aucun titre de diapositive - ivoire talents labs...2.4. bilan de liaison affaiblissement en espace...

PIERRE TETYENSEIGNANT-CHERCHEUR INP-HB

CHAPITRE 1RAPPEL PROPAGATION OEM 3

1.1.Formulaire 4

1.2.Equation d'ondes 7

1.3.Fréquences et longueur d'onde 11

CHAPITRE 2CARACTERISTIQUES DES ANTENNES 14

2.1.Génération d'ondes 15

2.2.Zones de rayonnement d'une antenne 16

2.3.Caractéristiques des antennes 18

2.4.Bilan de liaison 25

2.5.Exercices 28

CHAPITRE 3TYPES D'ANTENNES 35

3.1.Impédance du dipôle 36

3.2.Doublet de Hertz 39

3.3.Dipôle court 39

3.4.Dipôle résonant 41

3.5.Dipôle demi-onde 42

3.6.Dipôle replié 43

3.7.Dipôle raccourci 44

3.8.Antenne Yagi-Uda 45

3.9.Antenne rhombique 46

3.10.Antenne Marconi 47

3.11.Antenne cadre 48

3.12.Antenne parabolique 49

3.13.Faisceaux hertziens 50

3.14.Conditions réelles de propagation 53

CHAPITRE 4ADAPTATION D'IMPEDANCE 58

4.1.Adaptation des impédances 59

4.2.Les circuits de couplage 61

4.3.Exercices 69

CHAPITRE 5SIMULATION 83

5.1.Planification des groupes 84

5.2.Antenne demi-onde 86

5.3.Antenne 3 lambda sur 4 87

5.4.Antenne lambda sur 4 88

5.5.Antenne lambda 89

5.6.Antenne 5 lambda sur 4 90

5.7.Antenne Yagi-Uda 91

CHAPITRE 6ADAPTATION D'IMPEDANCE AVEC MAXWELL 3D 93

02

1. Formulaire du cours de propagation

1.1 Vecteurs

1.2 Systèmes de coordonnées orthogonaux

04


1.3 Coordonnées cartésiennes

1.4 Coordonnées cylindriques

05


1.5 Coordonnées sphériques

1.6 Dérivation des champs

06

2. Equations d’ondes

Equation d’onde

Finallement, on obtient l’équation d’onde :

07


Equation d’onde milieux isolants ( = 0)

Structure des équations (exemple : coordonnées cartésiennes

i = x, y, z

08


Solution de l’équation d’onde

09

1/ Un faisceau laser émet une onde supposée plane,

monochromatique, polarisée rectilignement suivant Oz, qui

se propage dans le plan (Oxy) suivant une direction inclinée

d’un angle α par rapport à l’axe Ox. Ecrire les composantes

du vecteur d’onde, du champ électrique, du champ

magnétique et du vecteur de Poynting.

2/ Une onde plane monochromatique se propage dans le

vide dans le sens négatif de l’axe des z et atteint sous

incidence normale un métal parfaitement conducteur

occupant le demi-espace z < 0. Le champ incident a pour

expression :

Déterminer :

- la polarisation ;

- le champ magnétique ;

- le vecteur de Poynting.

0 a 1.


10

3. Fréquence et longueur d’onde

Répartition des rayons

Ondes radio Radio, TV, industrie, communications…

Micro-ondes Radar pour le guidage des avions, four à micro-ondes…

Infra-rouges détection humaine, télécommandes …

Lumière visible La lumière visible (œil humain)

Ultraviolets Certaines plaques photographiques, certaines caméras

Rayons X Certaines plaques photographiques : radiographie…

Rayons gamma émis par des atomes radioactifs : médecine.

Rayons cosmiques venant de l’univers

11


Ondes hertziennes

- ELF Extremely low frequencies 30 Hz ≤ f ≤ 300 Hz , Pas utilisées pour l'émission

- VF Voice frequencies 300 Hz ≤ f ≤ 3 kHz, Pas utilisées pour l'émission

- VLF Very low frequencies 3 kHz ≤ f ≤ 30 kHz ,Communications port – bateaux

- LF Low frequencies 30 kHz ≤ f ≤ 300 kHz ,Radiodiffusion ondes longues

- MF Medium frequencies 300 kHz ≤ f ≤ 3 MHz, Radiodiffusion ondes moyennes

- HF High frequencies 3 MHz ≤ f ≤ 30 MHz, Radiodiffusion ondes courtes,

Radios amateurs, Aviation

- VHF Very high frequencies 30 MHz ≤ f ≤ 300 MHz, TV – bande I de 47 à 68 MHz

(canaux 2, 3 et 4), Radiodiffusion FM de 88 à 108 MHz , TV – bande III de 174 à 230

MHz (canaux 5-12), Trafic aérien, ILS (instrument landing system)

- UHF Ultra high frequencies 300 MHz ≤ f ≤ 3 GHz, TV – bande IV de 470 à 606 MHz

(canaux 21-37), TV – bande V de 606 à 862 MHz (canaux 38-69), Radios amateurs,

GSM, Bluetooth, UMTS, Communications par satellite, Faisceaux hertziens

- SHF Super high frequencies 3 GHz ≤ f ≤ 30 GHz, Faisceaux hertziens, Radars,

Satellites

- EHF Extremely high frequencies 30 GHz ≤ f ≤ 300 GHz, Radars, Satellites

12


Ondes hertziennes

• GSM bande 1 – uplink 890 MHz ≤ f ≤ 915 MHz

downlink 935 MHz ≤ f ≤ 960 MHz

• GSM bande 2 – uplink 1710 MHz ≤ f ≤ 1760 MHz


• DECT 1880 MHz ≤ f ≤ 1900 MHz

• UMTS W-CDMA – uplink 1920 MHz ≤ f ≤ 1980 MHz


• UMTS TD-CDMA 1885 MHz ≤ f ≤ 1920 MHz

2110 MHz ≤ f ≤ 2025 MHz

• Bluetooth, micro-ondes f ≈ 2.4 GHz , , λ ≈12 cm

• Fibres optiques f ≈ 2×1014 Hz, , λ ≈ 1.4 µm

• Lumière visible 0.65 µm ≥ λ ≥0.4 µm

• Rayons X 10 nm ≥ λ ≥10 pm

• Rayons GAMMA 10 pm ≥ λ ≥10 fm

13

2.1. Génération d’ondes

- par des courants, représentés vectoriellement par une

densité de courant J en A/m2. C'est le cas des antennes

filaires.

- par une ouverture dans un volume où règne un champ

électromagnétique, par exemple l'extrémité ouverte d'un

guide d'onde. C'est le principe des antennes paraboliques.15

2.2. Zones de rayonnement d’une antenne

· Zone de Rayleigh (ou zone de champ proche)

· Zone de Fresnel

· Zone de Fraunhoffer (ou zone de champ lointain)

16

2.2. Zones de rayonnement d’une antenne

17

2.3. Caractéristiques des antennes

Principe de réciprocité

Antenne isotrope

Directivité

Gain en puissance et rendement

Gain directif : G(,) = D(,)

Gain : G0 = max (G(,))

Diagramme de rayonnement

18


Dipôle élémentaire Doublet ½ onde

G(,) en cm G(,) en cm

30° 0.375 1.25 0.286 0.96

45° 0.75 2.5 1.093 2.17

60° 1.125 3.75 0.647 3.67

90° 1.5 5 1.64 5.5


19



20


Lobe principal, lobes secondaires et angle d'ouverture

21


Genres d'antennes

Caractéristiques Usage Type d'antenne

Antennes

directives

- G0 élevé

- faible

- FH

- satellites

- Ant. paraboliques

- Antennes Yagi

Antennes

omnidirec-

tionnelles

gain plus ou moins

constant dans le

plan horizontal ou

dans un secteur

donné

- Radio / TV

- Com mobiles Brin vertical

22


Genres d'antennes

Voltage Standing Wave Ratio

23


Genres d'antennes

24

2.4. Bilan de liaison

Puissance isotrope rayonnée (PIRE ou EIRP)

PIRE (W) = G0 PF

Surface équivalente

PR = p Aeq

25


Affaiblissement en espace libre

affaiblissement de la liaison

puissance reçue

affaiblissement isotrope

26


Affaiblissement en espace libre

Exemple

Soient deux antennes identiques de gain G0 = 10 dB et

éloignées de 300 m.

Le signal est émis à une fréquence f = 400 MHz avec une

puissance de 2,5 W.

Calculer l'affaiblissement de la liaison et la puissance du

signal reçu (exprimé en W).

PR = - 50,05 dBW

27

2.5. Exercices

28

2.5. Exercices

2.5.3 Pour une antenne très directive et ayant des lobes

secondaires très faibles, on peut en première approximation,

admettre que toute la puissance rayonnée Pr est comprise dans

un seul lobe et plus particulièrement dans l’angle solide limitépar le contour C à -3 dB du maximum. Cet angle solide est

caractérisé par les ouvertures angulaires à demi-puissance 1 et

2 dans les deux plans orthogonaux E et H (plans principaux). A

12 avec 1 et 2 exprimés en radians.

Si on considère que toute la puissance est concentrée dans un

cône d’angle au sommet , déterminer la directivité d’une

antenne réflecteur pour laquelle 1 = 2,5 degrés, 2 = 0,98 degrés.

29

2.5. Exercices

30

2.5. Exercices

31

2.5. Exercices

Sens

montant

Sens

descendant

Partie

réception

Sensibilité Seuil 1 - 102 dBm

Marge de protection 3 dB 3 dB

Pertes câbles 4 dB 0 dB

Gain d’antenne 12 dBi 0 dBi

Marge de masque à 90% 5 dB 5 dB

Seuil de sensibilité - 104 dBm - 94 dBm

Partie

émission

Puissance d’émission 33 dBm Pe2

Pertes de couplage 0 dB 3 dB

Pertes câbles 0 dB 4 dB

Gain d’antenne 0 dBi 12 dBi

PIRE 33 dBm PIRE 2

Affaiblissement maximum 137 dBm 137 dBm

Pertes dues au corps humain 3 dB 3 dB

Affaiblissement de parcours 134 dB 134 dB

2.5.7 Le budget d’une liaison est présenté dans le tableau ci-dessous.

Déterminer Seuil 1, Pe2, et PIRE 2 (On posera les expressions avant de

faire les applications numériques).

32

2.5. Exercices

2.5.8 On donne les caractéristiques suivantes pour une

liaison FH : f = 6 GHz ; longueur du bond l = 55 km ; gain des

antennes G = 43,7 dBi ; pertes par branchement des blocs E/R

= 3 dB ; pertes par branchement des équipements (sur les

tours en hauteur) = 2 dB ; puissance crête à l’émission PE = 33

dBm. Quelle est la puissance reçue en mW et en dBm ?

2.5.9 Soit une onde f = 6 GHz, la longueur du bond est de 50

km. La puissance nominales de l’émetteur est de 10 mW, le

gain de chacune des antennes d’émission et de réception est

de 25 dBi. La longueur du guide d’onde de l’émission est de

30 m et celle de la réception de 70 m. La perte dans les guides

d’onde est de 0,05 dB/m. Les pertes de branchement dans

l’émetteur s’élèvent à 3 dB et dans le récepteur à 2,9 dB. Le

signal est-il reçu si la sensibilité du récepteur est de -100

dBm ? Quelle est la portée possible ? 33

2.5. Exercices

Sens de la liaison Uplink Downlink

Partie réception BTS MS

Sensibilité - 104 dBm - 102 dBm C

Marge de protection 3 dB 3 dB D

Perte totale câbles et connecteurs 2 dB 0 dB E

Gain d’antenne 18 dBi 0 dBi F

Gain de diversité 5 dB 0 dB F’

Marge de masque (90% de la surface) 6 dB 6 dB G

Puissance médiane nécessaire H1 H2 H

Sens de la liaison Uplink Dowlink

Partie émission MS BTS

Puissance d’émission (classes 1 & 2) I1 I2 I

Perte de couplage + isolateurs 0 dB 3 dB K

Perte totale câbles et connecteurs 0 dB 2 dB L

Gain d’antenne 0 dBi 18 dBi M

PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente) 30 dBm 53 dBm N

Bilan de liaison

Sens de la liaison Uplink Downlink

Affaiblissement maximale O1 O2 O

Perte due au corps humain 3 dB 3 dB P

Affaiblissement de parcours Q1 Q2 Q

Portée 2,7 Km

2.5.10 On considère un mobile de puissance 1 watt. La portée est calculée en

considérant la loi d’Okumura Hata pour une zone urbaine.

Déterminer : H1, H2, I1, I2, O1, O2 , Q1, et Q2.

On rappelle : H = C+D+E-F-F’+G ; N = I-K-L+M ; O = N-H ; Q = O-P

34

Impédance du dipôle

Rr Résistance de rayonnement

Rp Résistance de pertes de l'antenne

- pertes ohmiques

- pertes liées au courant de Foucault induits dans des conducteurs voisins

- décharges électriques entre conducteurs à potentiels différents (effet Corona)

- isolement imparfait des isolateurs supportant les éléments de l'antenne

Xp Réactance de l'antenne

PF Puissance fournie

PE Puissance émise

36


F

(MHz)

/60

(m)

/20

(m)

/2 réél

(m)0.46*

(m)

0.92 (m)

Hertz Court résonant m

6000.0077 0.0230 0.23 0.46 0.5

0.0038 0.0115 0.115 0.23 0.25

37

Lorsque L est proche de /2, 3/2, etc. on a des situations de

résonance. L'impédance Z est purement réelle et de l'ordre de la

centaine d'Ohms (Rr=73 pour une antenne demi-ondes). A

noter que les caractéristiques de l'antenne en résonance

dépendent relativement peu de l'épaisseur du dipôle.

Lorsque L est proche de , 2, etc. on a des situations d'anti-

résonance. L'impédance Z est purement réelle et peut prendre

des valeurs de plusieurs milliers d'ohms. A noter que les

caractéristiques de l'antenne en anti-résonance dépendent

énormément de l'épaisseur du dipôle.

Les valeurs de L pour les quelles on a résonance (ou anti -

résonance) ne sont pas des multiples exacts de /2. Par

exemple, pour le dipôle demi-onde, on a L = 0,95 /2.

Les antennes résonantes sont assez sensibles au rapport L/.

En conséquence, la bande passante de ce type d'antennes est

limitée.


