L' Emission et la Réception d'Amateur de Roger A. RAFFIN F3AV 6ème édition 1966

J’ai commencé la réalisation du châssis et du boîtier. J’ai choisi de monter chaque module sur plaquette PCB FR4 pastillée étamée à trous métallisés double face de 5x7x0,16 cm. Disponibles sur Ebay, ces plaquettes sont de bonne qualité, d’un prix abordable achetées par paquet. Elles sont fixées sur le châssis. Je reviendrai plus tard sur sa fabrication. Avec la première version j’ai repris lentement possession d’un domaine que j’avais laissé depuis longtemps (Photo ci-contre L’ Emission et la Réception d’Amateur de Roger A. RAFFIN F3AV 6ème édition 1966).

Fiat lux… A l’écoute des QSO, à l’observation des performances du récepteur, à la lumière de l’expérience acquise je révise chaque module.


1. Description fonctionnelle

Il comprend les éléments suivants:

  • le commutateur Rx/Tx,
  • le limiteur à diode,
  • l’atténuateur,
  • le filtre passe bande,
  • l’amplificateur RF.

Le schéma fonctionnel est représenté figure 1. Chaque élément est décrit dans les paragraphes suivants.

Figure 1 - Schéma fonctionnel

Figure 1 – Schéma fonctionnel

2. Commutateur Rx/Tx

Figure 2 - Commutation + limiteur + Attenuateur

Figure 2 – Commutation + limiteur + Attenuateur

La figure 2 ci-dessus montre les 3 premiers éléments du module soumis à LTSPICE. Pour simplifier le schéma, le commutateur a été réduit à la commutation de l’antenne. Le transistor de commande 2N3906 et la clef sont simplement figurés par la source de tension continue V3, ligne appelée TxLine figure 2.

Le dispositif de commutation est entièrement électronique. Il n’a pas changé. Une LED témoin et sa résistance série de 1 KΩ ont été ajoutées sur la ligne Tx_Vcc. Il est construit autour d’un transistor bipolaire PNP 2N3906 et de 3 transistors MOSFET canal N à enrichissement 2N7000. On se reportera utilement à l’article commutation Rx/Tx pour l’examen du schéma et du chronogramme de commutation produit par LTSPICE.

L’antenne est connectée en permanence au récepteur et à l’émetteur. Au repos, le dispositif est en position de réception. A l’entrée, la ligne de commande KEY est connectée à la clef. Cette ligne actionne le transistor 2N3906 monté en commutation. Clef levée, le transistor est coupé, c’est la position de réception, la tension Tx_Vcc = 0 (émetteur coupé), RIT actif, No_MUTE  actif . Clef baissée, le transistor conduit, c’est la position d’émission, l’antenne est coupée du récepteur, Tx_Vcc = 12V (émetteur actif), RIT inactif, MUTE actif.

La commutation de l’antenne au récepteur est effectuée par 2 transistors 2N7000 fonctionnant de manière inverse, M1 et M3 figure 2. L’un, M1, est en série sur la ligne d’antenne, l’autre, M3, shunte la ligne d’antenne à la masse. Quand l’un conduit, l’autre est coupé. Ainsi, en réception, le transistor en série laisse passer le signal venant de l’antenne, alors que l’autre transistor est coupé et ne shunte pas le signal. Inversement, en émission, le transistor en série est coupé. Pour palier à toute fuite de signal provenant de l’émetteur, l’autre transistor shunte le résidu de signal vers la masse. C’est un 3ème transistor 2N7000 qui commande l’inversion, M2 figure 2.
En sortie, 3 lignes de commande:

  • Tx_Vcc,
  • RIT (Tx_Line),
  • No_MUTE (Drain de M2).

La ligne Tx_Vcc = 0 ou 12V, commande la mise sous tension des étages de l’émetteur, sauf les étages de puissance qui restent constamment sous tension.
La ligne RIT, commande le transistor 2N7000 qui commute l’action du RIT sur le VFO.
La ligne No_MUTE, commande le transistor 2N7000 qui commute l’amplificateur audio sur le moniteur CW.

Une cellule RC introduit, un retard lors du passage d’émission en réception (voir le chronogramme, ligne Tx_Line).

3. Limiteur à diodes

Deux diodes 1N4148 montées tête-bêche, shuntent  l’entrée, assurent la protection du transistor suivant contre la HF provenant de l’émetteur. Ce procédé est fort bien expliqué ici.

