RF SIM 99
Simulation, calcul et conception  de filtres

Le calcul de filtres a toujours été laborieux.

Je m'étais essayé à la méthode manuelle décrite dans le HandBook, c'était mieux que rien mais même avec l'aide d'un tableur, le travail était long et pénible et surtout je n'avais aucune possibilité de simulation. Puis un beau jour, RF SIM 99 est arrivé sur mon disque dur...  Je précise tout de suite pour les pingres que RF SIM99 est un freeware, je vous laisse découvrir la suite, c'est génial.

• la simulation de la réponse de filtres en fonction des valeurs et des typologies que vous avez décrites
• la conception de filtres, atténuateurs, lignes de transmission etc. en fonction de vos exigences.
  

Simulation de filtres

Très classiquement avant de simuler la réponse d'un filtre, il va falloir le décrire au logiciel, un peu comme vous le faites sur un routeur de circuit imprimé. Voilà en images comment cela se présente.
C'est très simple, avec la souris vous sélectionnez le composant idoine (self/capa/source/charge/masse), vous indiquez la valeur du composant, ce menu vous est d'ailleurs proposé automatiquement, vous établissez les connexions, vous placez une source en entrée et une charge en sortie. C'est fini, il ne vous reste plus qu'à cliquer sur le bouton "Simulate" pour obtenir la réponse de votre filtre. Vous noterez que l'on peut affecter une valeur de tolérance aux composants. Voici  ce que donne la simulation du filtre ci-dessus:

Un petit mot concernant les paramètres de visualisation, ceci peut paraître un peu nébuleux à ceux qui ne manipulent pas les paramètres "S". Comme vous pouvez le constater, vous devez choisir les réponses entre S11  - S21 - S12 - S22.
Le "S" vient de Scattering" ou réflexion dans notre bonne vieille langue et les indices 1 ou 2 indiquent l'entrée ou la sortie d'un dispositif. Si l'on se contente d'étudier des éléments possédant une entrée et une sortie,  nous aurons affaire à quatre paramètres "S".

Quelques mots sur ces fameux paramètres :

** Les paramètres "S" sont des rapports de tension.
** Les paramètres "S" sont vectoriels
** Les paramètres "S" sont mesurés  sur une impédance caractéristique (50 W dans notre cas).

Voyons avec un dessin ce que concrètement cela signifie :

Nous parlions de rapports de tension. Prenons le cas du paramètre S₂₁. Il s'agit du rapport de tension de la sortie (2) sur l'entrée (1), en d'autres termes, ce paramètre décrit le gain du dispositif (qui peut être une atténuation). Il sera appelé coefficient de transmission direct et c'est certainement celui qui nous intéressera le plus. Passons à S₁₁, il s'agit du rapport entre la tension sortante et la tension entrante à l'entrée, on l'appellera coefficient de réflexion à l'entrée. Idem pour S₂₂ mais côté sortie. Quant à S₁₂, il ne nous intéresse guère pour le moment. Donc pour simplifier voire caricaturer, le principal paramètre que nous allons utiliser est S21.

Les paramètres de visualisation :

RF SIM99 a été bien pensé et vous offre pas mal d'options et de choix de visualisation. Pour commencer, l'excursion de fréquence . Vous pouvez définir la fenêtre d'analyse en cliquant sur [Graph Limit Setup] puis [Frequency Sweep].
Vous pouvez également définir le nombre de points d'analyse (balayage de 1 à 100 MHz avec 101 points, cela représente grosso modo un pt de mesure / MHz).
En déplaçant le curseur du bas de l'écran, vous observerez qu'un index suit la courbe de réponse, parallèlement trois informations vous sont communiquées, à savoir la fréquence, et les valeurs des paramètres "S" sélectionnés.
Vous pouvez choisir d'afficher la réponse en valeur logarithmique (puissance/tension), en termes de phase ou en délais de groupe.   

On peut aussi afficher les valeurs sous forme de tableaux, d'abaque de Smith, de projection polaire. Le programme est très riche et offre une multitude de choix et de menus d'affichage. Il est également possible de faire varier les tolérances des composants (ce n'est pas un gadget s'agissant de construction amateur). Essayez cette dernière fonctionnalité c'est très éclairant et spectaculaire. Vous pourrez ainsi appréhender un peu mieux ce que sera votre filtre. Pour ce faire, cliquer sur l'icône [Tolerance Multi Sweep], choisissez un nombre de balayages et faites OK. La courbe de réponse va s'épaissir vous permettant de situer les limites en fonction des variations de valeur des composants.