38

Doublet de Hertz Application : f = 600 MHz, L = /60

On parle de dipôle élémentaire, dipôle infinitésimal ou encore

doublet de Hertz lorsque L < /50. On considère que le courant

est uniforme sur toute la longueur L de l'antenne. La résistance

Rr est très faible par rapport à la réactance X; on peut considérer

ce genre d'antenne comme un condensateur qui rayonne un

peu.

Par exemple, si on admet la limite L = /50, on obtient Rr = 0,3 .

Si admet que la réactance Xp est beaucoup plus grande que 10

k, on se rend compte de la difficulté d'émettre des signaux de

puissance raisonnable. Pour pallier à ce problème, on cherche

en principe à compenser la réactance capacitive de l'antenne

par une inductance.

Dipôle court Application : f = 600 MHz, L = /20

On parle de dipôle court lorsque /50 < L < /10. Dans ce cas on

ne peut plus considérer la répartition du courant comme

uniforme le long de L. On admet une répartition triangulaire de

courant (valeur efficace du phaseur). 39

Dipôle court Application : f = 600 MHz, L = /20

40

Dipôle résonant

41

Dipôle démi-onde

G0 = 1,64 (2,15 dB)

Impédance = 73

Application : f = 600 MHz, L = 0.46/2

42

Dipôle replié

Son impédance de rayonnement

vaut à peu près 300 .

Le diagramme de rayonnementest semblable à celui du dipôle

demi-onde, mais la bande

passante est plus large. I : onde incidente,

: onde réfléchie.

Application : f = 600 MHz, L = 0.92

43

Dipôle raccourci

Lorsque la longueur d'onde est très

inférieure à la longueur d'onde (cas

des ondes longues), l'impédance de

l'antenne présente une partie

imaginaire négative.

Pour accorder cette antenne, il estnécessaire d'ajouter à la base une

inductance.

L'inductance doit avoir unerésistance série très faible. Par

rapport à une antenne résonante

pure, le rendement n'est pas aussi

bon et la bande passante est plusréduite.

44

Antenne Yagi-Uda

L'antenne Yagi est constituée d'un dipôle replié (radiateur), auquel on a

associé un ou plusieurs éléments passifs, appelés directeur(s) et

réflecteur.

La présence d'éléments passifs diminue la résistance de rayonnement

de l'antenne, qui se situe généralement vers 75 . Les antennes Yagi

sont les fameuses antennes de télévision que l'on voit sur nos toits.

Application :


45

Antenne Yagi-Uda

L'antenne Yagi est constituée d'un dipôle replié (radiateur), auquel on a

associé un ou plusieurs éléments passifs, appelés directeur(s) et

réflecteur.

La présence d'éléments passifs diminue la résistance de rayonnement

de l'antenne, qui se situe généralement vers 75 . Les antennes Yagi

sont les fameuses antennes de télévision que l'on voit sur nos toits.


f Yagi

MHz m P (m) R(m) D1(m) D2(m) D3(m) D4(m)

6000.5 0.23 0.2375 0.22 0.22 0.215 0.2

0.25 0.115 0.1188 0.11 0.11 0.1075 0.1

dr(m) d1(m) d2(m)

0.125 0.16 0.31

0.063 0.08 0.155

d3(m) d4(m)

0.465 0.62

0.2325 0.31

46

Antenne rhombique

Il s'agit d'une antenne à onde progressive formée de 4 éléments montés

en forme de parallélépipède et terminés par une impédance d'adaptation.

Les diagrammes de rayonnement individuels s'additionnent pour donner

le diagramme de rayonnement résultant. L'impédance d'entrée est

d'environ 650 à 700 , la directivité varie de 20 à 90 dB et le gain en

puissance, compte tenu des pertes dans R, varie de 15 à 60 dB. Si le

rendement est faible (de –5 dB à –30 dB), la bande passante est large,

puisque l'antenne n'est pas accordée ! L'antenne rhombique permet un

fonctionnement satisfaisant de 3 à 30 MHz; elle est utilisée pour les

liaisons en ondes courtes. 47

Antenne de Marconi

C'est ainsi qu'une antenne de longueur /4, proche du sol, se comporte

comme une antenne demi-onde /2. Une telle antenne est appelée

antenne quart d'onde ou antenne Marconi. Le diagramme de

rayonnement d'une telle antenne est comparable à celui du dipôle /2 et

le maximum d'émission a lieu parallèlement au sol. Sa résistance de

rayonnement est égale à la moitié de celle du dipôle demi-onde : Rr = 37

. Comme le sol n'est pas toujours un conducteur parfait, on crée à la

base de l'antenne une base artificielle; des conducteurs (appelés radians)

sont disposés radialement à la base de l'antenne.

Les radians se comportent comme un plan de masse. Naturellement, lecapot d'une voiture ou toute autre plaque de métal peut aussi faire

l'affaire. En inclinant les brins de manière adéquate, on peut encore

modifier la résistance de rayonnement et obtenir, par exemple, 50 .48

Antenne Cadre

Pour les ondes longues et moyennes,

les antennes filaires sont difficiles

d'emploi.

On leur préfère souvent les antennes

cadres. Comme son nom l'indique,

l'antenne cadre est constituée d'une ou

plusieurs spires enroulées sur un cadre

de dimensions relativement grandes

(quelques cm à quelques dizaines de

cm).

L'antenne cadre fonctionne comme la

partie secondaire d'un transformateur :

un champ d'induction magnétique

variable B(t) génère une tension induite

aux bornes du bobinage.

Les paramètres sont les suivants :

S Surface d'une spire [m2]

n Vecteur normal au plan

N Nombre de spires [-]

E Champ électrique [V/m]

H Champ magnétique [A/m]

B Champ d'induction magnétique [Tesla]

Angle d'incidence de B par rapport à n

Flux magnétique [Tesla×m2]

C Vitesse de la lumière [3×108 m/s]

Antenne cadre

49

Antenne parabolique

Les antennes paraboliques se caractérisent par une directivité très forte. On les

utilise en général pour des fréquences plus hautes que 1 GHz. En dessous de 400

MHz, leur taille devient problématique. L'antenne parabolique est constituée d'un

cornet (antenne de type ouverture) et d'un réflecteur parabolique. Le réflecteur

parabolique transforme une onde sphérique en onde plane. On ne peut cependant

pas obtenir une transformation totale: il faudrait pour cela un réflecteur de

diamètre D infini.

S surface du disque

du réflecteur parabolique.

k paramètre variant de 0,5 à 0,8.

50

Faisceaux hertziens

Principales caractéristiques

- Transmission hertzienne entre deux point s fixes

- Bonds de l'ordre de 20 à 100 km.

- Antennes très directives (antennes paraboliques ou antennes Yagi).

- Puissance émises relativement faibles (< 20W)

- Systèmes analogiques (FM) ou numériques (PSK, QAM)

- Domaine de fréquence: 250 MHz à 40 GHz (principalement 2 à 20 GHz)

- Fonctionnement en visibilité directe, éventuellement avec relais passifs.

Usage

- pour transmettre des multiplex numériques du RNIS

- pour transmettre des programmes radio et TV aux émetteurs

- pour des applications momentanées civiles (reportages) ou militaires

51

Faisceaux hertziens

N° Bande Nom Bande Symbole alphabétique Fréquences

12

Submillimeter 300-3000 GHz

Millimeter waves 40-300 GHz

Ka band 27-40 GHz

11

EHF 30-300 GHz

K band 18-27 GHz

Ku band 12-18 GHz

X band 8-12 GHz

C band 4-8 GHz

10 SHF 3-30 GHz

S band 2-4 GHz

L band 1-2 GHz

9 UHF 0,3-3 GHz

8 VHF 30-300 MHz

7 HF 3-30 MHz

6 MF 0,3-3 MHz

5 LF 30-300 kHz

4 VLF 3-30 kHz

Les principales bandes réservées sont en GHz :

2,1 - 2,3 3,8 - 4,2 5,9 - 6,4 6,4 - 7,1 7,1 - 7,7 8,0 - 8,5

10,7 - 11,7 12,75 - 13,25 14,4 - 15,35 17,7 - 19,7 20 - 40

Fréquences porteuses

52

Faisceaux hertziens

Plan de fréquences utilisés par CI-telecom

Postel Abj Abobo Azaguié Laoguié Adzopé Akoupé Bonahouin Abengourou

Station Tle Répéteur Répéteur Triple Tle Double Tle Triple Tle Répéteur Station Tle

Abengourou N’gorankro Daoukro Arikokro bahiakro Kondrobo Bouaké

F1 = 6,8 GHz ; F2 = 6,88 GHz ; F3 = 6,46 GHz ; F4 = 6,54 GHz

F1 = 1902,5 MHz ; F2 = 1930,5 MHz ; F3 = 1643,5 MHz ; F4 = 1671,5 MHz

53

Conditions réelles de propagation

L'indice de réfraction de l'air dépend directement de

sa densité, qui elle, varie avec l'altitude et la

température. L'indice de réfraction diminue avec

l'altitude. La diminution moyenne est linéaire en

première approximation.

La direction de propagation est déviée vers l'indice le plus grand, c'est à dire vers

le sol. Les ondes se propagent donc avec une courbure dans le même sens que la

courbure terrestre. On introduit un rayon de courbure terrestre fictif R' : R '= 4/3 R

= 8500 km rayon de courbure terrestre fictif avec R = 6370 km = rayon terrestre

normal.

Effet du coefficient correctif

La réfraction atmosphérique

54


Lorsqu'une onde électromagnétique

rencontre un obstacle, elle est plus ou

moins bien réfléchie par celui-ci. L'onde

totale est l'addition de l'onde directe avec

l'onde diffractée

Règle Pour minimiser l'effet des diffractions, on

évite d'avoir des obstacles dans le premier ellipsoïde

de Fresnel, définit par un d = ½. Le lieu des points

pour lesquels le champ reçu a une valeur au moins

égal à l’espace libre, détermine un ellipsoïde de

Fresnel dont les foyers sont l’émetteur et le

récepteur. C’est le 1er ellipsoïde de Fresnel.

Selon la valeur de ×d, le facteur (1+K∙e-jβ∆d) est plus grand ou plus petit que 1.

On dit que les ondes s'additionnent de manière constructive ou destructive.

Si d = n×, l'addition est constructive, si d = n× +½, l'addition est destructive

( = 2/).

La diffraction sur des obstacles

55


Certaines surfaces sont particulièrement réfléchissantes compte tenu d'un

angle d'incidence proche de 90° (plans d'eau, champs de neige, ..). Les

coefficients de réflexion des polarisations parallèle et perpendiculaire à la surface

tendent vers -1. Comme les chemins directs et réfléchis ont des longueur

variables à cause de la réfraction, on ne peut pas adapter la hauteur des antennes

pour produire une addition constructive.

= coefficient de réflexion des deux polarisations (-1)

Règle On évite d'avoir une surface réfléchissante dans la première zone de

Fresnel entourant le point de réflexion géométrique. Cette zone est le lieu des

points dont la somme des distances aux antennes d'émission et de réception

dépasse de moins d'une demi-longueur d'onde le trajet correspondant à la

réflexion géométrique. Elle peut avoir plusieurs kilomètres dans de sens de la

transmission

La réflexion

56


Les évanouissements sont dus aux trajets multiples (multiple paths) provenant de

réflexions sur des couches d'air à forte variation de densité ou sur d'autres objets

réfléchissants imprévisibles. Les évanouissements dépendent de la saison et du

temps. On a déterminé expérimentalement une probabilité P d'avoir un

évanouissement dont la profondeur (affaiblissement maximum pendant

l'évanouissement) ne dépasse pas une valeur donnée A :

10log(P) = 35log(L) - A + 10log(f) + K

On constate que les fréquences élevées sont défavorisées et que cette probabilité

croît à la puissance 3,5 avec la longueur du bond, ce qui limite très rapidement la

longueur d'un faisceau hertzien.

On connaît encore la valeur de l'évanouissement A qui n'est dépassé que pendant

le 20% du temps du mois le plus défavorisé :

Les évanouissements

L = longueur du faisceau en km

A = profondeur maximum de l'évanouissement en dB

f = fréquence en GHz

K = -78,5 pour le mois le plus mauvais,

K = -85,5 pour une moyenne annuelle.P est valable si A > 15 dB et L > 20 km.

A = profondeur d’évanouissement en dB

f = fréquence en GHz

L = longueur du bond en km 57


L'absorption due à l'oxygène et à la vapeur d'eau augmente avec la fréquence.

Pour les fréquences inférieures à 15 GHz, on peut la négliger.

Pour une fréquence de 20 GHz, l'affaiblissement est d'environ 0,1 dB/km.

Au delà de 20 GHz, l'absorption croît rapidement car la molécule d'eau a une raie

de résonance à 22,23 GHz.

Actuellement la plage de fréquence utilisable pour les faisceaux hertziens se

limite donc à 21 GHz.

Au voisinage de 35 GHz on retrouve une plage où l'absorption est acceptable.

Les précipitations (pluie, neige, grêle) atténuent également l'onde par dispersion.

On en tient compte surtout à partir de 10 GHz.

L’absorption

58

ADAPTATION DES IMPEDANCES

En HF, les impédances d’entrée et de sortie des quadripôles amplificateurs ne

sont plus réelles mais complexes. S’il n’y a pas adaptation entre la source et la

charge, il y a bien sûr perte de puissance, mais souvent lorsque les puissances

sont importantes destruction du quadripôle amplificateur.

Adaptation en puissance

E

I

U

60

ADAPTATION DES IMPEDANCES

Adaptation en puissance

E

Exemple : Soit à adapter une source de 100Ω à une

charge de 1kΩ

61

LES CIRCUITS DE COUPLAGE

Méthode générale de calcul des réseaux d’adaptation

Quelle que soit la configuration initiale des impédances à adapter et du circuit de

couplage, le principe de calcul sera toujours le même :

• ou bien, on transforme le réseau en un circuit qui ne comprend plus que des

éléments résistifs et réactifs en série, ou bien,

• on transforme le réseau en un circuit qui ne comprend plus que des éléments

réactifs et résistifs en parallèle.

