Wattmètre numérique à la PD0LEW

Souhaitant remplacer mon bon vieux Watt-mètre BIRD 43, j'ai prospecté un peu sur Internet et j'ai trouvé la description d'une réalisation open source d'un Watt-mètre numérique qui correspondait parfaitement à mon besoin. Il s'agit d'un fork de la version de TF3LJ, mise au point par PD0LEW. Une nouvelle version matérielle à été par la suite développée par WA2T. J'ai choisi la version avec un afficheur OLED, mais il existe des versions avec des afficheurs TFT tactiles.

Le montage se compose d'un coupleur installé dans un boîtier blindé en aluminium moulé Hammond 1590BS et du Watt-mètre à affichage numérique dans un autre boîtier de son choix.
La liaison entre les 2 s'effectue à l'aide de 2 câbles coaxiaux reliant les ports FWD et REF.

Coupleur

Le coupleur est réalisé à l'aide d'un circuit imprimé et d'un boîtier HAMMOND 1590BS.
Il intègre un coupleur de type Sontheimer - Frederik et de 2 atténuateurs sur chacun des ports FWD et REF afin de rendre les niveaux compatibles avec les niveaux de la platine CPU.

La directivité est très bonne, la moindre désadaptation est décelable.
Pour tester l'efficacité de la directivité, il faut donc souder une résistance non inductive de 50 Ohm (pour moi 2 x 100 Ohm 1% CMS, en parallèle) directement sur le circuit imprimé à la sortie du coupleur. J'ai ainsi pu mesurer entre 30 et 40 dB jusqu'à 30 MHz, ce qui est excellent et plus que suffisant pour nos besoins amateurs !

Une fois la platine mise en boîtier avec des connecteurs SO239, on mesure déjà une désadaptation.
Le rapport de transformation des 2 transformateurs est de 24:1, il apporte donc un découplage de 27,6 dB. Les atténuateurs qui suivent apportent une perte supplémentaire de 9,63 dB. L'atténuation totale est donc de 37,23 dB, ce qui est confirmé par les mesures au VNA.
Afin d'améliorer la linéarité en fréquence du coupleur, une inductance de 82 nH et un condensateur de 15 pF ont été rajoutés. Pour ma part, j'ai constaté que la linéarité était meilleure SANS ces composants !?

Amplis et CPU
La platine CPU comporte principalement un micro-contrôleur Teensy 4, un régulateur de tension à 5 Volts TSR1, 2 amplis logarithmiques AD8307, un convertisseur A/D AD7991 et une source de tension de référence ISL6002.

Les sorties analogiques des 2 amplificateurs sont envoyées dans un convertisseur A/D 12 bit à 2 entrées AD7991. Le résultat de la conversion alimente un bus I2C qui est raccordé au micro-contrôleur Teensy 4 choisi pour sa rapidité d'exécution.
La tension de référence de précision ( ici 2,600 V) nécessaire au convertisseur est fournie par un régulateur ISL6002.

Un encodeur externe avec poussoir est raccordé à la platine afin de pouvoir naviguer dans les menus.

L'AD8307 a une dynamique d'environ 70 dB, de -60 dBm à +10 dBm. Cette plage peut être améliorée en ajustant les paramètres SLOPE et INTERCEPT via la pin INT (pin 5).
Pour notre usage, 70 dB sont suffisants.

Afin de rester dans cette plage, un atténuateur supplémentaire de 15,76 dB est inséré à l'entrée de chacun des 2 ports FWD et REF du montage.
L’atténuation totale de chaque chaîne d'amplification est donc de  : 27.6 + 9.63 + 15.76 = 52.99 dB, disons 53 dB.

De là, nous pouvons calculer la plage de puissance utilisable afin de rester dans la plage de linéarité de l'AD8307.
Calcul de la puissance maximum utilisable tout en restant dans les limites de l'entrée de l'AD8307.
(Max AD8307 input = + 10 dBm) + 53 dB = 63 dBm = 2 kW

Calcul de la puissance minimale utilisable :
(Min AD8307 input = -60 dBm) + 53 dB = -7 dBm = 0.2 mW
C'est plus que suffisant !

