Voici un petit bilan concernant mes premiers essais dans le monde de la conception de type "home-made", bien entendu tout ceci n'est qu'un bref retour d'expérience et ne prétend en aucun cas être un "modèle" à suivre ; les méthodes utilisées ici restent très discutables. L'objectif principal de ce document étant de partager avec vous ma passion qu'est le Radio-Amateurisme ....Aussi, n'hésitez pas a me faire parts de vos critiques et suggestions, j’espère mettre a jour ce document au fil du temps afin d'en faire profiter les OM's intéressés.

Je plante le décor....En fin d'année dernière j'ai passé commande de la balise QRSS 30m en Kit sur le site de G0UPL pour moins d'une quinzaine d'Euros ( http://www.hanssummers.com/qrss.html ). C'est le "concept" des QRSS Grabber a la base qui m'a donné envie d'essayer...Un kit vraiment sympa que je recommande chaudement au passage pour ceux d'entre vous qui désirerez avoir une balise compacte a moindre coût. L'assemblage fut réalisé sans problème, il faut dire que le document A4 fourni avec le kit m'a guidé pas a pas.

Voici une petite photo du Kit une fois monter :

En parallèle a cela et maintenant depuis un moment j’essaie de me constituer un Shack avec tout le matériel de mesures qui m’aideront dans ma quête... ;-)Voila... j'ai enfin mon 1er analyseur de spectre ; un HP8590A. Je ne m’arrête pas en si bon chemin et après de longue recherche je finis par acquérir un générateur de tracking HP8444A.

De là a germé l'idée de concevoir un petit amplificateur pour cette balise ainsi qu'un filtre passe-bas adapté. De loin une nécessité mais plus un défi personnel pour moi novice dans le domaine.Le "décor" est planté, place a la conception ...

Mes débuts dans le monde du "Homemade et les Hautes

Fréquences"...F4TQP Davy

Rév 0.1 – 08/05/2011Rév 0.6 - 12/05/2011

• La 1ére étape : ... Le "Design" du filtre

Pour le calcul des valeurs des résistances et condensateurs qui vont composer le filtre j'ai utilisé le formidable logiciel « RFSIM99 » disponible gratuitement sur Internet. Merci au passage au développeur (Stewart Hyde) : ce logiciel est tout simplement une bombe !

Je modélise donc un 1er filtre LPF (Low-pass Filter) de type "Chebyshev" sachant que la balise QRSS travaille sur la fréquence de 10.140MHz :

Le résultat me semble déjà correct mais insuffisant, je décide alors d'ajouter des éléments afin d'augmenter la sélectivité du filtre. Pour se faire je duplique le filtre puis le met a la suite du 1er et j'obtiens ceci :

On voit ici une courbe avec une pente beaucoup plus raide, la fréquence de coupure du filtre est au alentour de 13,5MHz sur la courbe en rouge (S21). Sur le graphique le "sweep" va de 1MHz à 40MHz mais il est bien entendu possible de générer une analyse sur la plage de fréquence de son choix.

Avec seulement 3 composants en plus la différence est flagrante !

Le paramètre "S21" correspond au rapport de tension de la sortie sur l'entrée : c'est le coefficient de transmission direct.

Le paramètre "S11" représenté par la courbe en bleu correspond au coefficient de réflexion VSWR à l'entrée du quadripôle.

Le logiciel propose tout un éventail de fonctionnalités qui mérite franchement le détour par exemple la possibilité d'afficher la courbe des variations possibles avec différentes valeurs que peuvent prendre les composants en tenant compte des tolérances de chacun.

