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Conception d’un amplificateur RFsimple

Département Télécomunications2ème année option TST

Travaux Pratiques

Jean-Daniel ARNOULD

École Nationale Supérieure d’Électronique et de Radioélectricité de GrenobleCIME - Plateforme d’Hyperfréquence et d’Optique Guidée (HOG)

Tel : 04.56.52.94.24

Institut de Microélectronique d’Électromagnétisme et de PhotoniqueTel : 04.56.52.95.59

Minatec-INPG, 3 parvis Louis Néel, BP 257F-38016 GRENOBLE

http ://communication.minatec.inpg.fr/arnould/

Mai 2007

Table des matières

I Présentation de ADS 7I.1 Présentation générale d’ADS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

I.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8I.2 Projets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

I.2.1 Projets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9I.2.2 Créer un projet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10I.2.3 Ouvrir un projet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

I.3 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12I.3.1 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12I.3.2 Créer un Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12I.3.3 Ouvrir un Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

I.4 Simulation dans ADS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14I.4.1 Simulation d’un design . . . . . . . . . . . . . . . . 14I.4.2 Visualisation des résultats . . . . . . . . . . . . . . . 14I.4.3 Optimisation d’un design . . . . . . . . . . . . . . . 14

II Partie théorique 17II.1 Ligne de transmission microruban . . . . . . . . . . . . . . . 18

II.1.1 Ligne de transmission microruban . . . . . . . . . . 18II.2 Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

II.2.1 Gain d’un amplificateur . . . . . . . . . . . . . . . 20II.2.2 Adaptation d’un amplificateur . . . . . . . . . . . 20II.2.3 Critères de stabilité et d’adaptation . . . . . . . . 21II.2.4 Étude comparative de différents réseaux d’adap-

tation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

III Partie Pratique 25III.1 Simulation d’une ligne microruban . . . . . . . . . . . . . . . 26

III.1.1 Création du projet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4 Table des matières

III.1.2 Réponse fréquentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . 26III.1.3 Adaptation de la ligne – variation d’un paramètre 26

III.2 Simulation d’un amplificateur microonde . . . . . . . . . . . 28III.2.1 Simulation d’un amplificateur microonde . . . . . 28III.2.2 Étude du transistor sans réseau d’adaptation . . . 28III.2.3 Etude du transistor avec réseau d’adaptation à

lignes et stubs idéaux . . . . . . . . . . . . . . . . . 29III.2.4 Étude du transistor avec réseaux d’adaptation

à lignes et stubs réels . . . . . . . . . . . . . . . . . 30III.2.5 Étude du transistor avec réseaux d’adaptation

à cellules L-C idéales . . . . . . . . . . . . . . . . . 30III.2.6 Étude du transistor avec réseaux d’adaptation

à cellules L-C réelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5

Ce T.P. propose une prise en main rapide (4 heures) du logiciel Agilent-ADSet met en œuvre l’adaptation simultanée conjuguée d’un amplificateur microondesimple. L’étudiant pourra ainsi confronter ses solutions “idéales” calculées à l’aidede l’abaque de Smith avec les réponses “réelles” calculées à partir d’Agilent ADSaprès une optimisation numérique à partir de ces cas idéaux.

Ce texte de T.P. au format PDF naviguable a été écrit en LATEX avec la classePolyTEX développée à l’Université Technologique de Compiègne. Il est direcementconsultable en ligne, ainsi que tout autre document lié à l’enseignement ou à larecherche dans le domaine des Télécommunications RF à l’adresse :http ://communication.minatec.inpg.fr/arnould/.

Ce document comporte 3 chapitres ; le premier présente le logiciel ADS de ma-nière générale, le second traite de la partie théorique qui doit être impérative-ment préparée avant la séance de T.P., le troisième décrit la partie pratique àeffectuer pendant la séance.

Les notions de ce T.P. font référence au cours 1A de Mme Vilcot “Ondes Electro-magnétiques” et au cours 2A de Mme Cabon “Architectures de systèmes sans fils”.Les résultats sont directement à mettre en relation avec ceux du T.P. “Analysevectorielle de dispositifs passifs et d’un ampli RF simple” et donneront lieu à uncompte rendu à remettre à l’enseignant en fin de séance. Une attention particu-lière sera portée sur la comparaison des résultats de simulation numérique avecceux mesurés en pratique en ce qui concerne l’amplificateur RF dans ces 3 confi-gurations (non adapté, adapté avec une topologie discrète et avec une topologierépartie).

Chapitre I

Présentation de ADS

I.1 Présentation générale d’ADS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8I.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

I.2 Projets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9I.2.1 Projets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9I.2.2 Créer un projet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10I.2.3 Ouvrir un projet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

I.3 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12I.3.1 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12I.3.2 Créer un Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12I.3.3 Ouvrir un Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

I.4 Simulation dans ADS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14I.4.1 Simulation d’un design . . . . . . . . . . . . . . . . 14I.4.2 Visualisation des résultats . . . . . . . . . . . . . . . 14I.4.3 Optimisation d’un design . . . . . . . . . . . . . . . 14

8 Présentation de ADS

I.1 Présentation générale d’ADS

I.1.1 IntroductionCours :ProjetsDesign

Simulation d’un design

FIG. I.1.1 – Advanced Design System

Advanced Design System, développé par Agilent EEsof EDA, est un logicielde conception et modélisation de systèmes électroniques pour les microondes et lesradiofréquences. Les applications visées sont très vastes et comprennent en autrele domaine de la téléphonie mobile, les pagers, les réseaux sans fil, les systèmesde communications radar et satellite.

