Caractéristiques techniques
- Alimentation : 9 à 12 VDC
- Consommation : 40 mA en présence de signal radio
- Sensibilité maximale : –109 dBm (0,79 μV)
- Fréquence de réception du module Aurel : 433,92 MHz
- Bande passante HF à –3 dB : 600 kHz
- Bande passante IF à –3 dB : 300 kHz
- Tension d’alimentation du module Aurel : 5 VDC.
Parfois, après avoir mis au point un nouvel émetteur de radiocommande, un capteur antivol sans fil ou un autre système de communication sans fil, nous déplorons une portée inférieure à ce que nous espérions : la cause en est-elle l’étage final (moins de gain que prévu), l’antenne (adaptation d’impédance moins parfaite que ce que nous attendions), ou encore quelque chose d’autre ? Ou alors cela vient-il du récepteur (moins sélectif dans la réalité que sur le papier) ? Pour en avoir le coeur net, il faudrait posséder le Saint Graal (j’ai nommé l’analyseur de spectre accompagné de son “tracking” et bien sûr de son fréquencemètre numérique à 18 chiffres, sans oublier le W-ROS-mètre UHF), mais si on a des goûts (et / ou des moyens) plus modestes, le petit champ-mètre 433,92 MHz, que nous vous proposons de construire ici, vous tirera d’affaire très honorablement.
Il est réalisé à partir d’un module hybride récepteur Aurel pourvu d’une sortie RSSI (“Received Signal Strength Indicator”) et par conséquent capable de donner une indication de l’intensité du signal radio qu’un émetteur voisin est en train d’émettre (un S-mètre en somme). Alors, bien sûr, il ne s’agit pas d’un appareil de mesure professionnel gradué en W ou dBm : notre projet ne consiste pas (cette fois) à vous permettre de faire vous-même un appareil n’ayant rien à envier aux ruineux équivalents professionnels ; mais plutôt de vous doter d’un appareil simple et de coût dérisoire, vous permettant toutefois de comparer plusieurs émetteurs placés à une distance de référence de l’antenne réceptrice (autrement dit de faire des mesures relatives rendant possible l’amélioration de la mise au point d’un émetteur, d’un récepteur, de leur couplage et de la réalisation ou de l’alignement de leurs antennes).
Dans ce contexte, le microampèremètre dont notre champ-mètre est doté peut donner cette indication relative mais permettant de faire toutes les comparaisons utiles. Après tout, pour cette utilisation, que vous importe de savoir au mW près la puissance de votre émetteur ou au –dBm, au μV près l’intensité du champ reçu ? Voir figure 6.
Mais ce n’est pas tout : mettant à profit la directivité des ondes radio (surtout en UHF), notre mesureur de champ pourra aussi être utilisé pour déterminer dans quelle direction (par rapport à lui) se trouve une source émettrice (fonction radiogoniométrie) sur 433,92 MHz. Pour cela nous n’aurons qu’à remplacer le brin d’antenne quart d’onde par une YAGI ou une directive d’un autre type : en la tournant lentement, nous pourrons voir l’aiguille du galvanomètre atteindre un maximum (en principe au moment où la directive est pointée exactement vers l’émetteur) ; en répétant cette opération à partir de plusieurs points distants on peut par recoupement situer exactement l’émetteur (c’est le “jeu” prisé par les Radioamateurs sous le nom de “chasse au renard”).
Le schéma électrique
Comme le montre le schéma électrique de la figure 1, ce champ-mètre utilise un module radiorécepteur U2, un amplificateur de tension à double étage U3 et une alimentation stabilisée.
Le module est un hybride Aurel RX-AM4SF constitué d’un récepteur superhétérodyne complet réalisé en CMS et doté d’un préamplificateur d’entrée HF lui conférant une sensibilité élevée (–109 dBm), d’un étage accordé à 433,92 MHz grâce à un résonateur SAW, d’un démodulateur AM et d’un quadrateur du signal BF de sortie. La sélectivité est bonne, comme cela semble normal pour un récepteur à conversion de fréquence : ±600 kHz sur la fréquence d’accord et ±300 kHz sur la MF. La porteuse, modulée en amplitude, est captée par l’antenne (un brin quart d’onde de fil rigide de 17 cm) et acheminée à l’entrée (broche 3) du module hybride. Après amplification et sélection opérée par le circuit d’accord (nécessaire pour ne laisser passer que la composante HF à 433,92 MHz), ladite composante entre en battement avec le convertisseur de fréquence et on obtient à sa sortie la IF (fréquence intermédiaire, FI en Français) de laquelle le démodulateur AM extrait la composante modulante.
