Les tests de câbles présentent des défis courants.
Les câbles (guides d'ondes, coaxiaux ou paires torsadées, par exemple) sont de loin les composants les plus utilisés dans les systèmes RF et micro-ondes modernes, tels que les communications mobiles et de données, les satellites ou les radars. Ils constituent également la principale cause de défaillance dans ces systèmes. Par conséquent, une maintenance adéquate et l'utilisation d'outils de test appropriés sont essentielles.

Le processus de test classique d'un câble commence par déterminer s'il est défectueux ou si ses performances sont non conformes aux spécifications. Dans ce cas, il est nécessaire de localiser précisément le point de défaillance le long du câble. Une fois ce point déterminé, la défaillance doit être identifiée et réparée. Lors des opérations de maintenance et de dépannage, les ingénieurs et les techniciens peuvent localiser une défaillance grâce aux méthodes de perte de retour (RL) et de distance au défaut (DTF), mais ils ne peuvent pas en déterminer la cause ni le type, ce qui complique la réparation. Souvent, les problèmes (connecteurs desserrés ou endommagés, infiltration d'eau, soudures défectueuses, etc.) ne sont pas détectables par simple inspection visuelle du câble.

Une autre difficulté réside dans le fait que, jusqu'à présent, pour mesurer les performances des câbles, les ingénieurs et les techniciens devaient transporter sur le terrain un analyseur d'antennes et de câbles, un analyseur de réseau, un générateur de signaux et un wattmètre. Lorsque les câbles sont utilisés dans des systèmes situés dans des endroits difficiles d'accès ou des environnements dangereux, le processus se complexifie encore davantage. Une fois sur place, les instruments doivent être correctement configurés pour effectuer les tests. Malgré son efficacité, ce processus peut engendrer des erreurs et endommager les instruments.

Pour compliquer encore les choses, il faut considérer que les analyseurs de réseaux vectoriels (VNA) ont du mal à effectuer des mesures précises et répétables sur site des pertes élevées dans les câbles micro-ondes dont les ports de test sont très éloignés les uns des autres.

Mesures de câbles simplifiées grâce au pack de tests FieldFox amélioré.
La nouvelle option de mesure de câbles par réflectométrie temporelle (TDR) FieldFox (option 215) complète les mesures RL et DTF existantes de l'analyseur. La mesure RL identifie les désadaptations d'impédance dans les connexions des câbles, tandis que la méthode DTF localise précisément les défauts ou les connexions incorrectes. La nouvelle option TDR permet aux ingénieurs d'obtenir davantage de données pour mesurer les variations d'impédance le long du câble et identifier la cause (type) des défauts, qu'il s'agisse de courts-circuits, de circuits ouverts ou d'infiltrations d'eau. À ce jour, FieldFox est le seul analyseur permettant d'effectuer des mesures RL, DTF et TDR avec un seul instrument.

La mesure de temps de parcours (TDR) ou de variation d'impédance de FieldFox utilise le même processus d'acquisition de données que l'option DTF. Cependant, contrairement à la méthode DTF, cette mesure caractérise le type de défaut, notamment les discontinuités inductives ou capacitives. Elle y parvient en observant les formes d'onde réfléchies par une variation d'impédance se propageant dans le câble. L'analyse de la durée, de l'amplitude et de la forme de ces réflexions permet de déterminer la variation d'impédance du câble. Le mode de mesure TDR de FieldFox est uniquement adapté aux câbles alimentés en courant continu (par exemple, les lignes de transmission à deux conducteurs).

Pour mesurer les guides d'ondes, FieldFox utilise une technique de transformation temporelle par bande passante. Ceci est dû à la réponse en bande étroite du guide d'ondes, qui limite les types de mesures temporelles réalisables. La mesure par bande passante est idéale pour les instruments testés présentant une fréquence limitée ; cependant, elle ne permet que de localiser le défaut. Il est impossible de déterminer si la discontinuité est inductive, capacitive ou résistive.

