Amplificateur FM 40 watts 144‑146 MHz pour talkie‑walkie

Un article de Jean-Luc Levant, F4GSC

Cet amplificateur est destiné aux talkies-walkies et aux petits émetteurs/récepteurs dont la puissance est limitée à quelques watts. Il permet d’atteindre une puissance d’émission d’environ 40 watts en bande VHF (144‑146 MHz), tout en restant simple à réaliser et compatible avec un usage radioamateur courant.

Réalisation de l’amplificateur VHF 40 Watts

Cet amplificateur est destiné aux talkies-walkies et aux petits émetteurs/récepteurs dont la puissance est limitée à quelques watts. La conception repose sur un ensemble de modules facilement disponibles sur les sites marchands, ce qui permet une réalisation simple, rapide et accessible à tous.

Le filtre passe-bas ainsi que le coupleur directionnel peuvent être fabriqués directement sur du PCB FR4 standard. Ces deux éléments assurent le respect du spectre émis et permettent la mesure fiable de la puissance transmise et réfléchie.

L’ensemble est piloté par une carte Arduino Leonardo qui assure plusieurs fonctions essentielles :

• Détection automatique du passage en émission et en réception,
• Mesure de la puissance réellement envoyée vers l’antenne,
• Calcul du ROS en temps réel,
• Affichage simultané de la puissance directe, réfléchie et du ROS.

Grâce à cette architecture modulaire, la réalisation reste très accessible tout en offrant un ensemble complet, performant et parfaitement adapté aux besoins des radioamateurs souhaitant augmenter la portée de leur équipement portable.

Les caractéristiques de l’amplificateur

Cet amplificateur VHF a été conçu pour offrir de bonnes performances tout en restant simple à réaliser. Les mesures effectuées permettent de définir précisément ses capacités et son domaine d’utilisation.

Les principales caractéristiques sont :

• Gamme de fréquences : 144 à 146 MHz,
• Impédance d’entrée et de sortie : 50 Ω,
• Puissance d’entrée maximale : 1 à 5 W (30 à 37 dBm),
• Puissance de sortie maximale : 37 W (47 dBm),
• ROS en entrée : < 1,5 (1,16 mesuré).

Cette expérimentation a également pour objectif de valider un wattmètre basé sur un coupleur directionnel simplifié associé à une sonde logarithmique de type AD8307. Ce dispositif permet une mesure fiable de la puissance directe et réfléchie, indispensable pour surveiller le bon fonctionnement de l’amplificateur.

Description de l’amplificateur de puissance

Le schéma synoptique présenté ci-dessous illustre l’architecture générale de cet amplificateur VHF de 40 watts. L’ensemble a été conçu pour permettre à la fois l’amplification du signal issu d’un portatif et la mesure précise des paramètres RF essentiels au bon fonctionnement du système.

Une charge fictive de 40 watts est intégrée au montage afin de faciliter les mesures de puissance sans nécessiter d’antenne extérieure. Cette configuration permet de vérifier la puissance réellement transmise ainsi que le comportement de l’amplificateur en conditions contrôlées.

Le synoptique inclut également un coupleur directionnel simplifié, utilisé pour déterminer la puissance directe et réfléchie. Ces informations permettent d’obtenir une indication fiable du ROS du système antennaire ou de la charge fictive utilisée.

Figure : Synoptique de l’amplificateur.

Cette approche modulaire offre une excellente visibilité sur le fonctionnement de l’amplificateur et constitue une base solide pour l’expérimentation, l’optimisation ou l’intégration dans une installation radioamateur plus complète.

L’hybride et sa carte d’alimentation

Comme le montre la figure ci‑dessous, l’amplificateur repose sur un module hybride M57726 associé à une carte dédiée qui assure à la fois son alimentation et la détection automatique du passage en émission et en réception. Cet ensemble forme le cœur du système et permet une mise en œuvre particulièrement simple.

Figure : Assemblage de l’hybride M57726 avec sa carte d’alimentation et de détection.

Le câblage se limite à relier l’entrée, la sortie et l’alimentation de l’hybride aux connecteurs correspondants de la carte. L’entrée RF utilise un connecteur SMA, tandis que la sortie peut être équipée d’un SMA ou raccordée directement par un câble 50 Ω. Cette configuration minimale suffit pour obtenir les 40 watts de puissance annoncés.

