Filtre de bande HF François LAMBERT, F6AJL

Transcription

1 16 Filtre de bande HF François LAMBERT, F6AJL Introduction : Entre 1984 et 1987, j ai réalisé un transceiver décamétrique décrit dans la revue Radio REF. Lors de sa conception, j avais réalisé un filtre de bande simplifié à 2 cellules pour la partie émission et réception. Les performances de la partie réception étaient très correctes. Malgré tout le filtre de bande ne me satisfaisait pas pleinement. Ce transceiver est toujours en service à la station fixe, les performances sont nominales. Ayant acquit un Polyskop 5 de chez Rohde et Schwarz, j ai eu la curiosité de vérifier la partie réception. Les courbes visualisées étaient incorrectes. J ai décidé de refaire toute la partie des filtres de bande émission et réception. Je remercie F5BU Jean-paul Gendner pour son aide, sa patience, ces conseils pédagogiques pendant mon apprentissage sur le logiciel de circuit KICAD. Celui-ci m a permis de réaliser la liasse de plans ainsi que les typons. Ce travail a été réalisé en partenariat avec F5BU. Je remercie également F6CRP pour la qualité de son site. Lors de la visite de celui-ci, j ai découvert le logiciel de simulation RF Sim99. Grâce à lui j ai pût calculer et simuler les filtres. Figure 1 Principe et détail de la réalisation : J ai décidé d abandonner le type de filtre à 2 cellules et son système de carte enfichable. De plus la commutation des filtres à l aide de diodes est économique, mais par contre dégrade les performances de ceux-ci. Je me suis mis à la recherche de documentations, d informations dans le domaine des filtres de bande HF. J ai relu la revue Radio - REF de 04/1977 traitant des problèmes de réception. Un article paru dans la revue Radcom du 02/2011 m a indiqué une piste. Je me suis inspiré également de l ouvrage «la de la BLU» de F6CER. Cette recherche m a conforté dans la réalisation de filtres de bande à 4 cellules. Pour l établissement des éléments du filtre j ai utilisé le document du REF H du 04/1977 traitant des filtres de bande simplifiée en Pi (figure 1) Un filtre à 2 cellules a été calculé pour la bande de 1,5-2 MHz pour une impédance de charges de 800 Ω. La prise pour une impédance d entrée/sortie de 50 Ω se fait au ¼ de l enroulement à partir de la masse (800/50 = 16 soit 42 en rapport de transformation) J ai doublé le filtre pour avoir 4 cellules. A l aide du logiciel RF Sim99, j ai simulé le filtre afin de vérifier ces performances. Afin d améliorer la courbe de réponse la valeur du condensateur de liaison central a été retouchée ainsi que les condensateurs d accord par rapport à ceux calculés (voir la figure 2) Figure 2 - Simulation RF Sim99 filtre 1,5-2 MHz Après avoir réalisé une maquette du filtre ainsi simulé, j ai vérifié les performances à l aide du Polyskop 5 (voir la figure 3) Pour confirmer la mesure j ai relevé la courbe de réponse point par point à l aide des instruments : générateur HF/millivoltmètre HF suivant les règles de l art. Cela m a permis de vérifier la cohérence des courbes de réponse par rapport au calcul théorique. La seule différence se situe au niveau de la perte d insertion dans la bande passante qui diffère de la simulation obtenue à l aide de RF Sim99. Cette différence est sûrement due à la qualité des bobinages. (voir la figure 4)

2 17 Insérer figure figure 4 : 3 Courbe : Photo point Polyskop par 5 point filtre filtre 1,5-21,5 MHz - 2MHz figure 4 : courbe point par point filtre 1,5-2MHz Pour chaque filtre j ai procédé de la même manière que pour celui de 1,5-2 MHz. Vous trouverez, en figure 5, le tableau récapitulatif des valeurs et performances des différents filtres- Comme vous pouvez le constater sur le tableau, les valeurs d impédance de charge varient d un filtre à l autre. Avant de calculer le filtre, il est nécessaire de définir l impédance de charge de celui-ci. Lors de mes recherches je n ai pas trouvé d éléments indiquant la raison pour laquelle les impédances étaient différentes de l un à l autre. En effet à partir de l impédance d entrée et de sortie du filtre soit 50 Ω il est nécessaire d estimer un rapport de transformation réaliste. Cela change suivant les bandes. Par exemple pour le filtre de 1,5 2 MHz, le rapport de 4 en nombre de tours qui élevé au carré donne un rapport d impédance de 16. Nous avons donc une impédance de charge de 50x16 = 800 Ω. Au vu des essais différents essais au cours de cette étude, il ne faut pas dépasser un rapport de 7 en nombre de tours soit 49 en rapport d impédance. Il devient difficile sur les bandes HF hautes de réaliser la prise intermédiaire nécessaire pour adapter au mieux le filtre à 50 Ω entrée/sortie. Il est nécessaire de prendre un nombre de tour rond à partir de la masse pour la prise intermédiaire. Pour avoir un bon transfert d énergie, la prise doit avoir au minimum 2 tours. A partir de ces considérations, j ai expérimenté les filtres décrits dans l ouvrage de F6CER cité au début de l article. Les résultats sont conformes à ceux indiqués dans l ouvrage. figure 5 : tableau récapitulatif des différents filtres

