Sonde détectrice HF

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Sonde détectrice HF
Sonde détectrice HF.
Une sonde détectrice HF permet de convertir un multimètre classique en voltmètre HF. On l’utilise
essentiellement pour effectuer des mesures relatives de signaux haute fréquence mais des
mesures quantitatives sont également possibles.
1- Schéma de principe.
Le montage choisi pour la sonde est un doubleur de tension utilisant des diodes Schottky. Ce
montage a l’avantage de fournir une tension plus élevée en sortie qu’un redresseur simple
alternance.
La capacité d’entrée de la sonde est de 6 pF ce qui minimise la perturbation introduite pour des
mesures en HF. La sensibilité de la sonde est bonne en VHF mais la capacité d’entrée peut
modifier le fonctionnement du montage en test.
Figure 1- Schéma de la sonde.
2- Réalisation.
La sonde est réalisée sur un circuit en époxy FR4 simple face. (Voir photo 1 ci dessous)
Photo 1- Câblage des éléments sur un circuit simple face.
Les deux condensateurs de 220pF sont des modèles CMS mais ils peuvent être remplacés par
des condensateurs céramiques avec des connexions courtes. La pointe de touche provient d’une
fiche banane. Une languette flexible soudée à la masse du circuit permet la mise à la masse du
blindage de la sonde.
L’isolation de la pointe de touche est effectuée par une pièce en Téflon tournée mais tout isolant
de bonne qualité HF peut être utilisé.
L’ensemble est logé dans un blindage réalisé en tube de cuivre de Φ16 mm et de longueur 60mm
(tube de plomberie). Il est mis à la masse du montage par la languette flexible.
Une connexion de masse terminée par une mini pince crocodile est reliée au blindage. Sa
longueur, pince crocodile comprise, est de 95 mm.
Une longueur d’environ un mètre de coaxial RG174 est utilisée pour le raccordement avec le
voltmètre.
3- Evaluation des performances de la sonde.
Il est important de mesurer la réponse en fréquence de la sonde pour déterminer son domaine
d’utilisation.
Le relevé de la réponse en fréquence a été effectué avec d’un wobbulateur à l’aide du montage de
la figure 2.
Figure 2 – Relevé de la réponse en fréquence.
Le wobbulateur permet de balayer une large plage de fréquences autour de la fréquence affichée
et délivre un signal HF de niveau constant. Il commande également le balayage horizontal de
l’oscilloscope. La sortie HF est connectée à une charge de 50Ω par l’intermédiaire d’une ligne
microstrip sur laquelle la sonde prélève le signal à mesurer.
La réponse en fréquence est directement visualisée sur l’oscilloscope. On estime les variations de
niveau à l’aide de l’atténuateur du wobbulateur.
L’exploration de la gamme 6MHz - 300MHz montre que la sensibilité croit faiblement jusqu’à
50MHz puis augmente fortement avec un maximum vers 200 MHz et diminue ensuite jusqu’à
300MHz. (voir l’explication en annexe)
Les variations de sensibilité au dessus de 50MHz restreignent l’usage de la sonde à des mesures
comparatives dans une plage de fréquences de quelques mégahertz. Néanmoins l’erreur est
négligeable si on compare une mesure faite à 146MHz à une autre faite à 144MHz.
Entre 6 MHz et 50MHz les variations sont inférieures à ± 1dB. (Voir photo 2) ce qui permet des
mesures comparatives dans cette gamme.
Photo 2 – Courbe de réponse entre 6 et 50MHz.
Le wobbulateur utilisé ne permettant pas de d’explorer les fréquences inférieures à 6 MHz un
examen de la courbe de réponse à partir de 1,5 MHz a été effectuée à l’aide d’un générateur HF.
Voir la photo 3.
Photo 3 – Relevé de la réponse en fréquence à partir de 1,5MHz avec un générateur.
Le niveau HF du générateur est réglé à 0 dBm (1mW) à chaque mesure.