Le logiciel offre des possibilités de conception et de simulation pour les do-maines des radiofréquences et des microondes et se divise en 2 modules AnalogRF Designer et Digital Signal Processing Designer pouvant interagir entre eux :

• La conception de circuits intégrés monolithiques (MMICs) ou hybrides (avecdes Composants Montés en Surface).

• La conception de nouvelles architectures pour les futures normes de télé-communications sans fils.

I.2 Projets 9

I.2 Projets

I.2.1 ProjetsADS utilise des projets (extension _prj) pour organiser automatiquement les

données issues de la création, de la simulation ou de l’analyse d’un nouveau de-sign.

Un projet inclue le circuit, le layout, la simulation et les résultats d’un designcréé à partir de la fenêtre principale (main) qui apparaît lors de l’ouverture deADS (figure I.2.2).

FIG. I.2.2 – Fenêtre principale

Un projet se compose des répertoires suivants :• Data : contient les données de simulation ou dataset (nom.ds)• Mom_dsn : contient les design et données de simulation issus de momentum• Networks : contient les fichiers de design ou pages schematic (nom.dsn) et

les fichiers de layout des circuits (nom_layout.dsn)• Synthesis : contient les données de synthèse DSP• Verification : contient les données issues du DRC

Les résultats (graphe, abaque de Smith, etc . . .) se visualisent dans une fenêtre"data display" et sont sauvegardés dans un fichier nom.dds au niveau de la racinedu projet (invisible à partir de la fenêtre principale).

10 Présentation de ADS

I.2.2 Créer un projetL’opération de création d’un nouveau projet est représentée par la figure I.2.3.

Elle s’effectue à partir de la fenêtre principale.

FIG. I.2.3 – Création d’un nouveau projet

I.2.3 Ouvrir un projet

Pour ouvrir un projet, on peut utiliser les deux procédures suivantes :

• Choisir le menu File/Open Project puis utiliser la boîte de dialogue pourlocaliser le projet à ouvrir

• Utiliser l’explorateur de la fenêtre principale pour localiser le projet etdouble cliquer pour l’ouvrir (figure I.2.4)

Attention : seulement un projet peut être ouvert à la fois. Il est donc recom-mandé de sauvegarder les données du projet courant avant d’en ouvrir un autre.

I.2 Projets 11

FIG. I.2.4 – Ouvrir un projet existant

12 Présentation de ADS

I.3 Design

I.3.1 Design

Cours :IntroductionProjetsSimulation d’un design

ADS utilise des fichiers design (nom.dsn) pour enregistrer les circuits de si-mulation et les layout. Un fichier de design est une page schematic à partir delaquelle il est possible de :

• Créer et modifier des circuits et layout

• Ajouter des équations et des variables

• Placer et modifier des composants et leurs contrôles

• Ajouter des commentaires sous forme de texte

• Générer un layout à partir du schematic (et réciproquement)

I.3.2 Créer un Design

FIG. I.3.5 – Fenêtre design - schematic

L’ouverture d’un nouveau projet implique automatiquement l’ouverture d’unenouvelle page schematic qui sera sauvegardée dans le répertoire networks.

Pour créer un nouveau design (cf. figure I.3.5), il est possible d’utiliser les deuxprocédures suivantes :

• Menu Window/New Schematic dans la fenêtre principale

I.3 Design 13

• Menu File/New Design dans la fenêtre principale et donner le nom de fi-chier à créer

Il est ensuite possible d’insérer les éléments (composants, données, sources,boîte de simulation et de contrôle, . . .) disponibles dans les bibliothèques du logi-ciel.

La figure I.3.6 représente l’insertion dans la fenêtre schematic d’un modulecomplet de simulation des paramètres S en deux ports(menu Insert\Template\S_params). Le logiciel insère directement toutes les boîtesnécessaires pour mener à bien la simulation à savoir deux ports Term par défautd’impédance 50 Ω, une boite de commande des paramètres S et d’un module d’af-fichage des quatre paramètres (Template).

FIG. I.3.6 – Insertion d’un bloc de simulation des paramètres S

Il est également possible d’insérer séparément chacun des éléments de la figureI.3.6 en allant les chercher dans la bibliothèque Simulation-S_param.

I.3.3 Ouvrir un DesignUn design existant peut s’ouvrir :– A partir de la fenêtre principale dans le menu File/Open Design– En utilisant l’explorateur pour localiser, sélectionner et double cliquer sur le

design pour l’ouvrir– A partir de la fenêtre schematic dans le menu File/Open Design

14 Présentation de ADS

I.4 Simulation dans ADS

I.4.1 Simulation d’un design

Cours :IntroductionProjetsDesign

ADS fournit tous les éléments de contrôle pouvant être ajoutés et configurésdans la fenêtre schematic pour simuler les caractéristiques du design.

La figure I.3.6 montre un élément S-PARAMETERS qui permet de simulerles paramètres S d’un circuit. Cet élément est soit automatiquement inséré dansle schematic si un module prédéfinit est utilisé soit disponible dans la bibliothèque"Simulation-S_Param".

La simulation se lance en cliquant sur l’icône appropriée ou en allant dans lemenu Simulate.