Autres configurations possibles

Deux autres configurations de l’amplificateur sont illustrées sur la figure ci‑dessous. Elles permettent de visualiser différentes manières de mesurer la puissance transmise et, selon le montage, le ROS du système antennaire.

Figure 3 : a) mesure de la puissance transmise — b) mesure de Pi et du ROS.

La version a) permet de mesurer uniquement la puissance transmise vers l’antenne. Elle ne fournit pas d’indication sur le ROS, mais reste suffisante pour vérifier la puissance délivrée par l’amplificateur.

La version b) ajoute la mesure de la puissance réfléchie, ce qui permet de calculer le ROS. Elle intègre pour cela un coupleur directionnel, une sonde de puissance, un relais coaxial, un afficheur ainsi qu’une carte Arduino chargée de piloter l’ensemble.

C’est cette configuration b) qui est détaillée dans cet article, car elle offre une vision complète du comportement de l’amplificateur et de la qualité de l’adaptation antennaire.

Étude des caractéristiques de l’hybride de puissance

La figure ci‑dessous présente les principales caractéristiques de l’hybride M57726 dans sa configuration d’utilisation standard. La carte d’alimentation associée assure une adaptation correcte de l’entrée, ce qui permet de maintenir un coefficient de réflexion inférieur à 1,5.

Figure 4 : Caractéristiques de l’hybride M57726 de Mitsubishi.

Les émissions non essentielles (harmoniques 2 et 3) ne respectent pas les recommandations de la régulation des radiocommunications (1) (2), qui imposent une atténuation minimale de 59,53 dBc par rapport à la porteuse.

Pour une puissance de sortie de 43 W, la puissance exprimée en dBW vaut :

P(dBW) = 10 × log₁₀(43) = 16,53 dBW

L’atténuation minimale des émissions non essentielles doit donc vérifier :

P(dBc) = 43 + 16,53 = 59,53 dBc, 43 est une constante de l’équation

Les mesures de l’hybride donnent :

• Harmonique 2 : –35 dBc → atténuation nécessaire : 24,53 dB,
• Harmonique 3 : –45 dBc → atténuation nécessaire : 14,53 dB.

La figure suivante montre les niveaux mesurés des harmoniques 2 et 3 lorsque l’amplificateur délivre 42 W.

Figure 5 : Mesure des harmoniques 2 et 3 à 42 W.

Ces résultats montrent clairement qu’un filtre passe‑bas est indispensable en sortie de l’amplificateur pour respecter les limites réglementaires et garantir une émission propre.

Filtre passe‑bas

Le ROS mesuré à la sortie de l’amplificateur de puissance est maintenu inférieur à 1,1, ce qui correspond à un taux d’ondulation d’environ 0,01 dB (voir annexe 1). Pour garantir cette performance tout en assurant une excellente pureté spectrale, un filtre passe‑bas a été conçu à l’aide de l’outil LC Designer Tool⁽⁴⁾.

Sur la figure ci‑dessous, les paramètres du filtre sont saisis dans l’interface de l’outil (à gauche), tandis que le schéma électrique et les valeurs des composants sont automatiquement générés (à droite). Cette approche permet d’obtenir rapidement un filtre optimisé et parfaitement adapté à la bande de fonctionnement.

Figure : Paramétrage du filtre passe‑bas et schéma généré par LC Designer Tool.

Le filtre obtenu présente une atténuation suffisante des harmoniques tout en conservant une très faible perte d’insertion dans la bande utile. Il constitue ainsi un élément essentiel pour garantir la conformité spectrale de l’amplificateur et la protection des équipements situés en aval.

Réalisation du filtre passe‑bas d’ordre 5

La réalisation pratique du filtre passe‑bas d’ordre 5 repose sur une topologie comprenant une capacité en parallèle vers la masse. L’outil de conception affiche notamment le gain en fonction de la fréquence (courbe noire), mais permet également d’autres visualisations utiles, telles que la perte d’entrée, équivalente à l’inverse du coefficient de réflexion exprimé en dB.