CONDITION D’ADAPTATION

62



Réseaux en L

63



Réseaux en L

64

LES CIRCUITS DE COUPLAGEMéthode générale de calcul des réseaux d’adaptationRéseaux à 3 éléments On sélectionne d’abord Q

65



Couplage par réactances (capacitive) en tête

R1 L C1

C2

R2

Couplage par capacité à la base

R1 L

C1

R2C2

66



Couplage en - Filtre de Collins

R1R2

C2

L1

C1

Couplage par inductance

R1R2

L

C

67

LES CIRCUITS DE COUPLAGEMéthode générale de calcul des réseaux d’adaptation

Couplage en T capacité en tête

R1R2

C0L

C1

C2

L1

Couplage en T inductance en tête

R1R2

C0 C1

L1C2

68

LES CIRCUITS DE COUPLAGEMéthode générale de calcul des réseaux d’adaptation

Couplage en - hybride à branche série résonante

R1R2

C0 C2

L1C1

Schéma pour réjection des harmoniques 2 et 3

L

L1 L2

C2C1

69

Exercice 4.1

L

C2

Us

Ue

Rc

300

C3C1

R1

R2

VCC

Q

L’amplificateur est chargé par une antenne de 60 . La fréquence de

travail est fixée à 100 MHz. On désire une bande passante de 10 MHz.

On souhaite pour une puissance active maximale et un coefficient de

réflexion nul.

L (nH) =

C2 (pF) =C1 (pF) =

70

Exercice 4.2

On désire adapter l’impédance d’entrée du transistor

bipolaire de puissance de référence 2N5642 à celle d’un

générateur 50 . L’adaptation doit être réalisée à la

fréquence de 175 MHz. On utilisera le circuit de couplage en

T proposé ci-dessous, en fixant Q = 10.

L’ (nH) =

C1 (pF) =

L (nH) =

C2 (pF) =

71

Exercice 4.3

72

Impédance du MRF 497

Exercice 4.3

73

Exercice 4.3

Méthode de calcul du réseau en L

74

Calcul des réactances

Exercice 4.3

75

Calcul des éléments

Solution 1 : passe bas Solution 2 : passe haut

Exercice 4.3

76

Schéma du circuit de sortie

Exercice 4.3

77

Calculer un circuit en L qui devra adapter une

source [RS] de 100 à une charge [RL] de 1 k à

100 MHz. Le circuit devra permettre le passage de la

composante continue de la source vers la charge.

On prendra le circuit Passe-bas :

Exercice 4.4

L (nH) = C (pF) =

78

Exercice 4.5

79

Impédance caractéristique

Exercice 4.5

80

Longueur d’onde

Exercice 4.5

81

Exercice 4.6

A l’aide de l’abaque de Smith, concevoir un circuit

de couplage à deux éléments pour adapter une

source ZS de 25-j15 à 60 MHz. On prendra une

valeur de normalisation de 50 . On utilise le réseau

suivant :

L (nH) = C (pF) =

82

Exercice 4.7

A l’aide de l’abaque de Smith, donner la valeur de

l’impédance Z du circuit suivant :

Z () = + j

83

PLANIFICATION DES GROUPES

N°1 N°2 N°3 N°4 N°5 N°6

G1

G2

G3

G4

G5

85

N°1 : ANTENNE DEMI-ONDE

87

N°2 : ANTENNE FILAIRE /4

Fixer une fréquence d’étude.

Tension d’alimentation = 1 V.

2.1 Simuler la répartition du courant le long de

l’antenne.

2.2 Simuler ensuite le diagramme de rayonnement

de l’antenne dans un plan antenne convenablement

choisi.

2.3 Déterminer l’ouverture à -3 dB de l’antenne.

2.4 Comment évolue cette ouverture avec la

longueur de l’antenne ?

2.5 Conclure.88

N°3 : ANTENNE FILAIRE 3/4



2.1 Simuler la répartition du courant le long de

l’antenne.

2.2 Simuler ensuite le diagramme de

rayonnement de l’antenne dans un plan antenne

convenablement choisi. Déterminer l’ouverture à

-3 dB de l’antenne. Comment évolue cette

ouverture avec la longueur de l’antenne ?

Conclure.

89

N°4 : ANTENNE FILAIRE



2.1 Simuler la répartition du courant le long

de l’antenne.


rayonnement de l’antenne dans un plan

antenne convenablement choisi. Déterminer

l’ouverture à -3 dB de l’antenne. Comment

évolue cette ouverture avec la longueur de

l’antenne ? Conclure.90

N°5 : ANTENNE FILAIRE 5/4



2.1 Simuler la répartition du courant le long

de l’antenne.


rayonnement de l’antenne dans un plan

antenne convenablement choisi. Déterminer

l’ouverture à -3 dB de l’antenne. Comment

évolue cette ouverture avec la longueur de

l’antenne ? Conclure.

91

N°6 : ANTENNES YAGI

ANTENNES YAGI DE FORME RÂTEAU A F = 1200 MHZ


Réflecteur : R

Pilote : P

Directeurs : D1 ; D2 ; D3

Espacement : dr ; d1 ; d2 ; d3

Configuration : P+R ; P+R+D1 ; P+R+D1+D2+D3.

4.1 Pour chaque configuration, simuler la répartition de

courant sur P et sur les brins parasites.

4.2 Simuler les diagrammes de rayonnement en gain dans

un plan convenablement choisi puis commenter les

résultats obtenus.

4.3 Comment évoluent le gain et l’angle d’ouverture à -3

dB ?

4.4 Conclure.92

N°6 : ANTENNES YAGI

G F(GHz) R() P() D1() D2() D3() dr() d1() d2() d3()

1 1 1/2 1/2 0.48 0.46 0.44 1/4 0.2 0.2 0.2

2 1.2 1/3 1/3 0.46 0.44 0.42 1/6 0.1 0.1 0.1

3 1.4 1/4 1/4 0.44 0.42 0.4 1/8 0.1 0.2 0.2

4 1.6 1/5 1/5 0.42 0.4 0.38 1/10 0.2 0.1 0.1

5 1.8 1/6 1/6 0.4 0.38 0.36 1/12 0.3 0.2 0.1

93

On propose de réaliser l’amplificateur au moyen du transistor BFR93AW, (Philips)

modélisé par ses paramètres S au point de polarisation : VCE = 5V, IC = 5mA.

- Variable : F

- Sélectionner : Linear step

- Start : 200 MHz

- Stop : 800 MHz

- Step : 1 MHz

Suivre la procédure indiquée dans le guide mis à votre disposition.

95

La fréquence F à utiliser est précisée dans le tableau ci-

dessous. De même que le gain G de l’amplificateur, ainsi que

le facteur de bruit Fb.

F(MHz) G(dB) Fb(dB)

G1 300 16 1,5

G2 375 20 2,5

G3 450 24 1,75

G4 550 28 2

G5 700 32 1,35

96

0.1

0.1

0.1

0.2

0.2

0.2

0.3

0.3

0.3

0.4

0.4

0.4

0.5

0.5

0.5

0.6

0.6

0.6

0.7

0.7

0.7

0.8

0.8

0.8

0.9

0.9

0.9

1.0

1.0

1.0

1.2

1.2

1.2

1.4

1.4

1.4

1.6

1.6

1.6

1.8

1.8

1.8

2.0

2.0

2.0

3.0

3.0

3.0

4.0

4.0

4.0

5.0

5.0

5.0

10

10

10

20

20

20

50

50

50

0.2

0.2

0.2

0.2

0.4

0.4

0.4

0.4

0.6

0.6

0.6

0.6

0.8

0.8

0.8

0.8

1.0

1.0

1.0

1.0

20-20

30-30

40-40

50

-50

60

-60

70

-70

80

-80

90

-90

100

-100

110

-110

120

-120

130

-130

140

-140

150

-150

160

-160

170

-170

180

90-9

085

-85

80-8

0

75-7

5

70-7

0

65-6

5

60-6

0

55-5

5

50-5

0

45

-45

40

-40

35

-35

30

-30

25

-25

20

-20

15

-15

10

-10

0.04

0.04

0.05

0.05

0.06

0.06

0.07

0.07

0.08

0.08

0.09

0.09

0.1

0.1

0.11

0.11

0.12

0.12

0.13

0.13

0.14

0.14

0.15

0.15

0.16

0.16

0.17

0.17

0.18

0.18

0.190.19

0.20.2

0.21

0.210.22

0.220.23

0.230.24

0.24

0.25

0.25

0.26

0.26

0.27

0.27

0.28

0.28

0.29

0.29

0.3

0.3

0.31

0.31

0.32

0.32

0.33

0.33

0.34

0.34

0.35

0.35

0.36

0.36

0.37

0.37

0.38

0.38

0.39

0.39

0.4

0.4

0.41

0.41

0.42

0.42

0.43

0.43

0.44

0.44

0.45

0.45

0.46

0.46

0.47

0.47

0.48

0.48

0.49

0.49

0.0

0.0

AN

GLE

DU

CO

EF

FIC

IEN

T D

E T

RA

NS

MIS

SIO

N E

N D

EG

RÉ

S

AN

GLE

DU

CO

EF

FIC

IEN

T D

E R

ÉF

LEX

ION

EN

DE

GR

ÉS

—>

LO

NG

UE

UR

S D

’ON

DE

VE

RS

LA

SO

UR

CE

—>

<— L

ON

GU

EU

RS

D’O

ND

E V

ER

S L

A C

HA

RG

E <

—

RÉ

AC

TA

NC

E IN

DU

CTI

VE

(+jX

/Zo)

OU

SUSC

EPTANCE C

APACITIVE (+

jB/Yo)

RÉACTANCE CAPACIT

IVE (-

jX/Z

o) O

U S

USC

EPTA

NC

E IN

DU

CTI

VE

(-jB

/Yo)

RÉSISTANCE (R/Zo) OU CONDUCTANCE (G/Yo)

PARAMÈTRES (ÉCHELLE RADIALE)

VERS LA CHARGE —> <— VERS LA SOURCE1.11.21.41.61.822.5345102040100

T.O.S. 1

12345681015203040

T.O.S. [dB] 0

1234571015 ATTÉNUATION [d

B]

0

1.1 1.2 1.3 1.4 1.6 1.8 2 3 4 5 10 20 T.O.S

. (PERTES)

1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 20 30

COEFF. DE RÉFL. [dB]

0.010.050.10.20.30.40.50.60.70.80.91

COEFF. DE RÉFL. (P) 0

0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.5 2 3 4 5 6 10 15 PERT. D’A

DAPT. [dB

]

0

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.5 3 4 5 10 AUGM. T

ENSION C

RÊTE

1

0.10.20.30.40.50.60.70.80.91

COEFF. DE RÉFL. (V, I) 0 0.99 0.95 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 COEFF. DE T

RANSM. (

P)

1

CENTRE1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 COEFF. D

E TRANSM

. (V, I

)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

ORIGINE

COORDONNÉES EN IMPÉDANCE OU ADMITTANCE NORMALISÉES

Abaque de Smith

97

1 INTRODUCTION A LA SCHEMATIQUE, ET LA SIMULATION LINEAIRE, PROCEDURE D’UTILISATION DE L’OUTIL : SMITH TOOL

1.1 INTRODUCTION

Le logiciel ANSOFT DESIGNER ne permet pas un accès direct à l’outil SMITH TOOL : Pour accéder à SMITH TOOL, il faut au minimum effectuer les opérations suivantes : - Création d’un répertoire - Création d’un `Projet’

- Dessin d’un schéma simulable comportant au minimum 2 ports (1 entrée + 1 sortie) - Lancement d’une analyse linéaire

- Visualisation des résultats de l’analyse en coordonnées polaires Ce n’est qu’à ce niveau qu’il est possible d’appeler et de configurer l’outil SMITH TOOL, puis de concevoir le réseau d’adaptation d’impédance.

Les opérations à effectuer pour accéder à SMITH TOOL et l’utiliser sont décrites dans les paragraphes suivants. Ces diverses opérations seront illustrées par l’exemple d’adaptation suivant : Adapter à 100 MHz un générateur d’impédance de sortie Zs = 100Ω + j 126Ω à une charge ZL : RL = 1000Ω // CL = 2pF, au moyen d’un simple réseau en L : Ls / Cp.

1.2 PROCEDURE D’ACCES ET DE CONFIGURATION D’ANSOFT DESIGNER.

1.2.1 CREATION D’UN REPERTOIRE

Lors de la 1ière utilisation, le logiciel ANSOFT DESIGNER propose par défaut le répertoire de travail dans : C:\Program Files\Ansoft\DesignerSV. Il est préférable de proposer un nouveau répertoire personnel pour sauvegarder le projet (situé hors de Program Files) : 1 click (G) sur le bouton du ¨Browser¨ (comportant 3 points …), Puis sélectionner par exemple : Mes documents\ Ansoft Designer Ou, C:\Users\ Ansoft Designer Etc…

1.2.2 INSERTION D’UN PROJET, ET SELECTION D’UNE ¨Technology File¨

1.2.2.1 Lancer le logiciel ANSOFT DESIGNER soit par 2 clicks (G) sur l’icône Änsoft Designer¨, soit avec le menu : Démarrer > Programmes > Ansoft > Designer > Ansoft Designer (SV). => Ouverture de la fenêtre ANSOFT DESIGNER.

1.2.2.2 Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier ¨Project 1¨, (Situé dans l’onglet ¨Project¨ à gauche de l’écran) puis, 1 click (D), sélectionner : Ïnsert¨ > Ïnsert Circuit Design¨ => Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Choose Layout Technology¨.

Remarque importante : Pour pouvoir ouvrir la feuille de dessin, on doit obligatoirement préciser la technologie du circuit : Substrat isolant, conducteurs, nombre de couches, etc.. Si le support envisagé est le circuit imprimé standard en verre époxy double face, sélectionner : MS – FR4 (Er=4.4) 0.060 inch, 0.5 oz copper

1.2.2.3 1 click (G) sur Open => Ouverture de la fenêtre d’édition de schéma, intitulée par défaut : Projet1 – Circuit1 - Schematic.

1.2.2.4 On peut vérifier en détail la technologie du substrat du circuit en en ouvrant successivement : ¨Project 1¨> Circuit 1 > data, puis 1click (G) sur l’icône ¨FR4¨=> Ouverture de la fenêtre intitulée: Substrate Definition¨ montrant la vue en coupe détaillée du substrat.

1.2.2.5 On peut donner un nom plus explicite que ¨ Project1¨, en plaçant la flèche sur l’icône du dossier ¨Project 1¨, puis, 1 click (D) > Save as → entrer : ¨ Smith_match¨ (par exemple).

