25 Mai 2012  |  Technique de mesure
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 05/2012

L’analyse de réseau au bout des doigts – en développement et production de haut niveau

Thilo Bednorz

Plus de 60 ans d’expérience dans l’analyse de réseau vectoriel et le souci permanent de concevoir des instruments de mesure révolutionnaires et faciles à utiliser ont constitué le fondement du développement de ces nouveaux analyseurs de réseau. Résultat: des appareils dotés d’excellentes caractéristiques techniques et d’une stabilité à long terme exceptionnelle en termes de convivialité.
 
Avec les deux nouveaux analyseurs de réseau R&S®ZNC et R&S®ZNB, Rohde&Schwarz s’est fixé pour objectif de répondre aux exigences croissantes en matière de développement, de production et de services dans l’industrie des communications et des équipements électroniques. Car l’utilisation de technologies RF (radiofréquence) de plus en plus sophistiquées dans les produits destinés au grand public entraîne également une augmentation des exigences en matière d’analyseurs de réseau, lesquels doivent caractériser leurs composants et leurs modules. Les modèles R&S®ZNC et R&S®ZNB ont donc été développés sur des bases entièrement nouvelles, de sorte qu’ils maîtrisent les exigences de production de masse de composants de pointe, tout en étant d’une utilisation parfaitement polyvalente en laboratoire de R&D.
 

Figure 1. Les analyseurs de réseau R&S®ZNB8 (en haut) et R&S®ZVL (en bas) utilisés en production.
 
L’analyseur de réseau R&S®ZNC est avantageux en terme de coût, particulièrement pour la réalisation de mesures de paramètres S en développement et en production sur des composants passifs, tels que filtres, antennes et câbles. L’appareil à deux ports doté d’une gamme de fréquence de 9 kHz à 3 GHz, dispose d’une dynamique de 130 dB, d’un faible bruit de trace de 0,004 dB RMS (à 10 kHz de bande passante de mesure), de bandes passantes jusqu’à 300 kHz et d’un niveau de sortie atteignant 10 dBm.
Le modèle R&S®ZNB (fig. 1 et 2) dispose d’une plage dynamique plus élevée (jusqu’à 140 dB à 10 Hz de bande passante de mesure), de bandes passantes de mesure atteignant 10 MHz et d’une puissance de sortie jusqu’à +13 dBm, variable par voie électronique sur une plage de 95 dB. Les récepteurs sont dotés d’atténuateurs électroniques pour des niveaux d’entrée jusqu’à +27 dBm. Pour les applications complexes, le modèle R&S®ZNB produit plus de 100 traces avec un maximum de 100’000 points. Il combine haute précision et un temps de balayage court de 4 ms à 401 points. Cet analyseur peut être livré sous forme d’appareil à deux ou quatre ports avec une gamme de fréquence de 9 kHz à 4,5 GHz ou 8,5 GHz. Il est utilisé en développement et en production de composants complexes à deux ou plusieurs ports, par exemple pour des tests sur filtres duplex à haute réjection pour des stations de base et sur composants pour téléphones mobiles, comme les filtres à ondes de surface symétriques, ainsi que dans la caractérisation d’amplificateurs.
La stabilité à long terme et en température des deux appareils garanti des mesures quotidiennes fiables, sans nécessité de recalibrage. Ils sont dotés de la même interface utilisateur innovante et de jeux de commandes à distance identiques. Ils sont ainsi aisément interchangeables, par exemple, en production selon les exigences de l’objet testé.
La faible profondeur de ces appareils compacts permet à l’utilisateur de bénéficier d’un espace important pour ses applications de mesure. Leur faible consommation d’énergie et leur concept de refroidissement astucieux font qu’ils sont très silencieux - ce qui représente un avantage significatif aussi bien dans un environnement de production déjà bruyant que sur le poste de travail de l’ingénieur R&D - sans oublier la faible consommation d’énergie qui permet de réduire les coûts d’exploitation et de protéger l’environnement.

Trois étapes suffisent pour obtenir les résultats de mesure
Travailler avec l’écran tactile de 30 cm (12,1») et le concept intelligent de l’interface utilisateur de ces deux analyseurs de réseau est aisé: la configuration, la mesure et l’analyse deviennent presque un jeu d’enfant. Etant donné que toutes les fonctions de base et celles fréquemment utilisées sont accessibles par l’intermédiaire des touches et que de nombreuses fonctions d’entrée sont disponibles via des éléments de commande contextuels sur l’écran tactile (fig. 2), les sous-menus ou menus latéraux ne sont plus nécessaires. Traiter les courbes et diagrammes de mesure, mettre en place les marqueurs pour l’analyse et améliorer la perception des détails avec la fonction de zoom – est facile en effleurant l’écran tactile lumineux.
 

