Projets:Lab:2011:SA-Scotty:CrystalFilters

Description Technique
Ce filtre passe bande est destiné à ne laisser passer que les produits de mélange "infradyne" (F_mesure - F_PLL) disponibles en sortie du mélangeur 1 ou 2 selon la plage de mesure choisie. Sa fréquence centrale peut être située entre 9 et 15 MHz, et doit être précisée dans les paramètres de réglage pris en compte par le logiciel de pilotage. Jusqu'à 4 filtres de largeur de bande différents -mais présentant impérativement la même fréquence centrale- peuvent être pris en compte par le programme de gestion du MSA. Les filtres les plus "pointus" (100 à 500 Hz) peuvent cotoyer des filtres plus "passe-partout" (10 à 100 kHz de bande passante) ou des filtres très larges (1 ou 2 MHz de BP). Une configuration idéale devrait pouvoir permettre de choisir entre des bande passante de 100 Hz, 10 kHz, 100 kHz et 1000 kHz (soit 1 MHz).

Pour ne pas que d'autres produits de mélange indésirables ne viennent perturber la mesure et crééer des "artefacts" à l'écran, ces filtres doivent présenter des fronts très raides (un facteur de qualité "Q" très élevé)et offrir une dynamique d'au moins 80 dB.

La sélection de chacun de ces filtres est opérée par le logiciel, qui, à son tour, commande la carte de commutation de filtres F.I.

Réalisation
Filtre F.I. Filtre à quartz ou filtre de résolution

Le filtre à Quartz final détermine la largeur de résolution du MSA. Des flancs raides et une forte réjection hors bande est une condition impérative pour obtenir une bonne sélectivité. Il existe plusieurs options de construction possible. La bande passante peut aller de 100 Hz seulement à 2 MHz, et il n’est pas obligatoire d’utiliser un filtre à quartz. Comme cela relève du choix de chaque personne construisant le MSA, l'auteur n'a pas souhaité préciser le type de composant à employer. Certaines suggestions sont détaillées dans le chapitre

Les membres de l'Electrolab peuvent bénéficier d'un analyseur vectoriel VNWA. Il est vivement conseillé d'utiliser cet appareil pour :


 * - déterminer l'impédance et la capacité intrinsèque d'un filtre monolithique inconnu
 * - simuler (à l'aide de l'outil d'aide à l'adaptation d'impédance "matching tool")la courbe du filtre adapté sur 50 Ohms
 * - vérifier l'amplitude du signal selon la fréquence, le Q et l'ondulation de plateau du filtre réel une fois les circuits d'adaptation d'impédance insérés sur les entrées et sorties du filtre

Toute autre approche serait une perte de temps et donnerait des résultats bien moins précis

A titre d'exemple, voici trois tracés au VNWA d'un filtre 10,7 MHz Toyocom TQF-3006 de 15 KHz de bande passante, 1100 Ohms d'impédance, -5,3pf de capacitance.

La première capture d'écran donne la courbe caractéristique du filtre branché directement en sortie d'analyseur vectoriel. La perte d'insertion est importante (plus de 10 dB) la forme du plateau est très accidentée, dénottant une désadaptation du filtre par rapport à 50 Ohms.

La seconde capture montre la courbe simulée après utilisation de l'outil "matching tools". L'on est dans le cas de composants parfaits, la coube étant le résultat d'un calcul théorique extrapolant ce qu'il serait possible d'obtenir à partir des mesures concrètes effectuée précédemment (première capture)

La troisième courbe montre la mesure réelle de ce même filtre Toyocom après avoir inséré une cellule L/C d'adaptation d'impédance. La perte d'insersion n'est plus que de 3 dB environ (aucune tentative d'amélioration n'a été effectuée, les valeur du solveur ont été prises "telles que"). La dynamique du filtre est meilleure d'au moins 8 dB. Le réseau d'adaptation est constitué d'une capacité de 70 pf environ (47 // 22 pf) et d'une self de 5,3 µH (13 tours de fil 8/10eme sur tore Ferroxcube 4C6, taille TN 9/6/3)