4. Atténuateur

A l’usage, une commande de gain manuelle est fort utile pour atténuer certaines stations trop puissantes. Le dispositif d’atténuation est construit autour d’un commutateur rotatif 2 circuits 6 positions (parce que j’en avais un comme celui-là) et de 5 atténuateurs en PI. Un atténuateur est formé de 3 résistances, une résistance en série, 2 résistances en shunt. Son entrée et sa sortie sont normalisées à 50 Ω.  J’ai utilisé chaque position du commutateur:

  • position 0: 0 dB (pas d’atténuation),
  • position 1: -6dB,
  • position 2: -10dB,
  • position 3: -12dB,
  • position 4: -18dB,
  • position 5: -20dB,

Pour calculer les résistances de chaque atténuateur, vous avez le choix. Qui aime le calcul, voici la formule simple qui part de l’atténuation souhaitée.
Soit un atténuateur
A=1/2 ou
Adb = 20log{1/2} = 20log{2^{-1}} = -20*0,3 = -6dB
Rs résistance d’entrée et de sortie normalisée = 50Ω
Rp résistance shunt = 50(1 + 0,5)/(1 – 0,5 ) = 150Ω
Ri résistance série = 50(1 – 0,5 x 0,5 )/2 x 0,5 = 37,5Ω
Il ne reste plus qu’à utiliser la valeur normalisée la plus proche.
Qui est curieux, voici mon article qui utilise le calculateur LTSPICE.
Qui préfère utiliser un des nombreux calculateurs, en voici un.

Un mot sur la méthode utilisée pour simuler avec LTSPICE l’action du commutateur rotatif de l’atténuateur. La diective table de LTSPICE permet de définir une liste de valeurs munie d’un index.

Variables :

  • Nat : compteur de position du commutateur d’atténuation
  • Rat1 : valeur des résistances shunt de l’atténuateur
  • Rat2 : valeur de la résistance série de l’atténuateur

Directives :

  • .step param Nat 0 5 1 : indique la plage de variation et le pas de progression du compteur Nat
  • .param Rat1=table(Nat, 0, 86k, 1, 150, 2, 100, 3, 82, 4, 68, 5, 56) : Valeurs successives de Rat1
  • .param Rat2=table(Nat, 0, 57m, 1, 39, 2, 68, 3, 100, 4, 180, 5, 270)  : Valeurs successives de Rat2 avec table(Nom_index, index i, valeur(i), index i+1, valeur(i+1), …)

Algorithme

LTSPICE développe la boucle de programme qui pourrait ressembler à cela :

Nat=0 : initialiser l’ index
Début :
Résistance R6 = Rat1(Nat) = 86k
Résistance R7 = Rat1(Nat) = 86k
Résistance R8 = Rat2(Nat) = 57m
Calculs
Tracé des graphes, …
Nat = Nat+1 : incrémenter l’index du pas de progression
Si Nat <= 5 aller à Début : fin de boucle?
Fin

Remarque, la valeur 0dB qui représente l’absence d’atténuation est portée par les valeurs 86k et 57m qui donnent -1mdB, une valeur infime . En effet, LTSPICE oblige à faire R>0 (résistance non nulle) sous peine d’erreur.

La figure 3 ci-dessous montre le graphe de la résistance d’entrée et celui de l’atténuation en mode réception. La résistance d’entrée se situe autour de 50Ω @ 14MHz. L’atténuation s’étend de -1.8dB à -23dB. La figure 4 représente les mêmes graphes en mode émission. L’atténuation s’étend de -38dB à -60dB.

Le graphe du haut montre l’impédance représentée comme la somme d’une partie réelle et une partie imaginaire  : Z = R +jX.
Le graphe du centre montre le module
delim{|}Z{|} =sqrt{R^2 + X^2}
Ainsi en réception, atténuateur = 0dB @14MHz,  Z = 39 – j34 et |Z| = 51Ω.
-j34 représente la réactance capacitive d’un condensateur de 334pF @14MHz.

Figure 3 - Graphe de la résistance d'entrée et de l'atténuation en réception

Figure 3 – Graphe de la résistance d’entrée et de l’atténuation en réception

Figure 4 - Graphe de la résistance d'entrée et de l'atténuation en émission

Figure 4 – Graphe de la résistance d’entrée et de l’atténuation en émission

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5. Filtre passe bande

J’ai utilisé Ansoft Designer SV version 2.2.0. C’est une version limitée pour l’éducation et libre, de ce fameux logiciel. Il offre de nombreuses possibilités pour l’amateur. Si vous voulez un tutoriel en voici un excellent, celui de Gunthard Kraus. Un vrai régal!

Figure 5 - Ansoft designer SV - choix du filtre

Figure 5 – Ansoft designer SV – choix du filtre

Dans le menu Project, choisir Insert Filter Design. Choisir le type de filtre. J’ai choisi Bandpass, Coupled resonator, Chebyshev, Ideal, Capacitiveliy coupled , figure 5 ci-dessus. Dans la fenêtre suivante figure 6, entrer les paramètres du filtre, l’ordre, la fréquence centrale, la largeur de bande (le logiciel calcule lui-même les fréquences fp1 et fp2), les résistances d’entrée et de sortie, une valeur de L réaliste et compatible avec le tore que vous souhaitez utiliser.