FieldFox propose également une nouvelle option, l'analyse de transmission à portée étendue (ERTA, option 209), qui surmonte les difficultés liées à la mesure de longs câbles micro-ondes sur le terrain. Cette solution portable mesure les pertes d'insertion scalaires dans les câbles micro-ondes présentant de grandes distances entre les points de test et permet un accès simultané aux deux extrémités du câble ou du guide d'ondes.

L'utilisation d'un analyseur scalaire comme source de signal, associé à un capteur de puissance ou à un détecteur à large bande, pour mesurer les pertes de câble peut s'avérer lente et sensible aux interférences externes ; de plus, sa plage dynamique est limitée. Par ailleurs, le déploiement d'une solution de laboratoire sur le terrain est déconseillé en raison de son encombrement et de son coût élevés.

Avec l'option ERTA, deux analyseurs FieldFox sont déployés, un à chaque extrémité du câble mesuré. L'un sert de source et l'autre de récepteur, leurs mesures étant synchronisées par déclenchement matériel. Grâce à la technique d'analyse spectrale exclusive InstAlign de Keysight, les ingénieurs et techniciens peuvent réaliser des mesures de pertes de câble d'une grande précision, sans étalonnage ni préchauffage (Figure 1). Cette configuration offre également une plage dynamique exceptionnelle, permettant la mesure de câbles longs et sujets aux pertes. De plus, elle peut être configurée avec un décalage de fréquence pour les appareils de mesure tels que les mélangeurs et les convertisseurs.

FieldFox : La solution de test portable la plus complète.
Outre les nouvelles options TDR et ERTA, l’analyseur FieldFox offre plusieurs mesures supplémentaires, ce qui en fait la solution de test portable la plus complète (Figure 2). Ces mesures supplémentaires incluent :
• RL, ROS et DTF pour les sous-systèmes de câbles à large bande et à bande passante
• Paramètres S, délai de groupe, phase, diagramme de Smith et analyse temporelle
• Gain/perte de conversion du convertisseur de fréquence
• Mode mixte, paramètres S à 1 port et analyse temporelle

Exemples pratiques :
Pour mieux comprendre comment les techniques de mesure temporelle du FieldFox permettent d’identifier l’emplacement et la cause des défauts de câbles, prenons l’exemple de deux câbles coaxiaux courts de 50 ohms reliés par un adaptateur coaxial. Le câble le plus court est connecté au port 1 du FieldFox, tandis que le second est terminé par une charge de 50 ohms. Comme illustré sur la figure 3, une mesure DTF des câbles s’avère très utile pour localiser les discontinuités.

Notez que les marqueurs sont situés aux trois pics de la réponse DTF mesurée. Ces pics représentent l'amplitude de chaque réflexion provenant de la discontinuité. Le marqueur 1, représentant l'interface entre l'instrument FieldFox calibré et le premier câble coaxial, indique une distance de 0 mètre. Le marqueur 2, situé au niveau de l'adaptateur entre les deux câbles, enregistre une distance de 4 mètres. Cela indique également que la longueur du premier câble est de 4 mètres. Le marqueur 3, situé au niveau de la charge de 50 ohms, indique une distance de 13,8 mètres. À partir de ces données, nous pouvons calculer la longueur du second câble (13,8 m – 4 m = 9,8 m). La chute d'amplitude observée à droite de la charge de 50 ohms indique l'extrémité du câble. Étant donné que cette mesure de réflexion représente des trajets de signal bidirectionnels, FieldFox adapte les valeurs des marqueurs et le format de l'axe des abscisses aux longueurs unidirectionnelles appropriées.

