. Ici, on désactive les traces 1,2 et 3 pour ne garder que la trace "0".

On ne garde  que la "TRACE 0"

MENUS [CAL > calibrate > OPEN, SHORT, LOAD, ISOLN, THRU, DONE > SAVE0]
L'étape importante pour pouvoir passer aux mesures est le calibrage du NanoVNA. Si cette étalonnage n’est pas réalisé avant chaque nouveau type de mesure,  vous aurez des résultats très éloignés de la réalité. Chaque élément, câble, connecteur… inséré sur le connecteur SMA FEMELLE "CH0" (S11) ou entre ses deux connecteurs SMA FEMELLES "CH0" et "CH1" va avoir une influence sur la mesure.

Avant d'aller plus loin, il faut aussi parler du DUT. Le DUT signifie Device Under Test (en français : EST comme Equipement sous test). Cet acronyme désigne le dipôle ou le quadripôle que l'on va mesurer avec le VNA dans une plage de fréquence donnée. Vous l'avez compris, pour nous il s'agira essentiellement de l'antenne (mais pas que, vous verrez...). 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. Tout élément connecté dans la chaîne de mesure au VNA vient influencer la mesure, y compris un câble coaxial, connecteur… car il devient lui aussi un DUT au regard des connecteurs du VNA.

Réalisation d'un calibrage à blanc
Sélectionner "CAL" dans le menu racine puis "CALIBRATE" dans le premier sous-menu. Dans le sous-menu suivant, vous avez les menu à sélectionner les uns après les autres pour calibrer le NanoVNA. Nous pouvons commencer l'étalonnage.

Pour commencer, visser les uns à la suite des autres les 3 bouchons sur le canal 0.
1 - Visser le bouchon "circuit ouvert" puis sélectionner "OPEN". "OPEN" s'affiche en gras et le menu juste en dessous (SHORT) devient vert.
2 - Visser le bouchon "court-circuit" puis sélectioner "SHORT". "SHORT" s'affiche en gras et le menu juste en dessous (LOAD) s'affiche en vert.
3 - Visser la charge de 50 ohms puis sélectionner "LOAD". "LOAD" s'affiche en gras et le menu du dessous (ISOLN) s'affiche en vert.
4 - Brancher un câble SMA MÂLE/SMA MÂLE sur le canal 0 et sélectionner "ISOLN". "ISOLN" s'affiche en gras et le menu du dessous (THRU) passe au vert.
5 - Brancher l'autre bout du câble SMA MÂLE/SMA MÂLE sur le canal 1 et sélectionner "THRU". "THRU" s'affiche en gras et le menu du dessous (DONE) passe au vert.
6 - Sélectionner "DONE" puis sélectionner "SAVE 0". votre étalonnage est terminé et est enregistré dans le profil "SAVE 0" que vous pourrez rappeler à tout moment.

L'étalonnage du NanoVNA est terminé et cela aura pris moins d'une minute.

Les étapes de  calibrage du NanoVNA

*Biensûr, en procédant de cette façon pour le calibrage, il est entendu que le DUT à mesurer devra directement être connecter sur la prise SMA femelle du VNA. Dans la pratique, ce ne sera pas souvent le cas et nous allons voir ça immédiatement en mesurant une antenne.

Comment passer à la mesure d'une antenne ? 

Comme cela a déjà été dit, nous devons réaliser un nouveau calibrage avant chaque type de mesure. Cependant attention, pour enregistrer un nouvel étalonnage sur le même profil "SAVE 0" (déjà utilisé lors du calibrage précédent), il faudra au préalable sélectionner "RESET" pour éffacer les anciennes données. Si vous tentez d'enregistrer de nouvelles données d'étalonnage sur cet emplacement, sans avoir fait un "RESET" avant, les mesures que vous ferez par la suite seront erronées.
Vous pouvez aussi les enregistrer sur un autre profil comme "SAVE 1" par exemple. Personnellement, j'utilise les différents profils en fonction des plages de fréquences sur lesquelles je désire travailler (un profil HF, un profil VHF, un profil UHF, etc...).

Pour commencer, brancher l'antenne que vous désirez mesurer sur le port "0". Pour information, quand vous utilisez l'affichage par défaut, avec la grille proposée, une division = 1 de rapport d'ondes stationnaires.

Alte-là !

Mais pourquoi alte-là ? Et bien parceque si vous procédez comme indiqué ci-avant, il y a de fortes chances pour que vos mesures soient faussées.

Mais alors comment faire ?
La première question à laquelle il faut répondre est : Qu'est-ce que je veux mesurer ? Pour l'exemple je vais mesurer l'antenne de mon pocket VHF/UHF GT-3TP de chez Baofeng. La connectique de cette antenne est une prise SMA femelle. La connectique du canal "CH0" sur le VNA est aussi une prise SMA femelle. Il n'est donc pas possible de brancher directement l'antenne sur le NanoVNA. Je vais devoir utiliser un des 2 câbles SMA mâle/SMA mâle fourni avec le NanoVNA, pour pouvoir raccorder l'antenne au VNA.
Comme expliqué plus haut dans cet article, tout élément connecté dans la chaîne de mesure au VNA vient influencer la mesure. Ici nous avons le câble SMA mâle/SMA mâle qui va influencer notre mesure. Le calibrage ne devra donc pas se faire directement au bout du conecteur de "CH0", mais bien au bout du câble qui a été rajouté. Mais il va encore falloire rajouter un adaptateur au bout du câble pour pouvoir y connecter les 3 bouchons de calibrage. Il s'agit de l'adaptateur SMA femelle/SMA femelle. C'est sur cet adaptateur que nous insérerons les bouchons de calibrage.

