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Catégorie : Mesures
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ROSMETRE WATTMETRE AUTOMATIQUE

 

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Rappel fondamental.

 

La décision no 2010-0537 du 4 mai 2010 précisant les conditions techniques d’utilisation des bandes de fréquences aux installations radioélectriques des services d’amateur dit dans son article 4 alinéas b)

 

L’utilisateur d’une installation radioélectrique des services d’amateur doit :

b) Disposer d’une charge non rayonnante, d’un filtre secteur, d’un indicateur de la puissance fournie à l’antenne et du rapport d’ondes stationnaires au moyen duquel les émetteurs doivent être réglés.

 

Mais sans ce rappel au règlement, tout radioamateur sait quel profit il peut tirer de cet accessoire.

Dans la majorité des cas, cet appareil affiche ses précieuses indications sur un microampèremètre.

Mais voila, la mode est au numérique et maintenant, certains appareils du commerce, transceivers ou amplificateurs donnent ces informations directement en valeurs chiffrées. Les lectures de ROS après tarage ou sur aiguilles croisées n’étant pas forcément triviales, une lecture chiffrée directe est bien sur plus rapide.

 

J’ai donc essayé de faire moi aussi mon ROSMETRE à affichage LCD.

J’avais commencé mon schéma quand je suis tombé sur un article de HB9DUL qui avait déjà traité le sujet exactement comme je comptai le faire avec un microcontrôleur PIC.

Il m’a communiqué son code que j’ai adapté et je vous en livre ici les détails avec son autorisation.

L’avantage de l’introduction d’un microcontrôleur dans le ROSMETRE/WATTMETRE, c’est que l’on peur rajouter des fonctionnalités nouvelles comme l’affichage direct en dBm, l’allumage du rétro-éclairage du LCD, la mise en place d’alertes sonores ou visuelles si le ROS dépasse une valeur définie, la mise en sécurité instantanée du PA etc… Fonctions qui ne pourraient pas exister sur un appareil classique.

Un peu de pédagogie pour les non spécialistes.

De quoi est constitué un ROSMETRE ?

De deux parties distinctes, un coupleur directif et un système de calcul et d’affichage du ROS.

Pourquoi le coupleur est-il « directif » ?

Le signal sur la ligne de transmission est un signal complexe qui combine une onde directe venant de l’émetteur et une onde réfléchie venant de l’antenne qui, éventuellement, n’en veut pas et la retourne à l’expéditeur.

Et cette antenne en veut d’autant moins qu’elle est désadaptée, proportionnellement à sa désadaptation.

Si vous mettez une simple boucle couplée sur la ligne vous prélevez bien un signal, mais il est en rapport avec la combinaison des deux ondes directe et réfléchie.

Pour calculer le ROS, il faut mesurer séparément l’onde incidente et l’onde réfléchie.

D’où la notion de « directivité » de notre coupleur qui doit pouvoir faire la différence entre ces deux ondes. Il s’agira donc pour notre coupleur de délivrer deux tensions proportionnelles à ces deux ondes, tensions que l’on va ensuite comparer pour calculer notre ROS.

 

En fonction de la fréquence ou des bandes de fréquences, plusieurs systèmes de coupleurs sont utilisés.

D’une manière générale nous utiliserons les principes de base d’un transformateur avec primaire et secondaire, le primaire étant la ligne de transmission, le secondaire développant une tension induite proportionnelle à la puissance mais malheureusement aussi à la fréquence. C’est pour cela qu’un ROSMETRE pour les bandes décamétrique n’est pas valable en VHF et vice-versa.

Coupleur pour les bandes décamétriques.

Pour les bandes décamétriques j’utilise pour ma part un montage à tore de ferrite qui donne une bonne linéarité de 1.8 à 30 MHz

C’est le montage « Bruene bridge » du nom de Warren Bruene (W0TTK, W5OLY, de la Collins Radio Company) qui a décrit ce montage en 1959.

 protoSWR

 

 

L’amplitude de Vf est proportionnelle à la racine carré de la puissance directe et indépendante de la puissance réfléchie, et l’amplitude de Vr est proportionnelle à la racine carrée de la puissance réfléchie et indépendante de la puissance incidente.

Dans la réalisation pratique, le schéma est celui-ci, un « modified Bruene-bridge ».

 bridge

 

Ce montage est très connu, décrit partout et si vous voulez personnaliser le votre, veuillez vous reporter à l’excellent article de F1FRV publié sur son site internet, vous aurez tous les détails.

Vous y trouverez une feuille de calcul Excel pour déterminer l’exacte configuration de votre coupleur.