FIG. I.4.7 – Simulation sous ADS

I.4.2 Visualisation des résultatsA la fin de la simulation, le logiciel ouvre une page de présentation (data dis-

play) dans laquelle les courbes (graphique linéaire/log, abaque de Smith, etc . . .)peuvent être tracées (cf. figure I.4.8). Il est également possible de positionner unmarker sur les courbes (Insert Marker) afin de visualiser les coordonnées d’unpoint précis.

I.4.3 Optimisation d’un designL’optimisation d’un design est une procédure permettant de modifier la valeur

de variables pour qu’elles satisfassent un objectif défini auparavant.L’optimisation dans ADS permet de comparer les résultats simulés à l’objectif

et modifie les valeurs des variables pour qu’elles se rapprochent le plus possiblede l’objectif à atteindre.

I.4 Simulation dans ADS 15

FIG. I.4.8 – Aperçu d’une page de présentation

Pour effectuer une optimisation, il est nécessaire d’insérer les éléments sui-vants dans la page schematic (cf. figure I.4.9) :

• au moins un paramètre identifié dans le circuit comme étant une variablenommée "Var eqn" (bibliothèque "Data Items") à optimiser (option “opt”)dans un intervalle de valeurs.

• une boîte d’objectif nommée "Goal" (bibliothèque "Optim-Stat-Yield-DOE").

• une boîte d’optimisation nommée "Optim" (bibliothèque "Optim-Stat-Yield-DOE").

Il existe différentes méthodes mathématiques d’optimisation d’un design : Ran-dom, Gradient, Quasi-Newton, une combinaison de méthode Gauss-Newton etQuasi-Newton, algorithme direct et génétique...

D’une manière générale, la méthode Random est utilisée dans un premiertemps puis complétée par la méthode Gradient pour affiner l’optimisation.

Nota Bene :

La réussite de l’optimisation dépend essentiellement de l’aptitude de l’utilisa-teur à exprimer correctement un objectif à atteindre (goal) suivant une méthodenumérique appropriée (optim) et dans un intervalle réaliste de paramètres à ajus-ter (opt val min to val max).

Autrement dit même le plus puissant des algorithmes ne pourra pas donnerune réponse adéquate à un paramètre à optimiser entre −∞ et +∞. Il ne faut ja-mais oublier que toute simulation numérique à un objectif de conception pratique

16 Présentation de ADS

FIG. I.4.9 – Outils pour optimiser un design

dans une technologie donnée. Le concepteur doit donc avoir réfléchi préalable-ment au problème pour aider l’algorithme choisi à converger vers une solutionréalisable (éviter typiquement des lignes microruban de 1km de long répondantau problème mathématique !) [3, 4].

Chapitre II

Partie théorique

II.1 Ligne de transmission microruban . . . . . . . . . . . . . . . 18II.1.1 Ligne de transmission microruban . . . . . . . . . . 18

II.2 Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20II.2.1 Gain d’un amplificateur . . . . . . . . . . . . . . . . 20II.2.2 Adaptation d’un amplificateur . . . . . . . . . . . 20II.2.3 Critères de stabilité et d’adaptation . . . . . . . . 21II.2.4 Étude comparative de différents réseaux d’adap-

tation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Cette partie est à préparer impérativement avant la séance de TP et àrendre avec la partie pratique à la fin des 4 heures !

18 Partie théorique

II.1 Ligne de transmission microruban

II.1.1 Ligne de transmission microruban

Cours :Transistor

c

Zout ,ΓoutZin ,ΓinL

Z00Z Z à déterminer

FIG. II.1.1 – Schéma (vue de dessus) d’une ligne de transmission en technologiemicroruban

On considère le montage de la figure II.1.1 qui représente une ligne de trans-mission en technologie microruban d’impédance caractéristique Zc et placée entre2 ports de mesure à Z0 = 50Ω. L’impédance et le coefficient de réflexion ramenésen entrée s’écrivent respectivement :

Zin = ZcZout + Zc tan β`

Zc + Zout tan β`|Γin|2 =

Pr

Pi

=

∣∣∣∣Zin − Z0

Zin + Z0

∣∣∣∣2 (II.1.1)

fréquence f Impédance en entrée Zin

Cas général Zout=Z0

Coefficient de réflexion Γin

Cas général Zout=Z0

f = 0

f telle que :L = (2n + 1)λg/4

f telle que :L = nλg/2

TAB. II.1 – Impédance et coefficient de réflexion ramenés en entrée en fonction defréquences particulières

II.1 Ligne de transmission microruban 19

• Pour les fréquences particulières suivantes, donner l’expression de Zin etde Γin (λ est la longueur d’onde guidée). On donnera Zin et Γin dans le casgénéral, puis pour Zout = Z0 (tableau II.1 à compléter).

On se place dans le cas où Zout = Z0.

• Donner l’allure du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence.• A quelle fréquence peut-on mesurer facilement l’impédance caractéristique

Zc de la ligne ? Donner alors la formule permettant de la déterminer.• A quelle(s) fréquence(s) peut-on mesurer facilement la longueur d’onde gui-

dée λg dans la ligne ?

Donner alors l’expression donnant la permittivité relative effective εreff de la ligneen fonction de la fréquence f mesurée, de la longueur de la ligne L, etc...