Figure 6 - Ansoft designer - Paramètres du filtre

Figure 6 – Ansoft designer – Paramètres du filtre

En passant à la fenêtre suivante vous obtenez le filtre. Si les valeurs vous conviennent, cliquez sur Terminer, sinon cliquez sur Back et modifiez.

Figure 7 - Ansoft designer - Filtre terminé

Figure 7 – Ansoft designer – Filtre terminé

En pratique, les inductances L=484nH seront obtenues en bobinant 11 tours de fil de 1mm (parce que j’en ai récupéré dans une vieille alimentation HS de PC) sur tore poudre de fer T50-6 (Al = 4nH/n2). Le calcul est simple n = √(484/4) = 11. Mini Tore calculateur de Wilfried Burmeister DL5SWB  ou encore Dieter Gentzow W8DIZ le font pour vous. Les condensateurs de 190pF sont obtenus en mettant en parallèle un
condensateur de 150pF et un ajustable de 60pF qui permettra de régler le filtre.

Le filtre soumis à LTSPICE fait aussi bonne figure ci-dessous.

Figure 8 - Filtre soumis à LTSPICE

Figure 8 – Filtre soumis à LTSPICE

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Figure 9 - Amplificateur RF

Figure 9 – Amplificateur RF

6. Amplificateur RF

Cahier des charges

Amplificateur émetteur commun à transistor VHF UHF NPN MPSH10 : Gain β maxi = 60 à Ic= 4.0 mA, Vce= 10V.
Fréquence : bande des 14MHz.
Gain le l’étage limité à 15 dB maximum.
Alimentation: 13,8V régulé (celle du transceiver).

Calcul des éléments du circuit

Le transistor, figure 9, est monté en émetteur commun avec résistance d’émetteur Re1+Re, en partie découplée. Re1 non découplée diminue le gain. Sa polarisation en tension est obtenue par la résistance de base Rb prise après la résistance de collecteur Rc régulant ainsi le courant. La résistance de collecteur Rc=51Ω  fixe essentiellement la résistance de sortie.

Dans ces conditions on pose et on calcule :
Tension d’alimentation Vcc = 12V
Courant de collecteur de repos Ic = 7mA
Tension de collecteur Vc = 12V – (7mA * 51Ω) = 11.6V
Tension Vce = 9.6V ce qui donne tension d’émetteur Ve = 2V
Résistance d’émetteur Re1+Re = 2V/0.007mA = 285Ω,  j’opte pour les valeurs normalisée Re1=4.7Ω et Re=270Ω
Tension de base Vb = Ve + Vbe = 2V + 0,7V = 2,7V
Tension Vcb = 9V  et Ib=Ic/39 = 0.179mA et Rb=9/0.179 = 50KΩ,  j’opte pour la valeur normalisée Rb=47KΩ
La valeur 39 = BetaDC obtenue avec le paramètre du gain BF=60 et le courant Ib est fournie dans le fichier log par LTSPICE. La figure 10 montre comment on peut obtenir avec LTSPICE la courbe de variation du gain β en fonction de Ib et Vce.

Note: la directive ako de LTSPICE permet de redéfinir le modèle du transistor et de changer ses paramètres (voir schéma).

Figure 10 - Graphe du gain B en fonction de Ib et Vce

Figure 10 – Graphe du gain B en fonction de Ib et Vce

Analyse en régime continu

La figure 11 indique les valeurs des courants et tension du circuit calculés par LTSPICE.

Figure 11 - LTSPICE analyse en régime continu

Figure 11 – LTSPICE analyse en régime continu

Analyse en régime variable – Graphe de la résistance de sortie

La figure 12 montre que la résistance de sortie reste autour de 50Ω dans la bande qui nous intéresse.

Figure 12 - LTSPICE graphe de la résistance de sortie

Figure 12 – LTSPICE graphe de la résistance de sortie

Analyse en régime variable – Graphe de la résistance d’entrée

La figure 13 montre la résistance d’entrée en fonction de la fréquence, selon 2 valeurs du paramètre BF. On note une petite variation: Re=280Ω @14MHz si BF=60. Re=310Ω @14MHz si BF=100.