Le convertisseur A/D (analogique/digital) AD7991 possède un convertisseur ADC de 12 bit et utilise la tension externe de précision de 2,600 V.
Avec 12 bit nous avons une résolution de (2 puissance 12 ) 4096 pas.
Chaque pas correspond donc à une résolution de tension de : 2,600 V / 4096 = 0,635 mV.
Avec une pente théorique de 25mV/dB à la sortie de l'AD7991, on obtient donc une résolution maximum de : 0,635/25 = 0,0254 dB par pas.

Réalisation

Pour ma part, j'ai fait réaliser en Chine les circuits imprimés à l'aide des fichiers GERBER disponibles à l'époque. La platine CPU est la version V2.0/2021 et la platine coupleur V1.1

On commencera par réaliser le coupleur.
Il faut ABSOLUMENT respecter le sens de bobinage des transformateurs ! Bien regarder les photos et les explications données ici sur le site de DJ0ABR pour un montage identique, ou dans ce document.
Des petits cavaliers en laiton ou cuivre permettent une bonne mise à la masse de la platine au niveau des connecteurs.
Le perçage du boîtier se fera de manière à ce que la platine se trouve à mi-hauteur du boîtier. On utilisera les connecteurs de son choix, l'auteur utilise des SMA, j'ai mis des BNC.

Pour une utilisation de l'afficheur OLED, il y a une petite modification à effectuer, à savoir qu'il est nécessaire de l'alimenter en 3,3 V et non en 5V comme prévu sur le circuit imprimé d'origine. Les pins du Teensy ne sont pas prévues pour travailler avec une tension de 5 V.
A faire AVANT de câbler la platine CPU : Il faut donc couper la piste amenant le +5 V sur le connecteur J4 sur la pin 10 et souder un fil entre cette pin J4-10 et la pin 24 (3 V) du Teensy 4.

Le reste de la platine pourra alors être câblé. La soudure des CMS est assez délicate et il faut de bons yeux et une main calme. J'y suis arrivé sans problème, avec un petit fer à souder, de la tresse à dessouder et un flux de soudure.
Le Teensy sera monté sur des pinoches afin d'être démontable en cas de besoin.

Les connecteurs d'entrée FWD et REF tel que prévus sur le circuit imprimé sont des SMA, j'ai préféré utiliser des BNC et un bout de câble coaxial.

Pour le raccordement de l'afficheur, j'ai réalisé un circuit imprimé qui permet l'utilisation d'un câble en nappe de 10 conducteurs. Cette platine est également utilisable avec l'afficheur TFT RA8875. Il me reste quelques platines, me contacter si besoin.

L'encodeur sera raccordé à l'aide de 4 pins à souder comme sur la photo ci-dessous.

J'ai également noté que le régulateur de tension à découpage TSR1 générait pas mal de bruit sur la ligne 5 V et qui se répercute sur la tension de référence de 2,6 V, entachant ainsi de bruit le convertisseur A/D.
J'ai remplacé ce régulateur par un 7805 externe et fixé au boîtier afin de réduire la chaleur dissipée. L'amélioration est sensible, l'affichage de la puissance est bien plus stable. Rajouter quelques capacités sur les ligne 5V et 2,6 V permet d'améliorer le problème sans changer le régulateur, mais sans arrivé au meilleur résultat possible.

Logiciel
J'ai été en contact soutenu avec Johan PD0LEW qui a été très à l'écoute et avec lequel j'ai pu corriger ou faire corriger quelques bugs de la version OLED qui est maintenant peu utilisée, remplacée plutôt par la version TFT.
Pour ma part, je n'avais pas besoin d'un grand afficheur avec l'écran tactile.
La version que j'utilise est la version 2.1h. La dernière version disponible sur le site de téléchargement est la 2.1f.