La conception de circuits :


Simuler le fonctionnement des circuits c'est bien, pouvoir concevoir son filtre en fonction de ses propres exigences c'est encore mieux. L'idéal est de voir cela avec un exemple. Nous souhaitons réaliser un filtre passe-bas pour suivre un ampli déca de puissance moyenne ayant une fréquence de coupure de 32 MHz. Avec RFSIM 99, rien n'est plus simple. Depuis le menu [Tools] [Design], sélectionnez [Filter].

Vous devriez voir apparaître quelque chose comme cela. Il ne vous reste plus qu'à opter pour les différentes solutions proposées (type de filtre, typologie,Fc, ondulation, impédance etc.) puis à cliquer sur Calculate.

Le programme va alors modifier le schéma qui se trouve dans la fenêtre de conception en affichant d'une part le schéma du filtre et d'autre part les valeurs des composants. Ensuite dans la seconde fenêtre apparaîtra à vos yeux émerveillés la courbe de réponse du filtre. Les caractéristique de la bête vous conviennent ? OK, relevez les valeurs et attendez-nous au chapitre suivant pour la suite. Cas contraire, reprenez le menu et modifiez quelques paramètres comme le nombre de pôles par exemple ou l'ondulation tolérable dans la bande passante.

Réalisation des selfs:

Le programme détermine la valeur des éléments, c'est bien, reste l'épineux problème de la réalisation car autant pour les capacités on va pouvoir approcher au plus près la valeur souhaitée en introduisant des éléments variables, autant pour les inductances le problème demeure entier. Fort heureusement RF SIM99 vient à notre secours car il est possible d 'évaluer les caractéristiques électriques d'une inductance en fonction de ses caractéristiques mécaniques.

Depuis le menu [Tools] [Component], sélectionnez [Inductor], cette fenêtre devrait s'ouvrir. Il ne vous reste plus qu'à modifier les caractéristiques mécaniques pour approcher la valeur d'inductance que vous souhaitez obtenir. Il n'est pas inutile de préciser que cet utilitaire de calcul  doit quand même être manipulé avec discernement et que le calcul est forcément approché, c'est un bon dégrossissage. L'idéal est et sera toujours de calculer les dimensions de la self, de la réaliser puis de mesurer l'inductance réelle. Vous pourrez aussi réaliser des selfs imprimées et autres curiosités.

RF SIM 99 est un outil réservant plein de (bonnes) surprises. Toujours à la rubrique "Outils" vous pourrez trouver ce menu concernant les lignes de transmission, qu'elles soient bi-filaires, coaxial (ah les supers calculs de coupleurs), strip ou micro stripline. Le programme incorpore pas mal de valeurs de diélectriques, chacun devrait y trouver son bonheur. Allez tester tous les menus liés à la conception, c'est vraiment intéressant.

La calculatrice :


Et cerise sur le gâteau, ce programme offre une jolie calculatrice RF qui, bien que simple, permet d'effectuer les calculs les plus courants.
On y trouve les rubriques suivantes :

• réactance self/capa à une fréquence donnée
• fréquence de résonance pour L/C données
• bruit thermique/bande passante
• fréquence / longueur d'onde/ phase
• conversion U/dBm/P sur Z variable
• ROS, RL, coeff de réflexion

Et pour conclure :

Voici un programme vraiment commode, intuitif et simple d'emploi, on pourrait ajouter didactique et pédagogique. Je n'ai présenté ici que les fonctionnalités principales, cette mine d'intelligence regorge d'astuces (auto match entre autres) que vous aurez certainement plaisir à découvrir ultérieurement.
Vous pourrez le télécharger à l'une des adresses suivantes :

http://webook.fset.de/20091999PHCHO/SOFT/RFSim99.exe
http://www.alumnos.unican.es/teleco/programas/RFSim99.exe
http://www.sandiego.edu/~ekim/e194rfs01/RFSim99.exe

Amusez-vous bien ...