Si l’on utilise un émetteur codé (par exemple le TX2CSAW), les données numériques doivent être prélevées nécessairement sur la broche 14 et appliquées à un décodeur adéquat (comme le D2MB à 2 canaux avec pilote de sortie), ce qui permettrait d’obtenir un appareil de radiocommande tout à fait fonctionnel ! Mais pour notre application, ce qui nous intéresse n’est pas tant le contenu du signal (le schéma électrique montre que le signal démodulé n’est utilisé que pour faire clignoter une LED) que l’amplitude de la porteuse HF reçue.
Comment l’obtenir ? Eh bien par le procédé connu et éprouvé depuis des lustres : en mesurant l’amplitude de la composante moyenne fréquence, c’est-à-dire celle qui sort du démodulateur.
On sait qu’en AM l’amplitude de la composante extraite du démodulateur (un simple redresseur à diode) est directement proportionnelle à celle de la porteuse arrivant à l’antenne.
Le module RX-AM4SF utilise une méthode analogue et possède un étage qui fait dépendre sa propre tension de sortie de l’intensité de la composante HF arrivant à l’antenne : il fournit sur la broche 13 un potentiel entre 1,2 et 2,7 V correspondant à une intensité du signal d’antenne (broche 3) de –109 à –40 dBm (équivalant à 0,75 μV et 2,2 mV) avec deux niveaux différents d’amplification. Il est très facile d’utiliser cette tension pour piloter un galvanomètre à aiguille ou un voltmètre numérique, pour en obtenir une indication suffisamment précise de la puissance du signal émis (ou de l’intensité du champ reçu à distance).
Avant de voir comment cela se fait, apportons une autre précision : le module hybride permet de choisir parmi deux niveaux d’amplification de la moyenne fréquence, ce qui détermine deux degrés de sensibilité paramétrables au moyen de la broche 11. Quand cette broche est au niveau logique 0 (masse), le module a une sensibilité de –109 dBm (gain élevé), laquelle chute à –90 dBm (gain faible) quand cette broche est au niveau logique 1 (5 V). Les courbes de réponse de la sortie RSSI change nettement selon que l’on a paramétré la haute ou la basse sensibilité. Si nous avons adopté la haute sensibilité (et non la possibilité de les commuter), ce n’est pas uniquement pour économiser un double inverseur et quelques réseaux de contre réaction mais pour pouvoir détecter les signaux les plus faibles (ce qui est très utile pour la recherche des sources HF). La broche 13, c’est-à-dire la sortie de référence RSSI, pilote directement l’entrée non inverseuse de l’ampli-op U3a, monté en différentiel et utilisé pour annuler l’offset : en effet, on voit que son entrée inverseuse reçoit un potentiel continu obtenu grâce au pont R5, R3, R11, réglable au moyen du potentiomètre R3, pour obtenir en sortie une valeur respectant exclusivement l’allure de la composante radio captée par l’antenne. Pour mettre à zéro l’offset, on applique à R6 une tension égale au double de celle présente au repos (environ 1,4 V) entre la broche 13 du module et la masse. Dans ces conditions et en absence de signal, la sortie du U3a se trouve à 0 V.
Quand l’émetteur d’un TX travaillant sur 433,92 MHz est captée, le potentiel présent à la sortie RSSI du module hybride croît en fonction de l’intensité de la porteuse et détermine, entre la broche 1 du U3a et la masse, une augmentation de tension ensuite amplifiée par un deuxième ampli-op, monté en amplificateur couplé en continu et nécessaire pour piloter le μA-mètre à aiguille. Le potentiomètre R4, inséré sur le réseau de contre réaction du U3b, agit sur le gain et permet d’étendre l’échelle de lecture. Le pont R9 / R10 réduit l’amplitude de la tension atteignant le galvanomètre, ce qui permet d’adapter au circuit tout type de μA-mètre, du plus sensible à ceux réclamant un courant de 1 mA pour dévier en fond d’échelle.
Le circuit fonctionne avec une alimentation de 9 V fournie par une pile 6F22 : l’instrument est donc portatif.
Si vous le voulez, vous pouvez prévoir une alimentation secteur 230 V (type bloc) fournissant une tension de 9 à 12 VDC bien lissée.
