TP N 2 : Synthse dun filtre passe bas1- Introduction cahier des
chargesLobjectif de ce TP consiste en la synthse dun filtre passe
bas. On partira dune approche traditionnelle de calcul de filtres
lments localiss par abaque dont la validation du fonctionnement se
ferait avec ADS. Il sera utilis ici pour prendre en compte les
imperfections des inductances ; qui constitue une considration
stratgique alors quil serait impossible de le faire par calcul
manuel. La premire structure de filtre en lments localiss est
inadapte en trs haute frquence du fait notamment des dimensions
physiques des inductances et des capacits, qui ne sont plus
ngligeables devant la longueur donde. On choisira donc de raliser
ce filtre en lments distribus constitus de tronons de lignes de
transmission de diffrentes impdances caractristique (Zi) et
longueurs lectriques (i). On utilisera un outil dADS (Line-Calc)
pour calculer ces lignes en technologie microruban qui vont
remplacer les lments localiss L et C du filtre prcdent. On
utilisera un outil de synthse (Design Guide) intgr ADS qui permet,
notamment, dautomatiser totalement le travail prcdent. Il sagit dun
vritable gnrateur de schma analogique. On veut raliser un filtre
passe-bas ayant une ondulation rsiduelle de 0.1dB en dessous de la
frquence de coupure fc = 2..c de 1,5GHz. On impose une attnuation
minimale 2,25GHz de Amin =15dB. On donne : Zgnrateur = Zcharge = Z0
= 50.
2- Synthse manuelle dun filtre lments localiss2-1 Choix et
dimensionnement de la fonction dapproximationa- Donner le gabarit
initial du filtre. b- Est-il ncessaire de le standardiser? c-
Donner le gabarit du passe bas normalis ? d- Dimensionnement de la
fonction dapproximation partir dabaque On choisit comme fonction
dapproximation un filtre de Tchebycheff. Dterminer lordre du filtre
laide de labaque suivante valable pour une ondulation dans la bande
0,1 dB.
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2-2 Choix et dimensionnement du type de filtrea- Choix de la
structure du filtre passe bas normalis On peut synthtiser ce filtre
par une mthode gnrale (mthode de Cauer dcroissant par exemple).
Mais en pratique on trouve dans les ouvrages spcialiss des
topologies de filtres ralisant les fonctions dapproximations, ainsi
que des tableaux permettant de calculer les valeurs des lments du
filtre. Pour raliser notre filtre de Tchebycheff, nous prendrons
une structure en .
Ce filtre tant rciproque, combien de valeurs aurez vous calculer
? 19
b- Dimensionnement du filtre passe bas normalis partir dabaque
Donner les coefficients gi dont on a besoin ? c- Dnormalisation en
frquence et en impdance Donner la valeur des impdances constituant
le filtre aprs dnormalisation en frquence et en impdance.
2-3 Simulation du filtre sous ADSa- Simulation, visualisation et
interprtation des rsultats sous ADS Nous souhaitons vrifier le
comportement de ce filtre sous ADS. Crez un projet, ouvrez une
feuille Schmatic et saisissez votre schma (vous trouverez les
inductances et capacits dans la librairie Lumped-components ). Quel
type de simulation allez vous faire pour visualiser la rponse du
filtre ? Faites cette simulation. Vous vrifierez prcisment (en
utilisant les marqueurs et le zoom sous ADS) que votre filtre rpond
au cahier des charges. On obtient la feuille design suivante.
Pour vrifier le cahier des charges, on peut utiliser le zoom des
feuilles de visualisation dADS. Il suffit de cliquer sur lchelle
maximale ou minimale en abscisse ou en ordonne, puis de la
modifier. 20
NB : Pour vrifier que londulation maximale dans la bande est
infrieure 0,1 dB on peut procder de la manire suivante. On
slectionne deux fois Marker->New pour crer deux marqueurs aux
sommets des oscillations. Puis, aprs la slection simultane de ces
marqueurs laide de la touche Shift , on slectionne le menu
Marker->DeltaModeOn . On choisit par exemple le marqueur 1 comme
rfrence. b- Prise en compte des imperfections du filtre rel
Rajouter une rsistance srie de 2 Ohms aux inductances. Interprter
les rsultats.
3- Synthse logicielle du filtre lments localissNous allons
maintenant synthtiser directement ce filtre sous ADS.
3-1 Saisie du gabarit et choix de la fonction dapproximationCrez
un projet sous ADS. Ouvrez une page schematic . Dans cette page
schematic , slectionner DesignGuide->Filter. La page ci aprs
apparat :
Cliquez sur OK. La page suivante apparat :
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Cliquez sur licne de la palette (1) pour transfrer le filtre sur
la page schematic . Revenez sur la page schematic sans fermer la
page Filter Design Guide. Insrez un filtre passe bas dans la
page:
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3-2 Gnration du filtreRevenez sur la page Filter Design Guide et
slectionnez longlet Filter Assistant . Rentrez le gabarit et
choisissez la fonction dapproximation :
Quelles sont les diffrences essentielles entre un filtre de
Butterworth (nomm ici Maximaly Flat et un filtre de Tchebycheff ?
