Le coupleur directionnel
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Voir aussi : - Le ROS, rapport d'ondes stationnaires - Réalisation d'un coupleur HF -

Généralités

Un coupleur directionnel est un dispositif qui permet de contrôler la transmission d'énergie le long d'une ligne. Il s'insère sur la ligne, par exemple entre l'émetteur et l'antenne et mesure le courant HF qui circule dans celle ci en prélevant une petite partie de ce courant, de l'ordre de quelques %. Sa construction permet de mesurer soit le courant direct, c'est à dire circulant de l'émetteur vers l'antenne, soit le courant réfléchi à l'extrémité de la ligne en cas de mauvaise adaptation des impédances. En simplifiant quelque peu, on peut comparer le fonctionnement d'un coupleur directionnel avec celui d'un aiguillage qui enverrait dans la direction du port P3 un wagon sur dix ou sur cent. Le port P3 ne reçoit de wagons que de P1, pas de P2.
La mesure du courant direct et du courant réfléchi puis le calcul du rapport entre les deux permet de déterminer le ROS (rapport d'ondes stationnaires) dans la ligne. La plupart des ROS-mètres utilisent deux coupleurs directionnels ou un seul coupleur pouvant s'inverser pour mesurer l'amplitude du courant direct et ensuite du courant réfléchi. Il y a bien d'autres applications du coupleur directionnel mais c'est principalement son utilisation dans la mesure des ondes stationnaires qui intéresse l'amateur d'ondes courtes.

Principe du coupleur directionnel

Un coupleur directionnel est constitué d'un tronçon de ligne de même impédance que celle sur laquelle il sera utilisé, par exemple 50 ou 75 ohms. Cette ligne peut être une ligne sur circuit imprimé, un guide d'onde, un câble coaxial...Pour une ligne coaxiale on peut utiliser une petite longueur de câble (de quelques centimètres à quelques décimètres). Parallèlement à l'âme de la ligne est placée à quelques millimètres de celle-ci une ligne de mesure. Le courant qui circule du port P1 au port P2 dans la ligne principale induit un courant dans la ligne de mesure et provoque l'apparition d'une tension entre les deux armatures du condensateur que forment les deux lignes. Dans un coupleur parfait les signaux générés par ces deux phénomènes s'additionnent dans le sens direct et s'annulent dans le sens inverse.
Une des extrémités de la ligne de mesure (port P4) est reliée au blindage de la ligne principale au travers d'une charge purement résistive d'une valeur qui dépend des dimensions de cette ligne de mesure et qui peut être différente de l'impédance de la ligne principale. Lorsqu'un courant circule dans la ligne principale du coupleur, une fraction (un échantillon) de ce courant se retrouve à l'autre extrémité (port P3) de la ligne de mesure. Dans un coupleur parfait, le rapport entre le courant utile allant de l'émetteur vers l'antenne et le courant prélevé est constant. On peut donc connaître les variations d'amplitude de l'un en mesurant celle de l'autre, comme dans un transformateur. La comparaison avec le transformateur s'arrête là car le coupleur directionnel permet la mesure du courant direct en ignorant le courant réfléchi et réciproquement. Le coupleur parfait n'existant pas, le domaine d'utilisation d'un coupleur réel est limité, tant dans la bande de fréquence que dans celle des puissances mises en jeu.

Le facteur de couplage

Le rapport entre la puissance véhiculée Pe sur la ligne principale et la puissance prélevée pour la mesure Pmes est le facteur de couplage. On l'exprime en décibels à l'aide de la formule suivante :

Pe et Pmes sont exprimées avec la même unité (watt, par ex.)
Exemple :
- Un coupleur 10 dB prélève 10% de la puissance véhiculée sur la ligne. Si celle-ci est de 100 W, la puissance disponible sur le port de mesure sera de 10 watts, c'est à dire à un niveau -10dB par rapport au niveau sur le port P1 à l'entrée de la ligne principale.
Plus le facteur de couplage est faible, plus grande sera la puissance disponible pour la mesure. Pour des mesures en QRP on peut descendre à 10 dB car l'amplitude du signal doit nettement dépasser seuil de la diode de redressement.
Le facteur de couplage est généralement de 20 ou 30dB.
La puissance prélevée pour la mesure fait partie des pertes d'insertion du coupleur.

Pertes d'insertion

Comme tout élément de ligne, un coupleur directionnel atténue le signal transmis à l'antenne.
Cette atténuation a une double origine :
- des pertes, de même nature que celles introduites par un connecteur, par exemple (rayonnement par fuite, résistance des contacts, défaut d'isolation...). Si la ligne de mesure a ses deux extrémités en l'air ces pertes ont une certaine valeur, par exemple : 0,1 dB.
- la puissance détournée et due au couplage. Pour un coupleur dont le facteur de couplage est de 10 dB, ce prélèvement est de 10%, la puissance en sortie sera égale à 90% de la puissance en entrée, ce qui correspondra à une perte de 0,45dB entre les ports P1 et P2.
Exemples de pertes d'insertion dues au couplage :
 Facteur de Couplage

 Pe/Pmes

 pertes (dB)

 5

  0,31

 1,65

 10

  0,1

 0,46

 20

  0,01

 0,043

 30

  0,001

 0,0043

 40

  0,0001

 0,00043


Directivité d'un coupleur

La directivité d'un coupleur est liée à l'isolement entre les ports P3 et P4. Lors de la mesure dans le sens direct, une petite partie du signal de mesure de l'onde réfléchie est présente sur le port de mesure de l'onde directe. Ce signal va s'ajouter ou se retrancher (selon sa phase) au signal de mesure de l'onde directe. Cette perturbation est d'autant plus importante que la directivité est faible et l'amplitude de l'onde réfléchie est grande, dans le cas d'un ROS important.
Exemple :
Soit un coupleur directionnel dont le facteur de couplage est 20 dB et la directivité 30dB. Si la "puissance" de l'onde directe est 100 W et la "puissance" de l'onde réfléchie est 4 W (pour un ROS de 1,5), la puissance disponible pour la mesure de l'onde directe sera de 1 W (-20dB) et celle du signal de l'onde réfléchie de 0,04 W. Comme la directivité est de 30 dB, la fraction du signal de l'onde réfléchie perturbant la mesure de l'onde directe sera de 0,00004 W (-30dB), quantité négligeable par rapport au 1 W du signal de mesure.
Par contre, dans la mesure de la "puissance" réfléchie (0,04 W) la fraction du signal de mesure de la puissance directe (1W) qui perturbera la mesure de l'onde réfléchie sera de 0,001 W ce qui représente déjà plus de 2% d'erreur. C'est pour la mesure des faibles valeurs de l'onde réfléchie que l'erreur relative est la plus grande.

Caractéristiques d'un coupleur directionnel

Le choix d'un coupleur directionnel dépend :
- puissance maximum à transmettre, elle dépent de la qualité de la réalisation et des dimensions du coupleur.
- bande de fréquence d'utilisation, déterminée par le type et la technologie utilisée
- précision de la mesure, d'autant meilleure que la directivité du coupleur sera grande.
- puissance minimum nécessaire pour la mesure, liée à la puissance dans la ligne principale et au facteur de couplage

La réalisation d'un coupleur directionnel satisfaisant est à la portée de l'amateur qui obtiendra facilement et à bon compte un appareil de mesure qui se situera à mi-chemin entre le ROS-mètre de CB et l'appareil de mesure professionnel.


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