3 18 Ne possédant pas assez de tores Telefunken R10M8 pour réaliser l intégralité des filtres, j ai fais une recherche sur Internet pour trouver une source d approvisionnement. A première vue, Telefunken ne semble plus fabriquer cette qualité de tore. J ai expérimenté les filtres à l aide de tore Amidon (facile à approvisionner) Les résultats n étaient pas à la hauteur de ceux obtenus avec les tores R10M8. Possédant un lot de tore TDK T5-10-2,5 K7A avec un µi de 25 et un lot de tores en qualité K8 avec un µi de 16. Ces tores avaient été approvisionnés lors de la réalisation de mon TCVR. Ces tores figurent toujours dans le catalogue des produits TDK. J ai donc choisi la qualité K7A (µi=25) qui permettent de couvrir toutes les fréquences HF. A partir des essais effectués avec les tores R10M8, j ai mesuré à l aide du Qmétre FERISOL M803A les inductances des différents filtres. De là j ai utilisé les tores TDK pour avoir les mêmes valeurs d inductance. A l aide du document du REF H , j ai pût extraire l impédance de charge des selfs et recalculer les filtres suivant les observations indiquées plus haut. J ai optimisé l adaptation d impédance de chaque filtre par rapport aux entrées/sortie en 50 Ω. Chaque filtre ainsi défini a été simulé à l aide du logiciel RF Sim99. Les valeurs calculées des capacités d accord et de couplage ont été retouchées pour optimiser la courbe de réponse de chaque filtre. Une maquette a été réalisée, réglée à l aide du Polyskop 5. Une vérification point par pointa été effectuée à l aide du générateur et du millivoltmètre HF. Ces différents essais ont permis de vérifier la cohérence des résultats entre les 3 opérations. Le tableau de la figure 5 donne toutes les informations pour réaliser les filtres. Détails du schéma : Les 9 filtres couvrant l ensemble des bandes décamétriques sont regroupés sur une seule carte. Celle-ci doit se substituer à la carte en place dans le TCVR. Chaque filtre est commuté par un relais DIL 1T (pour une question d encombrement), cette solution est certes onéreuse, mais performante en terme d isolement entre filtre et minimise la rupture d impédance. Les points communs des relais sont reliés en parallèle par une piste imprimée adaptée à 50 Ω. Les dimensions de la piste ont été calculées à l aide de RF Sim99 en fonction des caractéristiques du PCB. Les filtres sont utilisés en émission - réception et basculent d une fonction à l autre par des relais DIL 1RT, commandés par la ligne alternat. Le filtre dans sa fonction émission est monté après le mélangeur émission. Pour avoir une bonne stabilité des réglages dans le temps, il faut impérativement utiliser des condensateurs céramique NPO à faible coefficient de température, ou mieux encore des condensateurs au mica argenté. La figure 6 montre le schéma de l ensemble des filtres sous la forme de 10 planches. Celui - ci a été dessiné à l aide du logiciel Kicad. La figure 7 montre la nomenclature de l ensemble des filtres. Le circuit imprimé est réalisé en circuit double-face avec des plans de masse important (voir figure 8). Vous trouverez également sur la figure 9 les photos du PCB au format JPEG. figure 6 : schéma général des filtres

4 Figure 6 - schéma général des filtres (suite) 19

5 20 20 Figure 6 - schéma général des filtres (suite) Réalisation : Lors du câblage de la carte, il est impératif de souder les connexions de masse des 2 côtés du PCB. Lors de la mise au point générale, j ai eu quelques difficultés sur le filtre 1,5 2 MHz. Les pattes de masse des condensateurs ajustables sur ce filtre étaient à la masse seulement côté composant. Au niveau de ces pattes j ai relié les plans de masse recto/verso à l aide de queues de composants. Tout est rentré dans l ordre. La figure 10 montre une vue de la carte des filtres de bande. Mise au point : La carte est dense, elle contient 9 filtres avec tous ces composants ainsi que les relais de commutation émission - réception. Avant la mise sous tension de la carte, il est nécessaire de prendre les précautions d usage. Vérifier les soudures, les liaisons de masse, recto/verso ainsi que les lignes d alimentation. Les tores du filtre 1,5 2 MHz sont collés sur le PCB à l aide d une goutte de silicone. Le Ø du fil est de 2/10, il est fragile. Pour le réglage de chaque filtre il est nécessaire d alimenter le filtre de bande à ajuster par une tension de + 12 Vdc (alimentation des relais entrée/sortie du filtre). L ajustement de chaque filtre se fait à l aide du Polyskop 5 (voir la figure 11) Sans cet équipement les ajustements peuvent se faire à l aide d un générateur HF et d un millivoltmètre HF. L ajustement est plus long et de plus rébarbatif!!!