Cliquez sur Design pour fabriquer le filtre. Retournez dans la
feuille Schematic pour visualiser votre filtre en entrant dans le
composant filtre passe-bas avec (1) et sortir avec (2).
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3-3 Utilisation du filtre et simulationDans la feuille schmatic,
simulez votre filtre comme prcdemment pour vrifier ses
performances.
4- Synthse manuelle du filtre lments distribus4-1 RappelNous
avons montr comment convertir les filtres LC classiques lments
localiss en filtres lments distribus. Les lments localiss sont
remplacs par une ligne de transmission de longueur courte devant la
longueur donde. Une inductance se ralise par une ligne de grande
impdance caractristique et une capacit par une ligne de petite
impdance caractristique. Exprimer L et C en fonction des longueurs
de lignes, des impdances caractristiques des lignes, de la vitesse
de propagation de londe et de la permittivit relative du milieu de
transmission.
4-2 Dimensionnement du filtre grce ADSOn pourrait raliser ce
filtre en utilisant nimporte quel type de lignes de transmission
(coaxiales, guide donde, etc). La ligne la plus rpandue est le
microruban (microstrip en anglais) qui est constitue simplement par
une piste de circuit imprim double face de largeur constante au
dessus dun plan de masse. On choisira cette technique de ralisation
simple. Le calcul des lignes est toutefois complexe en raison de
leur caractre asymtrique. On saidera de la calculatrice ddie
LineCalc dADS. Sachant que limpdance caractristique dune ligne
microruban est inversement proportionnelle sa largeur, proposez une
structure gomtrique dans cette technologie pour le filtre ralis
prcdemment. En remarquant quune capacit parallle ou srie se ralise
de la mme faon en microruban, vous proposerez une structure
symtrique.
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Limpdance caractristique et la vitesse de propagation dune ligne
microstrip ne dpendant que de sa largeur (seul paramtre ajustable
par le concepteur) et des paramtres physiques principaux du circuit
imprim o sera ralis le circuit final,(dit substrat) .
Traditionnellement en hyperfrquence, des substrats spcialiss type
tflon sont utiliss. Pour ce TP nous utiliserons lpoxy FR4 le
substrat classique basse frquence. Ses caractristiques sont les
suivantes :
Epaisseur du dilectrique Permittivit relative du substrat
Permabilit magntique Pertes dilectriques nulles Epaisseur du cuivre
Conductivit du cuivre
1,52 mm r = 4,2 r= 1 TanD = 0 T = 0,035 mm 5,62 e7
Lancez loutil LineCalc par Tools->LineCalc->StartLineCalc.
Slectionnez le type de ligne (MLIN) et recopiez les paramtres du
substrat. Entrez enfin la frquence de travail (1,5 GHz). a- A laide
de LineCalc, calculez la largeur (w) et la permittivit relative de
la ligne microruban dimpdance caractristique 50. b- Une inductance
a une largeur plus petite. On la fixera 0,1 mm (w). A laide de
LineCalc, calculez limpdance caractristique et la permittivit
relative de la ligne microruban de largeur 10mm. e- En dduire la
longueur de ligne permettant de raliser lC1, lC3 et lC5.
4-3 Simulation du filtre sous ADSa- Saisie du schma Nous
souhaitons vrifier le comportement de ce filtre sous ADS. Crez un
projet, ouvrer une feuille Schmatic et saisissez votre schma (vous
trouverez les lignes (composant MLIN) et le composant caractrisant
le substrat (MSUB) dans la librairie Tlines-Microstrip ). On
spcifiera galement une simulation des paramtres S dans la mme gamme
de frquence que prcdemment. Cela donne donc :
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b- Simulation et Visualisation des rsultats Vrifiez si votre
filtre rpond au cahier des charges initial. c- Prise en compte des
discontinuits Lorsquon met des lignes de transmission bout bout
comme dans les filtres prcdents, il se passe des phnomnes complexes
linterface entre ces deux lignes. La modlisation de ces phnomnes
sappuie sur une analyse lectromagntique des cartes de champ
linterface. Macroscopiquement, il en rsulte une rflexion linterface
qui occasionne des coefficients S11 et S22 plus importants que
prvu, ce qui agit sur les autres coefficients. Le schma initial qui
considre le circuit comme une simple mise en cascade de lignes ;
dont chacune fonctionne comme si elle tait seule ; est assez faux.
Il conduirait par consquent des rsultats optimistes par rapport
ceux que lon obtiendrait dans la ralit. On peut modliser ce phnomne
de deux faons : La premire consiste modliser ce phnomne dinterface
chaque transition par un composant fictif (le bloc MSTEP de la
bibliothque Tlines-Microstrip). Ce bloc est paramtr par les
largeurs de ligne gauche et droite quil raccorde. Ralisez cette
simulation. 26
Notez que cette opration de prise en compte du dessin de circuit
dans le schma, qui est fondamentale en hyperfrquence, est
totalement inutile en lectronique basse frquence.
Simulez et concluez. ;
La deuxime faon serait de gnrer le dessin du circuit (vous fates
Layout- >generate/Update Layout, puis OK deux fois) et de lancer
une simulation lectromagntique (nous ne le ferons pas dans le cadre
de ce TP)
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