Practical project — RF measurement and protection
Build a directional coupler and SWR meter
A directional coupler samples waves travelling toward and returning from the antenna. It measures forward power, reflected power and SWR and may protect an amplifier from an abnormal load.
This measurement circuit does not replace a dummy load or spectrum analyser. SWR protection should inhibit PTT or driver bias rather than interrupting high RF power with an unsuitable relay.
General architecture
Measurement principle
Onde directe
Elle transporte l’énergie de l’émetteur vers la charge ou l’antenne.
Onde réfléchie
Une partie de l’énergie revient lorsque l’impédance de la charge diffère de 50 Ω.
Coefficient de réflexion
Son module vaut approximativement la racine carrée du rapport entre puissance réfléchie et puissance directe.
|Γ| = √(Pr / Pf)
ROS
Le ROS est calculé à partir du coefficient de réflexion.
ROS = (1 + |Γ|) / (1 - |Γ|)
Puissance dans la charge
Une première estimation est obtenue en retranchant la puissance réfléchie de la puissance directe.
Pcharge ≈ Pf − Pr
Directivité
La qualité du coupleur dépend de sa capacité à séparer réellement les deux directions de propagation.
Coupler architectures
Tandem Match
Deux transformateurs mesurent séparément courant et tension. Leur combinaison fournit les composantes directe et réfléchie.
- Très répandu en HF.
- Bonne isolation galvanique.
- Rapport de couplage réglable par le nombre de spires.
- Noyaux ferrite adaptés indispensables.
Pont de Bruene
Il combine une mesure de courant par transformateur et une mesure de tension capacitive ou résistive.
- Architecture classique des wattmètres HF.
- Bonne sensibilité.
- Équilibrage nécessaire.
- Les composants parasites limitent la bande haute.
Ligne couplée
En VHF et UHF, une piste ou une ligne parallèle au conducteur principal prélève une petite partie du champ.
- Adaptée aux fréquences élevées.
- Dimensions mécaniques critiques.
- Réalisation sur circuit imprimé recommandée.
- Calibration indispensable.
Pont résistif
Il convient aux mesures de faible puissance ou aux analyseurs, mais dissipe une partie de la puissance.
- Large bande possible.
- Simple à comprendre.
- Peu adapté aux puissances élevées.
- Résistances RF non inductives nécessaires.
Functional schematic
RF detectors
Diode Schottky
Une BAT54, HSMS-28xx ou diode RF équivalente offre une faible tension de seuil et une capacité réduite.
Filtrage RC
Le condensateur extrait l’enveloppe continue. Une constante de temps trop longue ralentit la protection.
Faible puissance
La non-linéarité de la diode devient importante lorsque la tension RF est proche de son seuil.
Détecteur logarithmique
Un circuit spécialisé améliore la dynamique et la précision sur une large plage de puissance.
Entrée ADC
La tension maximale doit rester inférieure à la tension de référence du convertisseur analogique-numérique.
Protection de l’ADC
Une résistance série et des diodes de limitation évitent qu’une surtension détectée endommage le microcontrôleur.
Power and SWR calculator
Forward power must be positive and reflected power must remain below forward power.
Reflection coefficient
—
SWR
—
Estimated load power
—
Return loss
—
Reflected power
—
Diagnosis
Automatic protection
Seuil sur le ROS
Un seuil de l’ordre de 2:1 à 3:1 convient souvent pour protéger un petit amplificateur, mais il dépend de sa robustesse et de la puissance.
Seuil sur la puissance réfléchie
À forte puissance, un seuil absolu de puissance réfléchie peut être plus pertinent qu’un simple ROS.
Temporisation
Une courte temporisation évite les déclenchements provoqués par la commutation des relais ou le démarrage du signal.
Verrouillage
Après un défaut sérieux, la protection peut rester verrouillée jusqu’au relâchement du PTT.
Action sûre
Couper la commande du driver ou du PTT est plus propre que couper brutalement l’alimentation du transistor final.
Fail-safe
Une panne de l’électronique de protection doit placer l’émetteur à l’arrêt, et non autoriser l’émission.
Construction
- Choisir l’architecture selon la fréquence et la puissance.
- Construire le passage principal avec une impédance proche de 50 Ω et des connexions courtes.
- Construire les transformateurs avec des noyaux ferrite adaptés.
- Installer les deux détecteurs de manière strictement symétrique.
- Vérifier que la perte d’insertion du coupleur reste faible.
- Raccorder une charge fictive 50 Ω parfaitement connue.
- Calibrer la voie directe avec plusieurs puissances.
- Inverser le coupleur ou utiliser une charge connue pour calibrer la voie réfléchie.
- Tester la protection à faible puissance.
- Augmenter progressivement la puissance en contrôlant la température.
Calibration
Étalonnage direct
Utilisez une charge fictive de qualité et un wattmètre de référence. Relevez la tension détectée pour plusieurs puissances connues.
Zéro réfléchi
Sur une charge 50 Ω, la voie réfléchie doit être aussi faible que possible. Ajustez l’équilibrage sans chercher un zéro artificiel obtenu par saturation.
Inversion du coupleur
Retourner physiquement le coupleur permet de comparer les deux voies avec le même signal.
Table de calibration
Une table ou une courbe polynomiale corrige la non-linéarité des diodes à faible niveau.
Expected measurements
| Mesure | Instrument | Résultat attendu | Défaut possible |
|---|---|---|---|
| Perte d’insertion | NanoVNA S21 | Faible sur la bande utile | Passage principal mal construit |
| Adaptation entrée/sortie | NanoVNA S11 | ROS proche de 1:1 | Impédance du passage incorrecte |
| Directivité | Générateur + charges | Bonne séparation FWD/REF | Transformateurs ou équilibrage |
| Linéarité détecteur | Wattmètre de référence | Courbe reproductible | Diode ou niveau trop faible |
| Temps de protection | Oscilloscope | Coupure rapide et stable | Filtrage RC trop lent |
VHF considerations
Un coupleur à transformateurs construit correctement pour la HF
ne fonctionne pas nécessairement à 144 MHz. À cette fréquence,
quelques centimètres de fil représentent déjà une fraction
significative de longueur d’onde.
Circuit imprimé
Une ligne couplée sur circuit imprimé est souvent plus reproductible qu’un montage câblé en l’air.
Composants CMS
Ils réduisent inductances et capacités parasites.
Connecteurs
Utilisez des connecteurs et transitions adaptés à la VHF.
Plan de masse
Il doit être continu, avec des vias de couture si nécessaire.
Calibration
Elle doit être répétée pour la plage VHF réellement utilisée.
Directivité réelle
Une simple indication de ROS ne garantit pas une bonne directivité du coupleur.
Troubleshooting
Puissance réfléchie non nulle sur charge 50 Ω
- Contrôler la qualité de la charge.
- Vérifier l’équilibrage du coupleur.
- Comparer les deux détecteurs.
- Contrôler le câblage des transformateurs.
Mesure différente selon la fréquence
- Vérifier le matériau ferrite.
- Réduire les connexions parasites.
- Créer une calibration par bande.
- Contrôler le filtre RC des détecteurs.
Protection instable
- Ajouter une hystérésis au comparateur.
- Filtrer les impulsions de commutation.
- Séparer alimentation RF et logique.
- Vérifier le seuil à plusieurs puissances.
Mesure trop faible
- Augmenter le rapport de couplage.
- Utiliser une diode plus adaptée.
- Ajouter un amplificateur continu faible bruit.
- Employer un détecteur logarithmique.