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Principes de base de la conception des filtres RF

Principes de base de la conception des filtres RF

La conception des filtres RF est souvent considérée comme difficile et réservée uniquement aux développeurs spécialisés. Bien que la conception du filtre RF puisse être compliquée, le processus peut être simplifié et élargi pour lui permettre d'être accompli par un concepteur électronique.

Pour garantir que la conception optimale est obtenue pour le filtre RF, il est nécessaire d'avoir les exigences de paramètres de performance requises en place afin que des décisions puissent être prises concernant la topologie, les types de filtres et autres.

Cependant, quelle que soit la conception de filtre nécessaire, la même méthodologie de base est utilisée pour concevoir n'importe quel filtre. L'utilisation d'une méthodologie signifie que toutes les exigences nécessaires sont prises en compte, la bonne approche de conception utilisée et, finalement, le filtre RF correct est conçu.

Principes de base de la conception des filtres RF

De manière générale, les filtres modifient les amplitudes et les phases des formes d'onde sinusoïdales qui les traversent. Ce changement varie en fonction de la fréquence des sinusoïdes individuelles dans la forme d'onde globale.

La plupart des filtres sont ce que l'on appelle des filtres linéaires. En tant que tels, ils n'ont pas d'actions non linéaires dans lesquelles la réponse est proportionnelle à l'entrée. Au lieu de cela, les signaux passent et leur amplitude et leur phase sont modifiées de manière linéaire en fonction de leur fréquence.

A partir de là, il est possible de déterminer certains des paramètres clés de conception de filtre RF qui sont les facteurs par lesquels le signal est modifié, à savoir le gain, G et le déphasage 0. Comme le gain G et le déphasage θ dépendent de la fréquence, c'est-à-dire qu'ils sont des fonctions de fréquence, ils peuvent être exprimés comme suit:

g =g (F)

θ =θ (F)

Ces deux fonctions représentent respectivement la réponse en amplitude (souvent appelée réponse en fréquence) et la réponse en phase du filtre.

Ces deux fonctions régissent les principales caractéristiques à connaître sur le filtre. En étant capable de déterminer les fonctions, il est possible de concevoir le filtre RF.

Normalement, l'exemple de la conception de filtre RF passe-bas est utilisé dans la première instance, puis il est étendu pour inclure d'autres formes de filtre. En conséquence, nous examinerons d'abord la conception du filtre passe-bas.

Filtres réels et idéaux

Lors de la conception d'un filtre RF, il serait idéal que le filtre laisse passer les signaux dans la bande passante sans aucun changement d'amplitude ou de phase. Des filtres comme celui-ci pourraient avoir une réponse rectangulaire, tombant directement à leur bande d'arrêt et donnant le niveau requis d'atténuation de la bande d'arrêt.

Malheureusement, il n'est pas possible de concevoir des filtres RF comme celui-ci, et les véritables conceptions de filtres RF ne peuvent se rapprocher que des courbes et des paramètres de réponse idéaux. Ces approximations peuvent ensuite être utilisées comme les différents types de filtres existants. Ceux-ci incluent le Butterworth, Bessel, Chebyshev, Elliptical, Gaussian et bien d'autres.

En utilisant une approche mathématique pour la conception de filtres RF, il est possible d'utiliser une relation mathématique. On peut prouver que le carré de la réponse pour tous les filtres réalisables peut être exprimé comme le rapport de deux polynômes pairs, c'est-à-dire rationnels. Cela signifie qu'une expression mathématique générique pour toutes les conceptions de filtres RF est:

g2F=B2(F)UNE2(F)

Conception et normalisation des filtres RF

Alors que des équations relativement simples sont disponibles pour les filtres Butterworth et les filtres à K constant, d'autres formes de filtre nécessitent des calculs plus compliqués.

L'approche de conception de filtres RF utilisée depuis de nombreuses années utilise ce que l'on appelle des filtres normalisés. Un ensemble de variables est calculé pour un ensemble standard de conditions et celles-ci et tabulées prêtes à être utilisées et mises à l'échelle aux conditions requises.

Un filtre normalisé aurait une fréquence de coupure de 1 radian par seconde, soit 0,159 Hz et une impédance de 1 Ω. Ces valeurs peuvent ensuite être mises à l'échelle très facilement pour une utilisation à la fréquence et à l'impédance requises. De cette manière, les mathématiques fastidieuses et complexes requises pour la conception des filtres RF ont été réduites à un peu plus que la détermination des exigences et la recherche du tableau de valeurs approprié. Les tableaux sont disponibles dans une variété de livres et même en ligne.