1.2.3 CHARGEMENT DES LIBRAIRIES DE COMPOSANTS

A l’initialisation, le logiciel Ansoft Designer ne charge pas toutes les librairies de composants disponibles. Il est donc nécessaire de vérifier quelles sont les librairies chargées par défaut, et éventuellement procéder au chargement d’autres librairies (indispensables pour le projet). La librairie qui est particulièrement intéressante à charger est la librairie : ¨Vendors Elements¨. Pour la charger, il faut effectuer les opérations suivantes :

1.2.3.1 1 click (G) sur Tools > Configure Libraries… => Ouverture de la boite de dialogue intitulée: Configure Design Libraries.

1.2.3.2 Dans la case intitulée: Ävailable Libraries¨, sélectionner : ¨Vendors elements¨.

1.2.3.3 1 click (G) sur le bouton : [>>] => Transfert de la librairie ¨Vendors elements¨ dans la case intitulée: ¨Configured Libraries¨.

1.2.3.4 1 click (G) sur ÖK¨.

1.3 DESSIN D’UN SCHEMA SIMULABLE

Si l’on désire utiliser uniquement SMITH TOOL, il suffit de dessiner le schéma simulable le plus simple possible (AVEC AU MINIMUM 2 PORTS). A titre d’exemple, on propose de dessiner le réseau d’adaptation en L entre 2 ports d’entrée et de sortie, représenté sur la figure 1.1.

99

Owner

Texte surligné

1.3.1 Placement des ports d’entrée (1) et de sortie (2)

.3.1.1 Avec la souris, amener la flèche sur l’icône intitulé : Ïnterface Port¨ : 2° Icône en partant de la droite de la barre d’outils supérieure (en forme de losange), puis, 1 click (G).

1.3.1.2 Avec la souris, placer le 1er symbole ¨ Interface Port¨ dans la feuille de dessin, puis, 1 click (D) pour sélectionner ¨Place and Finish¨=> Le 1er port est positionné dans la feuille de dessin.

1.3.1.3 Procéder de même pour le port 2.

1.3.2 Paramétrage des ports d’entrée (1) et de sortie (2)

1.3.2.1 2 clicks (G) sur le port à paramétrer => Ouverture de la boite de dialogue intitulée:¨Port Definition¨

Compléter la boite de dialogue intitulée : ¨Port Definition¨ comme suit : - Dans la case ¨Port Name¨ modifier éventuellement le nom ¨Port1¨ ou ¨Port2¨ attribué par défaut. - Dans les cases ¨termination¨, laisser la valeur par défaut : Re : ¨50¨, Im : ¨0¨, et Ïmpedance¨, ou éventuellement procéder aux modifications désirées.

1.3.2.2 - 1 click (G) sur ÖK¨ => Placement du port repéré par son nom dans la feuille de dessin.

1.3.3 Placement des composants L et C.

1.3.3.1 1 click (G) sur l’onglet : ¨Components¨. (A gauche et au milieu de l’écran) => La liste des librairies de composants présélectionnés apparaît au dessus de l’onglet : ¨Components¨.

A ce niveau on peut choisir pour les composants L et C, soit des modèles théoriques parfaits dont les pertes sont éventuellement paramétrables par l’utilisateurs (Librairie : ¨Circuits Elements / Lumped¨), soit des modèles plus proches de la réalité, modélisés par les fabricants de composants (Librairie : ¨Vendors Elements¨). Supposons par exemple que l’on désire faire des simulations les plus proches possibles de la réalité, et que l’on prévoit d’utiliser des condensateurs chips en boîtier 0603 fabriqués par Philips, et des self inductances chips en boîtier 1210 fabriqués par Coilcraft. Dans ces conditions :

1.3.3.2 Condensateur :

- Ouvrir successivement les dossiers : ¨¨Vendors Elements¨ / ¨Capacitors¨ / Philips, puis 2 clicks (G) sur : ¨philips_smc_0603¨ => Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Merge Layers¨ - 1 click (G) sur le bouton : ¨Merge Layers¨ => - Avec la souris, placer le condensateur dans la feuille de dessin, puis, 1 click (D) pour sélectionner ¨Place and Finish¨=> Le condensateur est positionné dans la feuille de dessin. - Pour modifier la valeur de la capacité : 2 clicks (G) sur le symbole du condensateur => Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Properties¨. Entrer la valeur désirée (en pF) dans l’onglet : Parameter Values, (Ligne C), puis, 1 click (G) sur ÖK¨

1.3.3.3 Self inductance:

- Ouvrir successivement les dossiers : ¨Vendors Elements¨ / Ïnductors¨ /Coilcraft, puis 2 clicks (G) sur : ¨coilcraft1008cs¨ => Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Merge Layers¨ - 1 click (G) sur le bouton : ¨Merge Layers¨ => - Avec la souris, placer la self inductance dans la feuille de dessin, puis, 1 click (D) pour sélectionner ¨Place and Finish¨=> La self inductance est

positionnée dans la feuille de dessin. - Pour modifier la valeur de la self inductance: 2 clicks (G) sur le symbole => Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Properties¨. Entrer la valeur désirée (en nH) dans l’onglet : ¨Parameter Values¨, (Ligne L), puis, 1 click (G) sur ÖK¨.

NOTA : Dès qu’un composant est placé dans la feuille de dessin, on peut, changer sa position, son orientation, le copier, le supprimer, etc.. en procédant comme suit : 1. Il faut tout d’abord sélectionner le composant avec la souris en positionnant la flèche sur son symbole, puis 1 click (G) => Le composant

sélectionné doit passer en couleur rouge. 2. Pour accéder aux commandes de déplacement, orientation, etc …on peut employer l’une des 2 méthodes suivantes : 1. Positionner la flèche dans la feuille de dessin, puis, 1 click (D) => un menu apparaît, dans lequel il suffit de sélectionner la commande

désirée. 2. Avec la souris, amener la flèche sur le bouton ¨draw¨ puis, 1 click (G), => un menu (identique au précédent) apparaît, dans lequel il

suffit de sélectionner la commande désirée.

1.3.3.4 Placement du symbole de terre (Ground).

- Avec la souris, amener la flèche sur l’icône: ¨Ground¨ : 3° Icône en partant de la droite de la barre d’outils supérieure, puis, 1 click (G). - Avec la souris, placer le symbole ¨Ground¨ dans la feuille de dessin, puis, 1 click (D) pour sélectionner ¨Place and Finish¨=> Le symbole

¨Ground¨ est positionné dans la feuille de dessin.

1.3.4 Interconnexion des composants en tenant compte de la longueur des pistes de liaisons.

1.3.4.1 Introduction

Pour tenir compte de la longueur des pistes de liaisons, les composants doivent être interconnectés par des ¨microstrip lines et des microstrip tees¨ dont les largeurs et longueurs doivent être précisées. Les procédures de placement / paramétrage / connexion des ¨microstrip lines et des microstrip tees¨ sont détaillées ci-dessous :

100

1.3.4.2 Placement / paramétrage / connexion des ¨microstrip lines ¨

- Ouvrir successivement les dossiers : ¨Circuits Elements¨ / ¨Microstrip ¨ / Transmission Lines puis 2 clicks (G) sur : ¨ MSTRL : MS Trans. Line, Physical Length ¨ => Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Merge Layers¨ - 1 click (G) sur le bouton : ¨Merge Layers¨ => - Avec la souris, placer le ¨microstrip line¨dans la feuille de dessin, puis, 1 click (D) pour sélectionner ¨Place and Finish¨=> Le ¨microstrip line¨ est positionné dans la feuille de dessin. Remarque importante: En faisant coïncider les extrémités du ¨microstrip line¨ avec les extrémités des composants à interconnecter, les liaisons électriques sont automatiquement assurées. Si la coïncidence est difficile voire impossible à obtenir, il suffit de compléter les liaisons avec le mode d’interconnexion à longueur physique nulle présenté au § 1.3.5. - Pour paramétrer les dimensions du ¨microstrip line¨, la capacité : 2 clicks (G) sur le symbole du ¨microstrip line¨ => Ouverture de la boite de

dialogue intitulée : ¨Properties¨. Entrer dans l’onglet : Parameter Values, colonne ¨Value¨, les valeurs de la largeur (W), et de la longueur (P) précisées (en mm) sur la figure 1.1, puis, 1 click (G) sur ¨OK¨.

1.3.4.3 Placement / paramétrage / connexion des ¨microstrip tees ¨

- Ouvrir successivement les dossiers : ¨Circuits Elements¨ / ¨Microstrip / General Components ¨ puis 2 clicks (G) sur : ¨ MSTEEE : MS Tee- Ref. Planes at Edge ¨ => Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Merge Layers¨ - 1 click (G) sur le bouton : ¨Merge Layers¨ => - Avec la souris, placer le ¨microstrip tee¨dans la feuille de dessin, puis, 1 click (D) pour sélectionner ¨Place and Finish¨=> Le ¨microstrip tee¨ est positionné dans la feuille de dessin. Remarque importante: En faisant coïncider les extrémités du ¨microstrip tee¨ avec les extrémités des composants à interconnecter, les liaisons électriques sont automatiquement assurées. Si la coïncidence est difficile voire impossible à obtenir, il suffit de compléter les liaisons avec le mode d’interconnexion à longueur physique nulle présenté au § 1.3.5. - Pour paramétrer les dimensions du ¨microstrip tee¨: 2 clicks (G) sur le symbole du ¨microstrip tee¨ => Ouverture de la boite de dialogue

intitulée : ¨Properties¨. Entrer dans l’onglet : Parameter Values, colonne ¨Value¨, les valeurs des 3 largeurs (W1, W2, W3) précisées (en mm) sur la figure 1.1, puis, 1 click (G) sur ¨OK¨.

1.3.5 Interconnexion des composants sans tenir compte de la longueur des pistes de liaisons.

- Avec la souris, amener la flèche sur la pin du 1er composant à interconnecter => La flèche se transforme en ¨X¨ . 1 click (G) bref. (Le maintien de la touche Gauche enfoncée, déplace le composant) - Avec la souris, déplacer la flèche sur la pin du 2ième composant à interconnecter, puis, 1 click (G) => Création d’une interconnexion entre les 2 composants. (On peut répéter cette opération pour interconnecter d’autres composants sur la même équipotentielle). - Pour terminer une ou plusieurs interconnexions : 1 click (D). Remarque très importante : Avec ce mode d’interconnexion, le simulateur considère que la longueur physique des liaisons est nulle Þ la longueur des traits de liaisons entre composants dessinés sur le schéma peuvent donc avoir une longueur quelconque.

Figure 1.1 : Schéma du réseau d’adaptation en L entre 2 ports d’entrée et de sortie.

E S

C0

60

34

77

B9

B2

00

10

pF

L1008CS_040XKBC

100nH

0

P=1mm

W=1mm

P=1mm

W=1mm

P=

1.6

mm

W=

1m

m

P=1mm

W=1mm

P=

1m

m

W=

1m

m

1 2

3

W1=1mm

W2=1mm

W3=1mm

101

Remarque : Pour une meilleure précision, on peut remplacer le symbole ¨Ground¨ par une traversée de masse ou : ¨Via¨, qui tient compte de l’épaisseur du substrat, et du diamètre du trou métallisé. Pour insérer un ¨Via¨, ouvrir successivement les dossiers : ¨Circuits Elements¨ / ¨Microstrip ¨ / General components, puis 2 clicks (G) sur : ¨ MSVIAP : MS Via Pad ¨ => Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Merge Layers¨ - 1 click (G) sur le bouton : ¨Merge Layers¨ => - Avec la souris, placer le ¨MS Via Pad¨dans la feuille de dessin, puis, 1 click (D) pour sélectionner ¨Place and Finish¨=> Le ¨ MS Via Pad¨ est positionné dans la feuille de dessin.

1.3.6 Visualisation du ¨layout¨ généré automatiquement

1.3.6.1 Avec la souris, amener la flèche sur l’icône intitulé : Ëdit Layout¨ : 20° Icône en partant de la gauche de la barre d’outils supérieure (en forme de crayon + microstrip lines interconnectées), puis, 1 click (G). => Affichage du ¨Layout¨ dans une fenêtre intitulée: ¨ Smith_match -Circuit1-Layout¨

1.3.6.2 Si le ¨Layout¨ n’est pas aligné : 1 click (G) sur le bouton ¨Draw¨ puis sélectionner Älign MW Ports ¨ par 1 click (G) => On obtient le ¨Layout¨ aligné représenté sur la figure 1.2.

Figure 1.2 : Layout du réseau d’adaptation en L entre 2 ports d’entrée et de sortie.

1.3.7 Vérification du schéma.

Une fois le schéma terminé, il faut le vérifier en effectuant les opérations suivantes :

Quitter la fenêtre du Layout, et rouvrir la fenêtre du schéma.

1.3.7.1 Avec la souris, amener la flèche sur le bouton ¨Schematic¨, appuyer sur la touche de gauche, et la relâcher sur : Ëlectric rule check¨ => ouverture de la fenêtre intitulée : Ëlectric rule check¨.

1.3.7.2 1 click (G) sur ¨Run ERC¨ => Si tout est correct, affichage du message ¨ Electric rule check complete. No error found ¨.

1.3.7.3 1 click (G) sur ÖK¨ => Fermeture de la fenêtre intitulée : ¨ Schematic Editor¨.

1.3.8 VERIFICATION DE LA ¨NETLIST¨ GENEREE

Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier ¨Circuit1 ¨, (Symbole de transistor bipolaire situé dans l’onglet ¨Project¨ à gauche de l’écran) puis 1 click (D) →Sélectionner : ¨Browse Netlist¨ par 1 click (D) ou (G) Þ Affichage de la ¨Netlist¨ dans une fenêtre intitulée : ¨Project1-Circuit1-Netlist ¨

1.3.9 Copier / coller du schéma dans le traitement de texte Word.

Sous Ansoft Designer : - Positionner la flèche dans la feuille de dessin, puis, 1 click (D) => un menu apparaît, - 1 click (G) sur ¨Copy to Clipboard¨ Sous Word: - Positionner le curseur à l’emplacement désiré, puis, 1 click (D) : Coller.

102

1.4 CONFIGURATION ET LANCEMENT D’UNE ANALYSE LINEAIRE

1.4.1 CONFIGURATION D’UNE ANALYSE LINEAIRE

1.4.1.1 Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier ¨Smith_match¨, (Situé dans l’onglet ¨Project¨ à gauche de l’écran) puis :

1.4.1.2 1 click (G) sur la croix (+) d’ouverture du dossier ¨Smith_match¨ Þ apparition d’un symbole de transistor bipolaire intitulé ¨Circuit 1¨

1.4.1.3 1 click (G) sur la croix (+) d’ouverture du dossier ¨Circuit 1 Þ apparition des sous-dossiers intitulés : ¨Data¨, Ëxcitations¨, ¨Ports¨, Änalysis¨, Öptimetrics¨, ¨Results¨.

