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wiki:projects:filtres:lpf_23cm_microstrip

Filtre 23cm

conception d'un filtre 23 cm J'ai tenté de faire un filtre passe-bas pour mon transverter 23cm. Pour cela j'ai commencé par utiliser l'outil de Qucs, permettant de générer des filtres. Suite à quoi j'ai réalisé le typon du PCB avec kicad et fait réaliser le circuit, avant de le mesurer

Fichier source Qucs + Kicad + OpenEMS + Mesure

Calcul et simulation

Qucs propose un outil pour le calcul de filtre de divers types, passe-haut, passe-bas, passe-bande, coupe bande, et tout ceci avec divers topologie, LC, ligne couplée, microstrip, ligne de transmission…

Calcul de base

Ci-dessous la configuration du filtre souhaité :

Une fois lancé la synthétisation nous avons tout pour créer une schématique de simulation. Pour cela, il suffit de faire un coller sur une nouvelle feuille. Dans notre cas nous obtenons le schéma suivant :

Nous avons deux ports alimentant le filtre passe-bas microstrip. Le bloc “calcul des paramètres S” nous indique la configuration de la simulation. Le bloc “Sub1” définit le subtrat utilisé et définit lors du calcul, enfin les équations permettent de convertir la matrice S en dB. Nous modifierons la plage de fréquence sur une bande plus adaptée : 20 MHz -5GHz qui suffira pour notre application. De plus, nous changeons *tand* (perte du substrat) qui est a la base à 0 pour la mettre a 0,035, cette valeur résultant de test précédant. Nous pouvons lancer la simulation, une feuille de résultat vierge s'ouvre, nous ajoutons des graphiques afin d'afficher S11 (réflexion/adaptation du port 1) et S21 (transmission) Nous obtenons les résultats ci-dessous :

Nous pouvons voir que nous obtenons en transmission :

  • 1290 MHz -0,659 dB
  • 2590 MHz (H2) -20,5 dB
  • 3880 Mhz (H3) -29,6 dB

L'adaptation d'entrée pour la fréquence d'utilisation, 1290 MHz est de -29dB, ce qui est très satisfaisant. Nous avons donc un filtre avec une réponse plus que correcte pour notre application.

Modification de la géométrie

Afin de faciliter la création du typon nous allons modifier les dimensions afin d'avoir des multiples de 0,5mm. Nous commerçons par copier le 1er schéma et nous modifions les dimensions. Suite à quoi nous créons de nouvelle équation pour les deux nouveaux ports. Nous obtenons le schéma avec les dimensions suivantes :

Nous lançons la simulation et ajoutons sur les précédentes graphiques les courbes d'adaptation et de transmission du nouveau schéma, respectivement S33 et S43. Nous obtenons les courbes suivants

Nous remarquons tout de suite que le filtre est un peu moins performant. En transmission :

  • 1296 MHz -0,644 dB , précédemment -0,659 dB, soit 0,015 dB de différence.
  • 2590 MHz (H2) -19,4 dB, précédemment -20,5 dB, soit 1,1dBd
  • 3880 MHz (H3) -29 dB à -29,6 dB, soit une différence de à,6 dB

L'adaptation est aussi remontée, mais reste très acceptable Ses modifications géométriques offrent des performances tout à fait acceptable, que nous pouvons donc valider et passer au PCB.

Conception du circuit

La conception du typon du circuit sera fait avec Kicad. Nous créons une schématique très simple constitué de deux connecteurs SMA relié ensemble pas un fil. Schéma réalisé :

Nous devons maintenant réaliser la correspondance avec l'empreinte, pour les deux connecteurs. La librairie Kicad propose plusieurs types de SMA, après quoi nous pouvons générer la “NetList ” de notre circuit.

Une fois importé dans le module *“circuit imprimé”* de kicad, nous avons les deux SMA dans notre page. Afin de faciliter la réalisation de notre circuit nous choisissons une grille de 0.5mm étant le pas que nous avons “choisi” dans notre conception. Une nouvelle fois afin, de faire au plus simple, nous mettons en place des *“règles”* de mesures correspondantes à notre circuit et plaçons les SMA en bout de filtre :

Nous pouvons utiliser l'outil permettant de réaliser des zones pour dessiner le filtre. Nous choisissons la couche de dessus connecté au même *“net”* que les SMA.

Nous avons maintenant le filtre prés à être fabriqué.

Circuit

Mesure

Premier résultat

Ci-dessous la mesure au VNA du filtre sur la bande 20MHz 5GHz

Nous attendions en transmission :

  • 1296 MHz -0,644 dB
  • 2590 MHz (H2) -19,4 dB
  • 3880 MHz (H3) -29 dB

La réalisation nous donne une transmission de :

  • 1296 MHz -0,854 dB soit 0,2 dB de différence
  • 2590 MHz (H2) -31,3 dB soit 11,9 dB de différence
  • 3880 MHz (H3) -52,1 dB soit 23,1 dB de différence

Nous remarquons une grosse différence de comportement. Autant sur la fréquence de coupure que sur le la pente après cette même fréquence.

Source d'erreur

Après vérification entre le PCB et la simulation, une erreur a été remarquée. L'épaisseur du PCB pour les simulations était de 0,6 mm or celui utilisé fait 0,8mm. La simulation avec la bonne épaisseur donne le résultat suivant :

La transmission du circuit simulé avec la bonne épaisseur est :

  • 1296 MHz -0,627 dB soit 0,227 dB avec le PCB
  • 2590 MHz (H2) -15,3 dB soit 19,8 dB avec le PCB
  • 3880 MHz (H3) -25,1 dB soit 25,6 dB avec le PCB

L'écart est encore plus grand et le comportement reste très proche

Conclusion

La différence entre la simulation et le PCB reste très étrange…

Mise à jour

Modification de la simulation Qucs

Suite a une discussion avec Thomas Lepoix, ce dernier m'a suggérer au vu des résultat de mettre des MSTEP entre les divers parties du filtre.

Et les résultats de simulation sont assez bluffante

Nous pouvons constater que les résultats de simulation avec les MSTEP et la mesure sont très proche.

Simulation Électromagnétique

Cette fois ci, c'est les outils de Thomas Lepoix qui ont permit la simulation électromagnétique. Cette outils Qucs-RFlayout la version dev permet la génération d'un script pour openEMS depuis un schéma Qucs

Une fois lancé, nous pouvons verifier la géometrie ainsi que le maillage

Après moulinage de OpenEMS, nous obtenons les réponses en paramètre S du système

Comme precedement, nous pouvons recomparer cette simulation openEMS avec les mesures

Nous pouvons constater que ces simulations sont proches de la simulation.

Conclusion

La reponse de la simulation du filtre, vis à vis des mesures, peut donc s'expliqué par le manque des MSTEP lors de la génération des filtres via qucs. Nous pouvons aussi voir que la simulation élétromagnétique qui aurait du être faite avant la fabrication nous aurait permit d'anticiper ce décalage.

wiki/projects/filtres/lpf_23cm_microstrip.txt · Last modified: 2020/06/20 21:02 by f4hdg