Figure 2. Mesurer et analyser devient presque un plaisir. Les fonctions de base essentielles peuvent être activées par des touches “hardkeys“, tout le reste est configuré sur l’écran tactile de 30 cm (12,1»). Les sous-menus ou menus latéraux ne sont plus nécessaires.
 
Les menus latéraux et les sous-menus jusqu’à présent habituels dans les appareils de mesure n’existent plus. Outre les touches «hardkeys» et «softkeys», les analyseurs R&S®ZNB et R&S®ZNC utilisent un nouvel élément de commande, le «Softpanel» qui non seulement indique les éléments judicieux permettant de réaliser une mesure, mais gère également toutes les fonctions de l’appareil avec un maximum de trois pressions de touche. Les utilisateurs gauchers salueront le fait que le «Softpanel» peut être placé à gauche de l’appareil et les débutants en analyse de réseau apprécieront sa convivialité, car un simple effleurage de l’écran permet de décaler les traces de mesure entre les diagrammes, de positionner les marqueurs sur les traces, de déplacer les lignes de référence sur l’échelle ou de modifier les paramètres de mesure via le menu contextuel à l’endroit de leur affichage.
Les tâches de mesure, comme la caractérisation d’amplificateurs et de modules RF, qui nécessitent de nombreux paramètres d’analyse, peuvent être réparties entre plusieurs configurations (Setups) claires avec quelques courbes. Toutes ces configurations sont disponibles par une simple pression digitale. Ce concept accessible et convivial est destiné non seulement aux utilisateurs inexpérimentés ou épisodiques, mais également aux utilisateurs avertis.
Les analyseurs R&S®ZNB et R&S®ZNC laissent toute latitude dans la présentation des résultats. L’affectation des courbes de mesure aux diagrammes et voies de mesure (Channel) est librement configurable et peut être modifiée à tout moment, même pendant la mesure. Pour maximiser la zone d’affichage, comme cela s’avère judicieux, par exemple, lors de travaux d’alignement manuels, le «Softpanel» est tout simplement occulté et la totalité de l’écran se trouve ainsi libéré pour l’affichage des résultats de mesure (fig. 3).
 

Figure 3. Lorsque le Softpanel est occulté, il reste un grand espace pour l’affichage des résultats de mesure.
 
Les fonctions d’évaluation «taillées sur mesure» permettent de saisir rapidement les paramètres importants:
- dix marqueurs par trace;
- mesure de bande passante automatique;
- vérification de gabarit et d’ondulation avec sanction bon-mauvais;
- fonctions statistiques d’évaluation de courbes, telles que MAX, MIN, RMS, crête-à-crête ou point de compression;
- éditeur de formules pour le traitement mathématique complexe de traces en temps réel (fig. 4).
 

Figure 4. Editeur de formules pour mathématiques de trace.
 
A l’instar des analyseurs de la famille R&S®ZVB et R&S®ZVA, les modèles R&S®ZNB et R&S®ZNC disposent d’une fonction Undo/Redo, (annuler/restaurer) permettant d’annuler plusieurs opérations et d’éviter ainsi des erreurs d’utilisation.
Parce qu’il est plus facile de résoudre les problèmes complexes dans sa langue maternelle, les analyseurs de réseau parlent la langue de l’utilisateur. Les versions en anglais, en chinois, en français et en russe sont déjà disponibles, d’autres suivront (fig. 5)
 

Figure 5. Etant donné que les tâches complexes peuvent être effectuées beaucoup plus facilement dans la langue maternelle, les nouveaux analyseurs de réseau parlent la langue de leurs utilisateurs: à gauche, le choix de langue sur le modèle R&S®ZNB et à côté, les menus en russe et en chinois.
 
Rapide, précis et stable à long terme
Souvent, en production, les utilisateurs doivent choisir entre rapidité et précision: soit on mesure avec des bandes passantes FI réduites pour éviter les erreurs dues au bruit et on a par conséquent besoin de plus de temps, soit on utilise des bandes passantes FI larges pour bénéficier d’une vitesse de balayage maximale de l’appareil et on accepte alors des erreurs de mesure plus importantes. Ces questions ne se posent plus avec l’analyseur R&S®ZNB qui fournit à la fois un synthétiseur rapide, une sensibilité élevée et une grande dynamique.