Comme on peut le constater, l’atténuation obtenue à 290 MHz (‑23 dB) est légèrement inférieure aux ‑25 dB attendus. En revanche, l’atténuation est significativement plus forte à 435 MHz, atteignant ‑43 dB au lieu des ‑15 dB prévus. Cette caractéristique renforce l’efficacité du filtre pour la suppression des harmoniques hautes.

Figure 7 : Réponse en fréquence du filtre passe‑bas.

Optimisation du filtre passe‑bas

Pour atteindre les performances attendues, il serait nécessaire d’augmenter l’ordre du filtre à 6, ce qui impliquerait l’ajout d’une inductance supplémentaire. Une autre approche consiste à rendre C1, C2 et C3 ajustables. La figure ci‑dessous montre qu’avec cette méthode, les objectifs en ROS et en atténuation sont atteints. Pour cette optimisation, nous utilisons le logiciel Qucs Studio⁽⁵⁾.

Figure 8 : Valeur des éléments du filtre passe‑bas après optimisation avec Qucs Studio.

Figure 9 : ROS et atténuation du filtre optimisé.

Dimensionnement des inductances L1 et L2

Les inductances L1 et L2 peuvent être réalisées à l’aide d’un outil dédié au dimensionnement des bobines⁽⁶⁾. Les paramètres retenus sont les suivants :

• d : diamètre du fil = 1 mm
• l : longueur = 8 mm
• d_int : diamètre intérieur = 5 mm
• D : diamètre extérieur = 6 mm (d_int + d/2)
• N : nombre de spires = 5

Dans ces conditions, L1 et L2 comportent cinq spires réparties sur une longueur totale d’environ 8,5 mm.

Figure 10 : Dimensionnement des inductances L1 et L2.

Mesure des inductances L1 et L2

La figure ci‑dessous illustre la platine utilisée pour mesurer les inductances L1 et L2 à l’aide d’un nanoVNA. Il s’agit simplement d’un morceau de carte PCB muni d’un plan cuivré. Un évidement est réalisé pour connecter l’âme centrale du connecteur au point chaud de l’inductance, tandis que l’autre extrémité est soudée directement sur le plan de masse. L’ensemble est ensuite raccordé au nanoVNA pour la mesure.

Carte pour mesurer les inductances L1 et L2.

Il doit bien sûr être calibré en mode S11 avec les trois charges habituelles (open, short, load). Une fois cette calibration effectuée, le logiciel nanoVNA‑Saver affiche directement la valeur de l’inductance L, ce qui permet une mesure rapide et fiable.

Sonde de puissance

La sonde logarithmique de puissance AD8307 possède des caractéristiques particulièrement bien adaptées à cet amplificateur :

• Tension d’alimentation : +2,7 V à +55 V
• Gamme de fréquences : 0 Hz à 500 MHz
• Gamme de puissance : −77 dBm à +16 dBm
• Sensibilité : +25 mV/dB
• Dynamique : 87 dB
• Niveau de sortie du capteur : 0,25 V à 2,5 V

La dynamique de cette sonde permet d’obtenir un facteur de couplage intéressant tout en impactant très faiblement le ROS et la perte d’insertion du coupleur.

Figure 19 : Sonde logarithmique de puissance AD8307.

Coupleur

Ce coupleur mesure la puissance transmise avec une faible perte d’insertion et un ROS proche de 1. Le facteur de couplage est choisi de manière à ce que, pour une puissance appliquée de +46 dBm, la puissance au niveau de la sonde soit de −10 dBm.

Figure 20 : Principe du coupleur.

Utilisons Qucs Studio⁽⁵⁾ pour concevoir un coupleur de −40 dB muni d’un atténuateur de −20 dB afin d’obtenir un couplage total de −60 dB.

Figure 21 : Schéma du coupleur muni de son atténuateur −20 dB.

La simulation Qucs permet une première validation du montage.

Figure 22 : FC proche de −60 dB, IL < −0,2 dB.

Réalisation du coupleur et du filtre passe‑bas

Les deux dispositifs sont installés dans un boîtier métallique afin de les protéger des émissions directes provenant de l’étage de puissance. Cette disposition limite les couplages parasites et améliore la stabilité des mesures.