Figure 13 - LTSPICE graphe de la résistance d'entrée en fonction de fréquence

Figure 13 – LTSPICE graphe de la résistance d’entrée en fonction de fréquence

Analyse en régime variable – Graphe des paramètres S en fonction de  la fréquence

Le filtre passe bande est associé à l’amplificateur. Le graphe du bas, figure 14, montre que le gain S21 se situe autour de 15db@14MHz. L »analyse est faite avec BF=60 et BF=100. On ne constate pratiquement pas de différence. Le graphe du haut montre les facteurs de stabilité (Rollett stability factor). Pour obtenir kfactor et B1 il faut mettre dans le fichier plot.defs, les 2 fonctions ci-dessous. Pour ce faire, dans la fenêtre active de LTSPICE, placer vous sur le graphe obtenu (fichier raw), dans le menu Plot Settings, choisir Edit Plot Defs File, copier, coller les formules, fermer la fenêtre, quitter LTSPICE pour que les nouvelles fonctions soient prises en compte.

.func kfactor (S11,S21,S12,S22) {(1-abs(S11(v2))*abs(S11(v2))-abs(S22(v2))*(S22(v2))+abs(S11(v2)*S22(v2)-S12(v2)*S21(v2))*abs(S11(v2)*S22(v2)-S12(v2)*S21(v2)))/(2*abs(S12(v2))*abs(S21(v2)))}    

.func B1 (S11,S22) { 1 – abs(S11(v2))**2 – abs(S22(v2))**2 – {sdelta (S11,S21,S12,S22)}**2 }

Figure 13 - LTSPICE graphe des paramètres S

Figure 13 – LTSPICE graphe des paramètres S

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Analyse en régime variable – Graphe des tensions et courants en fonction du temps

Le circuit complet du module RF, figure 14, est présenté en mode réception. Le générateur en entrée produit une tension crête de 10mV @50Ω, figurant ainsi un signal de 1uW @14MHz soit -30dBm sur l’antenne. En radio, sur 50 Ohms, dBm = 10*log(P) avec P en milliwatt. Où P = 0.010V*0.010V*1000/(2*50Ω), il vient 10*log(0.001)=-30dBm. Cela peut être calculé simplement avec mini dB calculator de DL5SWB (silent key). En sortie nous obtenons un signal de 25mV crête @50Ω soit 6.3uW.

Figure 14 - LTSPICE graphe des tensions et courants en fonction du temps en réception

Figure 14 – LTSPICE graphe des tensions et courants en fonction du temps en réception

La figure 15, montre le circuit en mode émission. Comme le montre le graphe, le circuit n’est pas étanche à la HF. Pour ce faire je simule l’application d’un signal de 5.8W@14MHz soit une tension crête de 24V @50Ω.

Figure 15 - LTSPICE graphe des tensions et courants en fonction du temps en émission

Figure 15 – LTSPICE graphe des tensions et courants en fonction du temps en émission

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7. Réalisation

Il est temps de passer à la pratique. Comme le montre la figure 16, ci-dessous, le circuit tient sur une plaque PCB FR4 pastillée étamée à trous métallisés double face de 5x7x0,16 cm fixée sur le châssis. Les condensateurs du filtre passe-bande sont du type céramique NP0. Il y avait de la place, aussi ai-je préféré les composants traversants aux SMD.

Figure 16 - Vue du module RF

Figure 16 – Vue du module RF

Les résistances de l’atténuateur sont soudées directement sur le commutateur rotatif fixé sur le panneau avant, voir figure 17. La réalisation du châssis fera l’objet d’un article.

Figure 17 - Vue de la face avant

Figure 17 – Vue de la face avant

8. Test

« La théorie, c’est quand on sait tout et que rien ne fonctionne. La pratique, c’est quand tout fonctionne et que personne ne sait pourquoi.  » Albert EINSTEIN (1879-1955).

Instruments de mesure

Oscilloscope HAMEG HM 312-8.
Sonde passive HAMEG HZ36 en position x10, 10MΩ, bande passante 100MHz.
Générateur HF maison 14 MHz.

Dispositif de test

Le générateur injecte sur l’entrée antenne du transceiver un signal Vp=50mV, mesuré à l’oscilloscope, dans la bande des 14MHz .
La sonde mesure le signal de sortie de l’amplificateur RF.

Mesure du signal

Réglage de l’oscilloscope Y = 10mV/cm, X = 0.5us/cm, X-MAGN x5. La figure 18 montre le signal qui a les caractéristiques suivantes: Vp = 3,0cm*10*10mV/cm = 300mV, T = (0,7cm/5)*0,5us/cm = 0,07us, F = 1/T = 14,286MHz.
L’amplification en tension Av=300mV/50mV = 6 soit Adb = 20log6= 15,6db @50Ω.

Figure 18 - Mesure du signal de sortie de l'amplificateur RF

Figure 18 – Mesure du signal de sortie de l’amplificateur RF


Références

LES MONTAGES AMPLIFICATEURS FONDAMENTAUX
A TRANSISTORS BIPOLAIRES – Philippe Roux – IUT de Bordeaux
Ansoft DESIGNER SV 2.0 Tutorial for Beginners using Special Projects by Gunthard Kraus DG8GB
ANSYS

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