La réponse en fréquence correspond au graphique de la figure 3.
V en sortie en mV
500
400
300
200
100
MHz
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Figure 3- Réponse en fréquence de 1.5 à 8MHz.
On constate que les variations sont inférieures à 1dB entre 1,5 et 8MHz.
La sonde peut donc être utilisée pour des mesures quantitatives assez précises de 1,5 à 50 MHz.
4- Mesures de puissance.
La sonde permet d’effectuer des mesures de puissance sur des lignes de transmission dans la
gamme HF. Un étalonnage préalable est nécessaire. Une mesure à 14MHz suffit pour obtenir une
précision correcte sur l’ensemble des bandes décamétriques.
Le graphique suivant montre le résultat obtenu à 14MHz sur une ligne d’impédance 50Ω.
V en Volts
V sortie en fonction de P entrée
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
P en dBm
L’échelle des puissances est logarithmique. -20 dBm correspond à 10 µW et +20 dBm à 100 mW.
Remarque : La diode BAT41 supporte des tensions inverses de crête de 100V ce qui permet des
mesures de puissances supérieures à 10W.
5- Autres mesures.
La sonde peut être utilisée pour vérifier le fonctionnement d’un oscillateur ou tester les signaux HF
des différents étages d’un TX.
Elle est également utile pour vérifier la réponse d’un filtre ou parfaire l’accord d’un circuit.
En VHF il convient de faire attention à ce que la capacité de la sonde ne perturbe pas l’accord.
Pour éviter d’influencer le fonctionnement d’un circuit on peut raccorder la connexion de masse de
la sonde avec la pointe de touche et utiliser la spire ainsi formée pour détecter le signal. La
sensibilité de la sonde en VHF est suffisante pour d’obtenir plusieurs centaines de millivolts à 2 cm
de la bobine d’un grid-dip.
5- En résumé.
Cette sonde est un accessoire simple mais bien utile quand on débute dans la construction des
circuits HF et qu’on ne dispose pas d’un appareillage de mesure performant.
Les mesures sont le plus souvent relatives mais suffisent pour tracer les signaux HF et vérifier le
bon fonctionnement d’un montage.
6- Annexe.
Le maximum de sensibilité constaté vers 200 MHz provient de la résonance de la capacité
parallèle avec l’inductance des connexions. L’inductance totale est d’environ 100nH. (Environ
20nH pour la pointe de touche et 80nH pour la connexion de masse)
Une simulation du circuit d’entrée (circuit très simplifié !) montre que, pour une puissance de 0
dBm (224mVeff - 50Ω), on obtient 227mV efficaces à 50MHz et 2,41V efficaces à 200MHz au
point commun aux deux diodes.
20nH
Probe3
80nH
Simulation à 200MHz
Quelques sites web à visiter pour plus informations sur les sondes HF.
« Trois sondes pour des mesures (presque) sans perturbation des circuits HF » par F9HX.
http://radioref.ref-union.org/pdf/2005_p/f9hx_1205.pdf
« Sonde HF » par F4DME.
http://f6kht.free.fr/document/sonde.hf.pdf
1
n
i
_
_
80nH
Simulation à 50MHz
6pF
C
_
Probe4
1
e
s
s
a
m
L
50Ω
V(rms): 2.41 V
Freq.: 200 MHz
1
e
n
g
i
l
0.224 Vrms
200MHz
0°
_
R
_
V(rms): 224 mV
Freq.: 200 MHz
1
r
u
e
t
a
l
u
b
b
o
W
_
e
s
s
a
m
L
6pF
n
i
_
Probe2
C
R
50Ω
20nH
e
n
g
i
l
r
u
e
t
a
l
u
b
b
o
W
0.224 Vrms
50MHz
0°
Probe1
V(rms): 227 mV
Freq.: 50.0 MHz
1
e
t
n
i
o
p
L
e
t
n
i
o
p
L
V(rms): 224 mV
Freq.: 50.0 MHz _