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1. Avant-propos

La nouvelle réglementation fait à présent appel à la notion de la puissance haute fréquence de sortie et définit les méthodes de mesure à utiliser.

Sauf pour évaluer le rendement d'un montage, chassons donc la notion de puissance d'alimentation de notre esprit.

Les méthodes de mesure de la puissance de sortie en télégraphie (A1A), en modulation d'amplitude (A3E), en modulation de fréquence (F3E), en ATV (C3F ou F3F), en SSTV et en facsimilé (F1C et F2C), et en RTTY (F1B et F2B) ne posent pas de problème; la définition et les méthodes de mesure sont évidentes.

Définir une méthode de mesure à utiliser en modulation d'amplitude à bande latérale unique (BLU) (R3E et J3E) est beaucoup moins évident, en effet, la puissance d'un émetteur à BLU varie entre zéro (pas de modulation) et un maximum, en fonction de l'intensité de la voix.

Pour le cas de la BLU, la nouvelle réglementation fait référence à l'Avis 326-4 du CCIR et à l'emploi du générateur deux tons; il m'a semblé opportun d'examiner ce texte en détail et d'essayer de vous en donner une synthèse.

2. Définitions

On caractérise un émetteur à BLU par sa puissance en crête; c'est-à-dire la moyenne de la puissance fournie la ligne d'alimentation de l'antenne par un émetteur en fonctionnement normal au cours d'un cycle de haute fréquence correspondant à l'amplitude maximale de l'enveloppe de modulation (suivant l'Avis 326-4 du CCIR).

Le terme puissance en crête est exactement équivalent au terme peak envelope power - PEP employé dans la littérature anglo-saxonne.

La notion de puissance en crête d'un émetteur radioélectrique ne doit pas être confondue avec la notion de puissance de crête utilisée en électronique et qui résulte du produit de la tension maximale instantanée par le courant maximal instantané.

En d'autres termes, la puissance en crête est une puissance efficace mesurée durant la crête de modulation.

La notion de puissance moyenne est par ailleurs utilisée pour les classes d'émissions A1A, A3E, F1B, F1C, F2B, F2C, F3E et F3F et l'Avis 326-4 définit cette puissance moyenne comme étant la moyenne de la puissance fournie à la ligne d'alimentation de l'antenne par un émetteur en fonctionnement normal, évaluée pendant un temps relativement long par rapport à la période de la composante de plus basse fréquence de modulation.

Mais en BLU, la puissance en crête de modulation est limitée par le seuil de distorsion d'intermodulation acceptable.

En effet, si on applique à l'entrée audio deux signaux modulants (f1 et f2) dont les fréquences se trouvent proches des limites de la bande passante à fréquence acoustique et si on mesure sélectivement (à l'aide d'un voltmètre sélectif ou d'un analyseur de spectre) le signal, on observe des composantes autres que F0 ± f1 ou F0 ± f2 (signe + pour la bande latérale supérieure et signe - pour la bande latérale inférieure) et autres que les harmoniques et "spurious".

Ces composantes sont appellées "produits d'intermodulation".

Ils sont de la forme:

p (F0 ± f1) ± q (F0 ± f2)

relation dans laquelle il faut choisir le signe entre les deux termes de la somme de telle façon que la fréquence soit positive et la valeur (p + q) donne "l'ordre" des produits d'intermodulation.

Par exemple, si on utilise la bande latérale inférieure, FO = 3700 kHz, f1 = 700 Hz et f2 = 1900 Hz, il apparaît donc deux raies à 3699,3 kHz (F0-f1) et 3698,1 kHz (F0-f2) (celles que l'on souhaite!) et si le système n'est pas linéaire, on verra également apparaître les produits d'intermodulation suivants:

tabel 1

etc... puisque nous avons limité le calcul aux premières raies.

On remarque donc que si (p-q) = 1 ou (q-p) = 1, les produits d'intermodulation sont proches de la bande de fréquences émise et que, par conséquent, ces produits ont la plus grande amplitude et sont les plus gênants. Le tableau ci-dessus a été présenté pour mettre ce phénomène en relief.

L'amplitude des produits d'intermodulation est fonction de la non-linéarité de système et, dans certains cas, l'équipement peut être tellement bon que la raie n'est pas décelable au voltmètre sélectif ou à l'analyseur de spectre.

Plus l'ordre des produits est élevé, plus leur amplitude devient faible.

Le document du CCIR stipule d'autre part que les signaux modulants doivent être choisis de façon à ne pas être en relation harmonique et à ne pas avoir des rapports tels que 2/3, 2/5, 2/7, 3/4, 3/5, 3/7, 4/5... II préconise également d'utiliser pour f1 une valeur voisine de 700 ou 1 100 Hz et pour f2 une valeur voisine de 1700 ou de 2500 Hz.