6 21 C nF C nF C nF C /150pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C pF...mica argenté ou céramique NPO C /150pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C pF...mica argenté ou céramique NPO C /150pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C pF...mica argenté ou céramique NPO C /105pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C nF C nF C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C nF C nF C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C nF C nF C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C ,8pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C nF C nF C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C ,8pF... mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C nF C nF C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO Figure 7 - Nomenclature des filtres C ,6pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C ,7pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C ,6pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C nF C nF C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C ,7pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C ,3pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C ,7pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C nF C nF C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C ,7pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C ,3pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C ,7pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C nF C nF C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C ,6pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C ,7pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C ,6pF...mica argenté ou céramique NPO C /60pF... C ajustable C pF...mica argenté ou céramique NPO C nF D N4001 D N4001 D N4001 D N4001 D N4001 D N4001 D N4001 D N4001 D N4001 D N4001 D N4001 D N4001 D N4001 D N4001 D N4001 D N4001 D N4001 D N4001 D N4001 D N4001 J JI... Picot PCB J JI... Picot PCB J JI... Picot PCB J JI... Picot PCB J JI... Picot PCB J JI... Picot PCB J JI... Picot PCB J JI Picot PCB J JI Picot PCB J JI Picot PCB J JI Picot PCB L ,22μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,22μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,22μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,22μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,54μH... Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,54μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,54μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,54μH... Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,93μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,93μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,93μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,93μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,78μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,78μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,78μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,78μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,78μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,78μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,78μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,78μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,63μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,63μF...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,63μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,63μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,50μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,50μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,50μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 L ,50μH...Tore TDK T5-10-2,5 K7A μi = 25 P COAX... Picot PCB P COAX... Picot PCB P COAX... Picot PCB P COAX... Picot PCB R RELDIL1RT relais DIL 12 Vdc 1R/T sur support R RELDIL1RT relais DIL 12 Vdc 1R/T sur support R Relais entrée relais DIL 12 Vdc 1T sur support R Relais sortie relais DIL 12 Vdc 1T sur support R Relais entrée relais DIL 12 Vdc 1T sur support R Relais sortie relais DIL 12 Vdc 1T sur support R Relais entrée relais DIL 12 Vdc 1T sur support R Relais sortie relais DIL 12 Vdc 1T sur support R Relais entrée relais DIL 12 Vdc 1T sur support R Relais sortie relais DIL 12 Vdc 1T sur support R Relais entrée relais DIL 12 Vdc 1T sur support R Relais sortie relais DIL 12 Vdc 1T sur support R Relais entrée relais DIL 12 Vdc 1T sur support R Relais sortie relais DIL 12 Vdc 1T sur support R Relais entrée relais DIL 12 Vdc 1T sur support R Relais sortie relais DIL 12 Vdc 1T sur support R Relais entrée relais DIL 12 Vdc 1T sur support R Relais sortie relais DIL 12 Vdc 1T sur support R Relais entrée relais DIL 12 Vdc 1T sur support R Relais sortie relais DIL 12 Vdc 1T sur support