Dynamique élevée pour temps de mesure courts en cas de forte atténuation
La vitesse lors des mesures, par exemple, dans la zone de réjection d’un filtre duplexeur de station de base, est déterminée par la dynamique requise et donc par la bande passante de mesure nécessaire. Si l’on réduit la bande passante d’un facteur 10, la dynamique augmente de 10 dB. Le temps de mesure par point correspond, pour des bandes passantes réduites, à environ un par bande passante de mesure. Par conséquent, plus la bande passante de mesure est grande, plus le temps de mesure qui en résulte est court. Une dynamique plus élevée de 10 dB permet donc d’obtenir une vitesse de mesure dix fois plus grande. L’analyseur R&S®ZNB atteint une dynamique max. de 140 dB pour une bande passante de mesure de 10 Hz (130 dB pour le R&S®ZNC). Le temps de mesure par point pour une dynamique de 120 dB est ainsi de seulement 1 ms (1 ms à 110 dB pour le R&S®ZNC). Outre une grande vitesse de mesure, il offre un rapport signal/bruit suffisant pour une précision de mesure élevée (fig. 6).
 

Figure 6. Mesure de filtre avec une bande passante de mesure de 10 Hz.
 
Synthétiseur rapide pour mesures en cas de faible atténuation
Dans la bande passante d’un filtre duplexeur de station de base, c’est à dire à affaiblissement réduit, la mesure peut être réalisée avec la bande passante maximale. Le temps de mesure obtenu n’est alors pas déterminé par la bande passante de mesure mais, par la vitesse du synthétiseur. Avec une bande passante de 1 MHz, l’analyseur R&S®ZNB ne requiert que 4 ms pour un balayage de 401 points. (11 ms pour 401 points et bande passante de mesure de 300 kHz pour le R&S®ZNC). L’erreur qui en résulte est quasiment négligeable en raison du faible bruit de trace (fig. 7).
 

Figure 7. Bruit de trace avec une bande passante de mesure de 10 kHz.

Temps de transfert de données courts via les bus CEI et LAN
Le concept matériel des analyseurs de réseau R&S®ZNB et R&S®ZNC permet de transférer à un ordinateur les données de mesure d’un balayage pendant le balayage suivant, via les bus CEI ou LAN. Cela fait gagner beaucoup de temps, car les temps de lecture deviennent de ce fait quasiment négligeables. Des réductions de temps supplémentaires dans des séquences de test automatisées peuvent être obtenues grâce aux «Channel bits» du modèle R&S®ZNB, lesquels sont produits via une interface numérique située sur le panneau arrière de l’appareil et utilisés pour synchroniser l’objet testé avec les séquences de mesure de l’analyseur de réseau.

Commutation rapide entre les configurations d’appareil
Pour réaliser des mesures complexes sur des objets testés avec différentes configurations de l’appareil, les modèles R&S®ZNB et R&S®ZNC ne sont pas contraints de charger chaque fois les différents paramètres sur le disque dur. En effet, une fois lues sur le disque dur, ces données sont stockées dans la mémoire de l’analyseur de réseau, avec les données calculées pour le processus de mesure. Cela permet de réduire le temps de commutation, notamment en présence de nombreux points de mesure. Les diverses configurations d’appareil sont activées en quelques millisecondes via la commande à distance, c’est-à-dire de façon quasi instantanée. En réglage manuel, l’utilisateur peut activer les configurations nécessaires pour l’objet testé par un simple effleurement de l’écran tactile.

Méthode de calibrage pour chaque application
Outre une haute dynamique et un faible bruit de trace, l’obtention d’une haute précision nécessite également des méthodes de calibrage appropriées. Les analyseurs de réseau R&S®ZNB et R&S®ZNC proposent des procédés de calibrage adaptés aux différents environnements de mesure, comme par exemple les applications coaxiales, les adaptateurs de test, les applications «On Wafer» ainsi que les connexions à guides d’ondes. Un assistant graphique guide l’utilisateur de façon ciblée et précise à travers le processus de calibrage (fig. 8).
 

Figure 8. Assistant de calibrage (Wizard) dans l’analyseur R&S®ZNB.
 
TSM: une nouvelle méthode de calibrage ne nécessitant que trois étalons
La qualité des étalons de calibrage utilisés détermine la précision de mesure d’un analyseur de réseau, en particulier la précision avec laquelle ces étalons peuvent être décrits par des modèles. La description d’un circuit ouvert (Open) par un modèle pouvant être problématique, Rohde&Schwarz a réalisé dans le R&S®ZNB une nouvelle méthode de calibrage sans circuit ouvert, la TSM. Cette méthode qui ne requiert que les étalons Through, Short et Match, fournit la même précision que TOSM et réduit le nombre d’étapes de calibrage de sept à cinq.

