Guide de conception de filtre passe-bas avec uSimmics (anciennement QucsStudio) [2026]

simulation
2024.10.26

Ce guide décrit en détail le processus de conception d’un filtre passe-bas (LPF) pour communications Sub-GHz (915 MHz) avec uSimmics (anciennement QucsStudio). Il couvre l’ensemble du flux de conception : synthèse automatique avec Filter Synthesis, remplacement par des valeurs de composants commerciaux et évaluation des tolérances par analyse Monte Carlo.

Ce que vous apprendrez

  • Pourquoi un filtre passe-bas est nécessaire dans les communications Sub-GHz (suppression des harmoniques)
  • Comment utiliser l’outil Filter Synthesis de uSimmics (anciennement QucsStudio) pour la conception initiale d’un LPF
  • Comment remplacer les valeurs idéales par des valeurs de composants commerciaux et vérifier les performances
  • Comment évaluer l’impact des tolérances de composants par analyse Monte Carlo
  • Les compromis coût/performance selon le grade de tolérance choisi

Étape 1 : Définition des performances cibles

Pourquoi un filtre passe-bas est-il nécessaire ?

Pour transmettre un signal sur une longue distance, on utilise un amplificateur pour augmenter la puissance du signal. Pour maximiser l’efficacité de puissance, il est souhaitable de faire fonctionner l’amplificateur en proche saturation, mais cela génère des distorsions et des harmoniques (multiples entiers de la fréquence fondamentale).

Les harmoniques constituent une source d’interférences pour d’autres systèmes radio et doivent être atténuées en dessous des valeurs réglementaires définies par la réglementation des radiocommunications de chaque pays. Le filtre passe-bas (LPF) est la solution universellement adoptée pour laisser passer la bande de fréquences utile tout en atténuant les harmoniques.

Objectifs de conception

Cet exemple de conception vise à atteindre des performances équivalentes au filtre LPF monolithique TDK « DEA100915LT-6319A1 » :

Paramètre Objectif Plage de fréquences
Perte d’insertion ≤ 0,5 dB 824 – 915 MHz
Atténuation ≥ 18 dB 1648 – 1830 MHz

Étape 2 : Conception initiale avec Filter Synthesis

uSimmics (anciennement QucsStudio) intègre un outil de synthèse automatique de filtres, Filter Synthesis, qui génère le circuit d’un filtre correspondant aux spécifications cibles.

Référence : Guide d’utilisation de Filter Synthesis

Paramètres de Filter Synthesis

Conception d’un filtre passe-bas de Butterworth (à réponse maximalement plate) avec les conditions suivantes :

  • Type de filtre : Butterworth LPF (réponse maximalement plate, ondulation minimale en bande passante)
  • Ordre : 6
  • Fréquence de coupure : 1,1 GHz

Valeurs L et C générées automatiquement par Filter Synthesis :

Composant Valeur calculée
L1 10,23 nH
L2 13,94 nH
L3 3,745 nH
C1 1,498 pF
C2 5,59 pF
C3 4,092 pF

La simulation du filtre ainsi créé confirme que les performances cibles sont atteintes.

Étape 3 : Remplacement par des valeurs de composants commerciaux

Les valeurs calculées sont arrondies aux valeurs standard des séries commerciales d’inductances et de condensateurs :

Composant Valeur calculée Valeur adoptée
L1 10,23 nH 10 nH
L2 13,94 nH 14 nH
L3 3,745 nH 3,7 nH
C1 1,498 pF 1,5 pF
C2 5,59 pF 5,6 pF
C3 4,092 pF 4,1 pF

Après arrondi aux valeurs standard, la simulation confirme que les spécifications cibles sont toujours respectées.

Étape 4 : Évaluation des tolérances par analyse Monte Carlo

Les condensateurs et inductances commerciaux présentent des dispersions définies par leurs tolérances. Pour évaluer l’impact de ces dispersions sur les performances du filtre, une analyse Monte Carlo est réalisée.

Référence : Guide de l’analyse Monte Carlo

Conditions d’analyse

Les composants existent généralement en plusieurs grades de tolérance. Un grade de tolérance plus serré augmente le coût des composants — il est donc préférable, dans la mesure où les performances le permettent, d’opter pour des tolérances plus larges.

La première analyse Monte Carlo est réalisée avec les tolérances les plus larges :

Composant Valeur Tolérance
L1 10 nH ±5 %
L2 14 nH ±5 %
L3 3,7 nH ±0,2 nH
C1 1,5 pF ±0,25 pF
C2 5,6 pF ±0,25 pF
C3 4,1 pF ±0,25 pF

La dispersion des composants est modélisée par une distribution normale, le pire cas étant fixé à 4σ. Par exemple, pour 10 nH avec 4σ = 5 %, on obtient σ = 1,25 %.

Résultats d’analyse (tolérances larges)

Point de mesure Valeur typique Pire cas
Perte d’insertion (915 MHz) −0,481 dB −0,695 dB
Atténuation (1650 MHz) −20,9 dB −19,9 dB

Même au pire cas, les spécifications cibles (perte d’insertion ≤ 0,5 dB, atténuation ≥ 18 dB) sont respectées.

Comparaison avec des tolérances resserrées

Si l’impact des dispersions est trop important, resserrer les tolérances des composants. Par exemple, passer les inductances à ±3 % et les condensateurs à ±0,1 pF améliore la stabilité des performances. Dans la pratique, le choix doit tenir compte de l’équilibre entre les spécifications cibles et le coût des composants.

Comparaison avec le composant de référence

Il est possible de comparer le LPF conçu par simulation avec les paramètres S mesurés sur le DEA100915LT-6319A1 :

  • Rouge : LPF conçu par simulation
  • Bleu : valeurs mesurées sur le DEA100915LT-6319A1

Cette comparaison permet d’évaluer quantitativement la validité de la conception et les marges d’amélioration.

Conclusion

La conception d’un LPF avec uSimmics (anciennement QucsStudio) s’effectue de manière efficace en suivant le flux : synthèse automatique par Filter Synthesis, remplacement par des valeurs de composants commerciaux, puis évaluation des tolérances par analyse Monte Carlo. Pour la conception de filtres atténuant efficacement les harmoniques en bande Sub-GHz, les puissantes fonctionnalités de simulation et d’analyse de uSimmics (anciennement QucsStudio) sont des outils incontournables.

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