Comprendre S11 et S22 (paramètres de réflexion à chaque port)

Dans un réseau RF à deux ports (comme un assemblage de câbles), S11 et S22 sont les  paramètres S de réflexion sur le port 1 et le port 2, respectivement. Ils quantifient la quantité d'un signal incident réfléchie à l'entrée de chaque port en raison d'une inadéquation d'impédance. En termes pratiques, S11 mesure la perte de retour en regardant dans le port 1 (avec le port 2 terminé dans 50 Ω), tandis que S22 mesure la perte de retour en regardant le port 2. Le S11 et le S22 révèlent tous deux l'adaptation de l'impédance à leurs extrémités respectives, indiquant essentiellement quelle fraction du signal rebondit à partir de chaque port au lieu de le traverser. Un port bien adapté a une petite réflexion (faible |S11| ou |S22|), alors qu'un port mal adapté réfléchit une plus grande partie du signal.

Amplitude logarithmique et perte de retour dans les tests de paramètres S

Lors de l'examen des paramètres S, les ingénieurs visualisent généralement les résultats sous forme de magnitude logarithmique (dB). L'amplitude logarithmique (parfois étiquetée « LogM » sur les analyseurs de réseau) est simplement de 20·log10(|S|) en décibels. L'expression de S11 ou S22 en dB facilite l'interprétation des petites réflexions sur une large plage dynamique. Cette amplitude logarithmique est essentiellement la perte de retour lorsqu'il s'agit de coefficients de réflexion. Une valeur dB plus négative pour S11 ou S22 indique un signal réfléchi plus petit (donc une meilleure correspondance). Par exemple, un S11 de –20 dB signifie que seulement environ 1 % de la puissance est réfléchie (99 % passe), tandis que –10 dB correspond à ~10 % de réflexion. En d'autres termes, une perte de retour plus élevée (en dB) = une réflexion plus faible, ce qui est souhaité. La mesure de S11 ou S22 à l'échelle logarithmique permet aux techniciens de voir rapidement si les extrémités du câble sont bien assorties: chaque -6 dB supplémentaire de perte de retour signifie que la puissance réfléchie est réduite d'un quart (puisque la puissance est sur une échelle logarithmique).

S11 vs S22: Perte de retour au port 1 vs port 2

S11 (Log M)

• Teste spécifiquement le comportement de réflexion du port 1. En pratique, pour mesurer S11 de l'assemblage du câble, le port 1 du VNA est connecté à une extrémité femelle SMP du câble, et l'autre extrémité (port 2) est terminée par une charge connue de 50 Ω (souvent le port 2 du VNA lors d'une mesure à deux ports). La lecture S11 (en dB) nous indique la quantité de signal réfléchie dans le port 1 par rapport à celle délivrée dans le câble. Il s'agit en fait de la perte de retour à l'extrémité de l'ensemble, englobant le connecteur et toute discontinuité près du port 1. Aussi

S22 (LogM)

• C'est le reflet vu en regardant dans le port 2 de l'ensemble. Lors de la mesure de S22, les rôles sont inversés: le port 2 est piloté et le port 1 est la terminaison. S22 en dB indique la quantité de signal incident du port 2 qui est réfléchie vers le port 2. En d'autres termes, le S22 mesure la perte de retour à l'extrémité opposée du câble (le deuxième connecteur SMP-femelle). Ensemble, ces deux mesures isolent les performances de chaque extrémité: S11 révèle les réflexions à l'extrémité du port 1 et S22 révèle les réflexions à l'extrémité du port 2. Si l'une des extrémités du câble n'est pas bien adaptée (par exemple, en raison d'un problème de connecteur ou d'un défaut d'assemblage), le paramètre S correspondant (S11 ou S22) affichera une réflexion plus élevée (une valeur dB négative moindre) pour cette extrémité.

Symétrie ou asymétrie dans les performances de l'assemblage des câbles

Exemple de tracés de paramètres S d'un ensemble de câbles coaxiaux (amplitude en fonction de la fréquence jusqu'à 40 GHz). S11 (en haut à gauche) et S22 (en bas à droite) indiquent tous deux une bonne perte de retour dans l'ensemble, mais une résonance distincte dans la courbe S22 (~18 GHz) est absente dans S11 - mettant en évidence une asymétrie ou un décalage spécifique au port 2.