Réalisation du filtre

La figure ci‑dessous montre la réalisation du filtre passe‑bas. Tous les éléments sont assemblés sur une plaquette d’époxy cuivrée. Les connexions sont réalisées à l’aide de languettes d’époxy de 3,3 mm et 1,6 mm.

Performances mesurées :

• ROS : < 1,1
• Atténuation à 290 MHz : −20 dBc
• Atténuation à 435 MHz : −47 dBc

Figure 23 : Réalisation et performances du filtre passe‑bas.

Réalisation du coupleur

Le coupleur à bas coût est réalisé conformément aux dimensions déterminées précédemment. Il est connecté au filtre par un petit morceau de coaxial 50 Ω. Les performances obtenues sont conformes aux attentes :

• FC : < −41 dB
• ROS : < 1,09

Figure 24 : Réalisation du coupleur.

Performances du couple filtre‑coupleur

La version assemblée est représentée ci‑dessous. Les performances globales sont conformes aux attentes :

• ROS : 1,15
• IL : < −0,165 dB
• IL à 290 MHz : < −22 dB
• IL à 435 MHz : < −51 dB

Figure 25 : Performances du couple filtre‑coupleur.

Carte de pilotage Arduino Leonardo

Le faible nombre de signaux à piloter permet d’utiliser une petite carte Arduino Leonardo. Les affectations des broches sont les suivantes :

• Broche 9 : Lecture du bouton poussoir
• Broche A0 : Lecture de la tension issue du capteur AD8307
• Broche 8 : Pilotage du relais coaxial
• Broches 2 (SDA) et 3 (SCK) : Gestion de l’afficheur

Figure 26 : Carte Arduino Leonardo pour le pilotage du wattmètre.

Le régulateur de tension fournit le +5 V et il est connecté sur la broche VCC de la carte Leonardo. Cette dernière ne supporte pas d’avoir simultanément le +5 V provenant du connecteur USB et celui du régulateur externe.

Alimentation externe et sécurité

Si les deux sources +5 V sont connectées ensemble, l’une d’elles se comportera comme une charge dont le courant ne sera limité que par sa faible résistance interne. Cela entraînerait un courant très important et détruirait instantanément le régulateur ou la carte.

Figure 27 : Carte alimentée par un régulateur externe.

La connexion USB reste fonctionnelle à condition que l’amplificateur soit alimenté par le +12 V. La carte est alors alimentée par le régulateur +5 V externe.

Coupure de la piste VCC USB

La figure suivante montre l’endroit exact où couper la piste reliant le VCC USB à l’entrée du régulateur de la carte Arduino Leonardo. Cette modification garantit qu’aucun conflit d’alimentation ne puisse se produire.

Figure 28 : Coupure de la connexion entre VCC USB et l’entrée du régulateur.

La carte est équipée de plusieurs connecteurs afin de faciliter le montage et le démontage. Les connexions internes sont réalisées en wrapping, ce qui permet une grande modularité et une maintenance aisée.

Schéma complet de l’amplificateur

La figure ci‑dessous présente le schéma complet de l’amplificateur, intégrant l’ensemble des fonctions : étage de puissance, filtre passe‑bas, coupleur directionnel, sonde AD8307, carte Arduino Leonardo et gestion du relais.

Figure 29 : Schéma complet de l’amplificateur.

Réalisation complète

La vue interne ci‑dessous montre l’ensemble des modules une fois intégrés dans le boîtier : étage de puissance, filtre passe‑bas, coupleur, sonde AD8307, carte Arduino Leonardo et câblage associé. L’ensemble forme un système compact, robuste et parfaitement fonctionnel.

Figure 30 : Réalisation complète de l’amplificateur.

Principe de la mesure

La figure ci‑dessous montre le principe de la mesure, réalisée en deux étapes. Le relais coaxial permet de sélectionner l’une des deux positions :

• Position 1 : Le coupleur voit la charge 50 Ω. Il y a adaptation et la puissance mesurée Pm correspond à la puissance incidente Pi. La tension Vm est l’image de Pm.
• Position 2 : Le coupleur voit la charge réelle (antenne Z_ant). Si elle n’est pas parfaitement adaptée, une partie de l’énergie est réfléchie (Pr). La sonde mesure alors Pm = Pi − Pr. Vm représente la puissance réellement transmise à l’antenne.

