TP CAO Ansoft Designer - Laboratoire d’Analyse et d ... CAO Hyperfrquence TP 1 :...

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  • TP CAO Hyperfrquence

    TP 1 : Adaptation dimpdance par lments localiss

    1. Adaptation dimpdance par labaque de Smith

    Lancer Ansoft Designer et crer un nouveau projet intitul adaptation (faire file/New puis Save as) dans le rpertoire H:\TP_CAO_HYPER

    Insrer dans ce projet un dossier regroupant les circuits lectriques que vous allez simuler (Project/Insert Circuit Design). A la question choose layout technology

    rpondre None.

    Placer (voir indications figure 1) : o un port danalyse micro-onde (c'est--dire danalyse en paramtres S),

    o une rsistance de 10 (cliquer sur l'onglet Components puis aller dans le rpertoire Lumped puis Resistors et enfin faite glisser le composant resistor

    sur la page circuit. Il ne reste plus qua fixer sa valeur 10 : slectionner ce composant et vous avez dans la deuxime fentre de gauche (en partant du

    haut) ses caractristiques : mettre le champ R 10.

    o une capacit de 10 pF, o connecter ces composants et ajouter une masse (voir licone proche de celui

    utilis pour le port micro-onde),

    o Placer dans le coin suprieur gauche un second port danalyse que vous connecterez une masse (lutilisation de labaque de smith pour ladaptation

    requiert deux ports danalyse).

    Port danalyse en paramtres S

    Aprs slection de R : la fentre

    indique prsente lensemble des

    caractristiques

    Click droit puis

    Add Solution Setup

    Port2

    0

    Figure 1 : Simulation du coefficient de rflexion sur 50 dune charge quelconque

  • Dfinir une analyse : click droit sur Analysis puis slectionner Add Solution Setup (voir figure 1). Dans la fentre Sweep variable : faire Add puis linear step. Vous pouvez alors

    dfinir les frquences start stop et step de votre analyse : mettre 0.5GHz, 2GHz et 0.1GHz

    respectivement (noublier pas de faire Add puis Ok puis Terminer).

    Lancer la simulation : click droit sur Analysis puis Analyse.

    Pour lanalyse des rsulstats : click droit sur Results puis Create Report et dfinir un graphique reprsentant le coefficient de rflexion S11 sur un abaque de Smith (display

    type : Smith Chart).

    Interprter le rsultat (position sur labaque de Smith, variation en fonction de la frquence, ).

    Visualiser le coefficient de rflexion : S11 en dB, relever sa valeur 1GHz (pour faire des mesures : click droit sur le graphe, puis activer Data Marker et positionner le marker sur

    la courbe par un click gauche ; puis a nouveau click droit et Exit Marker Mode pour sortir

    du mode marqueur et/ou Delete All Tags pour effacer tous les marqueurs).

    Conclusion sur ladaptation 50 de cette charge ?

    On dsire adapter la charge (rsistance-capacit) sur 50 1GHz comme indiqu la figure 2. NE PAS DESSINER L ET C DANS UN PREMIER TEMPS.

    Figure 2 : Circuit dadaptation dimpdance L-C

    Reprenez le graphique reprsentant S11 (du rseau R-C) sur labaque de Smith et faite:

    Report2D / Smith Tools puis slectionner longlet matching (qui veut dire adaptation en anglais).

    Sur la diagramme de labaque de Smith : click droit : activer Data Marker mettre un marker 1GHz. Puis nouveau click droit : puis Exit Marker mode.

  • Faire New match et pointer sur le marker indiquant la position de S11 1GHz (noubliez pas de mettre la frquence dadaptation 1GHz en bas droite de la fentre Smith

    Tools )

    Slectionner linductance srie et faire bouger le point sur labaque (attention, il faut indiquer que la frquence dadaptation est 1GHz dans la fentre Smith Tool). Larrter au hasard

    Slectionner ensuite la capacit connecte en parallle la masse et faire bouger le point sur labaque. Larrter au hasard

    Lobjectif de ladaptation tant que le point issu de la transformation inductance-srie + capacit-parallle arrive au centre de labaque de Smith, optimiser la main les

    diffrentes valeurs de L et C (en faisant glisser les points sur labaque de Smith) afin de

    satisfaire lobjectif dadaptation. (On peut revenir dans display sur la fentre de Smith

    Tool et activer la grille admittance ; puis il faut ajuster L tel que le point transform la

    suite par lajout de linductance-srie soit sur le cercle Re(Y)=1. Ensuite on ajuste C

    pour arriver infine sur lorigine comme indiqu sur la figure 3.

    Figure 3 : Adaptation par labaque de Smith

    Une fois ladaptation trouve, noter les valeurs de L et de C, puis ajouter ces composants sur au circuit RC.

    Lancer la simulation et vrifier ladaptation 1GHz : relever S11 en dB 1GHz.