Un assemblage de câbles coaxiaux idéal est un réseau passif réciproque, nous nous attendons donc à ce qu'il se comporte symétriquement à chaque extrémité. En fait, pour un câble parfait, sans perte et avec des connecteurs identiques, les réflexions aux deux extrémités seraient les mêmes (S11 = S22 en magnitude). Dans les assemblages du monde réel, si la construction est vraiment symétrique et que les deux connecteurs SMP-femelles sont identiques et correctement installés, S11 et S22 doivent être des traces presque identiques sur la fréquence. Toute différence significative entre l'affaiblissement par retour S11 et S22 indique que le système n'est pas parfaitement symétrique.

Les petits écarts entre S11 et S22 sont courants et sont généralement attribuables à des différences physiques mineures aux deux extrémités. Par exemple, les tolérances de fabrication ou les processus d'assemblage peuvent faire en sorte qu'un connecteur ait une profondeur de broche ou une interface diélectrique légèrement différente. Même si le câble et les connecteurs sont nominalement identiques, une extrémité peut présenter une légère bosse d'impédance que l'autre extrémité n'a pas. L'asymétrie dans l'assemblage du câble, qu'elle soit due à un style de connecteur différent, à une courbure à une extrémité ou à une légère imperfection de l'assemblage, se manifestera par S11 ≠ S22. Dans les exemples ci-dessus, une encoche prononcée (chute à perte de retour élevée) autour de 18 GHz apparaît dans S22 mais pas dans S11, signifiant une résonance ou une discordance spécifique au côté du port 2. Dans un assemblage véritablement symétrique, une telle caractéristique apparaîtrait à l'identique dans S11 et S22 (ou pas du tout). Ainsi, les ingénieurs interprètent les différences entre S11 et S22 comme un indice diagnostique: l'extrémité avec la perte de retour la plus faible ou la réponse en fréquence anormale est probablement celle avec un problème de connecteur ou de construction.

Considérations relatives à l'adaptation des connecteurs et à la qualité de l'assemblage

L'appariement des connecteurs et la qualité globale de l'assemblage affectent directement les résultats S11 et S22. Un connecteur SMP-femelle (comme tout connecteur RF) a une géométrie interne qui doit passer en douceur du câble coaxial de 50 Ω à l'interface du connecteur. Si cette transition est bien conçue et correctement assemblée, le connecteur présentera une charge de près de 50 Ω aux signaux entrants, ce qui donnera une faible réflexion (perte de retour élevée). Les connecteurs SMP de haute qualité sont conçus pour une excellente continuité d'impédance - par exemple, les connecteurs de câbles SMP droits peuvent atteindre une perte de retour de l'ordre de 23 dB jusqu'à 20 GHz. Cela signifie que chaque connecteur lui-même réfléchit très peu le signal lorsqu'il est correctement accouplé à un système de 50 Ω.

Cependant, les imperfections de l'assemblage peuvent nuire à cette correspondance. Dans un assemblage de câbles de 4 pouces, la courte longueur signifie que la plupart des problèmes de perte de retour proviennent des connecteurs et de la façon dont ils sont fixés. Si un connecteur femelle SMP n'est pas installé avec la même précision que l'autre, son interface d'accouplement peut présenter un petit entrefer minuscule, un diélectrique mal aligné ou un conducteur central légèrement saillant. Ces petites différences physiques créent des discontinuités d'impédance qui réfléchissent l'énergie. Par exemple, un léger espace ou un excès de soudure dans le connecteur peut introduire une bosse capacitive ou inductive, provoquant une réflexion plus élevée à certaines fréquences. Le résultat serait que le paramètre S pour cette extrémité (S11 ou S22) montre une perte de retour plus importante ou peut-être une encoche/creux à une fréquence particulière (comme dans l'exemple précédent). En revanche, l'extrémité opposée – si elle est assemblée correctement – montrerait une réponse plus douce avec des réflexions plus faibles.

Étant donné que les connecteurs SMP fonctionnent à des fréquences très élevées (jusqu'à ~40 GHz pour le SMP standard), même des variations très infimes (fractions de millimètre de position des broches ou d'espacement diélectrique) peuvent affecter la perte de retour. Un assemblage symétrique nécessite  une qualité de connecteur constante aux deux extrémités: même type de connecteur, même processus d'assemblage, couple et soudure appropriés, etc. Dans la pratique, les techniciens RF accordent une attention particulière à la fixation du connecteur: ils coupent le câble avec précision, s'assurent que le diélectrique est affleurant et que le connecteur est bien en place. De bonnes pratiques d'assemblage permettent d'obtenir des valeurs S11 et S22 à la fois faibles (par exemple, supérieures à –20 dB) et étroitement adaptées l'une à l'autre. À l'inverse, si S11 et S22 diffèrent considérablement (par exemple, une extrémité est 10 dB de moins), c'est souvent le signe d'un problème d'assemblage comme une virole mal sertie, un mauvais joint de soudure ou même un connecteur endommagé à l'extrémité la moins performante.