Pour le mode J3E, il faut que les produits d'intermodulation soient au moins 25 dB plus bas que la puissance de référence (voir Avis 326-4).

Afin de limiter cette distorsion, la plupart des émetteurs à BLU sont pourvus d'un dispositif qui réduit automatiquement le niveau appliqué à l'étage final dés que l'amplitude du signal radio fréquence atteint une certaine valeur, c'est l'ALC (Automatic Level Control).

3. Appareils de mesures

L'indication fournie par les appareils de mesure thermiques (thermo-couple, bolomètre, calorimètre HF et appareils dérivés) est proportionnelle à la puissance efficace, quelle que soit la forme de l'onde.

Malheureusement, pour contrôler la puissance on utilise généralement des appareils de mesure plus simples tels que les wattmètres Heathkit, Daiwa, etc... ou si on désire un appareil plus précis (5 %), un wattmètre Bird Model 43. Les radio-amateurs portent en effet le choix sur ces types d'appareil, car ils permettent en outre de mesurer le rapport d'ondes stationnaires de l'installation d'antenne.

Ces appareils sont basés sur le principe de la détection d'une tension HF, cette tension détectée fait dévier un galvanomètre dont la déviation est proportionnelle à la valeur moyenne de la tension du signal. Mais l'appareil est calibré en terme de puissance efficace et ce calibrage n'est donc valable que pour un signal sinusoïdal.

On peut aussi utiliser un circuit détecteur doubleur de tension avec un condensateur de forte valeur; la tension aux bornes de celui-ci sera pratiquement égale à la tension crête à crête et on pourra mesurer cette tension à l'aide d'un voltmètre à courant continu présentant une assez grande résistance interne (de telle façon que la constante de temps formée avec le condensateur soit beaucoup plus grande que la période du signal HF).

4. Méthode de mesure de la puissance en crête en BLU

L'Avis 326-4 du CCIR décrit en détails la méthode de mesure de la puissance en crête et nous pourrions la résumer de la façon suivante:

  1. on connecte la sortie de l'émetteur à son antenne ou à une charge d'essais au travers d'un instrument de mesure de la puissance moyenne;
  2. on raccorde aussi un dispositif de mesure sélectif (voltmètre sélectif ou analyseur de spectre) et un indicateur de l'amplitude de crête du signal modulé (un oscilloscope par exemple);
  3. on règle le dispositif de commande de la porteuse pour avoir le niveau de réjection requis par rapport au niveau de référence. Pour des équipements à onde porteuse supprimée, la valeur doit être d'au moins 40 dB en dessous du niveau de référence.
  4. ce niveau de référence est obtenu si la commande de la porteuse est à 0 dB. Remarque: Pratiquement pour une station d'amateur on peut par exemple se baser sur le niveau de la porteuse en CW.
  5. on applique le générateur deux tons,
  6. on règle le générateur pour que les niveaux de chacun des deux tons soient égaux,
  7. on augmente le niveau jusqu'à ce que la distorsion d'intermodulation soit encore acceptable (soit -25 dB). Remarque: Pour un radio-amateur, l'appareil de mesure sélectif est un appareil très onéreux; une méthode simplifiée consiste à observer l'amplitude du signal audio pour lequel le dispositif d'ALC entre en action.
  8. on relève alors l'indication de l'amplitude de crête, soit A
  9. on étalonne l'indicateur de crête en fonction de la puissance de crête et pour cela on utilise une seule tonalité.

Soit B l'amplitude sur l'indicateur de crête qui correspond à une puissance moyenne P, alors

eq a

5. Propriétés des signaux simple et double ton

Si on applique un signal simple ton à l'entrée audio d'un émetteur à BLU, il apparaît à la sortie un signal haute fréquence tel que représenté à la figure 1 a.

fig 1
Fig 1

Le rapport entre la tension de crête à crête et la valeur efficace est

eq 1

La puissance de sortie sera égale à

eq 2

Si, à présent, on applique un signal deux tons à l'entrée audio d'un émetteur à BLU, il apparaît à la sortie un signal tel que représenté à la figure 1 d et si on coupe l'un ou l'autre ton on verra apparaître les signaux des figures 1 b ou 1 c.

Par définition, la puissance en crête de modulation est la puissance efficace durant la sinusoïde qui a été hachurée (voir fig. 1 d).

Calculons d'abord la relation entre la puissance crête (2 tons) et la puissance dissipée dans 1 ton: durant la sinusoïde d'amplitude maximale, les deux vecteurs tensions sont en phase et la tension efficace résultante haute fréquence est égale à la somme des tensions efficaces de chacun des deux tons, donc:

eq 3

si U1 = U2 alors U12 = 2 U1 donc

eq 4

donc, la puissance durant la crête de modulation est égale à 4 fois la puissance dissipée dans un seul ton.