Il suffit de cliquer sur chaque illustration pour obtenir un affichage plus détaillé



De gauche à droite : mesure au vna de plusieurs filtres, simulation grossière de chaque filtre. Photo centrale : simulation fine donnant la courbe "maximum théorique" de chaque filtre, photo de droite : mesure réelle des filtres une fois l'adaptateur d'impédance soudé et réglé

Comme on peut le constater, il est possible d'obtenir une courbe pratiquement dénuée d'ondulation... avec beaucoup de patience. Chaque condensateur, chaque self a été mesurée et ajustée à l'analyseur vectoriel avant d'être monté. L'appréciation des composants peut ainsi atteindre 0,1% en précision de valeur



De gauche à droite : - Un jeu de filtre vu de dessus : filtre 8 éléments 15 et 7 kHz (origine CEPE et NDK), filtre en échelle bande étroite (300 Hz) montage YU1LM, filtre étroit 1,5 kHz montage Scotty, pcb de BG6KHC - Les trois filtres vus de dessous. On remarque que les blindages du filtres de    Scotty Sprowls sont plus tarabiscotés que les deux autres. Le meilleur rapport efficacité/densité revient bien entendu aux filtres monolithiques "intégrés" - Détail du filtre YU1LM. Ce filtre en échelle possède un étage d'amplification situé entre deux sections de 4 quartz. l'alimentation de l'OPA est visible dans la section centrale, en bas de la photographie. Les transformateur 1/1 sont d'origine Mini-Circuits mais peuvent être plus simplement bobinés sur un tore. Le principal avantage de ce type de montage est de toujours présenter une impédance de 50 Ohms en entrée et en sortie, et d'offrir une bande passante ajustable, à condition de remplacer deux condensateur par groupes de 4 quartz par des diodes varicaps. En outre, compte tenu de sa structure en échelle, ce montage est assez simple à blinder.



PWB-MCF Un PCB s’adaptant à différents types de filtres monolithiques peut être utilisé. Bien entendu, la fréquence centrale et la résolution dépend des caractéristiques de chaque filtre.

PWB-CLF-5. Ce PCB est étudié pour recevoir jusqu’à 5 quartz, dans le but de construire un filtre en échelle. La fréquence centrale et la bande passante est déterminée par celui qui construit le filtre. Ce design est particulièrement adapté aux filtres à bande très étroite (moins de 1 kHz). Cette page Web donne quelques exemples.

Pour réaliser un tel filtre, il est impératif de diposer d'un nombre de quartz relativement important pour pouvoir trier et sélectionner les composants présentant des caractéristiques très proches. Ce travail s'effectue de manière fiable avec un VNA. Les membres de l'Electrolab, heureux possesseurs de cet appareil, peuvent procéder comme suit :


 * Brancher la carte de test (Test Fixture, construite par Yannick) sur le VNWA
 * Calibrez votre installation en « open short load » (la mesure s'effectue en S11)
 * Insérez le quartz sur la sortie TX
 * Mesurez le quartz, il affichera un creux notable en mesure S11
 * Réduisez la fenêtre de mesure afin de zoomer sur la portion de graticule correspondant à la fréquence du quartz
 * Ouvrez la fenêtre Tools/crystal tools/opto-optimize. Les paramètres du quartz s’affichent. L’optimisation peut être suivie « à la trace » en sélectionnant "Settings/diagram/display field Mem1 in dB"

Un bouton permet d'enregistrer les résultats dans un tableau. Attention, ce tableau est limité à 90 quartz. Pour des quantités plus importantes, pensez à sauvegarder chaque lot de mesure dans un fichier XLS qui sera fusionné par la suite.