20 Partie théorique

II.2 Transistor

II.2.1 Gain d’un amplificateurCours :ligne microruban

Les amplificateurs microondes sont généralement définis par leur gain en puis-sance, très souvent exprimé en dB. Le gain en puissance d’un étage amplificateurà un transistor dépend de plusieurs facteurs :

• le gain intrinsèque du transistor• l’adaptation en entrée• l’adaptation en sortie

En effet, il ne suffit pas que le transistor ait un grand gain intrinsèque, il fautégalement que la puissance puisse y "entrer" et en "sortir".

On définit le gain transductique d’un étage GT , par le rapport entre la puis-sance fournie à la charge et la puissance susceptible d’être fournie par le généra-teur (voir cours "Dispositifs Actifs hyperfréquences") [1, 2].

GT =|S21|2

(1− |Γg|2

) (1− |Γ`|2

)|(1− S11Γg) (1− S22Γ`)− S12S21Γ`Γg|2

(II.2.1)

Dans cette expression interviennent les quatre paramètres S du transistor ainsique les coefficients de réflexion sur la charge Γ` et le générateur Γg.

Z

Zg ,Γg Zl ,Γl

AmplificateurZ00

FIG. II.2.2 – Amplificateur non adapté

REMARQUE : Tous les coefficients de réflexion (Sij, Γi) sont référencés parrapport à l’impédance caractéristique Z0 des accès.

II.2.2 Adaptation d’un amplificateurLe concepteur d’un amplificateur microondes doit résoudre le problème sui-

vant :

II.2 Transistor 21

Zin Zout,Γ ,Γin out

Z00Zentrée

Réseau d’ Réseau desortieAmplificateur

Z’ Z Z Z’g l lg,Γ ,Γ ,Γ ,Γg g l l’

FIG. II.2.3 – Amplificateur avec ses réseaux d’adaptation en entrée/sortie

Compte tenu des caractéristiques de l’amplificateur il faut optimiser le trans-fert d’énergie de la source vers la zone active de l’amplificateur et de la zone activevers la charge. Ceci nécessite en général d’insérer des réseaux d’adaptation (nondissipatifs) en entrée et en sortie de l’amplificateur. Ces réseaux sont souventconstitués de tronçons de lignes en série ou en parallèle (stubs) ou de cellules L-Cmontées en L. Ils fonctionnent donc généralement sur une bande de fréquence li-mitée. Il est possible qu’un réseau, calculé pour une fréquence f1, améliore le gainGT à cette fréquence, mais le dégrade à une autre fréquence f2.

L’adaptation conjuguée simultanée consiste à transformer les coefficients deréflexion Γ′

g et Γ′l respectivement en Γg = Γ∗

in et Γ` = Γ∗out ramenés dans les plans

de l’amplificateur.

Nota Bene :Raisonner sur les impédances d’entrées/sorties (Zg = Z∗

in,Z` = Z∗out) revient

exactement au même que raisonner sur les coefficients de réflexion (Γg = Γ∗in,Γ` =

Γ∗out) car la transformation les liant est conforme (représentation unique sur l’abaque

de Smith).

II.2.3 Critères de stabilité et d’adaptation

Comme tout système physique présentant du gain, un amplificateur peut êtreà l’origine d’une instabilité. La stabilité d’un système peut être définie d’une ma-nière générale comme sa tendance à s’opposer aux perturbations extérieures [1,2].

Pour un dispositif microonde, ceci peut s’étudier en observant le rapport desondes réfléchies et incidentes en entrée ou en sortie (on définit alors une instabilitéen entrée ou en sortie).

Si le module de bi/ai est supérieur à un, le dispositif est susceptible d’être in-stable (ceci correspond à une impédance d’entrée à partie réelle négative), parceque générateur potentiel d’oscillations.

Compte tenu de la désadaptation de l’amplificateur en sortie (Γ` 6= 0) le rapport

22 Partie théorique

b1/a1 s’écrit :b1

a1

= Γin = S11 +S21S12Γ`

1− S22Γ`

(II.2.2)

L’instabilité en sortie s’étudie de la même façon à partir du rapport b2/a2 quis’écrit :

b2

a2

= Γout = S22 +S21S12Γg

1− S11Γg

(II.2.3)

Les critères d’adaptation et de stabilité n’étant pas forcément compatibles, plu-sieurs cas sont à distinguer :

• L’amplificateur est conditionnellement stable et inadaptable. Ce cas est le plusdéfavorable car il est impossible d’adapter l’amplificateur et de plus sa sta-bilité n’est pas assurée pour toutes les conditions de charge ou d’excitation.Cette situation est à rejeter pour la conception d’un amplificateur.

• L’amplificateur est conditionnellement stable et adaptable. On est dans le casprécédent mais il est toutefois possible d’adapter l’amplificateur. Cette si-tuation est acceptable mais dangereuse.

• L’amplificateur est inconditionnellement stable et adaptable. Cette situationest idéale.

On définit un critère permettant d’accéder à la stabilité et à l’adaptabilitéd’un quadripole sous test représenté par sa matrice [S]. Il s’agit du facteurde Rolett K :

K =1 + |∆|2 − |S11|2 − |S22|2

2|S21||S12|(II.2.4)

∆ est le déterminant de la matrice S : ∆ = S11S22 − S21S12.La possibilité d’une adaptation simultanée entrée-sortie va se faire selon les

valeurs de K, qui est une caractéristique du quadripôle, qui est un invariant lorsde la mise en cascade du transistor avec des quadripôles purement réactifs.

