FILTRE PASSE-BANDE 500 MHz - 50

page modifiée le 8 novembre 2000

Ce filtre est destiné, à titre d'exemple, de montrer une méthode rapide pour mettre au point un filtre passe-bande constitué de deux dipôles résonants couplés.
Le schéma utilisé est représenté ci-dessous.


C1=C3
C2=C4
Lr1=Lr2
Cr1=Cr2
Rr1=Rr2

Les résonateurs sont représentés par leur modélisation RLC parallèle (Lr, Cr, Rr).

Les dipôles résonants utilisés sont des résonateurs céramiques coaxiaux 520MHz (Murata).
Ce type de résonateur est une ligne coaxiale dont une extrémité est reliée à la masse. La longueur électrique de cette ligne est ajustée pour être égale à /4 à 520MHz.

Pour obtenir le couplage critique (couplage optimum) on utilise deux condensateurs en série dont un variable.
Pour présenter l'impédance voulue dans la bande passante on utilise diviseur capacitif.

Pour modifier la fréquence centrale de ce filtre on peut soit changer de résonateur bien sûr ; ou alors ajouter une capacité en parallèle sur le résonateur pour abaisser sa fréquence de résonance.
Pour augmenter la bande passante sans dégrader la sélectivité du filtre, il faut augmenter le nombre de pôles du filtre, ce qui signifie coupler davantage de résonateur ensemble. La mise au point du filtre s'en trouve d'autant plus compliquée.

Remarque :
Les condensateurs sont considérés parfait. Dans un souci de précision il faudrait inclure les éléments parasites. On considère cet aspect comme négligeable tout en sachant que c'est une source potentielle d'erreurs.


La méthode
 
1 - On effectue des mesures pour définir les valeurs des éléments du modèle du résonateur.
2 - Avec la simulation on définit les valeurs de C1, C2, C3, C4 et Cc ().
3 - Routage et mesure des paramètres "S" du filtre.

Modélisation du résonateur céramique
 
On peut utiliser notamment un analyseur de réseau.

Pour mesurer Rr on réalise une lecture directe sur l'abaque de Smith en mode admittance. La valeur de 1/Rr (en siemens) correspond à la mesure de l'impédance du résonateur à la fréquence de résonance (l'impédance a une partie imaginaire nulle).
Pour obtenir Lr et Cr on procède de la manière suivante :

 

 

 1 Mesure de la fréquence de résonance du résonateur. On obtient donc F0.
2 On rajoute une capacité C1 en parallèle sur le résonateur et on obtient une seconde fréquence de résonance F1, inférieure à F0.
Au préalable on aura mesuré la valeur précise de C1.
  3

A partir de ces deux mesures on obtient Cr et Lr :
;

(détail des calculs)
    Les valeurs obtenues sont :
Rr= 3500
Cr= 32,3 pF
Lr= 2,9 nH


Simulation et optimisation du filtre
 
Le but de la simulation est d'obtenir les valeurs des composants passifs autre que les résonateurs céramiques.
On optimise le filtre pour qu'il présente 50sur ses accès et d'autre part pour que l'ondulation dans la bande passante soit minimum.

On peut utiliser n'importe quel logiciel de simulation de circuit électronique passif. Ici c'est PSPICE v8 et Touchstone (paramètres S) qui ont été employés.

-> Schéma du filtre optimisé :
   

-> Courbes du filtre optimisé :
S11 et S22

S11 et S21

 

Routage et mesures des paramètres "S" du filtre
 
La qualité du routage est importante car il faut réduire au maximum les effets parasites qu'il induit.
Les trous métallisés entre le plan de masse inférieur et le plan de masse supérieur permet d'avoir une masse plus homogène. Cela est important surtout pour la réjection du filtre dans les fréquences élevées.
-> Routage du filtre :
     


-> Mesures du filtre
S11
S22


Bande
passante

Réjections
hors-bande

Les mesures du filtre en grand format : - mesure de S11 et S22 (36K)
- mesure de la bande passante (52K)
- mesure de la réjection hors-bande (57K)

-> Photos du filtre :
 
 

 

Conclusion
 
La 1er remarque concerne la fréquence centrale du filtre qui se trouve environs 20 MHz plus basse que les résultats de simulation. Une cause possible est lié au réglage de la capacité de couplage (Cc) qui influe notamment sur la fréquence centrale du filtre, plus le couplage est important plus la fréquence baisse.
La cause la plus probable concerne l'ensemble des capacités parasites ramené par le PCB, la capacité parasite en parallèle sur les résonateurs abaisse leur fréquence de résonance.
Pour compenser ces défauts on pourrait intégrer ceux-ci à l'étape de la modélisation du résonateur en mesurant les paramètres de l'ensemble résonateur+PCB.
Pour obtenir effectivement un filtre centré sur 500MHz il faut utiliser un résonateur 540MHz ou plus élevé.

La bande passante du filtre est à peu près conforme aux résultats de simulation.
La qualité de l'adaptation des accès est correcte.

On constate que la réjection du filtre est perfectible, elle varie entre -60dB et -35dB dans la bande 0-1GHz.
Pour améliorer la réjection aux fréquences élevées il faut ajouter des trous métallisés de rappel de masse, particulièrement entre les deux résonateurs.
On pourrait également envisager de placer un résonateur de chaque côté du PCB, le plan de masse constituerait dans ces conditions un blindage qui réduirait les couplages parasites aux fréquences élevées.