Et si la théorie ne vous fait pas peur, visitez les pages sur le sujet de G3YNH.

 

Voici ma réalisation du coupleur décamétrique correspondant au schéma ci-dessus.

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L’équilibrage du pont et donc sa directivité se fait par la capacité ajustable, le coupleur sur LA charge fictive dont il est question dans l’article 4 alinéas b cité plus haut, pour une tension réfléchie nulle.

La capacité de 1.5 pF est réalisée avec un bout de coax téflon semi-rigide.

Le circuit est ensuite monté dans une boîte métallique reliée à l’unité d’affichage par un cordon blindé 3 fils. Ceci permet de placer le coupleur à l’endroit le plus approprié tout en ayant les données affichées sous les yeux. Mais vous pouvez bien sur monter l’ensemble dans le même boîtier.

Coupleur pour les bandes THF.

Pour les VHF et au delà, le montage précédent n’est pas bien adapté et l’on préfère utiliser une structure coaxiale avec deux lignes parallèles couplées dites « pick-up », ou comme dans les Wattmètres Bird  une seule ligne que l’on retourne de 180° pour mesurer le direct ou le réfléchi.

Mais comment assurer dans ce cas la directivité ?

Très simple. On termine la ligne de prélèvement par une charge adaptée à son impédance caractéristique, l’autre coté étant la sortie où l’on fait la mesure. La composante, directe ou réfléchie, qui se trouve induite dans le bon sens sera entièrement dissipée dans la charge et on ne mesurera rien à l’autre extrémité. Par contre l’autre composante se retrouvera entière sur le port de sortie et pourra être ainsi détectée et mesurée.

De la distance de ces lignes pick-up à la ligne principale dépendra la fraction de tension prélevée.

De la bonne adaptation de ces lignes dépendra la directivité et donc la précision des mesures.

Il n’est pas forcement simple de déterminer l’impédance caractéristique de ces lignes de prélèvement.

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Comme vous pouvez le voir sur ce modèle acheté récemment dans une brocante, les deux petites lignes sont montées sur des traversées en téflon. Elles sont tête bèches et terminées par des résistances de 100 Ohms.

Une autre manière de faire ces lignes consiste à glisser deux fils sous la gaine d’un tronçon de câble coaxial

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Sur ce prototype, c’est une résistance terminale de 56 Ohms qui a donné le meilleur résultat de directivité. Il va sans dire que ces résistances doivent être non réactives.

Sur charge fictive, on doit mesurer un réfléchi pratiquement nul. Si ce n’est pas le cas, c’est que la résistance terminale n’est pas adaptée. Eventuellement, rajouter un petit trimer piste carbone de 500 Ohms en parallèle pour ajuster au minimum.

Inverser le coupleur pour le vérifier dans l’autre sens.

La longueur de la ligne détermine ici le couplage et donc la sensibilité de l’appareil.

 

Comme pour le coupleur décamétrique, les deux tensions prélevées seront redressées par diode.

Utiliser de préférence des diodes Shottky de type 1N5711 à faible seuil. Mais des diodes 1N4148 au silicium donnent aussi une très bonne linéarité. Pour améliorer la détection pour les faibles puissances, il est utile de polariser les diodes pour les amener au seuil de conduction.

Ceci peut ce faire par un pont résistif. En fonction des diodes une tension de 0.2 à 0.5 V est nécessaire.

coupleur_vhf

Les ponts R8/R9 et R7/R10 déterminent la tension de polarisation. Celle-ci de doit pas provoquer de tensions mesurables aux points FWD et REF, sur les cathodes des diodes. Les valeurs de R9 et R10 dépendent aussi de la valeur déterminée pour les résistances terminales.

L’unité d’affichage.

C’est là que se trouve l’originalité de notre ROS/WATTMETRE.

Le coupleur choisi, en fonction de ses caractéristiques, délivre deux tensions proportionnelles aux puissances incidente et réfléchie.

En fonction du couplage et de la puissance maximum de service, nous essayerons d’avoir une tension entre 0 et au minimum 5 Volts.

Si cette tension maxi n’est pas obtenue, c’est que le couplage à la ligne est trop faible.

Le schéma de cette unité est décrit ci-dessous.

 

schema

 

Les deux tensions, directe et réfléchie, sont ramenées par deux potentiomètres dans la plage 0 à 5V pour la puissance maximum utilisée. Dans le cas du coupleur Bruene-bridge, les courants délivrés sont faibles et une valeur de 1 MOhms est nécessaire. Pour d’autres types de coupleurs, des potentiomètres entre 10 et 100 K peuvent faire l’affaire. Vérifier simplement que la tension détectée à vide ne chute pas trop lors du raccordement.