En voici 2 exemples pour se faire une petite idée de la puissance de cet outil :

La simulation avec 50 valeurs différentes La représentation de l'abaque de Smith

Bref, on voit ici rapidement que les valeurs des composants utilisés auront un impact directe sur la réponse du filtre !Dans mon cas ce n'est pas vraiment critique mais si d'aventure j'ai besoin d'un filtre précis alors j'attacherais une importance particulière concernant la qualité des composants, leurs tolérances, mais aussi au nombres d’éléments qui formerons le filtre...Etc

Je me suis arrangé par tâtonnement pour trouver des valeurs de condensateur pas trop difficile a se procurer et aussi en jouant avec la tolérance des composants que j'avais a disposition il ne me reste plus qu'à préparer sur le papier mes 2 selfs...Pour cela j'ai utilisé le logiciel « mini Ring Core Calculator » de DL5SWB disponible ici (http://www.dl5swb.de/html/mini_ring_core_calculator.htm ), ce petit logiciel bien pratique facilite grandement le calcul des tores, bobines a air.... bref c'est un "must have" !

Pour le coup je me suis orienté vers des bobines à air, n'étant pas très a l'aise avec les inductances sur tores je dois bien l'avouer. Avec du recul je pense que ce même filtre mais avec des selfs sur tore aurait apporté bien des avantages :

• L'encombrement : la haute perméabilité permet d'avoir la même inductance mais avec un nombre de spires moindre.

• Éviter un couplage parasite : le circuit magnétique fermé du tore limite fortement le couplage avec les éléments extérieurs ; c'est le cas ici où le champ magnétique de mes 2 selfs alignées s'ajoute et de ce fait engendre une dégradation des performances du filtre !

Bref, je saisis l'inductance voulue dans le logiciel puis je me base sur un diamètre de 10mm et une longueur de 25mm , le verdict tombe il faudra enroulé 17,8 tours si je souhaite obtenir une inductance de 1,06uH. J'arrondirais finalement a 18 tours sachant qu'il sera toujours possible par la suite de faire varier l'inductance de la bobine en éloignant les spires les unes des autres.

Voici la capture d'écran du logiciel en action :

On notera que le logiciel donne une estimation de la longueur du fil ce qui est plutôt pratique ! Là aussi, cet outil propose pas mal d'options très pratique, la prise en main est immédiate de plus le logiciel est disponible en Français ce qui ne gâche rien hi!

• 2éme étape ... la réalisation ...

N'ayant pas forcément le matériel requis pour faire un circuit imprimé digne de ce non, je décide de faire le filtre sur une "protoboard" en Epoxy. Voici une petite photo : (il manque le blindage, un bon plan de masse et un beau boîtier ... la prochaine fois je ferais mieux. Hi!)

(Pour la masse dans partie inférieure du filtre j'ai utilisé une tresse de coax ... oui j'en conviens c'est très artisanal hi!)

• 3éme étape ... les tests ...

Ayant a ma disposition un sweeper HP8620C et son tiroir HP86222A j'ai voulu d'abord visualiser la courbe de réponse de mon filtre avec la configuration suivante :

L'analyseur de spectre est d'abord configurer en mode "MAX/HOLD" ensuite je le connecte directement au sweeper. Le signal de sortie du sweeper est réglé sur la plage de travail du filtre et de manière a être le plus haut possible.Je relève alors une droite (enfin presque...) : ce sera mon signal de référence (ici au alentour de -10dBm) , l'objectif étant d'avoir la plus grande dynamique possible. Je mémorise la trace-A (Notée "Ref") puis j’enchaîne sur le 2éme relevé où cette fois-ci je place le DUT (Device Under Test : le filtre ici donc) entre le sweeper et le spectro afin de mesurer le paramètres S21, s'ensuit la mémorisation sur la trace-B (Notée "Out Filtre")

Pour réaliser les captures a l'aide du port HPIB présent sur l'analyseur de spectre il a fallu utiliser un adaptateur GPIB/USB. (Un équivalent au 82357B d'Agilent dans mon cas)L'appareil m'a coûté une centaine d'Euros frais de ports inclus via eBay ; c'est bien moins cher que son équivalent HP. Pour info voici l'URL du constructeur : http://bmjd.biz/BMJD1_eng.html (pub gratuite ;-)Son paramétrage est plutôt simple ; il suffit de connecter l'adaptateur entre le spectro et PC via le cordon USB puis d'installer le programme « Agilent IO Library »