La chaîne de  calibrage du NanoVNA

Ensuite, il suffit de procéder comme pour un calibrage à blanc. Sur l'adaptateur SMA femelle/SMA femelle qui se trouve au bout du câble SMA mâle/SMA mâle, lui même branché sur le connecteur SMA femelle du VNA, j'insère mon bouchon de circuit ouvert, puis le bouchon de circuit fermé, puis la charge de 50 Ohms. A partir de l'étape concernant l'isolation de "CH0" et "CH1", je retire l'adaptateur SMA femelle/SMA femelle du bout du câble et je sélectionne "ISOLN", puis je connecte le bout du câble sur le canal "CH1", je sélectionne "THRU", puis "DONE", puis "SAVE 0". Et voilà le tour est joué, tous les éléments composant la chaîne de mesure ont été intégrés lors de l'étalonnage. Désormais, seule l'antenne du pocket (considérée comme le DUT) sera prise en compte pour la mesure.

L'abaque de Smith

[DYSPLAY] > [FORMAT] > [SMITH]
Ben alors, il avait dit qu'il n'en parlait pas !
Et bien si, nous allons en parler quand même un peu, mais juste un peu.
Il va nous servir à vérifier que notre étalonnage est correct.
Pour afficher l'abaque de Smith, sélectionner "DYSPLAY" dans le menu racine puis "FORMAT" dans le premier sous-menu et enfin "SMITH" dans le sous-menu suivant. Cela a pour effet d'afficher le diagramme de Smith à la place de la grille du SWR.
- Connecter le circuit ouvert sur "CH0". Vous allez obtenir un petit point + le curseur du VNA, complètement sur la droite du diagramme.
- Connecter le bouchon de court-circuit sur "CH0". Vous allez obtenir un petit point + le curseur, complètement sur la gauche du diagramme.
- Connecter la charge de 50 ohms sur "CH0". Vous allez obtenir un petit point + le curseur, au centre du diagramme.

Vérification de l'étalonnage  sur l'abaque de Smith 

Si vous obtenez ce résultat, c'est que votre étalonnage est parfait, vous pouvez passer aux mesures. Si à la place des points, vous obtenez des débuts de courbes, c'est que votre étalonnage n'est pas bon il va falloire le refaire.
Comme vous le voyez, c'était un passage plus que succint sur l'abaque de Smith mais il le fallait, pour votre bien...

Maintenant mesurons le SWR

Il suffit de brancher l'antenne bibande du pocket au bout du câble coaxial. Une fois que c'est fait, sur le NanoVNA, sélectionner "DISPLAY" dans le menu racine puis "Format" dans le sous-menu. Dans les sous-menu de "FORMAT", il faut choisir le menu "SWR". Ensuite déplacer l'indicateur de mesure (ou curseur) sur la courbe, pour pouvoir lire la valeur du SWR à l'endroit qui vous intéresse. C'est à dire, soit sur la fréquence pour laquelle vous voulez que votre antenne rayonne, soit sur la fréquence pour laquelle la courbe indique le SWR le plus bas, afin de voir si votre antenne est bien dans les attendus. La valeur du SWR s'affiche en haut sur la partie gauche de l'écran. Ces résultats vous permettrons de voir si vous devez augmenter ou diminuer la taille de votre aérien par exemple.

Mesure sommaire  d'une antenne de pocket VHF/UHF 

Mesurons aussi la resistance

Sélectionner "DISPLAY" dans le menu racine puis "Format" dans le sous-menu. Dans les sous-menu de "FORMAT", il faut choisir le menu "MORE" puis le sous-menu "RESISTANCE". La valeur du SWR est alors remplacée par la valeur en Ohm de l'impédance de votre antenne. Cette mesure vous permet de savoir si votre antenne est adaptée ou pas.

Avec ces 2 mesures, vous êtes capable de contrôler vos antennes afin de voir si elles fonctionnent correctement mais vous pouvez aussi mesurer les antennes que vous construisez vous même afin de les optimiser au mieux. Il serait intéressant de se servir de l'abaque de Smith pour voir si la désadaptation de l'antenne est de type capacitif ou resistif par exemple. Il faudrait pour cela expliquer comment fonctionne l'abaque de Smith et cela fait beaucoup pour un premier tuto. Pour les plus curieux, je vous invite à visionner cette vidéo qui vous explique le fonctionnement de cet abaque. En ce qui me concerne, cela fera probablement le sujet d'un futur tuto.

Je vous souhaite de belles réalisations d'aériens...

Voici quelques liens utiles

- Mode d'emploi du NanoVNA en français ici.

- Google drive de l'auteur du clone Chinois ici, pour télécharger le logiciel par exemple. on y trouve plein de choses intéressantes ( docs, firmware, software, mode d'emplois).

- Un forum de discution sur le NanoVNA, c'est ici.

de F4HTZ