Figure 31 : Principe de la mesure de la puissance transmise à l’antenne et du ROS.

À partir de ces deux mesures, il est possible de déterminer le ROS (Rapport d’Onde Stationnaire). Les relations mathématiques utilisées sont présentées ci‑après.

Relations mathématiques du ROS

À partir de ces deux mesures, nous pouvons déterminer le ROS (Rapport d’Onde Stationnaire). Les relations mathématiques qui permettent de calculer celui-ci sont décrits ci-après:

Figure 32 : Relations mathématiques liant le ROS aux deux mesures.

Si l’antenne est adaptée à 50 ohms, la réflexion est nulle et le ROS est égal à 1. Si ce n’est pas le cas, la réflexion est comprise entre 0 et 1 et le ROS entre 1 et l’infini.

Le coupleur étant seulement directionnel et sa taille étant réduite, la valeur du ROS n’est qu’une information approximative sur la désadaptation de l’antenne (faible directivité). La puissance fournie à l’antenne est par contre précise.

Le coupleur étant faiblement directionnel, la valeur du ROS reste indicative. En revanche, la puissance réellement transmise à l’antenne est mesurée avec précision.

Calibrage des voies pAnt et p50

Les deux voies de mesure, pAnt et p50, ne sont pas parfaitement identiques en raison des pertes dans le relais coaxial, les câbles et les connecteurs. Le calibrage consiste à mesurer la tension Vm pour différentes puissances incidentes Pi, comprises entre 5 W et 40 W.

Les deux positions du relais permettent d’effectuer les calibrages séparément :

• Position 1 : Le coupleur voit une charge 50 Ω. On mesure Vm en fonction de Pi pour la voie p50.
• Position 2 : Le coupleur voit l’antenne (Z_ant). On mesure Vm en fonction de Pi pour la voie pAnt.

Le tableau ci‑dessous présente un exemple de mesures réalisées alternativement sur les deux voies.

La configuration de calibrage utilisée pour obtenir ces mesures est illustrée ci‑dessous.

Figure 33 : Configuration de calibrage des voies pAnt et p50.

Calcul des constantes a et b et génération des courbes

Les mesures effectuées sur les deux voies pAnt et p50 permettent d’établir une relation entre la tension Vm fournie par la sonde AD8307 et la puissance appliquée Pi. Cette relation est modélisée par une fonction exponentielle de la forme :

P = exp((Vm - b) / a)

Les constantes a et b sont obtenues par une régression linéaire appliquée à la relation :

ln(P) = (1/a) Vm - (b/a)

Le script Python ci‑dessous calcule automatiquement les constantes a et b pour les deux voies, puis génère la courbe Pi(Vm) en échelle logarithmique.

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# Données de calibration
Pant = np.array([5,10,15,20,25,30,35,40], dtype=float)
Vant = np.array([1.522,1.609,1.657,1.693,1.720,1.741,1.762,1.777], dtype=float)

Pref = np.array([5,10,15,20,25,30,35,40], dtype=float)
Vref = np.array([1.49,1.569,1.618,1.651,1.677,1.700,1.717,1.732], dtype=float)

# Fonction de calcul des coefficients a et b
def calc_coeff(V, P):
    Y = np.log(P)
    A = np.vstack([V, np.ones(len(V))]).T
    a, b = np.linalg.lstsq(A, Y, rcond=None)[0]
    return a, b

# Calcul des coefficients
a_ant, b_ant = calc_coeff(Vant, Pant)
a_ref, b_ref = calc_coeff(Vref, Pref)

print("=== Coefficients pAnt ===")
print("a =", a_ant)
print("b =", b_ant)

print("\n=== Coefficients p50 ===")
print("a =", a_ref)
print("b =", b_ref)

# Tracé
plt.figure(figsize=(8,6))
plt.semilogy(Vant, Pant, 'o-', label="pAnt")
plt.semilogy(Vref, Pref, 's-', label="p50")
plt.xlabel("Tension Vm (V)")
plt.ylabel("Puissance Pi (W) [échelle log]")
plt.title("Relation entre Vm et Pi pour pAnt et p50")
plt.grid(True, which="both")
plt.legend()
plt.show()
            

L’exécution du script fournit les valeurs suivantes, utilisées dans le programme Arduino :

• pAnt : a = 0.1274    b = 1.3050
• p50 : a = 0.1282    b = 1.3234

Ces constantes permettent de convertir directement la tension mesurée Vm en puissance P dans les fonctions puissanceAnt() et puissance50() du programme Arduino.