Ici on voit que l'analyseur de spectre a l'adresse 7 sur le port GPIB0

J'ai utilisé l'excellent « émulateur de plotter HP7470A » de KE5FX pour le rendu sur PC. (disponible ici : http://www.thegleam.com/ke5fx/gpib/7470.htm )Cet outil mérite que je m'y attarde un peu sachant qu'il existe des équivalents mais aucun n'est gratuit contrairement a ce dernier (Softplot Plus d'Aphena par exemple coûte pas loin de 1300€)

Il y a 2 méthodes pour effectuer l'acquisition avec cet émulateur : – 1ere méthode : lancer la demande récupération du graphique depuis le logiciel lui-même :

L'analyseur de spectre ayant l'adresse GPIB7 ; je demande une "impression" depuis le bus

GPIB.

La réception des données commence, le processus est très rapide (a peine 3 secondes...)

Une fois la courbe affiché, j'ai ajouté le texte "ref" et "Filter Out" a coté des 2 traces pour plus de clarté.

Sans plus attendre voici donc le résultat de l'acquisition :

Il y a une deuxième méthode qui consiste à configurer l'émulateur comme plotter en lui attribuant une adresse, ensuite sur l'analyseur de spectre on donne l'adresse du plotter (CONFIG>PLOTTER

ADDRESS=5). Il ne reste plus qu'à placer l'émulateur en mode "écoute" et d'appuyer sur le bouton PRINT du spectro pour lancer l'impression :

Affectation de l'adresse #5 au plotter virtuel On place l'émulateur en mode écoute

Par la suite j'ai voulu mesurer la courbe de réponse mais cette fois-ci avec le générateur de tracking a la place du sweeper en grosse partie a cause de l'ondulation en début de plage que je n'explique pas vraiment ... Peut être est-ce dus a l'atténuateur ,les câbles voir une imperfection du sweeper ?!

Ici pas de réglage particulier sur le tracking hormis le niveau de sortie toujours le plus haut possible.Voici le résultat de la courbe relevée dans cette "nouvelle configuration" :

Le résultat est similaire mais en plus stable ; il n'y a pas la variation entre 1 et 30Mhz le tout avec une dynamique de 60db. Je me suis donc basé sur ce dernier relevé pour le reste des manips.

La fréquence de coupure fc est bien situé proche de 13,5MHz comme l'avait calculé RFSIM99 lors de la simulation, à 2.fc (27MHz) je ne relève pas loin de -35dB d'atténuation , puis a 3.fc (40,5MHz) la courbe me donne -60dB , à 4.fc (54MHz) j'ai toujours mes 60dB d'atténuation soit -60dB/décade : c'est donc un filtre du 3éme ordre.

Edit : Entre temps j'ai reçu mon analyseur vectoriel de réseaux MiniVNA, j'en profite pour ajouter a titre comparatif la courbe relevée avec ce dernier :

• Y a-t-il des améliorations possibles ?!

Il n'y a aucun blindage entre les éléments du filtre et le « monde extérieur ». Conséquence : sans boîtier métallique les éléments extérieurs peuvent interférer sur le fonctionnement du filtre, pire encore ; les 2 selfs étant dans le même axe et proche l'une de l'autre ; il peut y avoir un rayonnement électromagnétique qui fait que les valeurs des selfs ne soient probablement plus les mêmes en fonctionnement ....

J'ai par curiosité découper une petite plaquette d'aluminium de 2mm d'épaisseur puis je l'ai placé entre les 2 selfs et reliée a la masse afin d'isoler les 2 bobinages.La courbe n'a pas bougé sur la plage de 1 à 100MHz en revanche sur un SPAN plus large (1MHz-1GHz) cela a contribué à une meilleure atténuation en bande haute là ou elle avait remontée sans le blindage.

J'imagine qu'avec un boîtier hermétiquement clos et un bon plan de masse l'allure de la courbe serait bien meilleure... et pourquoi pas ajouter des éléments au filtre afin d'en augmenté la sélectivité. Bref tout cela est à méditer ... hi!