 
Considérons maintenant un câble coaxial endommagé à deux endroits (figures 4A et 4B). Le défaut A est une courbure du câble dépassant le rayon de courbure minimal spécifié par le fabricant (25,4 mm). Dans ce cas, le câble est fortement courbé, ce qui provoque une réflexion indésirable. Le défaut B est une coupure dans le conducteur extérieur du câble. Une partie du blindage tressé est arrachée, exposant le matériau diélectrique interne du câble coaxial. Ces deux défauts peuvent être analysés à l'aide des modes DTF et TDR du FieldFox, mais seule la mesure TDR permettra de déterminer la nature du défaut.

La figure 4C présente la mesure du câble endommagé effectuée avec le FieldFox en mode TDR. Comme le montre la réponse TDR, l'impédance du câble est généralement de 50 ohms sur la majeure partie de la plage de réponse temporelle, jusqu'à l'apparition d'une discontinuité. Ces discontinuités se produisent au niveau du connecteur d'entrée, du pli du défaut A, de la coupure du défaut B et de la terminaison de 50 ohms à l'extrémité.

Parmi toutes les discontinuités du câble, la coupure indiquant le défaut B présente le plus grand déséquilibre, visible par l'amplitude du pic correspondant. La coupure dans la réponse TDR se traduit par un pic unique dans le sens positif, indiquant un déséquilibre inductif. Ce phénomène est fréquent en cas de coupure du conducteur extérieur d'un câble coaxial. En général, si le câble se termine par une charge dont la résistance est inférieure à l'impédance caractéristique, la réponse TDR présentera un palier dans le sens négatif. Si la résistance de la charge était supérieure à l'impédance caractéristique, la réponse TDR présenterait un palier dans le sens positif.  

 
 
Figure 4. Les images en haut à gauche (A) et en haut à droite (B) montrent un câble coaxial endommagé. L'image du bas (2C) a été obtenue en mesurant le câble endommagé à l'aide de l'option TDR du FieldFox. En mode TDR, le FieldFox peut identifier plusieurs types de discontinuités, notamment : R > Z0, R < Z0, inductives et capacitives.

Résumé :
Tester les câbles sur le terrain peut s'avérer complexe. Déterminer si un câble est défectueux n'est que la première étape. Ensuite, les ingénieurs et techniciens doivent identifier l'emplacement physique et la cause du défaut. Différentes techniques temporelles peuvent être utilisées à cette fin. La suite complète de solutions de test de câbles FieldFox, incluant les nouvelles options TDR et ERTA, est la solution idéale pour tester tout système de câbles sur le terrain. Les mesures temporelles TDR et DTF de FieldFox localisent précisément l'emplacement et les causes des défauts dans les câbles coaxiaux, tandis que la mesure de bande passante détecte l'emplacement physique des défauts dans les guides d'ondes. Avec FieldFox, les ingénieurs et techniciens disposent désormais d'une méthode plus rapide et plus simple pour tester les câbles sur le terrain.

Pour plus d'informations sur la modélisation des lignes de transmission ou les techniques de mesure dans le domaine temporel, consultez notre webinaire Keysight sur les tests de câbles à l'adresse www.keysight.com/find.fieldfoxwebcasts et la note d'application FieldFox sur les tests de câbles à l'adresse www.keysight.com/find/fieldfoxapps.

Tom Hoppin, Keysight Technologies, Inc.*
*Keysight Technologies Inc., anciennement la division de mesure électronique d'Agilent Technologies

À propos de l'auteur :
Tom Hoppin est consultant en applications chez Keysight Technologies. Il a débuté sa carrière comme technicien avionique dans le Corps des Marines des États-Unis. Après son service militaire, il a rejoint Hewlett-Packard en 1973. Au fil des années, il a occupé divers postes d'ingénieur et de direction chez HP, Agilent et, actuellement, Keysight, se spécialisant dans la conception de systèmes de test et l'analyse spectrale. Tom a pris sa retraite en 2009, mais il est revenu chez Keysight en tant que spécialiste des applications pour ses analyseurs portables RF et micro-ondes.