Cette fois, nous allons expliquer en détail le processus de conception d’un filtre passe-bas (LPF) pour la communication Sub-GHz (915MHz) en utilisant QucsStudio.
Étape 1 : Définir les Performances Cibles
Pour envoyer des ondes radio plus loin, nous utilisons un amplificateur pour amplifier le signal. Afin d’améliorer l’efficacité énergétique lors de l’amplification, il est souhaitable d’amplifier le signal en maximisant la région linéaire de l’amplificateur.
Cependant, rechercher l’efficacité énergétique peut déformer le signal, générant des composants harmoniques de n fois. Ces composants harmoniques peuvent avoir un impact négatif sur d’autres systèmes sans fil. Il est donc nécessaire de les atténuer en dessous des normes basées sur les règlements de chaque pays. C’est pourquoi il est courant d’atténuer ces harmoniques avec un LPF.
Cette fois, nous allons concevoir un LPF permettant le passage de la bande Sub-GHz tout en atténuant les fréquences supérieures, en utilisant des inducteurs et des condensateurs.
Lors de la conception réelle, il est nécessaire de concevoir le filtre individuellement selon les caractéristiques de l’appareil utilisé et le niveau harmonique visé.
À titre d’exemple concret, nous viserons à atteindre des performances équivalentes au LPF laminé de TDK, DEA100915LT-6319A1, et fixerons les indicateurs de performance comme suit.
- Pertes d’insertion : Inférieures à 0,5dB (824-915MHz)
- Atténuation : Supérieure à 18dB (1648-1830MHz)
Étape 2 : Conception Initiale du LPF avec l’Outil Filter Synthesis
QucsStudio dispose d’un outil Filter Synthesis qui génère automatiquement des conceptions de filtres. Nous utiliserons cet outil pour réaliser la conception initiale d’un filtre répondant aux performances cibles.
En utilisant Filter Synthesis, nous allons concevoir un LPF de type Butterworth dans les conditions suivantes.
Ordre : 6e
Fréquence de coupure : 1,1GHz
Le filtre créé répond aux caractéristiques cibles comme confirmé.
Étape 3 : Appliquer les Valeurs Réelles des Composants et Confirmer les Performances
Avec des valeurs proches des constantes des résultats de la conception initiale, sélectionnez des inducteurs et des condensateurs disponibles sur le marché, et changez les constantes comme suit pour vérifier les performances du filtre.
- L1 : 10,23nH ⇒ 10nH
- L2 : 13,94nH ⇒ 14nH
- L3 : 3,745nH ⇒ 3,7nH
- C1 : 1,498pF ⇒ 1,5pF
- C2 : 5,59pF ⇒ 5,6pF
- C3 : 4,092pF ⇒ 4,1pF
Les caractéristiques sont toujours conformes à l’objectif.
Étape 4 : Considérer les Tolérances avec l’Analyse de Monte Carlo
Les composants réels tels que les condensateurs et les inducteurs présentent des variations dans les plages définies par les tolérances. Une analyse de Monte Carlo est réalisée pour évaluer l’impact de ces variations sur les performances du filtre.
En général, les composants tels que les condensateurs et les inducteurs ont des gammes avec différentes tolérances. Réduire la plage des tolérances augmente le coût des pièces. Par conséquent, il est préférable d’utiliser des pièces avec des tolérances plus larges si elles ne posent pas de problème de performance.
Tout d’abord, nous effectuerons une analyse de Monte Carlo dans les conditions de tolérance les plus larges pour vérifier les caractéristiques.
- L1 : 10nH±5%
- L2 : 14nH±5%
- L3 : 3,7nH±0,2nH
- C1 : 1,5pF±0,25pF
- C2 : 5,6pF±0,25pF
- C3 : 4,1pF±0,25pF
En supposant une distribution normale pour les variations des pièces, la plus grande variation est analysée comme 4σ. Par exemple, pour 10nH, 4σ est de 5%, donc σ = 1,25%.
Lorsque ces plages de variations sont prises en compte dans la simulation, le pire des scénarios devient apparent.
915MHz -0,481 ⇒ -0,695dB
1650MHz -20,9 ⇒ -19,9
Si la variation est trop grande, la tolérance des pièces peut être améliorée en changeant, par exemple, les inducteurs à ±3%, les condensateurs à ±0,1pF. Veuillez envisager selon les caractéristiques cibles dans la conception réelle.
Conclusion
À travers le processus de conception détaillé du LPF utilisant QucsStudio, nous avons introduit une méthode pour concevoir un filtre qui atténue efficacement les harmoniques dans la bande Sub-GHz. En exploitant les puissantes fonctionnalités de simulation et les outils d’analyse de QucsStudio, il est possible de réaliser une conception de filtre proche de l’idéal.
Le LPF conçu et le DEA100915LT-6319A1 visé peuvent également être comparés en utilisant les paramètres S.
Rouge : LPF conçu dans la simulation
Bleu : DEA100915LT-6319A1
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