Transceiver CW 20 m – Filtre de sortie du PA
Le filtre de sortie du PA a deux fins essentielles :
- l’adaptation d’impĂ©dance du PA Ă la charge,
- le rejet des harmoniques et des Ă©mission parasites.
Il est bon de rappeler la rĂ©glementation au sujet du niveau relatif des rayonnements non essentiels admissibles au-dessus de 40 MHz, mesurĂ© Ă l’entrĂ©e de la ligne d’alimentation de l’antenne. Il est :
- d’au moins -50 dB pour les Ă©metteurs de puissance infĂ©rieure ou Ă©gale Ă 25 W,
- d’au moins -60 dB pour les Ă©metteurs de puissance supĂ©rieure Ă 25 W.
Ces objectifs sont en général atteints par des filtres passe-bande ou passe-bas.
1. Hypothèses de départ
Puissance de sortie du PA <= 5 W.
ImpĂ©dance de sortie du PA Ă dĂ©terminer lors de l’Ă©tude du PA.
Charge de sortie de l’antenne RL = 50 Ω.
Adaptation de l’impĂ©dance de sortie du PA Ă la charge RL par transformateur.
Filtre de sortie du type passe-bas.
2. Caractéristiques générales du filtre
J’ai optĂ© pour un filtre demi-onde Ă 5 pĂ´les qui est le plus simple Ă rĂ©aliser. Il est ainsi appelĂ© parce qu’il produit un dĂ©phasage de 180° entre l’entrĂ©e et la sortie du filtre et qu’il est constituĂ© de 5 Ă©lĂ©ments rĂ©actifs : 2 inductances et 3 condensateurs. L’utilisation d’un transformateur d’adaptation d’impĂ©dance facilite le calcul du filtre qui voit Ă l’entrĂ©e comme Ă la sortie une impĂ©dance de 50 Ω. Le filtre est donc rĂ©versible.
3. Conception
Le filtre a Ă©tĂ© conçu Ă l’aide de LTspice. Le modèle proposĂ© :
- calcule les composants du filtre,
- trace la courbe de réponse,
à partir de 3 paramètres :
- F : fréquence de coupure à -3db,
- Z : impĂ©dance d’entrĂ©e et de sortie du filtre,
- AL : coefficient d’inductance du tore.
4. Calcul du circuit simulé avec LTspice en fonction du temps
Avec cette simulation nous calculons les composants du filtre.
La figure 1 ci-dessous montre le filtre à calculer. Il est composé de 2 inductances L1 et L2, de 3 condensateurs C1, C2, C3.
Figure 1: Filtre passe-bas du PA – Simulation LTspice en fonction du temps
Le calcul d’un tel filtre est tout Ă fait simple. On pose :
- XL1 = XL2 = 50 Ω,
- XC1 = XC3 = 50 Ω,
- XC2 = 50/2 = 25 Ω,
A la fréquence de coupure F -3dB, on calcule :
- L = XL/2Ď€F,
- C = 1/2Ď€FXC,
- n2 = L/AL = nombre de tours de la bobine L.
4.1. Directives LTspice principales
Entrer vos paramètres dans la directive
.PARAM Z=50 F=14.1Meg AL=3n ; Edit your parameters
Le coefficient d’inductance AL indiquĂ© ici est celui du tore T37-6.
La directive .STEP PARAM m 0.9 1.2 0.1
dĂ©finit le paramètre incrĂ©mentiel m qui permet de tracer 4 courbes autour de F, telle que Fmi = F.mi, et de choisir ainsi la meilleure frĂ©quence de coupure. Vous pouvez aussi adapter ce paramètre en changeant l’intervalle et l’incrĂ©ment.
4.2. RĂ©sultat du calcul
Le résultat du calcul est enregistré dans le fichier log dont un exemple est donné ci-dessous.
.step m=0.9 .OP point found by inspection. .step m=1 .step m=1.1 .step m=1.2 Measurement: fm_ step fm 1 1.269e+007 2 1.41e+007 3 1.551e+007 4 1.692e+007 Measurement: l1_ step l1 1 6.27088e-007 2 5.64379e-007 3 5.13072e-007 4 4.70316e-007 Measurement: c1_ step c1 1 2.50835e-010 2 2.25752e-010 3 2.05229e-010 4 1.88126e-010 Measurement: c2_ step c2 1 5.0167e-010 2 4.51503e-010 3 4.10458e-010 4 3.76253e-010 Measurement: n1_ step n1 1 14.4578 2 13.7159 3 13.0776 4 12.5209
4.3. Graphe des tensions
La figure 2 ci-dessous, montre le dĂ©calage de 180° entre la tension d’entrĂ©e et la tension de sortie.
Figure 2: Filtre passe-bas du PA – Graphe des tensions d’entrĂ©e et de sortie
Télécharger les fichiers de simulation LTspice.
5. Courbe de réponse en fréquences du circuit simulé avec LTspice
Le schéma figure 3 ci-dessous, montre le circuit de simulation.
Figure 3: Filtre passe-bas du PA – Simulation LTspice en frĂ©quences
L’analyse des diffĂ©rents rĂ©sultats rĂ©vèle que la première frĂ©quence s’approche le plus des exigences de la rĂ©glementation sans toutefois l’atteindre. En effet on obtient -48dB Ă 40MHz soit un erreur de 4% en admettant une lĂ©gère perte d’insertion. Le schĂ©ma figure 4 ci-dessous, montre les courbes S21 Insertion loss et S11 Return loss obtenues avec les options suivantes:
- simulation AC,
- générateur d’entrée V2: AC Amplitude = 1 V,
- Fréquence de coupure Fm = 0.9 * 14,1 = 12,69 MHz.
Figure 4: Filtre passe-bas du PA – Courbe de rĂ©ponse en frĂ©quence
Télécharger les fichiers de simulation LTspice.
6. Finalisation du projet
Après analyse des résultats, mon filtre a les caractéristiques suivantes:
- 7 pôles pour atteindre les niveaux fixés par la réglementation,
- C1 = C5 = 220 pF,
- C2 = C3 = 440 pF,
- L1 = L2 = L3 = 588 nH = 14 tours sur tore T37-6.
Nota: quand on ajoute une maille supplémentaire (2 pôles), L conserve la même valeur, la valeur du condensateur entre les 2 mailles est multipliée par 2.
Le schéma figure 5 ci-dessous, montre le circuit de simulation.
Figure 5: Filtre passe-bas du PA – ShĂ©ma LTspice final
Le schĂ©ma figure 6 ci-dessous, montre que l’attĂ©nuation atteint 66,5 dB Ă 40 MHz.
Figure 6: Filtre passe-bas du PA – Finalisation – Courbe de rĂ©ponse en frĂ©quence
Télécharger les fichiers de simulation LTspice.
Références
RĂ©glementation – Annexe3 – CaractĂ©ristiques Techniques Ă respecter lors d’une installation radioĂ©lectrique des services d’amateur
TUTORIAL: TRANSMITTER (PA) OUTPUT FILTERS by Paul Harden, NA5N
Second-Harmonic-Optimized Low-Pass Filters By Ed Wetherhold, W3NQN
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