Mesurer avec précision
Les analyseurs R&S®ZNB et R&S®ZNC gèrent de nombreuses méthodes de calibrage parmi lesquelles il faut mentionner tout particulièrement la méthode UOSM (Un-known Through, Open Short Match) qui gère des kits de calibrage simples ne contenant pas d’étalon Through. Avec ces kits, au lieu d’un étalon Through de haute qualité, le calibrage est effectué avec un adaptateur simple inconnu de l’analyseur de réseau. Ces adaptateurs sont certes bon marché, mais ils conduisent avec les méthodes de calibrage nécessitant des étalons comme Through, Open, Short et Match, à des incertitudes de mesure de quelques dixièmes de dB. En utilisant la méthode UOSM, les propriétés de l’adaptateur ne jouent aucun rôle et la précision est comparable à celle obtenue avec un calibrage réalisé avec un étalon Through de haute qualité.

Calibrer automatiquement en 30 secondes
Concernant des applications, comme par exemple en production, pour lesquelles le calibrage doit être réalisé rapidement, les appareils gèrent des unités de calibrage automatiques qui effectuent, commandées via un port USB, un calibrage complet en 30 secondes sur une simple pression de touche (fig. 9). Cela fait gagner un temps considérable et réduit le risque d’erreurs d’utilisation par rapport à un calibrage manuel, en particulier dans le cas où un calibrage complet à quatre ports s’avère nécessaire, par exemple pour réaliser des mesures sur des composants à deux ports symétriques. La figure 10 montre les données système effectives du modèle R&S®ZNB après un calibrage à deux ports avec un kit de calibrage mécanique.
 

Figure 9. Unité de calibrage automatique pour l’analyseur R&S®ZV-Z51.
 
Une haute stabilité en température prolonge les intervalles de calibrage
Un calibrage minutieux augmente la précision de mesure, mais interrompt le processus de production ou de développement. Etant donné que la stabilité en température et la stabilité à long terme sont déterminantes pour la fréquence d’un calibrage, une attention toute particulière a été portée sur ces caractéristiques lors du développement matériel de l’analyseur R&S®ZNB. Les caractéristiques de base sont particulièrement importantes pour la stabilité. Sans étalonnage, le modèle R&S®ZNB atteint déjà une directivité de 30 dB et une adaptation brute de ports de mesure jusqu’à 25 dB. Avec un analyseur R&S®ZNB calibré, il est donc possible de réaliser des mesures précises pendant des jours durant sans interruption, à savoir sans recalibrage – avec une augmentation correspondante de la productivité en développement et en fabrication.

Mesures d’amplificateur avec des niveaux de sortie jusqu’à 27 dBm
Le modèle R&S®ZNB offre de nombreuses fonctions pour réaliser des mesures sur amplificateurs. En plus des paramètres S, il détermine la puissance de sortie, les facteurs de stabilité, la consommation de courant, les impédances et paramètres Z en fonction de la fréquence ou du niveau. La puissance de sortie jusqu’à +13 dBm et la plage de balayage électronique du niveau de 95 dB permettent de réaliser des mesures rapides et sans usure sur des amplificateurs de la quasi totalité des catégories de puissance, dans des conditions d’excitation différentes. Les atténuateurs électroniques des récepteurs sont conçus pour des niveaux d’entrée jusqu’à +27 dBm, de sorte que l’analyseur R&S®ZNB peut réaliser sans compression des mesures sur des amplificateurs à haute puissance de sortie. La mesure des caractéristiques RF -DC des détecteurs de niveau pour la surveillance de la puissance fait également partie de la caractérisation des amplificateurs, ainsi que la mesure de la consommation de courant pour déterminer le rendement. L’analyseur R&S®ZNB dispose pour cela de quatre entrées DC avec une plage de mesure de tension de ±10 V et une sensibilité de 10 microvolts.
 

Figure 10. Données système effectives de l’analyseur R&S®ZNB après calibrage deux ports avec le kit de calibrage mécanique.

Perspectives d’avenir dans les applications système
L’analyseur de réseau constitue la pièce maîtresse de nombreux systèmes de mesure, comme par exemple, en production de composants RF. Si l’on remplace un appareil de conception plus ancienne par un analyseur de réseau de Rohde&Schwarz de la dernière génération, le débit peut être augmenté de manière significative. Etant donné que les analyseurs R&S®ZNB et R&S®ZNC savent interpréter les instructions de commande à distance de nombreux analyseurs de réseau de Rohde&Schwarz et également d’autres fabricants, le remplacement est facile à réaliser. Dans la plupart des cas, la vérification du processus de mesure suffit et évite une adaptation coûteuse du logiciel système.
 
Roschi Rohde & Schwarz AG
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Tél: 031 922 15 22
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