Les exigences qui doivent d'abord être choisies incluent des paramètres tels que le type de filtre (Butterworth, Chebyshev, etc.), le niveau d'ondulation, etc., l'ordre du filtre (c'est-à-dire le nombre d'inducteurs et de condensateurs), etc.

Une fois ceux-ci choisis, le tableau correspondant peut être trouvé et les valeurs des éléments du filtre déterminées.

Conception et mise à l'échelle des filtres RF

Une fois que la conception du filtre a été réalisée dans sa forme normalisée, il est alors nécessaire de transformer les valeurs à la fréquence et à l'impédance requises. Dans le format normalisé, la conception du filtre a une coupure de 0,159 Hz, soit 1 radian par seconde et il est conçu pour fonctionner dans une résistance de charge de 1 Ω.

C =Cn2πFcR

L=R  Ln2  π  Fc

Où:
C = valeur réelle du condensateur
L = valeur réelle de l'inducteur
Cn = valeur normalisée du condensateur
Ln = valeur d'inductance normalisée
R = valeur de résistance de charge requise
fc = fréquence de coupure requise

Processus de conception de filtre RF

Le processus de conception du filtre RF comporte plusieurs étapes ou étapes. Les suivre dans l'ordre aide le filtre RF à être conçu de manière logique. Ces étapes concernent la conception du filtre passe-bas - d'autres étapes pour le transférer vers un filtre passe-haut ou passe-bande sont données dans les pages suivantes.

Alors que certains programmes informatiques peuvent permettre une conception directe, la conception utilisant souvent des tableaux, etc. est encore largement utilisée. Si un programme informatique est utilisé, le processus de conception du filtre peut être modifié en conséquence.

  1. Définissez la réponse nécessaire: la première étape du processus consiste à définir réellement la réponse requise. Des éléments tels que le point de coupure, l'atténuation en un point donné, etc.
  2. Normaliser les fréquences: Afin de pouvoir utiliser les différents tableaux et schémas de courbes de filtrage, il est nécessaire de convertir toutes les fréquences pour que le point de coupure soit à 1 radio par seconde et que tous les autres points soient relatifs à celui-ci.
  3. Déterminez l'ondulation maximale de la bande passante: L'une des étapes majeures de la conception du filtre RF est de comprendre le degré d'ondulation dans la bande qui peut être toléré. Plus il y a d'ondulation, plus le niveau de sélectivité qui peut être obtenu est élevé. Plus la sélectivité est élevée, plus la transition de la bande passante à l'atténuation ultime sera rapide.
  4. Faites correspondre les courbes d'atténuation requises avec celles du filtre: Avec une connaissance des caractéristiques, à la fois en termes d'ondulation et de rejet requis à des points particuliers, il est possible de déterminer le type de filtre ainsi que l'ordre ou le nombre d'éléments requis dans la conception du filtre.
  5. Déterminez les valeurs des éléments: En utilisant les tables de recherche appropriées, les valeurs normalisées des composants de filtre peuvent être déterminées
  6. Mettre à l'échelle les valeurs normalisées: Enfin, les valeurs doivent être mises à l'échelle pour la fréquence de coupure et la résistance requises.

Les valeurs de filtre et les courbes peuvent être trouvées dans un certain nombre de livres sur la conception de filtres, y compris "Handbook of Filter Synthesis" de Zvrev, pub Wiley.

Aujourd'hui, de nombreux programmes ou applications de conception de circuits et de filtres sont disponibles en ligne ou en téléchargement d'application.

En utilisant ces applications, il est souvent possible d'alimenter directement les exigences et de faire apparaître la conception. Cependant, il est toujours conseillé d'être en mesure de comprendre le processus de conception à partir des principes de base et de cette manière les limites des compromis peuvent être mieux comprises.

Comprendre les bases de la conception de filtres RF permet non seulement de concevoir des filtres, mais même si la conception réelle n'est pas entreprise, cela fournit une meilleure compréhension du processus et de la spécification des filtres eux-mêmes.

Voir la vidéo: . Oscillateur à déphasage à base de transistor bipolaire (Octobre 2020).