A ce stade, je commence à étudier la conception de l'amplificateur, je mets donc de côté ce petit filtre qui devrait m'aider à réduire les harmoniques non souhaitées et peut être aidé a l'adaptation d'impédance entre l'ampli et la charge...

• 5éme étape ... Et mon ampli dans tout ça !?

La 1ere question qui me vient a l'idée : combien ais-je en sortie de la balise actuellement ?

N'ayant pas de Wattmètre assez sensible pour mesurer de façon précise des puissances inférieures au Watt je connecte alors la balise QRSS au filtre et ce dernier a une charge fictive de 50Ω.Pour mesurer la puissance je connecte mon oscilloscope (Rigol DS1102E) au niveau du filtre entre la masse et la sortie et relève la tension crête à crête.

Voici la capture de l'écran de l'oscilloscope :

Je mesure Vpp=6.48v (tension crête à crête), j'en déduis donc que la tension efficace (Veff) :Veff = Vpp / (2x√ 2) = 6.8/2.8 = 2.31vPeff = Veff ² /Rcharge = 2.31²/50 = 0,106W = 106mW soit +20dBm

J'aimerais dans la mesure du possible obtenir un gain d'environ 10dB avec un montage simple, ne nécessitant pas de composants exotique.

Je décide donc de modéliser le P.A. sur PC a l'aide du logiciel Multisim afin d'effectuer une simulation avant tout montage dans le "monde réel" :-pAprès plusieurs essais mon choix s'arrête finalement sur un ampli de type Push-Pull a base de transistor IRF510, ces Mosfets ont l'avantages d'être très abordable (moins d'un Euro pièce) et par chance disponible dans le shack :-)

Voici le schéma tel que je l'ai saisi dans Multisim :

Je lance la simulation puis je joue sur les 2 potentiomètres de 10kΩ (polarisation) car la courbe de sortie était déformée au départ, voici ce que j'obtiens a l'oscilloscope :

La voie 1 en Jaune est connectée sur la charge afin de relevé la tension crête à crête en sortie.La voie 2 en Bleu est connectée directement au borne du générateur HF simulant ainsi la balise (on voit bien le déphasage de 180° entre les 2 sinusoïdes)Je décide alors de calculer la puissance de sortie sur la charge de 50Ω:Vpp=24.5v ; Veff = Vpp / (2x√ 2) = 24.5 / 2.8 = 8.75v ; P(out) = Veff ² /Rcharge = 8.75²/50 = 1,53w

P(in) = 106mW (+20dBm)P(out) = 1,53W (+31dBm ) soit au final un gain > 11dB

Tout cela reste purement théorique et je sais que dans le monde réel je n’aurais pas les mêmes résultats car la simulation ne tient pas compte des pertes, de la tolérance des composants...etcA noté aussi que sur mon schéma je n’ai pas mis les capa. de découplage, de plus j'ai utilisé un modèle "idéal" de transformateur cela va s'en dire que ça n'existe pas vraiment ;-)

Je m'exécute et j'attaque le montage sur « breadboard », ce n'est pas conseillé en HF mais d'un naturel impatient je voulais essayer rapidement ....hi!J'obtiens finalement des résultats légèrement inférieurs a ce que la simulation m'avait donnée (un gain de 10dB) mais ce dernier fonctionne tout de même correctement : me voila donc satisfait ! ;-)Lors de mes test j'ai mis 2 dissipateurs thermiques de récupération sur les transistors car la température grimpée tout de même rapidement et aurait vite fait de détruire les IRF510 sans un petit coup de pouce !!

Je compte le refaire très prochainement mais cette fois ci avec la "méthode Manhattan" et peut être aussi ajouter un "driver" en amont du P.A. …

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Pour finir voici quelques sources d'informations ; d'excellents ouvrages que je consulte régulièrement :

• « The ARRL Handbook for Radio Communications 2011 »• « Experimental Methods in RF Design » de Wes Hayward,Rick Campbell,Bob Larkin• « Practical RF Design Manual » de Doug Demaw

73's QRO de Davy F4TQP – mai 2011