Implications pratiques des résultats S11 vs S22

Les différences entre S11 et S22 ont des conséquences pratiques pour les tests et l'utilisation de l'ensemble de câbles. Dans un scénario idéal, un assemblage de câbles devrait fonctionner tout aussi bien, quelle que soit l'extrémité connectée à la source ou à la charge. Si S11 et S22 sont tous deux élevés (par exemple -20 dB ou mieux) et à peu près égaux, le câble peut être utilisé dans l'une ou l'autre orientation en toute confiance - les deux extrémités SMP sont bien adaptées, minimisant les réflexions dans l'équipement connecté. Cela indique de bonnes correspondances de connecteur et une qualité d'assemblage globale, de sorte que le câble transférera l'énergie de manière efficace et prévisible dans des applications réelles.

D'autre part, si un port présente une perte de retour plus faible que l'autre, l'assemblage du câble a effectivement une « extrémité faible ». Par exemple, supposons que S11 soit de –25 dB (excellent) mais que S22 ne soit que de –12 dB. En utilisation, l'extrémité du port 2 (avec une perte de retour de -12 dB) réfléchira environ 6 % de l'alimentation à la source (contre -12 dB ≈ 6 % réfléchis), contre seulement ~0,3 % réfléchis à l'extrémité du port 1 (-25 dB). Cela a quelques implications:

Incompatibilité du connecteur:

• L'appareil ou l'instrument connecté à l'extrémité la moins bonne (le port 2 dans ce cas) verra une discordance d'impédance importante. Si cette extrémité se connecte, par exemple, à un émetteur ou à un port de mesure sensible, la réflexion plus élevée pourrait fausser la mesure ou même stresser la source (un ROS élevé peut provoquer une tension plus élevée sur les sorties de l'émetteur). Ainsi, on peut de préférence connecter l'extrémité la mieux adaptée à l'équipement critique pour réduire les problèmes potentiels, bien qu'idéalement, le câble doive être réparé ou remplacé. Comme l'a dit un ingénieur RF, l'objectif est de rendre S11 et S22 « aussi bas que possible » (c'est-à-dire que les réflexions sont aussi petites que possible), car toute puissance réfléchie est essentiellement gaspillée et peut interférer.

Contrôle de la qualité de l'assemblage:

• Une différence notable entre S11 et S22 avertit le technicien d'inspecter le câble. Cela peut inciter à remesurer après avoir terminé à nouveau l'extrémité défectueuse ou serré l'interface du connecteur. Dans l'industrie manufacturière,  les tests de perte de retour aux deux extrémités font souvent partie de l'assurance qualité pour cette raison précisément: pour détecter une situation où, par exemple, un connecteur n'a pas été soudé correctement ou la profondeur d'une broche n'est pas conforme aux spécifications. Le résultat pratique est que les performances de chaque port doivent répondre aux spécifications pour que l'assemblage soit considéré comme bon. Si le port 2 affiche -12 dB alors que la spécification est, disons, ≤ -15 dB, l'assemblage sera probablement rejeté ou retravaillé même si le port 1 est correct.

Performances des ports dans les systèmes:

• Si un câble avec une correspondance asymétrique doit être utilisé, les concepteurs de systèmes peuvent en tenir compte. Par exemple, le port avec une réflexion plus élevée pourrait être connecté à un port qui a un isolateur ou un tampon d'atténuation après lui, pour tamponner la réflexion. Dans les configurations de test, on peut calibrer le VNA avec le câble en place ; l'étalonnage peut mathématiquement annuler certains effets de câble, mais un fort décalage peut toujours se refléter entre le câble et le DUT et introduire une ondulation. Par conséquent, une perte de retour élevée (faible réflexion) aux deux extrémités est particulièrement importante pour  les mesures de précision (pour éviter l'incertitude de mesure due à des réflexions multiples).

En résumé

Les résultats S11 vs S22 guident à la fois le dépannage et l'utilisation: une divergence indique un problème de connecteur ou de build du côté le plus pauvre, et sur le terrain, cela signifie que ce côté causera plus de problèmes liés à la réflexion. La meilleure pratique consiste à s'assurer que les deux extrémités d'un ensemble de câbles RF ont une excellente perte de retour afin que le câble ne devienne pas le facteur limitant des performances du système.