7 Figure 8 - Typon et implantation des composants Figures 9a : photos PCB Figures 10 : photos PCB Sur la photo de la courbe de réponse du filtre, la ligne horizontale indique la bande passante à 3 db. Afin de comparer chaque filtre avec la courbe indiqué par le Polyskop 5, une vérification point par point est effectuée (voir la figure 12) Figures 9b : photos PCB A ce stade, il sera peut être nécessaire de retoucher légèrement les accords de chaque filtre afin d équilibrer au mieux la perte d insertion dans la bande passante utile. Comme vous pouvez le constater, les courbes de réponse entre les 2 méthodes sont cohérentes! La fréquence image des différentes bandes est rejetée au de la de 66 db. Pour la bande de MHz, la fréquence image est de 66 db. Je n ai pas pu aller au-delà dans la mesure car mes moyens ne me le permettaient pas. La mesure à l aide du Polyskop 5 permet de confirmer une réjection de la fréquence image de l ordre d au moins 70 db. Entre la maquette de chaque filtre et son montage définitif sur la carte, j ai constaté des écarts supplémentaires dans la perte d insertion suivant les bandes. Ceuxci de l ordre de -0,5 à 1 db. La réjection hors bande est dans le même rapport. Cette différence est due aux longueurs des liaisons, aux pertes dans les différents relais, sans compter les diverses capacités et inductances parasites. Après avoir intégré ces filtres dans mon TCVR, j ai constaté une nette amélioration des performances de la partie réception dans les bandes surchargées. Vous trouverez sur la figure 13, le tableau des sensibilités relevées et sur la figure 13, le tableau d étalonnage du S/mètre. A l émission la réjection de l harmonique 2 se situe à 50 db, l harmonique 3 à 60 db au minimum suivant les bandes. La réjection de porteuse est de -50 et 55 db entre BLI et BLS. Toutes ces mesures ont été effectuées à l aide d un analyseur de spectre.

8 23 Figures 11 : photos Polyskop 5, courbes de réponse des filtres Figures 12 : photos Polyskop 5, courbes de réponse des filtres Figure 13 : tableau des sensibilités relevées Sensibilité/50 Ω pour 10 db de S+B/B Fréquence de Sensibilité en μv sélectivité la mesure sélectivité 400 Hz en khz 2,5 khz mode A , ,13 0, , , ,13 0, , , ,13 0, , , ,12 0, , , ,10 0, , , ,12 0, , , ,13 0, , , ,14 0, , , ,13 0, ,13 Mesure effectuée le : 16/12/2011 Configuration de l équipement mesuré : filtre de bande émission - réception à 4 pôles Matériels utilisés pour la calbration : générateur HP 8640B option S/N : 1406A01856 charge BF Wattmètre FERISOL N300 S/N : 1133 atténuateur RADIALL 50 Ω/2 W 20 db Observations : Aux fréquences > 10 MHz (vérification avec un milliwattmètre hyperfréquence HP432B), la tension de sortie du générateur/50 Ω est supérieure de + 0,6 db (soit U/1,07) à la tension nominale 0 dbm. Appliquer aux tensions de sortie du générateur une correction de - 0,6 db (soit U lue/1,07)

9 Ê 24 association Figures 12 : photos Polyskop 5, courbes de réponse des filtres Figure 14 : tableau d étalonnage du S-mètre Calbration S-mètre - S-mètre (μa) Point S U/50 Ω mv , ,6 mv 44, ,5 44,5 44, , mv 38,5 37,5 38,5 38,5 38,5 37,5 36,5 35, mv 32 31, ,5 29,5 29,5 28, mv 25, ,5 25,5 25,5 24,5 23,5 23,5 22, mv 21,5 21,5 21, ,5 20, , ,6 mv 18 17, ,5 16,5 15,5 15,5 6 6,3 mv 14, ,5 14,5 14,5 13,5 12,5 12, ,2 mv 10,5 10,5 10,5 10,5 10, ,5 4 1,6 mv ,5 3 0,8 mv , ,4 mv ,21 mv Calibration effectuée le : 17/12/2011 Configuration de l équipement mesuré : filtre de bande émission - réception à 4 pôles Matériels utilisés pour la calbration : générateur HP 8640B option S/N : 1406A01856 charge BF Wattmètre FERISOL N300 S/N : 1133 atténuateur RADIALL 50 Ω/2 W 20 db Observations : Aux fréquences > 10 MHz (vérification avec un milliwattmètre hyperfréquence HP432B), la tension de sortie du générateur/50 Ω est supérieure de + 0,6 db (soit U/1,07) à la tension nominale 0 dbm. Appliquer aux tensions de sortie du générateur une correction de - 0,6 db (soit U lue/1,07). Le réglage du circuit de S-mètre et ensuite son étalonnage ont été effectués à la fréquence de khz. Conclusions : J ai souhaité donner le maximum de détails de ma réalisation. Au cours de mes recherches, j ai rarement trouvé des informations sur la réalisation de filtres équivalent. La plupart des articles indiquent les résultats obtenus. Quant à la manière d y arriver? Cela donnera peut-être envie au réalisateur de se lancer dans ce travail. Cet ensemble de filtres peut être monté devant un ensemble émission - réception de technologie SDR. C est à la suite de discussions avec des OM utilisant cette technologie que j ai réalisé cette description. Je répondrai par messagerie et au courrier avec enveloppe self-adressée. Les schémas, typons, courbes etc. sont disponibles au format PDF. Pour les typons, ils sont aussi au format GERBER. f6ajl@wanadoo.fr - Bonne réalisation.