Le schéma est très classique : il est basé sur un PIC16F87x et un affichage LCD. R6 règle le contraste, Q1 allume le retro-éclairage seulement quand on passe en transmission (on mesure une puissance plus grande que zéro). Un éclairage résiduel peut être introduit par R2. L’horloge du µprocesseur est générée par le quartz Y1 à 20MHz. Quatre cavaliers (SW2) permettent de choisir la pleine échelle souhaitée entre 1W et 5kW en fonction du coupleur directionnel qu’on a à disposition. L’interrupteur SW1 permet de choisir entre W ou dBm (dans ce dernier cas, à la place du ROS (SWR ou Standing Wave Ratio), c’est le « return loss » en dB qui est affiché). U1 s’occupe de fournir la tension de 5V nécessaire au PIC et à l’affichage et D1 protège le tout contre les inversions de polarité. Les filtres LC L1, L2 évitent que de la RF puisse aller perturber le PIC, mais je pense qu’ils ne sont pas vraiment nécessaires et qu’on peut s’en passer si le coupleur est bien blindé.

 

Les deux tensions analogiques sont converties en deux valeurs numériques sur 10 bits soit de 0 à 1023.

La résolution est donc de 4.9mV et rend superflu tout changement d’échelle. La valeur lue est ensuite élevée au carré pour en déduire la puissance (car P = U2/R). Pour calculer le SWR il faut d’abord calculer le coefficient de réflexion « Γ » et ensuite on calcule le rapport d’ondes stationnaires « S »

formule

Pour les puissances en dBm il n’y a plus qu’à calculer LP = 10 log10 (P/1mW) et le « return loss » n’est rien d’autre que RL = LPref - LPfwd.

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De plus, le SWR est aussi affiché par un « bar-graph » pour une lecture plus intuitive (lors du réglage d’une boîte d’accord, par exemple), car la lecture directe sous forme de chiffres nous informe mal sur la tendance (hausse ou baisse) de la mesure.

 

Cet afficheur peut s’utiliser avec des tas de ROSMETRE du commerce dont le microampèremètre est HS ou à qui l’on souhaite remettre au gout du jour.

La précision des mesures dépend de la linéarité du coupleur, le microprocesseur d’affichage ne fait que le calcul mathématique de la formule du ROS en fonction des tensions qui lui sont données à mesurer.

La diode LED D2 s’allume pour un ROS > 2.

Pour un développement futur, j’ai prévu un transistor SCR Q3 qui est serait commandé pour un ROS > 3. Le code correspondant est à écrire.

Il a la propriété de rester saturé même après la disparition de la commande. Il permet donc de mémoriser l’anomalie pour passer un amplificateur en sécurité par exemple.

Il ne se re-bloquera qu’en mettant l’anode en court-circuit par un poussoir momentané, libérant ainsi le dispositif de sécurité qui lui est raccordé.

pcb

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Le firmware du PIC est écrit en langage C. HB9DUL m’a donné son code source que j’ai adapté à mon environnement de compilation (PCW de CCS). J’y ai apporté des modifications mineures, le cœur du programme et le mérite sont à porter à son crédit.

 

Calibration

En appliquant la tension 5 Volts du régulateur sur les entrées Direct et Réfléchi, vous pouvez tester la capacité de l’unité d’affichage à respecter les formules théoriques du calcul du ROS.

Choisissez à l’aide des interrupteurs SW2 la gamme de puissance utilisée en fonction des caractéristiques de votre coupleur, de 1W à 5 KW pleine échelle. Ensuite, raccorder le coupleur et procéder à la calibration de la voie directe sur charge fictive avec un wattmètre de référence.

Inverser le coupleur pour calibrer la partie réfléchie à la même valeur.

Pour parfaire la calibration, pensez que si vous doublez la tension détectée mesurée au multimètre, c’est que la puissance elle à quadruplée.

Les tensions appliquées sur les entrées de mesure analogique du PIC ne doivent pas excéder 5V. Les potentiomètres de réglage sont là pour ça. Faire attention à la puissance maximum.

 

F1TE

 

 

 

 

Bibliographie :

Iacopo Giangrandi HB9DUL

http://www.giangrandi.ch/electronics/articles/SWRdisplay.pdf

Dominique DELERABLEE F1FRV

http://f1frv.free.fr/main3h_SWR_Bridges.html

David Knight G3YHN

http://www.g3ynh.info/zdocs/bridges/reflectom/part1.html