uSimmics (anciennement QucsStudio) permet d’afficher le VSWR (Voltage Standing Wave Ratio, ou rapport d’onde stationnaire) à partir de données S-paramètres d’antenne. Cet article couvre les principes fondamentaux du VSWR, sa relation avec le Return Loss, et la procédure complète de visualisation avec une antenne chip réelle.
Ce que vous apprendrez
- Définition du VSWR et formule de calcul
- Relation entre Return Loss et VSWR, et comment choisir l’un ou l’autre
- Procédure d’importation d’un fichier S-paramètres dans uSimmics (anciennement QucsStudio)
- Conversion d’un graphe Return Loss en graphe VSWR
- Critères d’évaluation du VSWR en conception et validation d’antennes
Qu’est-ce que le VSWR ?
Le VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) quantifie le rapport entre le maximum et le minimum d’amplitude d’une onde stationnaire. Cette onde résulte de l’interférence entre l’onde incidente et l’onde réfléchie lorsqu’un signal haute fréquence rencontre une discontinuité d’impédance sur la ligne de transmission.
$$
VSWR = \frac{1 + |\Gamma|}{1 – |\Gamma|}
$$
Ici, Γ (gamma) est le coefficient de réflexion. Plus la valeur absolue du coefficient de réflexion est faible, meilleur est l’accord d’impédance.
| Valeur VSWR | État | Puissance réfléchie |
|---|---|---|
| 1,0 | Accord parfait (idéal) | 0 % |
| 1,5 | Bon (objectif de conception antenne) | ≈ 4 % |
| 2,0 | Limite inférieure acceptable | ≈ 11 % |
| 3,0 et plus | Désaccord d’impédance | ≈ 25 % et plus |
La valeur idéale est 1, ce qui correspond à un accord parfait entre la ligne de transmission et la charge (antenne, etc.). En conception d’antennes, on vise généralement un VSWR inférieur à 1,5.
Méthodes de mesure du VSWR
La mesure du VSWR repose sur un coupleur directionnel qui sépare l’onde incidente de l’onde réfléchie, dont le rapport donne le VSWR. En pratique, on utilise les instruments suivants :
- Wattmètre VSWR : instrument dédié, utilisé en combinaison avec un émetteur-récepteur
- Analyseur de réseau vectoriel (VNA) : mesure précise des S-paramètres avec calcul automatique du VSWR
Relation entre VSWR et Return Loss
Le Return Loss est étroitement lié au VSWR. Il exprime en décibels (dB) la fraction de la puissance incidente qui est réfléchie.
$$
\text{Return Loss [dB]} = -20 \log_{10} |\Gamma|
$$
Correspondance Return Loss / VSWR :
| Return Loss | VSWR | Puissance réfléchie |
|---|---|---|
| -20 dB | 1,22 | 1 % |
| -14 dB | 1,50 | 4 % |
| -10 dB | 1,92 | 10 % |
| -6 dB | 3,01 | 25 % |
Un Return Loss plus négatif (valeur absolue plus grande) indique moins de réflexion et un meilleur accord. uSimmics (anciennement QucsStudio) prend en charge les deux représentations et permet de basculer de l’une à l’autre selon le besoin.
Importance du VSWR
Lorsque le VSWR est proche de 1 (bon accord), la quasi-totalité de la puissance est transmise à l’antenne. À mesure que le VSWR augmente, la puissance réfléchie croît et engendre les problèmes suivants :
- Diminution du rendement de transmission vers l’antenne
- Risque d’endommagement de l’amplificateur d’émission par l’onde réfléchie (critique en conception RF)
- Dégradation de la sensibilité en réception et réduction de la portée
Procédure d’affichage du VSWR dans uSimmics (anciennement QucsStudio)
Voici la marche à suivre pour afficher le graphe VSWR d’une antenne chip à partir de ses S-paramètres. Les données utilisées ici proviennent de l’antenne chip 2,4 GHz 2450AT07A0100001T de JOHANSON Technology (fichier téléchargeable sur le site du fabricant).
Étape 1 : Lancement de uSimmics (anciennement QucsStudio) et création du projet
- Lancer uSimmics (anciennement QucsStudio)
- Créer un nouveau projet via « File » → « New Project »
- Nommer et enregistrer le projet
Étape 2 : Importation du fichier S-paramètres
- Aller dans l’onglet « Components » de la vue « Project »
- Sélectionner « s-parameter file » dans « system components »
- Placer le composant s-parameter file sur le schéma
- Double-cliquer sur le composant pour ouvrir la fenêtre de propriétés
- Définir le nombre de ports sur « 1 » (pour une antenne 1 port)
- Dans la propriété « File », sélectionner le fichier S-paramètres téléchargé (.s1p)
Étape 3 : Exécution de la simulation
- Placer un composant « S-Parameter Simulation » depuis l’onglet « simulations »
- Définir la plage de fréquences (ex. : 1 GHz à 4 GHz)
- Lancer la simulation
Étape 4 : Création du graphe Return Loss
- Ajouter un « Cartesian Diagram » via le menu « Insert » → « Diagram »
- Double-cliquer sur le diagramme pour ouvrir ses paramètres
- Dans l’onglet « Data », sélectionner
dB(S[1,1])et l’ajouter au graphe - Cliquer sur « OK » pour afficher le graphe Return Loss
Note : le graphe peut être créé automatiquement après l’exécution de la simulation.
Étape 5 : Conversion en graphe VSWR
Le graphe Return Loss permet de vérifier la faible réflexion en bande 2,4-2,5 GHz, mais la lecture peut être moins intuitive. Pour convertir en VSWR :
- Double-cliquer sur le graphe pour afficher ses propriétés
- Sélectionner
dB(S[1,1]) - Remplacer la désignation par
vswr(S[1,1]) - Cliquer sur « OK » pour afficher le graphe VSWR
C’est tout. Le graphe VSWR apparaît immédiatement. La fréquence de résonance et la largeur de bande de l’antenne deviennent plus lisibles qu’avec le Return Loss.
Interprétation des résultats
Sur le graphe VSWR, la plage de fréquences où la valeur se rapproche de 1 correspond à la bande de résonance de l’antenne (bande utilisable). Pour l’antenne 2450AT07A0100001T, le VSWR est faible (bon accord) entre 2,4 et 2,5 GHz, ce qui confirme son aptitude aux communications Bluetooth et Wi-Fi en bande 2,4 GHz.
Conclusion
Cet article a présenté les principes du VSWR, sa relation avec le Return Loss, et la procédure complète pour afficher un graphe VSWR à partir des S-paramètres d’une antenne chip dans uSimmics (anciennement QucsStudio). Le VSWR est un indicateur indispensable pour évaluer l’accord d’impédance d’une antenne et optimiser les performances d’un système de communication. uSimmics (anciennement QucsStudio) permet de basculer en un clic entre Return Loss et VSWR, facilitant une évaluation rapide selon la métrique la mieux adaptée à chaque situation de conception.
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