Transceiver CW 20 m – Filtre de sortie du PA

admin — Fri, 22 Feb 2013 18:32:58 +0000

Le filtre de sortie du PA a deux fins essentielles :

l’adaptation d’impédance du PA à la charge,
le rejet des harmoniques et des émission parasites.

Il est bon de rappeler la réglementation au sujet du niveau relatif des rayonnements non essentiels admissibles au-dessus de 40 MHz, mesuré à l’entrée de la ligne d’alimentation de l’antenne. Il est :

d’au moins -50 dB pour les émetteurs de puissance inférieure ou égale à 25 W,
d’au moins -60 dB pour les émetteurs de puissance supérieure à 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.
Impédance de sortie du PA à déterminer lors de l’étude du PA.
Charge de sortie de l’antenne RL = 50 Ω.
Adaptation de l’impédance de sortie du PA à la charge RL par transformateur.
Filtre de sortie du type passe-bas.

2. Caractéristiques générales du filtre

J’ai opté pour un filtre demi-onde à 5 pôles qui est le plus simple à réaliser. Il est ainsi appelé parce qu’il produit un déphasage de 180° entre l’entrée et la sortie du filtre et qu’il est constitué de 5 éléments réactifs : 2 inductances et 3 condensateurs. L’utilisation d’un transformateur d’adaptation d’impédance facilite le calcul du filtre qui voit à l’entrée comme à la sortie une impédance de 50 Ω. Le filtre est donc réversible.

3. Conception

Le filtre a été conçu à l’aide de LTspice. Le modèle proposé :

calcule les composants du filtre,
trace la courbe de réponse,

à partir de 3 paramètres :

F : fréquence de coupure à -3db,
Z : impédance d’entrée et de sortie du filtre,
A_L : 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 à fait simple. On pose :

X_L1 = X_L2 = 50 Ω,
X_C1 = X_C3 = 50 Ω,
X_C2 = 50/2 = 25 Ω,

A la fréquence de coupure F -3dB, on calcule :

L = X_L/2πF,
C = 1/2πFX_C,
n² = L/A_L = 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 A_L indiqué ici est celui du tore T37-6.

La directive .STEP PARAM m 0.9 1.2 0.1
définit le paramètre incrémentiel m qui permet de tracer 4 courbes autour de F, telle que Fm_i = F.m_i, et de choisir ainsi la meilleure fréquence de coupure. Vous pouvez aussi adapter ce paramètre en changeant l’intervalle et l’incrément.

4.2. Résultat 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 décalage de 180° entre la tension d’entrée et la tension de sortie.

Figure 2: Filtre passe-bas du PA – Graphe des tensions d’entrée 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 fréquences

L’analyse des différents résultats révèle que la première fréquence s’approche le plus des exigences de la réglementation sans toutefois l’atteindre. En effet on obtient -48dB à 40MHz soit un erreur de 4% en admettant une légère perte d’insertion. Le schéma 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 réponse en fréquence

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 – Shéma LTspice final

Le schéma figure 6 ci-dessous, montre que l’atténuation atteint 66,5 dB à 40 MHz.

Figure 6: Filtre passe-bas du PA – Finalisation – Courbe de réponse en fréquence

Télécharger les fichiers de simulation LTspice.

Références
Réglementation – Annexe3 – Caractéristiques Techniques à respecter lors d’une installation radioélectrique 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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