Relation entre la puissance Pi et la tension Vm

Pour chacune des puissances appliquées, la tension Vm mesurée par la sonde logarithmique AD8307 est comprise entre +1,5 V et +1,8 V. La figure ci‑dessous illustre la relation entre la puissance incidente Pi et la tension Vm mesurée sur les deux voies p50 et pAnt.

Figure 34 : Relation entre la puissance Pi et la tension Vm fournie par la sonde AD8307.

Les données de mesures ont été fournies à mon IA favori du moment, Claude Sonnet 3.7, qui a généré les deux équations exponentielles annotées dans le graphe de la figure ci‑dessus. Dans ces équations, l’opérateur exp désigne la fonction exponentielle. Ces équations sont utilisées directement dans le programme Arduino pour convertir la tension Vm en puissance P.

La figure suivante illustre les deux courbes exponentielles ajustées, l’une pour la voie pAnt et l’autre pour la voie p50. Elles montrent la cohérence du modèle et la précision de la sonde AD8307 dans la plage de puissance considérée.

Figure 35 : Courbes exponentielles ajustées pour les voies pAnt et p50.

Programme de gestion de l’amplificateur

Le programme complet de gestion de l’amplificateur peut être téléchargé sur le site de l’ARML⁽⁶⁾. Il pilote l’ensemble des fonctions : mesure des puissances, calcul du ROS, gestion du relais coaxial, acquisition des tensions issues de la sonde AD8307 et affichage des résultats.

L’organigramme général du programme est présenté dans la figure ci‑dessous. Il décrit la logique de fonctionnement et les transitions entre les différents modes de mesure.

Figure 36 : Organigramme du programme de gestion de l’amplificateur.

Le programme comporte quatre modes de fonctionnement, sélectionnés via le terminal série. L’utilisateur envoie un caractère compris entre 0 et 3 pour choisir le mode souhaité.

• Mode 0 – Wattmètre
  C’est le mode par défaut. Il s’active automatiquement lorsque l’amplificateur est sous tension ou lorsque l’utilisateur envoie le caractère “0” depuis un terminal série (exemple : IDE Arduino). Il mesure en continu la puissance transmise à l’antenne et calcule le ROS.
• Mode 1 – Mesure puissance pAnt
  Mesure la puissance réellement transmise à l’antenne.
• Mode 2 – Mesure puissance p50
  Mesure la puissance consommée par la charge fictive 50 Ω.
• Mode 3 – Mesure du ROS
  Calcule le ROS à partir des deux puissances mesurées (pAnt et p50).

Pour ne pas alourdir cette publication, seule la description du mode Wattmètre est détaillée dans la section suivante.

(6) Site de l’ARML : https://arml.r-e-f.org/

Programme Wattmètre

Le mode Wattmètre est le mode principal du programme. Il mesure en permanence la puissance transmise à l’antenne (pAnt), calcule le ROS et affiche ces deux grandeurs sur l’afficheur.

Pour déterminer le ROS, le programme a également besoin de connaître la puissance absorbée par la charge de référence 50 Ω (p50). Cette valeur est actualisée à chaque appui sur le bouton poussoir BP50, ce qui permet de recalibrer la puissance incidente utilisée pour le calcul.

L’organigramme ci‑dessous illustre le fonctionnement du mode Wattmètre : lecture continue de la tension issue de la sonde AD8307, conversion en puissance, mise à jour éventuelle de p50, calcul du ROS et affichage.

Figure 37 : Organigramme du programme Wattmètre.

Fonction de calcul des deux puissances pAnt et p50

Les deux fonctions puissanceAnt() et puissance50() ont été générées à partir des mesures expérimentales effectuées sur les deux voies du wattmètre. Elles utilisent la tension Vm fournie par la sonde logarithmique AD8307, qui est l’image directe des puissances mesurées (pAnt et p50).