1.4.1.4 1 click (D) sur le dossier: Analysis > Add Solution Set Up Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée : Änalysis Setup ¨.

Compléter cette boite de dialogue comme suit : Analysis Name: Laisser NWA1 Analysis Type: Linear Network Analysis. Category: Frequency Domain.

1.4.1.5 1 click (G) sur : Next Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Linear Network Analysis, Frequency Domain¨

1.4.1.6 1 click (G) sur : Add Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée : Ädd/Edit Sweep¨

REMARQUE PRELIMINAIRE TRES IMPORTANTE : La plage de fréquence à analyser doit comprendre la ou les fréquences pour lesquelles il est prévu d’effectuer une adaptation d’impédance au moyen de SMITH TOOL : Par exemple, si l’on doit effectuer une adaptation d’impédance à 100Mhz, compléter cette boite de dialogue comme suit :

- Variable : F - Sélectionner : Linear step - Start : 50 MHz - Stop : 150 MHz - Step : 1 MHz - 1 click (G) sur Ädd¨ => Transfert dans la case intitulée ¨Sweep Values¨, de: ¨LIN 50 MHz 150 MHz 1 MHz¨ - 1 click (G) sur ÖK¨ => Fermeture de la fenêtre intitulée : ¨ Add/Edit Sweep ¨.

1.4.1.7 1 click (G) sur ¨Terminer ¨ => Fermeture de la fenêtre intitulée : ¨ Linear Network Analysis, Frequency Domain ¨.

1.4.2 LANCEMENT D’UNE ANALYSE LINEAIRE

1.4.2.1 Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier Änalysis ¨, (Situé dans l’onglet ¨Project¨ à gauche de l’écran) puis :

1 click (G) sur la croix (+) d’ouverture du dossier Änalysis ¨ Þ apparition du sous dossier intitulé ¨NWA1¨

1.4.2.2 Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier ¨ NWA1¨, puis 1 click (D) Þ ouverture d’un menu de sélection: 1 click (G) ou (D) sur : Änalyze NWA1¨Þ Lancement de l’analyse linéaire.

Vérifier l’absence de message d’erreur en bas de l’écran.

1.5 VISUALISATION DES RESULTATS DE L’ANALYSE LINEAIRE DANS L’ABAQUE DE SMITH

1.5.1

Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier ¨Results¨, (Situé dans l’onglet ¨Project¨ à gauche de l’écran) puis 1 click (D) Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Create Report ¨

Compléter cette boite de dialogue comme suit : - Report Type : Standard - Display type : Smith Chart REMARQUE TRES IMPORTANTE : La sélection de ¨Smith Chart¨ ou ¨Polar Plot¨ est indispensable pour accéder à SMITH TOOL.

1.5.2

1 click (G) sur ÖK¨ Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Traces ¨ Compléter cette boite de dialogue comme suit :

1.5.2.1 Dans l’onglet ¨Polar¨ :

- Category : S parameter - Quantity : S11 - Function : <none>

103

Owner

Texte surligné

1.5.2.2 1 click (G) sur le bouton : ¨Add Trace¨ Þ Transfert dans la case intitulée ¨Polar ¨, de: ¨S11 ¨

1.5.2.3 1 click (G) sur le bouton : ¨Done Þ Affichage de S11 dans l’abaque de SMITH située dans une fenêtre intitulée : ¨Smith Plot 1 intitulée : ¨Project1-Circuit1-Netlist ¨

1.6 UTILISATION DE L’OUTIL SMITH TOOL

1.6.1 APPEL DE L’OUTIL SMITH TOOL.

1 click (G) sur le bouton ¨Report 2D¨ (5° bouton en partant de la gauche en haut de l’écran) Þ Sélectionner ¨Smith Tool¨ par 1 click (G) Þ Ouverture de la fenêtre intitulée : ¨Smith Tool¨.

1.6.2 CONFIGURATION DE L’OUTIL SMITH TOOL.

1.6.2.1 Dans l’onglet ¨display¨ :

- Remplir obligatoirement la case ¨Freq¨. Par exemple, si l’adaptation est prévue à 100 MHz, c’est à ce niveau qu’il faut sélectionner 100 MHz dans la case ¨Freq¨.

- On peut aussi demander l’affichage de cercles ISOQ.

Deux méthodes peuvent être employées pour afficher les cercles ISOQ :

1° Manuellement avec la souris :

- 1 click (G) sur le bouton ¨Q ¨ - Avec la souris, déplacer la flèche dans l’abaque de Smith jusqu’à obtenir la valeur de Q désirée (par exemple Q = 5), puis 1 click (G), => Affichage des cercles ISOQ = 5 dans l’abaque de SMITH.

2° Numériquement avec le clavier:

- 1 click (G) sur le bouton ¨Q ¨ - Avec la souris, amener le curseur dans la case intitulée ¨Start¨ - Avec le clavier, entrer la valeur désirée : 5, puis : Enter. => Affichage des cercles ISOQ = 5 dans l’abaque de SMITH.

1.6.2.2 Dans l’onglet ¨Matching¨ : Entrée du point de départ

- Avec la souris, amener la flèche sur le bouton ¨New Match¨, puis 1 click (G) :

C’est à ce niveau que l’on doit rentrer l’impédance de la charge à adapter : ( ZL : RL = 1000Ω // CL = 2pF), puis concevoir le réseau pour une adaptation au complexe conjugué de l’impédance de sortie du générateur (Zs* = 100Ω - j 126Ω).

Dans le cas particulier de l’exemple que nous avons choisi, il est préférable pour des raisons de rapidité et de précision de rentrer l’admittance réduite de la charge (yL = 0,05 + j0,0628). De même que pour l’affichage de cercles ISOQ précédemment décrit, on peut rentrer le point de départ soit manuellement avec la souris, soit numériquement avec le clavier :

1° Entrée manuelle du point de départ avec la souris :

Avec la souris, déplacer la flèche dans l’abaque de Smith jusqu’à obtenir la valeur désirée de l’admittance réduite de la charge : yL = 0,05 + j0,0628, puis 1 click (G), => Affichage du point de départ dans l’abaque de Smith.

2° Entrée numérique du point de départ avec le clavier: La méthode numérique est plus précise, elle consiste à rentrer ZL ou YL au moyen du clavier. On peut alors soit rentrer la valeur nominale de l’impédance ZL, dans la case ¨Nominal Value¨ ; soit rentrer la valeur réduite de l’impédance zL dans la case ¨Normalized impedance¨; soit encore, rentrer la valeur réduite de l’admittance yL dans la case ¨Normalized admittance¨ Remarque : dans la version 2 d’Ansoft Designer, on ne peut plus rentrer directement une valeur numérique de point de départ avec le clavier, il faut obligatoirement passer par l’intermédiaire de la phase précédente (entrée manuelle avec la souris). Dans le cas particulier de l’exemple choisi, il s’agit de rentrer une admittance réduite. La procédure à suivre est alors la suivante :

- Avec la souris, déplacer la flèche dans une zone quelconque de l’abaque de Smith puis 1 click (G), => Affichage du point de départ correspondant dans l’abaque de SMITH.

- Avec la souris, amener le curseur dans la case intitulée ¨Normalized Admittance¨, qui contient la valeur du point de départ sélectionné manuellement.

104

- Avec le clavier, remplacer cette valeur initiale arbitraire, par la valeur désirée de l’admittance réduite de la charge : yL = 0,05 + j0,0628, puis appuyer sur ¨Enter¨ Þ Affichage du point de départ dans l’abaque de Smith.

1.6.3 CONCEPTION DU RESEAU D’ADAPTATION

La conception du réseau d’adaptation comprend 3 phases :

1.6.3.1 Construction du réseau d’adaptation.

Cette phase consiste à sélectionner successivement (et dans l’ordre d’apparition dans le schéma), les éléments constituant le réseau d’adaptation. La palette de choix de SMITH TOOL permet de sélectionner aussi bien des éléments localisés (L, C) que des éléments répartis (lignes, stubs). Dans le cas particulier de l’exemple du réseau en L : (Ls / Cp), cette construction peut s’effectuer dans une même phase de la manière suivante : - Sélection d’un condensateur parallèle (Cp) : par 1 click (G) sur le bouton comportant le symbole d’un condensateur connecté à la masse. - Sélection d’une self inductance série (Ls) : par 1 click (G) sur le bouton comportant le symbole d’une self inductance non connectée à la masse. Chaque sélection d’un élément doit se traduire dans l’abaque de SMITH par l’apparition d’un arc de cercle supplémentaire. REMARQUES :

1. L’abaque de SMITH est paramétrée en IMMITANCE. 2. SMITH TOOL ne prend en compte que l’une des impédances à adapter, (définie par le¨Start Point¨) et ignore la valeur de la

2ième impédance terminale (point d’arrivée) que seul l’utilisateur connaît. C’est la raison pour laquelle SMITH TOOL propose par défaut une longueur d’arc (correspondant à une valeur initiale du composant sélectionné) que l’utilisateur doit modifier manuellement dans une 2ième phase (décrite ci-dessous en 1.6.3.2.) pour atteindre le point d’arrivée.

1.6.3.2 Réglage manuel des valeurs des composants du réseau d’adaptation.

Chaque composant du réseau d’adaptation doit être réglé ¨manuellement¨ dans l’abaque de SMITH par la méthode graphique suivante :

- Avec la souris, amener la croix sur le point d’arrivée de l’arc de cercle relatif au composant à régler.

- Appuyer sur la touche de gauche => Affichage du cercle complet représentant toutes les possibilités de réglages offertes par le composant sélectionné.

- Déplacer le point d’arrivée en déplaçant la souris (et en maintenant la touche de gauche appuyée) jusqu’à atteindre le point désiré, puis relâcher la touche de gauche => Le point d’arrivée de l’arc de cercle considéré atteint le point désiré.

- Après plusieurs réglages successifs de chaque composant du réseau d’adaptation, on peut atteindre le point correspondant à l’impédance terminale désirée :

Dans l’exemple choisi, il s’agit du complexe conjugué de l’impédance de sortie du générateur (Zs* = 100Ω - j 126Ω, ou zs* = 2 – j 2,52). On obtient alors dans le cas de cet exemple les transformations d’impédances dans l’abaque de SMITH, représentées sur la figure 1.3.

105

Figure 1.3 : Réseau d’adaptation en L : Transformations d’impédances dans l’abaque de SMITH

1.6.3.3 Affichage du schéma complet du réseau d’adaptation

L’affichage du schéma complet du réseau d’adaptation s’effectue au moyen d’un transfert (Export) dans la feuille de dessin in itiale (intitulée dans notre exemple: ¨smith_match-Circuit1-Schematic¨. La procédure à suivre est alors la suivante :

- Dans l’onglet ¨Matching¨, 1 click (G) sur le bouton Ëxport¨ Þ Affichage du message Ansoft Designer: Ü1 : Circuit2 : SubCircuit has been inserted in the project tree¨.

- 1 click (G) sur ÖK¨ Þ Fermeture du message Ansoft Designer.

- Fermer la fenêtre intitulée : ¨Smith Tool¨.

Après la fermeture de ¨Smith Tool¨, on peut vérifier que le ¨SubCircuit : Ü1Circuit2¨ a été inséré dans le ¨project tree¨ (onglet ¨project¨), ainsi que dans la feuille de dessin initiale (¨smith_match-Circuit1-Schematic¨) sous la forme d’un quadripôle. Le quadripôle Ü1Circuit2¨ peut alors être déplacé et connecté au circuit initial, ou remplacer le circuit initial. En principe le schéma électrique de Ü1Circuit2¨ s’affiche automatiquement dans une fenêtre intitulée : ¨smith_match- (Circuit2.U1)-Schematic¨ Si cet affichage automatique ne s’effectue pas, on peut le forcer manuellement par l’une des 2 méthodes suivantes : 1°. A partir du quadripôle inséré dans le dessin :

- Avec la souris, amener la flèche sur le symbole du quadripôle Ü1Circuit2¨ situé dans la feuille de dessin, puis 1 click (D) Þ Le symbole devient rouge, et un menu de sélection s’ouvre: - 1 click (G) ou (D) sur : ¨Push Down ¨Þ Affichage du schéma complet du réseau d’adaptation représenté sur la figure 1.4.

2°. A partir du ¨SubCircuit : Ü1Circuit2¨ a été inséré dans le ¨project tree¨ (onglet ¨project¨) :

- Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier Ü1Circuit2¨, (Symbole de transistor bipolaire situé dans l’onglet ¨Project¨ à gauche de l’écran) puis 2 clicks (G) Þ Affichage du schéma complet du réseau d’adaptation représenté sur la figure 1.4.

106

Figure 1.4 : Schéma complet du réseau d’adaptation en L.

2 CONCEPTION ET SIMULATION LINEAIRE D’UN LNA (Low Noise Amplifier)

2.1 DESSIN DU SCHEMA ELECTRIQUE

2.2 INTRODUCTION

On propose de réaliser l’amplificateur au moyen du transistor BFR93AW, (Philips) modélisé par ses paramètres S au point de polarisation : VCE = 5V, IC = 5mA.