Si K>1 :On peut adapter simultanément l’entrée et la sortie• Si |∆| < 1 : l’amplificateur est inconditionnellement stable, quelles que

soient les valeurs des impédances de source Zg et de charge Z`, car les coef-ficients de réflexion ramenés à l’entrée et à la sortie ont un module inférieurà 1.Le gain en puissance maximum GTmax, s’exprime en fonction de K et du dé-faut de réciprocité par :

GTmax =|S21||S12|

|K −√

K2 − 1| (II.2.5)

• Si |∆| > 1 : la stabilité est conditionnelle, mais l’amplificateur est toujoursadaptable simultanément.

Si K<-1 :Le transistor n’est pas adaptable simultanément en entrée/sortie, il est de plus

naturellement instable donc inutilisable en tant qu’amplificateur.Si lKl<1 :L’adaptation est impossible ; l’amplificateur est conditionnellement stable.

II.2 Transistor 23

II.2.4 Étude comparative de différents réseaux d’adaptation

On souhaite adapter simultanément en entrée et en sortie un amplificateurmicroonde.

Pour cela nous allons comparer l’adaptation à l’aide de lignes et de stubs idéaux,de lignes et de stubs réels (avec pertes), de cellules L-C idéales montées en L et decellules L-C réelles (composants discrets CMS)

a) Adaptation à l’aide de lignes et de stubs idéaux :

CO

Zin Zout,Γ ,Γin out

Z00ZAmplificateur

Z’ Z Z Z’g l lg,Γ ,Γ ,Γ ,Γg g l l’ ’

dout

din

Lin Lout

CO

FIG. II.2.4 – Adaptation à lignes et stubs du transistor

• Calculer les rapports Lin/λg, din/λg, Lout/λg et dout/λg (avec λg la longueurd’onde guidée dans le milieu) de façon à obtenir Zin=Zg*=(10, 203− 5, 019) etZout=Z`*=(9, 439− 55, 473) à la fréquence de 1,5 GHz en utilisant le premierabaque de Smith fourni en annexe (et à rendre avec la préparation théo-rique !). On choisira la solution qui donne la longueur du stub en circuitouvert la plus petite.

b) Adaptation à l’aide de cellules L-C montées en L :

Zin Zout,Γ ,Γin out

Z00ZAmplificateur

Z’ Z Z Z’g l lg,Γ ,Γ ,Γ ,Γg g l l’

FIG. II.2.5 – Adaptation à cellules LC du transistor

24 Partie théorique

• Calculer les valeurs des selfs parallèles et des capacités séries à la fré-quence de 1,5 GHz de façon à obtenir l’adaptation simultanée conjuguée enentrée/sortie de l’amplificateur en utilisant le deuxième abaque de Smithfourni en annexe (et à rendre avec la préparation théorique !).

Chapitre IIIPartie Pratique

III.1 Simulation d’une ligne microruban . . . . . . . . . . . . . . . 26III.1.1 Création du projet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26III.1.2 Réponse fréquentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . 26III.1.3 Adaptation de la ligne – variation d’un paramètre 26

III.2 Simulation d’un amplificateur microonde . . . . . . . . . . . 28III.2.1 Simulation d’un amplificateur microonde . . . . . 28III.2.2 Étude du transistor sans réseau d’adaptation . . . 28III.2.3 Etude du transistor avec réseau d’adaptation à

lignes et stubs idéaux . . . . . . . . . . . . . . . . . 29III.2.4 Étude du transistor avec réseaux d’adaptation

à lignes et stubs réels . . . . . . . . . . . . . . . . . 30III.2.5 Étude du transistor avec réseaux d’adaptation

à cellules L-C idéales . . . . . . . . . . . . . . . . . 30III.2.6 Étude du transistor avec réseaux d’adaptation

à cellules L-C réelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Vous prendrez soin dans cette partie d’imprimer les résultats qui voussemblent pertinents !

Une courbe bien commentée vaut mieux qu’un long discours théorique !

26 Partie Pratique

III.1 Simulation d’une ligne microrubanAfin de prendre en main les différentes fonctions de base du logiciel, nous al-

lons nous intéresser aux caractéristiques fréquentielles d’une ligne microruban.

III.1.1 Création du projetCours :simu ampli

• Cliquer sur l’icône ADS pour ouvrir le logiciel.• Créer un nouveau projet "votrenom_PRJ" que vous placerez dans le réper-

toire TST2A_votrenom que vous aurez créé préalablement avec le naviga-teur Windows dans C :\TEMP\.

La création d’un nouveau projet doit ouvrir directement une page "Schematic", sice n’est pas le cas, en ouvrir une à partir de la fenêtre principale du logiciel commedéfini en section Cours :

Design

• Prenez soin d’enregistrer de temps en temps vos design.

III.1.2 Réponse fréquentielle• En utilisant un utilitaire de ADS, LineCalc (disponible dans le menu "tools"),

définir la largeur W de la ligne microruban sur substrat de verre téflon pourque la ligne ait une impédance de 100Ω. Relever également la valeur de lapermittivité effective εreff (calculée).

• Insérer, de manière identique à la figure III.1.1, les éléments nécessairesà la simulation des paramètres S d’une ligne microruban sur substrat deverre téflon. La sortie de ligne est fermée par une charge 50Ω.

• Visualiser le coefficient de réflexion en module (dB) et sur l’abaque de Smith.Commenter dans chaque cas la courbe obtenue.

• A partir des graphes, déterminer l’impédance caractéristique et la permit-tivité effective εreff (simulée) de la ligne. Expliquer rapidement la démarchevue dans la préparation théorique.

