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 rĂ©ponse,

à partir de 3 paramètres :

  • F : frĂ©quence de coupure Ă  -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 tempsFigure 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 sortieFigure 2: Filtre passe-bas du PA – Graphe des tensions d’entrĂ©e et de sortie

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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©quencesFigure 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,
  • gĂ©nĂ©rateur d’entrĂ©e V2: AC Amplitude = 1 V,
  • FrĂ©quence de coupure Fm = 0.9 * 14,1 = 12,69 MHz.

Figure 4: Filtre passe-bas du PA - Courbe de rĂ©ponse en frĂ©quenceFigure 4: Filtre passe-bas du PA – Courbe de rĂ©ponse en frĂ©quence

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6. Finalisation du projet

Après analyse des résultats, mon filtre a les caractéristiques suivantes:

  • 7 pĂ´les pour atteindre les niveaux fixĂ©s par la rĂ©glementation,
  • 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 finalFigure 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©quenceFigure 6: Filtre passe-bas du PA – Finalisation – Courbe de rĂ©ponse en frĂ©quence

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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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