Figure 2.1 : Schéma du LNA avec transistor BFR93AW

Malgré son extrême simplicité, ce schéma pose un problème au niveau de la sélection et du placement du transistor BFR93AW, modélisé par ses paramètres S au point de polarisation : VCE = 5V, IC = 5mA. En effet, dans la version 2.2 d’Ansoft Designer, le modèle de ce transistor ne figure plus dans la bibliothèque disponible dans l’onglet Components. Pour obtenir le modèle désiré, il faut le rechercher dans les librairies figurant dans le Directory d’installation, en suivant la procédure suivante :

2.3 PROCEDURE GENERALE DE RECHERCHE ET DE PLACEMENT D’UN TRANSISTOR MODELISE PAR SES PARAMETRES S

2.3.1 Identification et recherche des références du fichier de paramètre S du transistor

Pour rechercher le fichier de paramètres S du BFR93AW, (Philips) au point de polarisation : VCE = 5V, IC = 5mA, il faut : Ouvir le Poste de travail :

- Se placer sous : C / ANSOFT LIBRAIRIES / Sys lib / Vendor elements / S param data / philips npn-95plb - Ouvrir avec Word Pad ou Word le fichier : Philips npn-asplb - Rechercher le fichier de paramètres S du BFR93AW, au point de polarisation : VCE = 5V, IC = 5mA - Relever les références indiquées après $ BEGIN. Þ dans le cas du BFR93AW, au point de polarisation : VCE = 5V, IC = 5mA, on trouve : bfr93awa.s2p

2.3.2 Placement du transistor sous Ansoft Designer:

Transférer dans Components la librairie complète de paramètres S en procédant comme suit :

- 1 click (G) sur Tools > Configure Libraries… => Ouverture de la boite de dialogue intitulée: Configure Design Libraries. - Dans la case intitulée: ¨Available Libraries¨, sélectionner : ¨Vendors elements¨ / S Param Data / NPN. - 1 click (G) sur le bouton : [>>] => Transfert de la librairie désirée dans la case intitulée: ¨Configured Libraries¨. - 1 click (G) sur ¨OK¨. - Dans l’onglet Component, rechercher le transistor bfr93awa.s2p, dans : Vendors elements¨ / S Param Data / NPN / Philips - Npn – 2p : Philips NPN 2 port - 1 click (G) sur : ¨ Philips - Npn – 2p : Philips NPN 2 port¨ - Placer le symbole du transistor dans le schéma.

107

Par défaut, le transistor est référencé : bf 547a .S2p Þ Pour remplacer par la référence désirée :

- 2 clicks (G) sur le symbole du transistor - Ouverture de la fenêtre intitulée: Properties - Dans la colonne Value, ligne VComp : 2 clicks (G) sur Choose Þ Ouverture de la fenêtre intitulée: Model list - Sélectionner : bfr93awa.s2p - 1 click (G) sur ÖK¨ dans fenêtre intitulée: Model list - 1 click (G) sur ÖK¨ dans fenêtre intitulée: Properties Þ La référence du transistor devient : bfr93awa.s2p

2.4 CONFIGURATION ET LANCEMENT D’UNE ANALYSE LINEAIRE

Reprendre la procédure décrite au § 1.4, en configurant la boite de dialogue intitulée : Ädd/Edit Sweep¨ comme suit :

- Variable : F - Sélectionner : Linear step - Start : 400 MHz - Stop : 800 MHz - Step : 1 MHz

2.5 VISUALISATION DES RESULTATS DE L’ANALYSE LINEAIRE DANS L’ABAQUE DE SMITH

Demander l’affichage de S11 dans l’abaque de SMITH, en reprenant la procédure décrite au § 1.5.

2.6 UTILISATION DE L’OUTIL SMITH TOOL

2.6.1 APPEL DE L’OUTIL SMITH TOOL.

1 click (G) sur le bouton ¨Report 2D¨ (5° bouton en partant de la gauche en haut de l’écran) Þ Sélectionner ¨Smith Tool¨ par 1 click (G) Þ Ouverture de la fenêtre intitulée : ¨Smith Tool¨.

2.6.2 CONFIGURATION DE L’OUTIL SMITH TOOL.

On désire concevoir un amplificateur de gain 16 dB, pour une fréquence de 600 MHz, avec un facteur de bruit de 1,5 dB Þ

2.6.2.1 Sélection de la fréquence

Dans l’onglet ¨display¨ :

- Dans la case ¨Freq¨, sélectionner 600 MHz.

2.6.2.2 Sélection d’un cercle de gain constant de Source (S):

Dans l’onglet ¨display¨ : - Dans la zone Circles, sélectionner : Available Gain Ga (S-Plane). - Dans la case ¨Start¨, entrer : 16 - 1 click (G) sur le bouton Äpply ¨ Þ Apparition d’un cercle de gain constant de Source (S) de 16 dB. (voir figure 2.2)

2.6.2.3 Sélection d’un cercle de bruit constant:

Dans l’onglet ¨display¨ : - Dans la zone Circles, sélectionner : Noise. - Dans la case ¨Start¨, entrer : 1.5 - 1 click (G) sur le bouton Äpply ¨ Þ Apparition d’un cercle de bruit constant de Source (S) de 1,5 dB. (voir figure 2.2)

2.6.2.4 Tracé des cercles de stabilité de source et de charge:

Dans l’onglet ¨display¨ : - Dans la zone Circles, sélectionner : Stability K (S Plane). - 1 click (G) sur le bouton Äpply ¨ Þ Apparition du cercle de stabilité dans le plan de Source (S) (voir figure 2.2)

- Dans la zone Circles, sélectionner : Stability K (L Plane). - 1 click (G) sur le bouton Äpply ¨ Þ Apparition du cercle de stabilité dans le plan de Charge (Load = L) (voir figure 2.2)

Nota : Les petits traits perpendiculaires au cercle indiquent le coté stable du cercle. 2.6.2.5 Tracé du cercle de VSWR constant de source:

Dans l’onglet ¨display¨ : - Dans la zone Grids, entrer : 2 dans la case ¨Start¨. - 1 click (G) sur le bouton ¨VSWR ¨ Þ Apparition du cercle de VSWR = 2 dans le plan de Source (S) (voir figure 2.2)

108

Owner

Texte surligné

Owner

Texte surligné

On obtient ainsi l’impédance optimale à ramener dans le plan de source : Il s’agit de l’impédance au point d’intersection P des 3 cercles :

- Gain constant de Source (S) : Cercle rouge. - Bruit constant : Cercle vert - VSWR constant de source : Cercle bleu.

Il reste maintenant à déterminer l’impédance optimale à ramener dans le plan de charge permettant d’obtenir le gain de 16 dB désiré. Cette opération est réalisée automatiquement par Smith Tool au moyen de l’outil Source/Load Mapping qu’il suffit de configurer comme indiqué dans le § 2.6.2.6 ci-dessous.

Figure 2.2 : Tracés des cercles du transistor BFR93AW :

- Gain constant de Source (S) - Bruit constant - Stabilité de source et de charge - VSWR constant de source

2.6.2.6 Détermination de l’impédance dans le plan de charge au moyen de l’outil Source/Load Mapping

Dans l’onglet ¨display¨ : - Dans la zone Mapping, sélectionner : Available Gain Ga S→L - Dans la case ¨Gain (dB)¨, entrer : 16 - 1 click (G) sur le bouton ¨Apply ¨ Þ Apparition d’un 2ème cercle référencé dans le plan de charge (voir figure 2.4) - Avec la souris, déplacer la croix au point P, puis 1 click (G) => Affichage du point correspondant (Q) dans le 2ème cercle référencé dans le plan de charge (voir figure 2.3).

Transformer le point correspondant (Q) en son complexe conjugué (Q*) => - 1 click (G) sur le bouton ¨Conjugate ¨ - 1 click (G) sur le point (Q) Þ Affichage du point conjugué (Q*) (voir figure 2.3).

109

Figure 2.3 : Mapping du cercle de gain de Source dans le plan de Charge, et tracé du point conjugué (Q*)

2.6.3 Conception du réseau d’adaptation d’entrée

2.6.3.1 Entrée du point de départ

Dans l’onglet ¨Matching¨

- Avec la souris, amener la flèche sur le bouton ¨New Match¨, puis 1 click (G) : Dans l’abaque de Smith :

Avec la souris, déplacer la croix au centre de l’abaque de Smith (50 Ω) puis 1 click (G) => Affichage du point de départ dans l’abaque de Smith.

2.6.3.2 Conception du réseau d’adaptation

- Sélection d’une self inductance shunt: par 1 click (G) sur le bouton comportant le symbole d’une self inductance connectée à la masse. - Avec la souris, régler le trajet correspondant dans l’abaque de Smith. - Sélection d’un condensateur série : par 1 click (G) sur le bouton comportant le symbole d’un condensateur non connecté à la masse. - Avec la souris, régler le trajet correspondant dans l’abaque de Smith, jusqu’à atteindre le point P (intersection des cercles de Gain, de bruit, et de VSWR. (voir figure 2.4)

110

Figure 2.4 : Trajets dans l’abaque de Smith du réseau d’adaptation d’entrée

L’affichage du schéma complet du réseau d’adaptation s’effectue au moyen d’un transfert (Export) dans la feuille de dessin initiale.


A ce stade, on peut vérifier que le ¨SubCircuit : ¨U1Circuit2¨ a été inséré dans le ¨project tree¨ (onglet ¨project¨), ainsi que dans la feuille de dessin initiale sous la forme d’un quadripôle.

2.6.4 Conception du réseau d’adaptation de sortie

2.6.4.1 Entrée du point de départ

Dans l’onglet ¨Matching¨ : - Avec la souris, amener la flèche sur le bouton ¨New Match¨, puis 1 click (G) : Dans l’abaque de Smith :

Avec la souris, déplacer la croix sur le du point conjugué (Q*) puis 1 click (G), => Affichage du point de départ dans l’abaque de Smith.

2.6.4.2 Conception du réseau d’adaptation

- Sélection d’une self inductance shunt: par 1 click (G) sur le bouton comportant le symbole d’une self inductance connectée à la masse. - Avec la souris, régler le trajet correspondant dans l’abaque de Smith, jusqu’à atteindre le cercle R = 1. - Sélection d’un condensateur série : par 1 click (G) sur le bouton comportant le symbole d’un condensateur non connecté à la masse. - Avec la souris, régler le trajet correspondant dans l’abaque de Smith, jusqu’à atteindre le centre de l’abaque de Smith (50Ω). (voir figure 2.5)

111

Figure 2.5 : Trajets dans l’abaque de Smith des réseaux d’adaptation d’entrée et de sortie

L’affichage du schéma complet du réseau d’adaptation s’effectue au moyen d’un transfert (Export) dans la feuille de dessin initiale.


A ce stade, on peut vérifier que le ¨SubCircuit : Ü2Circuit2¨ a été inséré dans le ¨project tree¨ (onglet ¨project¨), ainsi que dans la feuille de dessin initiale sous la forme d’un quadripôle.

2.7 CONSTRUCTION DE L’AMPLIFICATEUR

Pour la clarté du schéma, il est conseiller de renommer les ¨SubCircuits¨ en procédant comme suit : Dans l’onglet ¨Project¨ :

- Avec la souris, amener la flèche sur le symbole du réseau d’adaptation d’entrée : ¨SubCircuit : Ü1 : Circuit2¨ - 1 click (D) → Rename - Renommer le ¨SubCircuit : InputMatch (par exemple)

Répéter les 3 opérations ci-dessus pour le réseau d’adaptation de sortie, et le renommer : OutputMatch (par exemple) Connecter les réseaux d’adaptation d’entrée et de sortie selon le schéma représenté sur la figure 2.6.

Figure 2.6 : Schéma complet du LNA

2.8 SIMULATION DE L’AMPLIFICATEUR Lancer une simulation linéaire, en reprenant la procédure décrite au § 1.4, et en configurant la boite de dialogue intitulée : Ädd/Edit Sweep¨ comme suit :

112

- Variable : F - Sélectionner : Linear step - Start : 400 MHz - Stop : 800 MHz - Step : 1 MHz

Demander l’affichage dans un graphe rectangulaire (rectangular plot) des courbes suivantes :

- dB(S11) - dB(S22) - dB(S21) - dB(NF)

On obtient les courbes représentées sur la figure 2.7. Addition de marqueurs : On peut rajouter un marqueur à 600 MHz sur chaque courbe en procédant comme suit :

- 1 click (D) → Graphe - Sélectionner : Data Marker - Ajouter un marqueur à 600 MHz sur chaque courbe après les avoir sélectionnées

Figure 2.7 : Courbes du S11, S22, S21, NF, du LNA obtenues par simulation

3 SIMULATION NON LINEAIRE DE TYPE ¨HARMONIC BALANCE¨

3.1 INTRODUCTION

Pour étudier un circuit non linéaire, une procédure simplifiée comporte typiquement les 5 phases suivantes:

- Phase 1 : Dessin du schéma du circuit, avec les éléments actifs caractérisés par leurs modèles non linéaires. - Phase 2 : Vérification de la polarisation - Phase 3 : Définition du signal d’entrée pour la simulation non linéaire. - Phase 4 : Lancement de l’analyse : Harmonic Balance Analysis. - Phase 5 : Affichage des résultats de la simulation. - Phase 6 : Détermination de l’impédance d’entrée pour la puissance nécessaire à l’entrée du circuit.

113

3.2 DESSIN DU SCHEMA DU CIRCUIT, OPERATIONS PRELIMINAIRES A EFFECTUER

3.2.1 Dessin du schéma du circuit

Pour illustrer la méthode de simulation Harmonic Balance, on propose de traiter l’exemple du doubleur de fréquence représenté figure 3.1. Les valeurs des éléments de ce doubleur ont été calculées pour obtenir une fréquence de sortie de 500 MHz à partir d’un signal d’entrée à 250 MHz.

Figure 3.1 : Schéma électrique du doubleur de fréquence

Pour dessiner ce schéma, se reporter au § 1.3 pour le placement des composants passifs, et la réalisation des interconnexions. Remarque importante relative aux simulations multiples de schémas pouvant subir des modifications entre simulations : En principe le logiciel Ansoft Designer réactualise automatiquement le schéma à simuler dès que ce dernier est sauvegardé. Si cette réactualisation ne se produit pas, on peut réactiver cet automatisme en procédant comme suit :

Pour la charger, il faut effectuer les opérations suivantes :

3.2.1.1 1 click (G) sur Tools > Options > Circuits Options => Ouverture de la boite de dialogue intitulée: Circuits Options.

3.2.1.2 Sélectionner : ¨Dynamically update process data on edit¨.

3.2.1.3 1 click (G) sur ¨OK¨.

Remarque importante relative à ce schéma :

Le port d’entrée (Port1) doit être configuré avec une impédance de valeur : Re = 50Ω, Im = 0

Le port de sortie (Port2) doit être configuré avec une impédance de valeur : Re = 500Ω, Im = 0 Remarque importante relative à la simulation non linéaire : Avant de lancer une simulation non linéaire, il faut vérifier au niveau de la schématique, les 2 points suivants :

3.2.2 Placement et connexion des générateurs de tensions

Si cela n’a pas été fait, la procédure pour rajouter un générateur de tension continue est la suivante:

- 1 click G sur l’onglet du dossier : Components - Ouvrir le dossier : Circuits Elements - Ouvrir le dossier : Sources - Ouvrir le dossier : Independant Sources - Sélectionner le symbole : VDC :Voltage Source, et le placer dans le schéma. - 2 clicks G sur le symbole : VDC :Voltage Source. Þ Ouverture de la fenêtre intitulée: Source Sélection - Compléter la fenêtre: Source Sélection comme suit: Dans la section :Parameters, rentrer dans les colonnes Value et Unit: la valeur de la tension désirée

114

Owner

Texte surligné

Sélectionner : Voltage, Dans la section : Type, Sélectionner : DC 1 click G / OK dans la fenêtre: Source Selection

3.2.3 Remplacement des éléments non linéaires décrits par des fichiers de paramètres S linéaires par des modèles non linéaires.