Il existe 2 façons de programmer le Teensy 4, soit avec un fichier déjà compilé au format .HEX ou en compilant soit-même les sources à l'aide de l'IDE Arduino.
La première solution est la plus simple s'il n'y a pas nécessité de modifier le logiciel. La configuration de l'IDE pour Teensy nécessite plusieurs ajouts à l'IDE et il faut faire attention à utiliser les bonnes bibliothèques fournies par PD0LEW.

Pour la programmation du Teensy et le fichier HEX, il faut utiliser le logiciel Teensy Loader disponible ici.

Une fois le Teensy programmé, et le montage vérifié sous toutes ses coutures pour détecter des ponts de soudure, des soudures manquantes, le montage peut être mis sous tension.
Si l'afficheur affiche quelque chose, la partie est bien engagée ! ;-)  Sinon, il faudra tout re-vérifier !

Calibration
Pour calibrer le montage, il faut disposer soit d'un autre Watt-mètre lui-même déjà calibré ou, comme je l'ai fait, d'un générateur HF.
Le logiciel permet 2 types de calibration, en 1 ou 2 points. La calibration 1 point est généralement suffisante.
La sortie ANT du coupleur sera chargée avec une charge fictive de qualité de 50 Ohm.

Pour une calibration simplifiée :
Entrer en mode SETUP en appuyant sur l'encodeur et en le tournant jusqu'à afficher CALIBRATE et valider en appuyant sur le poussoir de l'encodeur.
L'encodeur permet alors de choisir "OneLevelcal" (par défaut). Faire varier la valeur jusqu'à afficher 47.0 dBm. La dernière ligne devrait afficher "Poor signal quality"
Avec un émetteur réglé précisément à 50W (46,99 dBm), passer en émission, le message "Poor signal quality" doit disparaitre et être remplacé par "Signal detected".
Appuyer sur le poussoir pour valider la mesure.
Sortir du menu par le choix EXIT.

A la place de l'émetteur, on peut utiliser un générateur HF. Il faudra alors le connecter sur l'entrée FWD du Watt-mètre et appliquer un niveau correspondant à celui qui serait présent si on appliquait une puissance de 50 W sur le coupleur soit : 46,99 - 37,23 = +9,76 dBm, mais en réglant le niveau via le SETUP à 47 dBm ! (comme ci-dessus)
Tout autre niveau est bien sûr utilisable à condition de faire la conversion en dBm.
Utilisez le niveau de sortie le plus élevé possible de votre générateur.

Calibration précise :
Si on souhaite une calibration afin d'avoir une mesure plus précise sur une plus large gamme de puissance et compenser les erreurs de pente (25 mV/dB) des amplificateurs logarithmiques , il faut utiliser la calibration en 2 points.
La procédure avec 2 points de calibration est identique à celle décrite ci-dessus, mais en utilisant 2 puissances avec 30 dB de différence et en choisissant "1st level" puis "2nd level".
Si le 1er point a été réglé avec 50 W, le 2ème se fera donc à 0,05 W.
Pour le 1er niveau, utilisez le niveau de sortie le plus élevé possible de votre générateur si vous utilisez un générateur HF.

Avec une calibration sur le port FWD uniquement, on suppose que les 2 chaînes d'amplification FWD et REF sont identiques, ce qui est probablement le cas, mais il peut y avoir de légères différences.
Pour vérifier cela, il faut permuter les 2 câbles des ports FWD et REF. Si les mesures sont différentes, il faudra procéder à une calibration du port REF comme ci-dessus après avoir D'ABORD fait celle sur le port FWD.
Le logiciel détecte que c'est le port REF qui est utilisé et affiche "Reverse detected" sur la dernière ligne de l'afficheur.

J'espère avoir été utile ? Si oui, un petit commentaire me ferait plaisir. :-)

 Liens
- Groupe Radio Stuff
- Site de Johan PD0LEW