Pour chaque puissance appliquée Pi comprise entre 5 W et 40 W, la tension mesurée Vm se situe entre +1,5 V et +1,8 V. La relation entre Vm et Pi est de nature exponentielle, ce qui permet de généraliser le calcul de la puissance pour toute valeur intermédiaire.

Par exemple, pour une puissance appliquée de 10 W :

• Vm = 1,60 V pour la voie p50
• Vm = 1,62 V pour la voie pAnt

Les fonctions ci‑dessous implémentent le modèle exponentiel :

//========================================================================================
//-- Calcul de la puissance transmise à l'antenne (voie pAnt)
//-- Modèle exponentiel basé sur les mesures expérimentales
//========================================================================================
float puissanceAnt(float mesure)
{
    const float a = 0.1274;
    const float b = 1.3050;

    // Calcul de la puissance : P = exp((Vm - b) / a)
    float puissance = exp((mesure - b) / a);
    return puissance;
}

//========================================================================================
//-- Calcul de la puissance consommée par la charge 50 ohms (voie p50)
//-- Modèle exponentiel basé sur les mesures expérimentales
//========================================================================================
float puissance50(float mesure)
{
    const float a = 0.1282;
    const float b = 1.3234;

    // Calcul de la puissance : P = exp((Vm - b) / a)
    float puissance = exp((mesure - b) / a);
    return puissance;
}
            

Ces deux fonctions sont utilisées dans le programme Wattmètre pour convertir en temps réel la tension mesurée Vm en puissance exprimée en watts. Elles constituent la base du calcul du ROS, présenté dans la section suivante.

Calcul du ROS

La fonction calculerROS() applique directement les relations mathématiques décrites précédemment pour déterminer le Rapport d’Onde Stationnaire (ROS). Elle utilise les deux puissances mesurées :

• p50 : puissance incidente mesurée sur la charge 50 Ω,
• pAnt : puissance réellement transmise à l’antenne.

Le ROS est calculé à partir du coefficient de réflexion ρ, défini par :

ρ = √(1 - pAnt/p50)

Une fois ρ déterminé, le ROS est obtenu par la relation classique :

ROS = (1 + ρ) / (1 - ρ)

La fonction ci‑dessous implémente ce calcul, tout en intégrant plusieurs sécurités pour éviter les divisions par zéro ou les valeurs incohérentes.

//=========================================================================================
//-- Calcul du ROS à partir des mesures de puissance p50 et pAnt
//=========================================================================================
float calculerROS(float p50, float pAnt)
{
    // Vérifier que les puissances sont valides
    // Par défaut, ROS = 1 si les données sont invalides
    if (p50 <= 0.0 || pAnt <= 0.0)
        return 1.0;

    // Si pAnt > p50, on limite pour éviter une valeur négative sous la racine
    if (pAnt > p50)
        pAnt = p50;

    // Calcul du coefficient de réflexion
    float rho = sqrt(1 - pAnt / p50);

    // Si rho = 1, ROS infini (court-circuit ou circuit ouvert)
    if (rho >= 1.0)
        return 999.9;

    // Calcul du ROS
    return (1.0 + rho) / (1.0 - rho);
}
            

Cette fonction est utilisée dans le mode Wattmètre pour afficher en temps réel le ROS de l’antenne, basé sur les puissances mesurées par les deux voies du wattmètre.

Conclusions et perspectives

La construction de cet amplificateur peut être réalisée par des OMs de tous niveaux. La version la plus simple, limitée à l’amplification RF, ne présente aucune difficulté particulière et constitue un excellent projet pour découvrir la réalisation VHF - UHF moderne.

La version complète, intégrant le wattmètre, la mesure des puissances pAnt et p50, le calcul du ROS et l’affichage piloté par une carte Arduino, s’adresse davantage aux OMs souhaitant aller plus loin dans l’instrumentation et le traitement numérique des mesures RF. Elle permet de se familiariser avec la programmation embarquée, les capteurs logarithmiques, les modèles d’interpolation exponentielle et la gestion d’un système autonome.

Ce projet ouvre également la voie à plusieurs évolutions possibles : ajout et enregistrement des mesures, affichage graphique, intégration dans une station automatisée ou encore adaptation à d’autres bandes de fréquences. Les possibilités sont nombreuses et permettent à chacun d’adapter l’ensemble à ses besoins.

Pour aller plus loin