Si cela n’a pas été fait, la procédure la plus simple pour rajouter un élément non linéaire est la suivante:

- 1 click G sur l’onglet du dossier : Components - Ouvrir le dossier : Vendor Elements - Ouvrir le dossier : Nonlinear - Sélectionner successivement : Le type d’élément, le fabriquant, le nom de l’élément, puis placer l’élément choisi dans le schéma.

La procédure de simulation non linéaire peut alors être lancée sous ANSOFT DESIGNER.

3.3 PHASE 2: VERIFICATION DE LA POLARISATION.

Dans l’onglet ¨Project¨: 1 click D / Circuit → View DC Bias → Show DC Bias => Affichage sur le schéma des tensions et courants de polarisation (voir figure 3.2). Si les tensions et courants de polarisation sont conformes aux prévisions théoriques, la phase 2, de simulation non linéaire peut être entreprise.

Figure 3.2 : Tensions et courants de polarisation du doubleur de fréquence

REMARQUES :

Pour effacer les tensions et courants de polarisation : 1ière méthode : Dans l’onglet ¨Project¨: 1 click D / Circuit → View DC Bias → Show DC Bias 2ème méthode : 1 click (G) / Edit → Sélectionner : Undo.

Pour réactualiser une vérification de la polarisation après modification du circuit : Dans l’onglet ¨Project¨: 1 click D / Circuit → View DC Bias → Update

3.4 PHASE 3 : DEFINITION DU SIGNAL D’ENTREE POUR LA SIMULATION NON LINEAIRE.

3.4.1 Définition d’une : ¨RF 1 tone Analysis¨.

- 2 clicks (G) sur le symbole du port d’entrée. Þ Ouverture de la fenêtre intitulée: Port Definition Compléter la fenêtre: Port Definition comme suit: - Dans la section : Source Definition : 1 click G / Add Þ Ouverture de la fenêtre intitulée: Source Selection.

115

Compléter la fenêtre: Source Selection comme suit:

- Sélectionner : Power - Dans l’onglet: Parameters, entrer au clavier un nom de variable, (par exemple : ¨Pin¨) (en dBm) dans la case correspondant à :

- la colonne : Value - la ligne définie par: Property = p, Unit = dBm, Description = Available power of the source.

- 1 click G / OK dans la fenêtre: Source Selection - 1 click G / OK dans la fenêtre: Port Definition

Þ Vérifier dans l’onglet ¨Project¨ que la source : Sinusoïdal 1 a été ajoutée dans le dossier : Excitations.

3.4.2 Définition d’un : Power Sweep.

- Dans le dossier ¨Project¨: 1 click D / Analysis → Add Solution Setup => Ouverture de la fenêtre intitulée: Analysis Setup. Compléter la fenêtre: Analysis Setup comme suit:

- Analysis Type: Harmonic Balance - Analysis Name: HB1Tone1 - Category: 1-Tone - 1 click G / Next.

- Dans la case: Sweep Variables, mettre en inverse video : F1 - 1 click G / Edit => Ouverture de la fenêtre intitulée: Add/Edit Sweep.

Compléter la fenêtre: Add/Edit Sweep comme suit:

- Sélectionner : Single value - Dans la case : Value, entrer la fréquence désirée. Par exemple : 250MHz. - 1 click G / Add - 1 click G / OK dans la fenêtre: Add/Edit Sweep

- Dans la fenêtre: Harmonic Balance Analysis: 1 click G / Add => Ouverture de la fenêtre intitulée: Add/Edit Sweep Compléter la fenêtre: Add/Edit Sweep comme suit :

- Dans la case : Variable, sélectionner : Pin - Sélectionner : Linear step - Entrer les valeurs désirées dans les cases : Start, Stop, et, Step . Par exemple : Start = - 40 dBm, Stop = 20 dBm, Step = 1 dBm.

- 1 click G / Add - 1 click G / OK dans la fenêtre: Add/Edit Sweep. - 1 click G / Terminer dans la fenêtre: Harmonic Balance Analysis, 1-Tone

3.5 PHASE 4 : LANCEMENT DE L’ANALYSE : HARMONIC BALANCE ANALYSIS.

- Dans le dossier ¨Project¨: 1 click D / Analysis → HB1Tone1 - Sélectionner: Analyze HB1 Tone1 Þ Lancement de l’analyse : Harmonic Balance.

3.6 PHASE 5 : AFFICHAGE DES RESULTATS.

3.6.1 Affichage de la puissance du fondamental, et des harmoniques 2 et 3 en sortie sur le port 2

3.6.1.1 Dans le dossier ¨Project¨: 1 click D / Results → Create Report Þ Ouverture de la fenêtre intitulée: Create Report

Compléter la fenêtre: Create Report comme suit : - Report Type : Standard

- Display Type : Rectangular Plot

3.6.1.2 1 click G / OK Þ Ouverture de la fenêtre intitulée: Traces

Compléter la fenêtre: Traces comme suit : - Dans la case : Solution, sélectionner : HB1 Tone1 - Dans la case : Domain, sélectionner : Sweep

3.6.1.3 Pour afficher la puissance du fondamental, et des harmoniques 2 et 3 en sortie sur le port 2, sélectionner successivement:

Pour le fondamental :

116

- Category : Power - Quantity : PO2<F1> - Function : dBm. 1 click G / Add Trace

Pour l’harmonique 2 :

- Category : Power - Quantity : PO2<2F1> - Function : dBm. 1 click G / Add Trace

Pour l’harmonique 3 : - Category : Power - Quantity : PO2<3F1> - Function : dBm. 1 click G / Add Trace

3.6.1.4 1 click G / Done Þ Affichage des courbes du fondamental, et des harmoniques 2 et 3 générés sur la sortie, en fonction de la puissance d’entrée, représentées sur la figure 3.3.

Figure 3.3 : Courbes du fondamental, et des harmoniques 2 et 3 générés sur la sortie, en fonction de la puissance d’entrée

L’examen de ces courbes montre que la puissance de l’harmonique 2 est maximale pour une puissance d’entrée de – 10 dBm. Dans la suite logique de la conception du doubleur de fréquence, il est nécessaire de déterminer l’impédance d’entrée du doubleur pour la puissance d’entrée : Pin = – 10 dBm

3.7 PHASE 6 : DETERMINATION DE L’IMPEDANCE D’ENTREE POUR LA PUISSANCE NECESSAIRE A L’ENTREE DU CIRCUIT NON LINEAIRE (DOUBLEUR DE FREQUENCE).

3.7.1.1 Dans le dossier ¨Project¨: 1 click D / Results → Create Report

=> Ouverture de la fenêtre intitulée: Create Report Compléter la fenêtre: Create Report comme suit : - Report Type : Standard - Display Type : Rectangular Plot - 1 click G / OK => Ouverture de la fenêtre intitulée: Traces - Compléter la fenêtre: Traces comme suit : - Dans la case : Solution, sélectionner : HB1 Tone1 - Dans la case : Domain, sélectionner : Sweep

3.7.1.2 Pour Afficher la partie réelle de l’impédance d’entrée sur le port 1, sélectionner :

- Category : Input Impedance - Quantity : ZI1<F1>

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- Function : re - 1 click G / Add Trace

3.7.1.3 Pour Afficher la partie imaginaire de l’impédance d’entrée sur le port 1, sélectionner :

- Category : Input Impedance - Quantity : ZI1<F1> - Function : im

- 1 click G / Add Trace

3.7.1.4 1 click G / Done

=> Affichage des courbes : re(ZI1<F1>) et im(ZI1<F1>) en fonction de la puissance du fondamental en entrée sur le port 1 : Pin. (Voir figure 3.4) Avec l’aide de la courbe : PO2<F1> il est alors possible de concevoir le réseau d’adaptation d’impédance à insérer en entrée pour une puissance d’entrée de -10 dBm, permettant d’obtenir l’optimum de puissance sur l’harmonique 2.

Figure 3.4 : Courbes : re(ZI1<F1>) et im(ZI1<F1>) en fonction de la puissance du fondamental à 250 MHz appliqué à l’entrée

3.8 VERIFICATION DE L’ACCORD DU CIRCUIT DE SORTIE

(par un balayage en fréquence entre 150 MHz, et 350 MHz avec une puissance d’entrée fixe de -10 dBm)

3.8.1 Définition d’une puissance d’entée constante

- 2 clicks (G) sur le symbole du port d’entrée. Þ Ouverture de la fenêtre intitulée: Port Definition Compléter la fenêtre: Port Definition comme suit: - Dans la section : Source Definition : 1 click G / Add Þ Ouverture de la fenêtre intitulée: Source Selection. Compléter la fenêtre: Source Selection comme suit: - Sélectionner : Power - Dans l’onglet: Parameters, entrer au clavier : -10 dBm dans la case correspondant à : - la colonne : Value - la ligne définie par: Property = p, Unit = dBm, Description = Available power of the source. - 1 click G / OK dans la fenêtre: Source Selection - 1 click G / OK dans la fenêtre: Port Definition Þ Vérifier dans l’onglet ¨Project¨ que la source : Sinusoïdal 2 a été ajoutée dans le dossier : Excitations.

3.8.2 Définition du balayage en fréquence

(entre 150 MHz, et 350 MHz avec une puissance d’entrée fixe de -10 dBm) - Dans le dossier ¨Project¨: 1 click D / Analysis → Add Solution Setup => Ouverture de la fenêtre intitulée: Analysis Setup. Compléter la fenêtre: Analysis Setup comme suit:

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- Analysis Type: Harmonic Balance - Analysis Name: HB1Tone1 - Category: 1-Tone - 1 click G / Next. - Dans la case: Sweep Variables, mettre en inverse video : F1 - 1 click G / Edit => Ouverture de la fenêtre intitulée: Add/Edit Sweep. Compléter la fenêtre: Add/Edit Sweep comme suit:

- Sélectionner : Linear step - Entrer les valeurs désirées dans les cases : Start, Stop, et, Step . Par exemple : Start = 150 MHz, Stop = 350 MHz, Step = 1 MHz. - 1 click G / Add - 1 click G / OK dans la fenêtre: Add/Edit Sweep. - 1 click G / Terminer dans la fenêtre: Harmonic Balance Analysis, 1-Tone

3.8.3 Lancement de l’analyse : Harmonic Balance Analysis.

- Dans le dossier ¨Project¨: 1 click D / Analysis → HB1Tone2 - Sélectionner: Analyze HB1 Tone2 Þ Lancement de l’analyse : Harmonic Balance.

3.8.4 Affichage des résultats.

3.8.4.1 Dans le dossier ¨Project¨: 1 click D / Results → Create Report

=> Ouverture de la fenêtre intitulée: Create Report Compléter la fenêtre: Create Report comme suit : - Report Type : Standard - Display Type : Rectangular Plot - 1 click G / OK => Ouverture de la fenêtre intitulée: Traces - Compléter la fenêtre: Traces comme suit : - Dans la case : Solution, sélectionner : HB1 Tone2 - Dans la case : Domain, sélectionner : Sweep

3.8.4.2 Pour Afficher la puissance de l’harmonique 2 en sortie, sélectionner :

- Category : Power - Quantity : PO2<2F1> - Function : dBm

- 1 click G / Add Trace - 1 click G / Done

=> Affichage de la courbe de la puissance de l’harmonique 2 en sortie, en fonction de la fréquence (Voir figure 3.5)

119

Figure 3.5 : Courbe de la puissance de l’harmonique 2 en sortie, en fonction de la fréquence,

pour une puissance d’entrée constante : Pin = - 10 dBm

4 SIMULATION DE TYPE ¨HARMONIC BALANCE¨ D’UN OSCILLATEUR

4.1 INTRODUCTION.

La procédure de simulation d’un oscillateur sous ANSOFT DESIGNER comporte 5 phases:

- Phase 1 : Dessin du schéma de l’oscillateur, avec les éléments actifs caractérisés par leurs modèles non linéaires. - Phase 2: Vérification de la polarisation. - Phase 3 : Recherche de la fréquence d’oscillation (Harmonic Balance Resonant Frequency Search) appelée sous ANSOFT DESIGNER : ¨HB Resonant Frequency Search¨. - Phase4 : Si une fréquence d’oscillation a été trouvée dans la Phase 1 : Lancement de la simulation Harmonic Balance appelée sous ANSOFT DESIGNER : ¨Harmonic Balance Oscillator¨ - Phase 5 : Affichage des résultats de la simulation

4.2 PHASE 1 : DESSIN DU SCHEMA DE L’OSCILLATEUR

4.2.1 Dessin du schéma

Pour illustrer la méthode de simulation Harmonic Balance, on propose à titre d’exemple de dessiner l’oscillateur Colpitts en Collecteur Commun représenté figure 4.1. Les valeurs des éléments de cet oscillateur ont été calculées pour obtenir une fréquence d’oscillation proche de 90 MHz Pour dessiner ce schéma, se reporter :

- Au § 1.3. pour les composants passifs, et les interconnexions. - Au § 2.5. pour le composant actif (BFR93), et la source d’alimentation en tension.

Remarque : Placement de sondes de tension (VEM, VBM)

Remarque importante relative à ce schéma :

Le port 1 doit être configuré avec une impédance de valeur : Re = 50Ω, Im = 0

4.2.2 Placement et connexion des sondes de tension

Les sondes de tension permettent de déterminer la tension d’un point du circuit par rapport à la masse sans perturber le circuit. (Impédance interne de la sonde →∞) Pour rajouter une sonde de tension la procédure est la suivante:

- 1 click G sur l’onglet du dossier : Components - Ouvrir le dossier : Circuits Elements - Ouvrir le dossier : Probes - Sélectionner le symbole : Voltage Probe, et le placer sur le point désiré du schéma.