Le module hybride étant particulièrement exigeant en matière de tension d’alimentation, nous avons obtenu le 5 V nécessaire avec un régulateur 7805.
Avant et après ce dernier, un électrolytique de 470 μF et un multicouche de 100 nF filtrent la ligne positive.
C’est indispensable pour éviter les fuites de HF le long du 5 V, fuite pouvant indisposer le régulateur (qui n’est pas “payé” pour auto-osciller !). R1 et C5 / C6 permettent d’obtenir une tension d’alimentation +V le plus immune possible d’éventuelles fluctuations. D1, placée après l’interrupteur, protège le circuit contre toute inversion accidentelle de polarité.
Figure 1 : Schéma électrique du champmètre UHF.
Figure 2a : Schéma d’implantation des composants du champ-mètre UHF.
Figure 2b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du champ-mètre UHF.
Figure 3 : Photo d’un des prototypes du champ-mètre UHF.Liste des composants
R1 ..... 1 kΩ
R2 ..... 470 Ω
R3 ..... 47 kΩ potentiomètre
R4 ..... 10 kΩ potentiomètre
R5 ..... 4,7 kΩ
R6 ..... 100 kΩ
R7 ..... 4,7 kΩ
R8 ..... 4,7 kΩ
R9 ..... 12 kΩ
R10 .... 4,7 kΩ
R11 .... 8,2 kΩ
R12 .... 100 kΩ
C1 ..... 100 nF multicouche
C2 ..... 470 μF 25 V électrolytique
C3 ..... 100 nF multicouche
C4 ..... 470 μF 16 V électrolytique
C5 ..... 100 nF multicouche
C6 ..... 470 μF 16 V électrolytique
C7 ..... 10 μF 63 V électrolytique
C8 ..... 100 nF multicouche
C9 ..... 100 nF multicouche
D1 ..... 1N4007
DZ1 .... zener 10 V
U1 ..... 7805
U2 ..... RX-AM4SF Aurel
U3 ..... LM358
LD1 .... LED 5 mm verte
DEV .... inverseur à glissière
Divers :
1 support 2 x 4
1 VU mètre 200 μA fond d’échelle
1 morceau de fil de cuivre rigide diamètre 1 mm
2 boutons pour potentiomètre
1 boîtier plastique
Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.
La réalisation pratique
La réalisation pratique de ce champmètre ne présente aucune difficulté.
La platine est constituée d’un circuit imprimé simple face, dont la figure 2b donne le dessin à l’échelle 1.
Insérez et soudez tous les composants (comme le montrent les figures 2a et 3), en commençant par le support du LM358 (pour une fois, insérez-le avant de souder le galvanomètre…) et en terminant par les “périphériques” : l’inverseur DEV, le module hybride (à monter debout, comme le montre la figure 5) et enfin le galvanomètre et les deux potentiomètres.
Le régulateur 7805 est monté debout sans dissipateur, semelle métallique vers C4.
Attention à l’orientation des nombreux composants polarisés : ci, diode, électrolytiques et LED. Le μA-mètre est soudé par ses cosses à deux morceaux de fil nu de 0,8 à 1 mm de diamètre allant dans les deux trous marqués + et – ; il vient se placer sur les composants précédemment insérés et soudés (entre autres le LM358) ; on peut choisir un modèle de 150 à 1000 μA fond d’échelle (un vu-mètre de 200 μA est parfait).
L’antenne (un morceau de fil rigide de 1 mm de diamètre et de 17 cm de long) est à souder dans le trou correspondant à la broche 3 du module.
Si vous voulez utiliser ce montage comme localiseur d’émetteur 433,92 MHz (“chasse au renard” ou radiogoniométrie), dotez-le d’une petite antenne directive (et donc d’un connecteur BNC pour relier son câble coaxial).
Vous pouvez maintenant installer la platine dans son boîtier plastique, comme le montre la figure 4 et la photo de début d’article et, bien sûr, en faire sortir l’antenne.
La face avant sera découpée pour le passage du galvanomètre, de la LED et des axes des deux potentiomètres (auxquels on ajustera deux boutons).
Le grand côté droit également, pour le passage de l’inverseur à glissière.
Figure 4 : Montage dans le boîtier du champ-mètre UHF.Figure 5 : Le module RX-AM4SF.