On pourra utiliser des curseurs (marker) pour relever la valeur d’un paramètre.

III.1.3 Adaptation de la ligne – variation d’un paramètreLe logiciel permet de faire varier en temps réel n’importe quel paramètre des

composants constituant le circuit. Il suffit pour cela d’utiliser la fonction Tuningdu menu Simulate.

III.1 Simulation d’une ligne microruban 27

FIG. III.1.1 – Outils de simulation des paramètres S d’une ligne microruban

• Configurer la simulation afin de déterminer la largeur W réalisant l’adap-tation de la ligne à 50Ω. Expliquer votre démarche, donner la valeur de Wet vérifier avec Tools/LineCalc/Send Selected Component to LineCalc.

28 Partie Pratique

III.2 Simulation d’un amplificateur microonde

III.2.1 Simulation d’un amplificateur microonde

Cours :simu micro

Un amplificateur microonde, dans sa version la plus simple, comprend un tran-sistor et deux réseaux d’adaptation, l’un en entrée et l’autre en sortie.

Nous allons étudier deux des étapes principales de la conception d’un amplifi-cateur microondes sans se soucier d’obtenir la stabilité à toutes les fréquences :

1. Étude du transistor sans réseau d’adaptation

Il s’agit de visualiser les paramètres S du transistor mesurés sur l’analyseurvectoriel de réseaux dans ses plans d’entrée et de déterminer ses perfor-mances à 1,5 GHz.

2. Étude du transistor avec réseaux d’adaptation en entrée et en sortie

Le réseau d’adaptation doit adapter l’impédance d’entrée et de sortie dutransistor à l’impédance de référence de la mesure (50Ω). Chaque réseausera optimisé à part à partir de l’étude théorique puis inséré en entrée et ensortie transistor.

III.2.2 Étude du transistor sans réseau d’adaptation• Créer un nouveau design (transistor.dsn) en reprenant les étapes de la sec-

tion Cours :Design

.

Création du designLes paramètres S du transistor ont été mesurés et les données sont sauvegar-

dées dans un dataset nommé BFR93A_10mA_7_7V_3GHz_stab.ds qui se trouvedans le répertoire \\lhogpc2\lhog\tst2a\BFR93A.

• Dans la page schematic, il est possible d’insérer des données provenant d’undataset de mesure.

Pour cela utiliser un composant "2 ports S Parameter File" (S2P) qui se trouvedans la bibliothèque "Data Items" et lui donner ensuite le nom du dataset auquelil se réfère.

Performances du transistor à 1,5 GHz

• Insérer les éléments de contrôle nécessaires à la simulation des paramètresS du transistor entre 300 kHz et 3 GHz. Les données de simulation sontsauvegardées dans le dataset "transistor".

III.2 Simulation d’un amplificateur microonde 29

• Insérer une boîte permettant le calcul direct du facteur de Rollet ("StabFct"dans la bibliothèque Simulation-S_Param)

• Dans la page présentation, visualiser les quatre paramètres S en utilisantle format de présentation graphique adéquat.

Commenter les résultats obtenus et relever les valeurs des paramètres à 1, 5 GHz.

• Visualiser simultanément le facteur de Rolett et le déterminant de la ma-trice S (pour cela une équation sera créée).

Conclure sur l’adaptation et la stabilité du transistor.

• Visualiser les cercles de gain en entrée “gacircle” et en sortie “gpcircle” (de-mander à l’enseignant). A t’on Γg = S∗

11 et Γ` = S∗22 ? Pourquoi ?

• Vérifier les valeurs de Z∗in et Z∗

out obtenues avec celles données dans la pré-paration théorique.

III.2.3 Etude du transistor avec réseau d’adaptation à lignes etstubs idéaux

Création du réseau d’adaptation d’entrée• Créer un nouveau design pour effectuer l’optimisation du réseau d’adapta-

tion en entrée constitué des éléments idéaux suivants (à chercher dans labibliothèque Tlines-Ideal) :– une ligne de transmission microruban ("TLIN")– un stub ouvert mis en parallèle ("TLOC", attention le port2=ref doit être

connecté à la masse)• Expliquer le principe d’adaptation brièvement.

Optimisation du réseau d’adaptation d’entrée• Quel objectif doit-on formuler pour optimiser le réseau d’adaptation ?• Effectuer l’optimisation du réseau d’adaptation.

Vérifier le résultat de l’optimisation sur l’abaque de Smith et confronter les lon-gueurs de lignes trouvées par la simulation avec celles calculées à l’aide de l’abaquede Smith dans la préparation théorique.

• Donner la géométrie du réseau d’adaptation trouvé.

Création du réseau d’adaptation de sortie• Reprendre les questions des paragraphes précédents pour le réseau d’adap-

tation de sortie.

Étude du transistor adapté• Ajouter les réseaux d’adaptation en entrée et sortie du transistor et sau-

vegarder le design, le dataset et le fichier de présentation sous un autrenom.

• Visualiser les paramètres S entre 300 kHz et 3 GHz et commenter les résul-tats. Conclure.

30 Partie Pratique

III.2.4 Étude du transistor avec réseaux d’adaptation à lignes etstubs réels

• Suivre une démarche identique à la précédente en remplaçant les élémentsidéaux TLIN et TLOC par des lignes microruban d’impédance caractéris-tique 50 ohms sur le même substrat Verre-Téflon étudié en première partie.