    Dterminer la bande passante de ladaptation permettant de garantir un coefficient de rflexion infrieur -15 dB et -3dB

    Calculer le coefficient de qualit du circuit : R

    LQ

    =

    2

    1 et en dduire la bande

    passante thorique de ladaptation (Prendre R=10 et L : valeur de linductance

    dadaptation). Comparer cette valeur celle simule prcdemment. (Rappel Q=fcentrale/f-3dB)

  • 2. Ralisation pratique

    Le condensateur sera choisi parmi les valeurs normalises suivantes : 1 / 1.5 / 2.2 / 3.3 / 4.7 / 6.8

    On dcide de raliser linductance par une inductance hlicodale air, comme prsente ci-dessous :

    Figure 4 : inductance air

    Chercher linductance dans : lumped/inductors/SOLIND puis fixer un diamtre denroulement de DD=5mm et une longueur totale dinductance de L=2cm. Le diamtre

    du fil est fix D=0.5mm (fil de 5/10ime

    de mm). Rque : mil = millime de pouce = 25.4

    m. Mettre toutes les units en mtre.

    Optimiser alors le nombre de tours N (nombre entier) afin de minimiser S11 1GHz : pour cela, remplacer la valeur de N par le nom de variable N1. Une fentre Local Variable

    apparait alors et choisissez de dfinir cette variable comme locale : local variable. Mettre

    1 comme valeur par dfaut. Faire afficher le graphe S11 en dB en fonction de la frquence

    et slectionner le circuit que vous tes en train danalyser (un seul click de souris). La liste

    des variables apparait et vous pouvez : changer une variable, faire la simulation (lancer

    Analyse) et constater le rsultat presque en temps rel.

    Lorsque N est ajust au mieux (ladaptation nest pas encore parfaite !!), procder de la mme manire pour optimiser la valeur de L (initialement 2cm) afin daffiner

    ladaptation.

  • TP 2 : Simulations de circuits en technologie microstrip

    Lancer Ansoft Designer et crer un nouveau projet intitul microstrip (faire file/New puis Save as) dans le rpertoire H:\TP_CAO_HYPER

    Insrer dans ce projet un dossier regroupant les circuits lectriques que vous allez simuler (Project/Insert Circuit Design). A la question choose layout technology

    rpondre None.

    Slectionner Data et par un click droit slectionner Add Substrate Defintion. Dfinissez un substrat FR4 classiquement utilis en lectronique et dont les

    paramtres rentrer sont entour sur la figure 1.

    Fihure 1 : Dfintion du substrat FR4.

    1- Dimensionnement de ligne microstrip Zc=Ligne 50

    Pour dfinir les dimensions dune ligne micro-strip 50, on utilise lutilitaire : Circuit/TRL/Microstrip/Single puis valider FR4 comme choix du substrat (cest celui

    que vous venez de dfinir).

  • Dfinissez comme impdance objectif 50 et E=90 (qui correspond une ligne quart d'onde) et fixer la frquence 1GHz puis faites Synthesis. Les valeurs de W et de P

    (longueur de la ligne quart donde pour laquelle =l=/2=90) apparaissent alors droite comme indiqu sur la figure 2. Noter les valeurs au dixime de mm prs. En

    cliquant sur Details, noter la valeur de la permittivit relative effective (avec 1 chiffre

    aprs la virgule), note Keff (que lon notera r,eff) par Ansoft Designer. Rappel : r,eff sert calculer la longueur donde :

    f

    c

    effr, =

    Calculer alors la longueur donde 1GHz sur une ligne 50 et vrifier la longueur

    donne par Ansoft Designer pour une ligne quart donde 50 (Valeur de P aprs

    Synthesis pour E=90).

    Erreur ! Des objets ne peuvent pas tre crs partir des codes de champs de mise en

    forme.

    Figure 2 : Choix des dimensions pour une ligne micro-strip Zc=50

    Simuler cette ligne quart donde de 0 5GHz (pas de 0.01 GHz) dont une extrmit est en court-circuit la masse et lautre est connect un port danalyse micro-onde.

    Visualiser S11 sur labaque de Smith : commentaires (valeurs 0, 1 et 2GHz, priodicit, ).

  • 2- Adaptation par stub

    Reprendre le problme de ladaptation (voir TP1) R=10 en srie avec C=10pF 1GHz trait lors du TP1. A laide de loutil Smith Tool (voir figure 4), dterminer les

    longueurs des lignes microstrip 50 permettant dadapter le rseau R-C sur 50 : mettre une ligne en cascade avec la charge puis un stub soit en circuit-ouvert soit en

    court-circuit en parallle (voir le schma lectrique en figure 5 : NE PAS DESSINER

    LE RESEAU DADAPTATION POUR CALCULER LES LONGUEURS DES

    LIGNES).

    Loutil Smith Tool vous donne les dphasages des lignes dadaptation 1GHz. Vous pouvez en dduire les longueurs des lignes :

    o par calcul ( l=

    2 avec

    f

    c

    effr, = )

    o laide de lutilitaire : Circuit/TRL/Microstrip/Single en mettant les dphasages dans le champ E et en faisant synthesis.

    Figure 4 : adaptation par stub par lAbaque de Smith

  • Dessiner ce rseau dadaptation comme indiquer la figure 5.

    Lancer la simulation et vrifier ladaptation 1GHz : noter la valeur de S11 en dB 1GHz

    Figure 5 : Schma lectrique de ladaptation par stub

    Dterminer la bande passante de ladaptation permettant de garantir un coefficient de rflexion infrieur -15 dB et -3dB et comp