120

Remarque : Par défaut la Voltage Probe est nommée ¨Required¨. Pour renommer la sonde, procéder comme suit :

- 2 clicks G sur le symbole : Voltage Probe. Þ Ouverture de la fenêtre intitulée: Properties - Compléter la fenêtre: Properties comme suit :

Dans la ligne : Name, remplacer dans la colonne Value : ¨Required¨ par le nom désiré (VEM) 1 click G / OK dans la fenêtre: Properties

Figure 4.1. Schéma électrique de l’oscillateur Colpitts en Collecteur Commun

4.3 PHASE 1: VERIFICATION DE LA POLARISATION.

Procéder comme dans le cas de la simulation non linéaire Þ Dans le dossier ¨Project¨: 1 click D / Circuit → View DC Bias → Show DC Bias => Affichage sur le schéma des tensions et courants de polarisation (voir figure 4.2). Si les tensions et courants de polarisation sont conformes aux prévisions théoriques, la phase 2, de simulation non linéaire peut être entreprise. REMARQUES (rappels):

Pour effacer les tensions et courants de polarisation : 1ière méthode : Dans l’onglet ¨Project¨: 1 click D / Circuit → View DC Bias → Show DC Bias 2ème méthode : 1 click (G) / Edit → Sélectionner : Undo.

Pour réactualiser une vérification de la polarisation après modification du circuit : Dans l’onglet ¨Project¨: 1 click D / Circuit → View DC Bias → Update

121

Figure 4.2 : Tensions et courants de polarisation de l’oscillateur Colpitts en Collecteur Commun

4.4 PHASE 2: HB RESONANT FREQUENCY SEARCH

4.4.1 Configuration de ¨HB Resonant Frequency Search¨

4.4.1.1 1 click D / Analysis /Add Solution Setup Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée:¨ Analysis Setup¨

Compléter la boite de dialogue intitulée : ¨Analysis Setup ¨ comme suit : - Dans la case ¨ Analysis Type¨, sélectionner : HB Resonant Frequency Search. - Dans la case ¨Analysis Name ¨, laisser le nom donné par défaut.

4.4.1.2 1 click G / Next. Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée:¨ Harmonic Balance Oscillator Resonant Frequency Search ¨

Compléter la boite de dialogue intitulée : ¨ Harmonic Balance Oscillator Resonant Frequency Search ¨ comme suit : Choisir une plage de fréquence qui encadre (largement en 1ière analyse) la fréquence d’oscillation prévue. Soit, dans le cas de l’exemple de l’oscillateur Colpitts à 90 MHz :

- Dans la case ¨ Start¨, entrer : 50 MHz. - Dans la case ¨Stop¨, entrer : 150 MHz.

4.4.2 Lancement et affichage des résultats de ¨HB Resonant Frequency Search¨

1 click G / le bouton : Run Þ Affichage des courbes ReI et ImI, représentées sur la figure 4.3, ainsi que de la fréquence de résonance (ou d’oscillation) dans la case : Resonant Frequencies

122

Figure 4.3 : ReI et ImI de l’oscillateur Colpitts en Collecteur Commun représenté figure 3.1.

Deux cas peuvent alors se présenter :

1°. La case : ¨Resonant Frequencies¨ contient une fréquence d’oscillation (Pour l’oscillateur Colpitts en Collecteur Commun, elle doit contenir la valeur : 90.16….MHz). Dans ce cas, le résultat de la recherche est positif, et l’on peut passer à la phase 3.

2°. La case : ¨Resonant Frequencies¨ contient l’indication: ¨No resonant frequency¨ Dans ce cas, le résultat de la recherche est négatif, il faut alors procéder à des modifications au niveau du schéma, ou de la bande de fréquence à analyser, et relancer une ¨HB Resonant Frequency Search¨.

- 1 click G / Close - 1 click G / Terminer

Þ Création d’un fichier intitulé ¨HB ResonantFreq1¨, sous le répertoire Änalysis¨ situé dans l’onglet ¨Project¨. Très important : Vérifier la présence du fichier intitulé ¨HB ResonantFreq1¨ avant de passer à la phase 3

4.5 PHASE 3 : HARMONIC BALANCE OSCILLATOR

4.5.1 Configuration de ¨ Harmonic Balance Oscillator ¨

4.5.1.1 1 click D / Analysis /Add Solution Setup Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée:¨ Analysis Setup¨

Compléter la boite de dialogue intitulée : Änalysis Setup ¨ comme suit : - Dans la case ¨ Analysis Type¨, sélectionner : Harmonic Balance Oscillator. - Dans la case ¨ Category¨, laisser: ¨1-tone¨. - Dans la case Änalysis Name ¨, laisser le nom donné par défaut.

4.5.1.2 1 click G / Next. Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée:¨ Harmonic Balance Oscillator Analysis, 1-tone¨

4.5.1.3 Compléter la boite de dialogue intitulée : ¨ Harmonic Balance Oscillator Analysis, 1-tone ¨ en rentrant une plage de fréquences identique à celle employée dans la phase précédente :¨ Harmonic Balance Oscillator Resonant Frequency Search ¨

Þ - Dans la case ¨ Start¨, entrer : 50 MHz.

- Dans la case ¨Stop¨, entrer : 150 MHz. - 1 click G / Terminer

4.5.2 Lancement de l’analyse Harmonic Balance Oscillator

- 1 click D / Analysis → Analyze

4.6 PHASE 4 :AFFICHAGE DES RESULTATS DE ¨ HARMONIC BALANCE OSCILLATOR¨

Dans le dossier ¨Project¨: 1 click D / Results → Create Report => Ouverture de la fenêtre intitulée: Create Report Compléter la fenêtre: Create Report comme suit :

123

- Report Type : Standard - Display Type : Rectangular Plot - 1 click G / OK

=> Ouverture de la fenêtre intitulée: Traces

4.6.1 Affichage d’un spectre de puissance (sur le port 1)

- Compléter la fenêtre: Traces comme suit : - Dans la case : Solution, sélectionner : HBOSC1 Tone1 - Dans la case : Domain, sélectionner : Spectral - Dans la case : Category : sélectionner : Power - Dans la case : Quantity : sélectionner : PO1 - Dans la case : Function : sélectionner : dBm

- 1 click G / Add Trace - 1 click G / Done

ð Affichage du spectre de la puissance délivrée sur PO1 (voir figure 4.4)

Figure 4.4 : Spectre de la puissance délivrée sur PO1

4.6.2 Affichage de chronogrammes de tensions et de courants (VCE, VBE, IC)

- Compléter la fenêtre: Traces comme suit : - Dans la case : Solution, sélectionner : HBOSC1 Tone1 - Dans la case : Domain, sélectionner : Time

Pour afficher (VCE, VBE, IC) sur le même graphe avec une double graduation (V et A): Pour VCE, VBE :

- Dans la case : Category : sélectionner : Voltage - Dans la case : Quantity : sélectionner : Vce(Q1Q1), ou : Vbe(Q1Q1) - Dans la case : Function : sélectionner : <none>

- 1 click G / Add Trace Dans la colonne : Y-axis, Sélectionner → Y1

Pour IC : - Dans la case : Category : sélectionner : Current - Dans la case : Quantity : sélectionner : IC(Q1Q1) - Dans la case : Function : sélectionner : <none>

- 1 click G / Add Trace Dans la colonne : Y-axis, Sélectionner → Y2

- 1 click G / Done Þ Affichage des chronogrammes des tensions et courants (VCE, VBE, IC) (voir figure 4.5)

124

Figure 4.5 : Chronogrammes des tensions et courants (VCE, VBE, IC)

NOTA : Pour afficher plusieurs graphes sur l’écran :

Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier ¨Results ¨, (Situé dans l’onglet ¨Project¨ à gauche de l’écran) puis : - Pour le 1° graphe: 1 click D / XP Plot X → Open - Procéder de même pour les autres graphes.

4.7 DETERMINATION DE L’IMPEDANCE DE CHARGE OPTIMALE AVEC L’OUTIL LOAD PULL ANALYSIS

4.7.1 Avant-propos

Avant d’appliquer l’analyse Load Pull à l’oscillateur représenté figure 4.1, il faut effectuer les 2 opérations préliminaires suivantes :

- Vérifier que le schéma de l’oscillateur représenté figure 4.1 se prête bien à une analyse Load Pull, et si ce n’est pas le cas, le modifier en conséquence.

- Lancer une simulation non linéaire Harmonic Balance (Oscillator)

4.7.2 Vérification et modification du schéma de l’oscillateur

1° modification : Sachant que l’analyse Load Pull sera appliquée sur la sortie de l’oscillateur (Port 1), on peut remarquer sur la figure 4.1 que le condensateur de liaison de 4,7pF présentera pour la fréquence d’oscillation une impédance trop élevée qui compliquera voire faussera l’interprétation des résultats de l’analyse Load Pull. Pour résoudre ce problème, la solution la plus simple consiste à augmenter la valeur de ce condensateur de liaison de sorte qu’il se comporte comme un court circuit : On choisira par exemple une valeur de 10 nF dans la bibliothèque des composants localisés parfaits ¨Lumped Elements¨ Attention : Ne surtout pas prendre cette valeur de 10 nF dans la bibliothèque ¨Vendor Elements¨, car ce condensateur sera inductif pour la fréquence d’oscillation. 2° modification : Cette 2° modification est une conséquence de la 1° : En effet, en choisissant un condensateur de liaison qui se comporte comme un court circuit, on connecte directement l’impédance du Port 1 sur l’émetteur du transistor. L’impédance du Port 1 étant par défaut de 50Ω, elle constitue pour l’oscillateur une impédance de charge trop faible qui risque d’empêcher le démarrage des oscillations. Pour résoudre ce problème, il suffit de configurer le Port 1 avec un impédance élevée, par exemple : Z = 100 000 Ω + j0 Ω. Après avoir effectué ces 2 modifications, on obtient le schéma représenté sur la figure 4.6.

125

Figure 4.6. Schéma électrique de l’oscillateur Colpitts en Collecteur Commun après modifications

4.7.3 Lancement d’une simulation non linéaire Harmonic Balance (Oscillator)

Lancer successivement une analyse ¨HB Resonant Frequency Search¨ suivie d’une de ¨ Harmonic Balance Oscillator¨ en répétant les opérations des § 4.4 à 4.6. Après simulation, on obtient par exemple sur la Port 1 le spectre de puissance représenté sur la figure 4.7.

Figure 4.7 : Spectre de la puissance sur PO1 obtenu avec le schéma de la figure 4.6.

4.7.4 Configuration du Load Pull Analysis

- 2 clicks (G) sur le symbole du port de sortie. Þ Ouverture de la fenêtre intitulée: Port Definition Compléter la fenêtre: Port Definition comme suit: - Dans la section : Termination : Entrer : Re = 50, Im =0

- Dans la section: Load Pull Tuner and Reference Node: 1 click G / Create New Þ Ouverture de la fenêtre intitulée: Load Pull Tuner. Compléter la fenêtre: Load Pull Tuner comme suit:

126

Laisser les valeurs proposées par défaut : - Ideal- Re/Im Form - rdef = 50 - xdef = 0

- 1 click G / OK dans la fenêtre: Load Pull Tuner - 1 click G / OK dans la fenêtre: Port Definition Þ Vérifier dans l’onglet ¨Project¨ que le fichier : Load Pull Tuner 1 a été ajouté dans le dossier : Data.

4.7.5 Création du Load Pull Analysis

4.7.5.1 - 1 click D / Analysis /Add Solution Setup Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée: ¨Solution Setup¨

Compléter la boite de dialogue intitulée : ¨Solution Setup ¨ comme suit : - Dans la case Änalysis Type¨, sélectionner : Load Pull Analysis - Dans la case Änalysis Name¨, laisser le nom donné par défaut : Load Pull 1

4.7.5.2 1 click G / Next. Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée: ¨ Load Pull Analysis¨

Vérifier dans la boite de dialogue intitulée : ¨ Load Pull Analysis¨ la présence des données suivantes :

- Case ¨Tuner¨ : Load Pull Tuner 1 - Case ¨HB Analysis to Apply¨ : HBOSC:HBOSC1Tone 1 - Case ¨Harmonic/ Harmonic Cluster to Tune¨ : 1 -Case ¨Sweep Variables¨ :

Name: ZRho, Sweep /Value: LIN 0.1 0.9 0.1

Name: ZAng, Sweep /Value: LIN 0 340 20

- 1 click G / Terminer

4.7.6 LANCEMENT D’UNE ANALYSE LOAD PULL

4.7.6.1 Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier Änalysis ¨, (Situé dans l’onglet ¨Project¨ à gauche de l’écran) puis :

1 click (G) sur la croix (+) d’ouverture du dossier Änalysis ¨ Þ apparition du sous dossier intitulé ¨Load Pull 1¨

4.7.6.2 Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier ¨ NWA1¨, puis 1 click (D) Þ ouverture d’un menu de sélection: 1 click (G) ou (D) sur : Änalyze Load Pull 1¨ Þ Lancement de l’analyseLoad Pull 1.

Vérifier l’absence de message d’erreur en bas de l’écran.

4.7.7 VISUALISATION DES RESULTATS DE L’ANALYSE LOAD PULL DANS L’ABAQUE DE SMITH

Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier ¨Results¨, (Situé dans l’onglet ¨Project¨ à gauche de l’écran) puis 1 click (D) Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Create Report ¨

Compléter cette boite de dialogue comme suit : - Report Type : Load Pull - Display type : Smith Chart

1 click (G) sur ÖK¨ Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Traces ¨

Compléter cette boite de dialogue comme suit :

- Dans la case ¨Solution¨ : Sélectionner: Load Pull 1

- Dans la case ¨Domain¨ : Sélectionner: Loadpull Contour

- Dans la case ¨Domain¨ : Sélectionner: Loadpull Contour

- Dans la case ¨Category¨ : Sélectionner: Power

- Dans la case ¨Quantity ¨ : Sélectionner: PO1<F1>

- Dans la case ¨Function ¨ : Sélectionner: dBm

1 click (G) sur le bouton : Ädd Trace¨ Þ Transfert dans la case intitulée ¨Polar ¨, de: PO1<F1>

1 click (G) sur le bouton : ¨Done Þ Affichage des résultats de l’analyse : Load Pull 1 dans l’abaque de SMITH : Voir figure 4.8.

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Figure 4.8 : Résultats de l’analyse: Load Pull 1 dans l’abaque de SMITH

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aucun titre de diapositive - ivoire talents labs...2.4. bilan de liaison affaiblissement en espace...

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