• Comparer le cas réel avec le cas idéal. Conclusion

III.2.5 Étude du transistor avec réseaux d’adaptation à cellulesL-C idéales

• Suivre une démarche identique à la précédente en remplaçant les élémentsmicrorubans par les cellules L-C en entrée/sortie de l’amplificateur calcu-lées dans la partie théorique.

• Comparer les résultats précédents. Conclusion

III.2.6 Étude du transistor avec réseaux d’adaptation à cellulesL-C réelles

• Suivre une démarche identique à la précédente en remplaçant les cellulesL-C en entrée/sortie de l’amplificateur par des composants CMS d’une li-brairie constructeur.

• Comparer les résultats précédents. Conclusion

Bibliographie

[1] R. Badoual. Les micro-ondes, volume I et II. 1983.[2] P.-F. Combes. Micro-ondes, volume I et II. 1996.[3] F. Gardiol. Hyperfréquences. 1987.[4] F. Gardiol. Microstrip Circuits. 1994.

Index des concepts

Le gras indique un grain où le conceptest défini ; l’italique indique un renvoi à unexercice ou un exemple, le gras italique àun document, et le romain à un grain où leconcept est mentionné.

AAdaptation d’une ligne. . . . . . . . . . . . . . .26Adaptation simultanée conjuguée . . . 20

CCréer un Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12Créer un projet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

DDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . 8, 12, 14, 26, 28

FFacteur de Rollett . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

IIntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8, 12, 14

LLigne de transmission microruban . . 18

OOptimisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

Ouvrir un Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Ouvrir un projet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

PProjets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8, 9, 12, 14

RRéseau d’adaptation à lignes et stubs idéaux

29Réseau d’adaptation à lignes et stubs réelles

30Réponse fréquentielle . . . . . . . . . . . . . . . .26Réseaux d’adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . 23Réseaux d’adaptation avec cellules LC

idéales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30Réseaux d’adaptation avec cellules LC

réelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

SSimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Simulation d’un amplificateur microonde

28Simulation d’un design . . . . . . . . 8, 12, 14Simulation d’une ligne microruban . . 26

TTransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18, 20Transistor non adapté . . . . . . . . . . . . . . . 28

20-20

30-30

40-40

50

-50

60

-60

70

-70

80

-80

90-90

100-100

110-110

120-120

130-130

140

-140

150

-150

160

-160

170

-170

180

±

90-9

085

-85

80-8

0

75-7

5

70-7

0

65-6

5

60-6

0

55-5

5

50-5

0

45

-45

40-40

35-35

30-30

25-25

20-20

15-15

10-10

0.10.1

0.1

0.20.2

0.2

0.30.3

0.3

0.40.4

0.4

0.50.5

0.5

0.6

0.6

0.6

0.7

0.7

0.7

0.8

0.8

0.8

0.9

0.9

0.9

1.0

1.0

1.0

1.2

1.2

1.2

1.4

1.4

1.4

1.6

1.6

1.6

1.8

1.8

1.8

2.02.0

2.0

3.03.0

3.0

4.04.0

4.0

5.05.0

5.0

1010

10

2020

20

5050

50

0.20.2

0.20.2

0.40.4

0.40.4

0.60.6

0.60.6

0.80.8

0.80.8

1.01.0

1.01.0

0.04

0.04

0.05

0.05

0.06

0.06

0.07

0.070.08

0.080.09

0.090.1

0.1

0.11

0.11

0.12

0.12

0.13

0.13

0.14

0.14

0.15

0.15

0.16

0.16

0.17

0.17

0.18

0.18

0.190.19

0.20.2

0.210.21

0.22

0.220.23

0.230.24

0.24

0.25

0.25

0.26

0.26

0.27

0.27

0.28

0.28

0.29

0.29

0.3

0.3

0.31

0.31

0.320.32

0.330.33

0.340.34

0.350.35

0.360.36

0.370.37

0.380.38

0.390.39

0.40.4

0.410.41

0.420.42

0.430.43

0.44

0.44

0.45

0.45

0.46

0.46

0.47

0.47

0.48

0.48

0.49

0.49

0.0

0.0

AN

GLE O

F TRA

NSM

ISSION

CO

EFFICIEN

T IN D

EGR

EES

AN

GLE O

F REFLEC

TION

CO

EFFICIEN

T IN D

EGR

EES

—>

WA

VEL

ENG

THS

TOW

AR

D G

ENER

ATO

R —

><—

WA

VEL

ENG

THS

TOW

AR

D L

OA

D <

IND

UC

TIV

E RE

AC

TAN

CE C

OM

PON

ENT (+

jX/Zo), O

R CAPACITIVE SUSCEPTANCE (+jB/Yo)

CAPACITIVE REACTANCE COMPONENT (-jX

/Zo), O

R IND

UCTI

VE SU

SCEP

TAN

CE

(-jB

/Yo)

RESISTANCE COMPONENT (R/Zo), OR CONDUCTANCE COMPONENT (G/Yo)

RADIALLY SCALED PARAMETERS

TOWARD LOAD —> <— TOWARD GENERATOR1.11.21.41.61.822.5345102040100

SWR 1∞

12345681015203040dBS

1∞

1234571015 ATTEN. [dB]

1.1 1.2 1.3 1.4 1.6 1.8 2 3 4 5 10 20 S.W. L

OSS C

OEFF

1 ∞0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 20 30

RTN. LOSS [dB] ∞

0.010.050.10.20.30.40.50.60.70.80.91

RFL. COEFF, P0

0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.5 2 3 4 5 6 10 15 RFL. LOSS