Test Unitaire
Pour effectuer la batterie de tests, les modules suivants sont nécessaires :


 * Alimentation externe pouvant fournir un courant de +13,6V, 1000 mA
 * Un ordinateur, son moniteur et un câble d’imprimante parallèle
 * Le module Carte de Commande
 * Le module de conversion Analogique/Numérique (A to D)
 * Le module détecteur de phase (PDM, selon option d’alimentation du C.A/N)
 * Le module Détecteur Logarithmique
 * L’Oscillateur Maître
 * Le module DDS1
 * Le filtre à quartz
 * Le logiciel : spectrumanalyzer.tkn ou spectrumanalyzer.bas

Configuration de test :



1. Vérifiez que les modules suivant sont effectivement alimentés par la carte de commande : Oscillateur Maître, DDS, Détecteur log, convertisseur A/N et éventuellement détecteur de phase

2. Connectez la sortie du DDS (J3) à l’entrée du filtre à Quartz

3. Connectez la sortie du filtre à quartz à l’entrée du détecteur log, J1

4. Connectez la sortie du détecteur log, J2, au convertisseur A/N, sur la prise J1, filtre vidéo commuté sur « mid »

5. Alimentez les modules

Test :

1. Lancer le logiciel MSA. La fenêtre principale va s’afficher, un balayage va se lancer en mode Analyseur de Spectre.

2. La position de la trace d’amplitude de signal n’a aucune importance.

3. Arrêtez le balayage. Ouvrez la fenêtre de paramètres de balayage. Changez la fréquence centrale(champ « Cent ») pour y inscrire celle de votre filtre. Modifiez la plage de balayage (Span) à environ 10 fois la largeur de bande estimée de votre filtre à quartz. Cliquez sur « OK », puis sur « Restart ».

4. Arrêtez le balayage. Ouvrez la fenêtre “Setup/Special Tests” et cliquez sur le bouton DDS1 Sweep ». Dans la fenêtre principale, cliquez ensuite sur le bouton « Continue ». La courbe d’amplitude doit afficher les caractéristiques de votre filtre à Quartz 5. La puissance d’entrée injectée dans le filtre est proche de -8dBm. La sortie du filtre donne le niveau d’amplitude, mais ne peut être pris pour argent comptant puisqu’il n’a été effectué qu’un étalonnage grossier du détecteur log (voir chapitre en question dans le paragraphe « det log »). 6. Cliquez sur « Restart », puis arrêtez le balayage

7. Dans la fenêtre des « Tests Spéciaux », cliquez sur le bouton « DDS1 Sweep »

8. Dans la fenêtre principale, cliquez sur « Continue »

9. Ma trace doit maintenant afficher les caractéristiques de votre filtre avec un peu plus d’exactitude en termes d’amplitude. La fréquence centrale a peu de chances d’être exacte puisqu’aucun étalonnage des horloges n’a été effectuée jusqu’à présent. Mesurez et notez le niveau d’amplitude à la fréquence centrale

10. Remplacez le filtre à quartz par un câble coaxial pour déterminer le niveau de puissance effective à la sortie J3 du DDS

11. La perte d’insertion du filtre est donnée par la différence entre le niveau d’amplitude « sans filtre » et le niveau mesuré avec le filtre. Notez cette valeur, elle sera nécessaire par la suite. 12. Répétez cette opération pour chaque filtre que vous avez construit.

Platine bg6khc
Seule une platine de type PWB-CLF-5 est disponible dans le jeu de cartes réalisées par bg6khc. Elle peut-être utilisée conjointement avec un filtre 10,7 MHz monolithique et une cellule L/C au moins du 13eme ordre (Butt ou Cheb). La procédure de tri des quartz destinés à être soudés sur ce circuit est donnée en fin de chapitre "réalisation" (voir plus haut).

A noter que contrairement aux autres platines, celle-ci ne peut entrer dans un boitier aluminium. Il est donc conseillé de fabriquer une enceinte pour protéger et surtout blinder la face "composants" du filtre et améliorer l'isolation entrée-sortie. En utilisant les données brutes données par Sam Wetterlin dans son tableau filtre discret PWB-CLF-5, on obtient la courbe suivante. On remarque qu'il est nécessaire de retoucher le circuit d'entrée pour "raboter" le plateau et sa courbe en dos de chameau. L'adaptation d'impédance est effectuée de manière tout à fait classique, à l'aide d'un analyseur vectoriel