En d'autres termes, si un émetteur fournit une puissance en crête de 100 watts et si on coupe un des deux tons, la puissance mesurée sera de 25 watts.

Si on reprend l'exemple précédent, donc si on a un émetteur de 100 watts crête, on peut se demander quelle sera l'indication du wattmètre ou, en d'autres termes, quelle est la relation entre la puissance en crête et la puissance moyenne.

Le wattmètre (utilisant un thermo-couple...) va indiquer la puissance moyenne du signal deux tons, c'est-à-dire la somme des puissances dissipées par chacune des tonalités donc:

eq 5

des relations (4) et (5) on déduit:

eq 6

De nombreux OM ont tendance à confondre la puissance dans un ton lorsqu'on utilise un générateur deux tons et la puissance dans un ton lorsqu'on utilise la méthode simple ton!

Il faut remarquer que pour un émetteur donné, la tension crête (Upp ou U12pp) possède une limite que l'on ne peut pas dépasser, quoi que l'on fasse; cette limite est fonction de la nature de l'étage final, du tube ou du transistor utilisé, du circuit d'adaptation à l'antenne, de la tension d'alimentation, du point de polarisation et de la puissance d'attaque de l'étage final.

La méthode du double ton permet donc d'effectuer des mesures dans des conditions plus proches des conditions réelles de fonctionnement de l'émetteur. En effet, malgré que l'étage de puissance soit sollicité par l'amplitude maximale du signal de sortie, la puissance moyenne est plus faible.

Bien sûr, il existe la méthode des 3 tons... mais signalons aussi une autre méthode, qui permet de réduire la puissance moyenne: elle consiste à utiliser un signal audio haché dans un rapport 1/2 par exemple. Cette méthode ne permet malheureusement pas de faire des mesures de distorsion d'intermodulation.

6. Exemple pratique

Donnons à présent un exemple concret, soit un émetteur décamétrique traditionnel, équipé de deux tubes 6146B, alimentés sous 840 volts. On réalise le montage de la figure 2:

fig 2
Fig 2

a) tout d'abord on vérifie le générateur deux tons: chaque tonalité doit avoir la même amplitude (vérification avec l'oscilloscope);

b) bien sûr, on suppose que l'émetteur est en ordre de fonctionnement et notamment en ce qui concerne la réjection de la porteuse, le neutrodynage, le courant de repos des tubes, l'accord (plate, tune et load,...) etc.;

c) on applique le générateur deux tons et on augmente graduellement le niveau audio, tout en observant la lecture de l'ALC. Dans notre cas, la lecture d'ALC dévie normalement à 90 % de l'échelle et la lecture diminue dès qu'il entre en action; dans d'autres équipements, c'est l'inverse: au repos la lecture d'ALC est nulle et l'indication apparaît dès qu'il entre en action... Consultez le manuel de votre équipement!

d) Donc dès que l'ALC est entré en action, on ne bouge plus au niveau audio et on lit l'amplitude sur l'oscilloscope: dans notre cas une amplitude de 4,2 divisions (voir photo 1). Pour information, on a aussi noté un courant d'anode de 175 mA et une lecture au Bird de 53 watts.

e) uniquement à titre expérimental, on augmente encore le niveau audio fréquence: l'ALC diminue encore, le signal sur l'oscilloscope se déforme (les sommets s'aplatissent), son amplitude ne dépasse pas 4,4 divisions et le Bird indique maintenant 59 watts... Même si on augmente encore le niveau audio, ces valeurs ne changent plus, ... ceci nous rassure et montre que notre dispositif d'ALC fonctionne correctement.

f) on diminue le niveau audio, on place le générateur sur la position "1 ton" et on réaugmente le signal jusqu'à observer sur l'oscilloscope une déviation du même ordre de grandeur que celle obtenue au point d) ci-dessus. Cette valeur en elle-même n'a pas beaucoup d'importance; arrêtons-nous par exemple pour une amplitude de 3,4 divisions (voir photo 2).

On note alors la lecture au Bird, soit 85 watts et, à titre d'information, le courant d'anode est alors de 250 mA. Cette fois, le wattmètre indique réellement la puissance efficace dissipée dans la charge.