[dB]

∞0

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.5 3 4 5 10 S.W. P

EAK (CONST

. P)

0 ∞0.10.20.30.40.50.60.70.80.91

RFL. COEFF, E or I 0 0.99 0.95 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 TRANSM. C

OEFF, P

1

CENTER1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 TRANSM

. COEFF, E

or I

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

ORIGIN

Black Magic Design

The Complete Smith Chart

RADIALLY SCALED PARAMETERS

TOWARD LOAD —> <— TOWARD GENERATOR1.11.21.41.61.822.5345102040100

SWR 1∞

12345681015203040dBS

1∞

1234571015 ATTEN. [dB]

1.1 1.2 1.3 1.4 1.6 1.8 2 3 4 5 10 20 S.W. L

OSS C

OEFF

1 ∞0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 20 30

RTN. LOSS [dB] ∞

0.010.050.10.20.30.40.50.60.70.80.91

RFL. COEFF, P0

0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.5 2 3 4 5 6 10 15 RFL. LOSS

[dB]

∞0

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.5 3 4 5 10 S.W. P

EAK (CONST

. P)

0 ∞0.10.20.30.40.50.60.70.80.91

RFL. COEFF, E or I 0 0.99 0.95 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 TRANSM. C

OEFF, P

1

CENTER1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 TRANSM

. COEFF, E

or I

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

ORIGIN

0.1

0.1

0.2

0.2

0.2

0.3

0.3

0.4

0.4

0.4

0.50.5

0.5

0.60.6

0.6

0.70.7

0.7

0.80.8

0.80.9

0.9

0.9

1.01.0

1.0

1.21.2

1.2

1.41.4

1.4

1.61.6

1.6

1.81.8

1.8

2.02.0

2.0

3.0

3.0

3.0

4.0

4.0

4.0

5.0

5.0

5.0

10

10

10

20

20

20

50

50

50

0.2

0.2

0.2

0.2

0.4

0.4

0.4

0.4

0.6

0.6

0.6

0.6

0.8

0.8

0.8

0.8

1.0

1.0

1.01.0

0.1

0.1

0.1

0.2

0.2

0.2

0.3

0.3

0.3

0.4

0.4

0.4

0.50.5

0.5

0.6

0.6

0.6

0.7

0.7

0.7

0.8

0.8

0.8

0.9

0.9

0.9

1.0

1.0

1.0

1.2

1.2

1.2

1.4

1.4

1.4

1.6

1.6

1.6

1.8

1.8

1.8

2.02.0

2.0

3.0

3.0

3.0

4.0

4.0

4.0

5.0

5.0

5.0

10

10

20

20

20

50

50

50

0.2

0.2

0.2

0.2

0.4

0.4

0.4

0.4

0.6

0.6

0.6

0.6

0.8

0.8

0.8

0.8

1.0

1.0

1.01.0

20-20

30-30

40-40

50

-50

60

-60

70

-70

80

-80

90

-90

100

-100

110

-110

120

-120

130

-130

140

-140

150

-150

160

-160

170

-170

180

±

90-9

085

-85

80-8

0

75-7

5

70-7

0

65-6

5

60-6

0

55-5

5

50-5

0

45

-45

40

-40

35

-35

30

-30

25

-25

20

-20

15

-15

10

-10

0.04

0.04

0.05

0.05

0.06

0.06

0.07

0.07

0.08

0.08

0.09

0.09

0.1

0.1

0.11

0.11

0.12

0.12

0.13

0.13

0.14

0.14

0.15

0.15

0.16

0.16

0.17

0.17

0.18

0.18

0.190.19

0.20.2

0.21

0.210.22

0.220.23

0.230.24

0.24

0.25

0.25

0.26

0.26

0.27

0.27

0.28

0.28

0.29

0.29

0.3

0.3

0.31

0.31

0.32

0.32

0.33

0.33

0.34

0.34

0.35

0.35

0.36

0.36

0.37

0.37

0.38

0.38

0.39

0.39

0.4

0.4

0.41

0.41

0.42

0.42

0.43

0.43

0.44

0.44

0.45

0.45

0.46

0.46

0.47

0.47

0.48

0.48

0.49

0.49

00

AN

GLE

OF

TRA

NSM

ISSO

N C

OE

FFICIEN

T IN D

EGR

EES

AN

GLE

OF R

EFLE

CT

ION

CO

EFF

CIE

NT

IN D

EGR

EES

—>

WA

VEL

ENG

THS

TOW

AR

D G

ENER

ATO

R—

><—

WA

VEL

ENG

THS

TOW

AR

DLO

AD

<—

IND

UC

TIV

E R

EAC

TAN

CE

COM

PON

ENT (+

jX/Zo), O

RCAPACITIVE SUSCEPTANCE (+jB/Yo)

EACTANCE COMPONENT (-jX

/Zo),O

RIN

DU

CTIV

E S

USC

EPTA

NC

E(-

jBY

o)

RESISTANCE COMPONENT (R/Zo), OR CONDUCTANCE COMPONENT (G/Yo)

SMITH CHART FORM ZY-01-N

NAME TITLE

Microwave Circuit Design - EE523 - Fall 2000

DWG. NO.

DATE

NORMALIZED IMPEDANCE AND ADMITTANCE COORDINATES

RVE I TI CAPAC