Nous avons choisi pour notre champ-mètre UHF un récepteur hybride superhétérodyne Aurel accordé sur 433,92 MHz : il s’agit d’un module très semblable aux modules récepteurs utilisés pour nos radiocommandes et nos antivols sans fil (par exemple, RF290-433, RXSTD433, RX-4M50SA60SF, etc.) dont il diffère essentiellement par la présence d’une sortie particulière sur laquelle on trouve une tension continue directement proportionnelle, dans une certaine limite, à l’intensité (exprimée en dBm) du signal HF arrivant à l’antenne (broche 3 du module). Pour augmenter l’universalité d’emploi du récepteur, deux niveaux de sensibilité ont été prévus, sélectionnables par la broche 11 : reliée à la masse, la sensibilité du module est de –109 dBm, qui deviennent –90 dBm quand elle est reliée au +5 V. La relation entre l’intensité de la composante à 433,92 MHz à l’antenne et le potentiel sortant de la ligne RSSI, non seulement est linéaire (dans une certaine plage), mais encore elle change selon la gamme de sensibilité paramétrée : quand la broche 3 est à la masse (gain maximum, voir a)
a)
b)
on est pratiquement en ligne droite de –109 à –71 dBm, valeur au-delà de laquelle on reste pratiquement à environ 2,7 V ; en sensibilité basse (b),
la réponse est presque linéaire de –95 dBm à –52 dBm, seuil au-delà duquel la courbe devient identique à la précédente. Ces tables nous aident à comprendre que, pour tirer le meilleur parti du module et bénéficier de la plus grande précision de mesure, il faut choisir la gamme de sensibilité la plus appropriée pour se situer dans la partie rectiligne de la courbe. Nous avons choisi de sélectionner la haute sensibilité au seul motif que cela nous permet de détecter aussi les signaux les plus faibles (d’autant que nous n’avons pas besoin d’une grande précision de mesure, mais seulement de pouvoir comparer les différents signaux captés, dans le but, par exemple, de peaufiner l’alignement de deux antennes TX et RX pour obtenir le signal le plus fort).
c) Brochage du module
d) Montage du module debout
Figure 6 : Mesurer pour comparer.
Pour se servir avec profit de ce champ-mètre, il faut d’abord régler, même si c’est approximativement, l’échelle du galvanomètre à aiguille : pour cela il convient de se procurer un émetteur témoin dont il serait bon (mais non indispensable) de connaître la puissance de sortie. Simplement en agissant sur le potentiomètre R3 on établit une référence qui servira d’élément de comparaison pour tout TX à examiner. Ainsi, on pourra juger si un émetteur produit un signal plus ou moins intense qu’un autre et même apprécier si le couplage d’un récepteur et d’un émetteur (voire la taille ou la disposition de leurs antennes) est plus ou moins bon, afin d’agir dans le sens d’une amélioration de la liaison. Le potentiomètre R4 permet d’étendre légèrement l’échelle afin de pouvoir apprécier de petites variations même en présence de signaux très faibles.
Comment utiliser le champ-mètre
Alimentez le circuit, tournez les potentiomètres R4 au minimum et R3 au maximum (voir figure 4), faites émettre un TX sur 433,92 MHz placé à une certaine distance du mesureur de champ (cette distance devra être maintenue si vous voulez effectuer des comparaisons, voir figure 6).
La déviation de l’aiguille est proportionnelle à l’intensité du champ électromagnétique reçu.
Si vous dépassez le fond d’échelle, ou si vous voulez situer l’aiguille dans une partie déterminée de l’échelle, jouez sur le réglage de R3.
Si vous voulez faire des comparaisons entre plusieurs émetteurs (ou par rapport à votre émetteur de référence), placez l’émetteur à tester à la même distance que l’émetteur de référence et faites-le émettre : la déviation de l’aiguille (comparée à la déviation obtenue avec l’émetteur de référence) vous indiquera ce qu’il en est de la puissance d’émetteur à contrôler.
Si vous voulez trouver une source émettrice, toujours sur cette fréquence, tournez au maximum R3 et R4 (pour une excursion maximale de l’aiguille) et orientez votre antenne (directive de préférence) dans la direction donnant la déviation la plus importante.
Au fur et à mesure que le signal devient plus fort, diminuez la déviation avec R3 ; agissez si nécessaire sur R4.
Approchez-vous de la source en suivant toujours la direction désignée par l’antenne en fonction de la déviation de l’aiguille (si vous “brûlez”, le champ capté par l’antenne devient plus fort et l’aiguille dévie davantage). Si vous pouvez, faites des recoupements en partant de plusieurs points distants et en vous repérant sur une carte (c’est le principe de la radiogoniométrie).