Notons aussi que l'on peut utiliser indifféremment l'un ou l'autre ton: les résultats doivent être identiques.

g) On peut à présent calculer la puissance crête d'après l'Avis 326-4 du CCIR:

eq b

h) On peut se demander ce que l'on pourrait mesurer si on n'utilisait qu'un seul ton et qu'on appliquait le niveau maximum. L'émetteur travaillerait alors dans des conditions trop sévères et on ne peut maintenir un tel régime que pendant quelques secondes, puis laisser reposer l'émetteur, sous peine de détériorer l'étage final et l'alimentation. Néanmoins nous avons fait l'essai et on a mesuré une amplitude sur l'oscillo de 4,8 divisions, un courant d'anode de 275 mA et une puissance de 140 watts.

i) Et quelle serait la puissance en CW (Al A)? Ici aussi on ne peut pas rester "key down" pendant plus de quelques instants. On a mesuré une amplitude de 4,7 divisions, un courant d'anode de 275 mA et une puissance de 135 watts.

Sciemment, nous avons donné les valeurs des amplitudes en "division" pour montrer que la valeur absolue de l'amplitude n'a aucune influence. Au fait, l'oscillo était sur 50 volts/division.

Le rapport entre la lecture donnée par le wattmètre Bird avec le signal deux tons et la puissance de crête calculée vaut 53/129,7 - 0,408 et non 0,5 comme on aurait pu s'y attendre!

Ceci s'explique précisément par le fait que le wattmètre Bird dévie proportionnellement à la valeur moyenne du signal et, comme l'enveloppe de ce signal est une sinusoïde, le rapport entre la puissance lue et la puissance de crête sera égal à 0,405 c.-à-d. (2/rr)2 comme indiqué dans la note d'application de Bird.

En d'autres termes, si on mesure la puissance du signal deux tons avec un wattmètre du genre Bird, il suffit de diviser par 0,405 pour obtenir la valeur de la puissance crête.

7. Le générateur deux tons

Le générateur deux tons que j'utilise a été décrit dans l'ARRL Handbook 1986 et son schéma est donné à la figure 3.

fig 3
Fig 3

Les tonalités de 700 Hz et 1900 Hz sont générées chacune par un oscillateur en pont de Wien (IC1 a et IC2a). Le commutateur S1 permet éventuellement de bloquer un des oscillateurs afin de pouvoir faire des mesures en 1 ton. On peut par exemple utiliser un commutateur à levier à 3 positions et la position centrale (2 tons) est une position mécaniquement stable, les deux autres positions sont instables.

Afin d'obtenir une bonne stabilité, les condensateurs C1 à C4 sont des condensateurs styroflex (1 %), les résistances R1 à R4 sont des métafilms à 1 % et les résistances R1a à R4a sont destinées à obtenir les fréquences correctes.

Ces oscillateurs sont stabilisés par des résistances à coefficient de température positif, qui sont ici des ampoules 12V/25mA (par exemple Tandy RS-2721141) et les potentiomètres P1 et P2 (ajustables multitours). Ceux-ci seront réglés pour obtenir 1,5 volts crête à la sortie des amplis opérationnels et, en pratique, les ampoules ne s'illuminent pas!

Lorsqu'on applique la tension d'alimentation, le signal de sortie ne sera stable qu'après quelques secondes.

Ceci est dû aux "résistances PTC" (c.-à-d. aux ampoules) utilisées et est tout à fait normal.

Ces oscillateurs sont suivis de deux filtres passe-bas (IC1 b et IC2b) afin de réduire les composantes harmoniques. Comme les valeurs calculées pour C5, C6, C8 et C9 ne sont pas standardisées, on utilise deux condensateurs (type MKM) en parallèle, la distorsion ainsi obtenue est inférieure à 0,3 %.

Les deux tonalités sont additionnées dans IC3a, étage dans lequel on peut régler l'amplitude globale grâce à P4 "Level", mais dans lequel on peut aussi modifier indépendamment le niveau du 700 Hz grâce à P3 "Balance". Ce réglage permet de compenser la courbe de réponse de l'ampli micro qui n'est généralement pas plate!

Le signal peut encore être atténué de 20 dB ou de 40 dB grâce à S2. En position 0 dB, le niveau maximum de sortie est de 0,6 volt crête à crête sur 600 ohms (1 ton).

Le dernier amplificateur opérationnel, IC3b, est utilisé comme étage tampon, C11 est un condensateur MKM, mais il pourrait éventuellement être remplacé par un électrolytique de 10 microfarads.

Les figures 4 et 5 donnent le lay-out du circuit imprimé et l'implantation des composants.

fig 4
Fig 4

fig 5
Fig 5

Le montage se fera dans un boîtier métallique et comme l'alimentation ne requiert que 15 mA, elle se fait par 2 x 4 piles crayon "R6" ou "AA" afin d'éviter les problèmes de retour HF.

"Mesurer, c'est savoir" (Lord Kelvin), ... mais le problème est de savoir comment mesurer!

ON7PC, Pierre Cornelis.