It's raining elephants – VA2GKA

Recently, I had the opportunity to try FEST3D (Aurorasat), a professional software used to design microwave filters and passive components based on waveguide technology. It can analyze and optimize almost every kind of topology found in this field.

I especially appreciated the very large number of examples available out of the box, because as a not-expert in microwave applications, it allowed me to see all the work made by generations of RF engineers. And there is a diversity that I had not suspected!

About the speed of calculations, the software is simply amazing! The approach is to put the components into equations and calculate the solution, unlike EM full 3D simulation programs which are very time consuming. The result is usually obtained in a few seconds, while an EM simulation software take several minutes to get the result, and up to a some hours to complete a full frequency range! Moreover, the results are very close to those obtained using full EM simulation.

Fest3D main interface, reentrant cavity filter example

So, I played with this nice piece of engineering to calculate some band-pass filter, low pass filter and duplexer for our hyper-frequency amateur bands. But, my constraints for Ham bands are not the same that the professional ones. In fact, the pros often need a high bandwidth, and the band pass filters are designed to drop any inter-modulation distortion on the adjacent band. For me, with only some kHz on voice and and less one hundred Hertz using CW, I don’t have these kinds of problems (BTW I can swim :) My constraints are more focused on the construction easiness and the rejection of even and odd harmonics.

Another impressive feature, but totally out of scope for me, is the capability to estimate the maximum permissible power. I can see that my filter can supports up to 2.8kWatts, fun for me, but for sure a precious tool for a doppler radar application or a satellite broadcast design.

I will write a new post soon about these designs but I want to present my new article on slotted antennas first. Hey, first the antenna, and after, the filtering bank :)

Interdigital filter blocking a frequency (calculated with Fest3D, ParaView for the render)

More examples here.

Le coupleur Lange fait parti des petits bijoux des technologies hyperfréquences. Je m’y suis intéressé pour réaliser un mélangeur centré sur la bande des 23cm. Les résultats des simulations pour un mélangeur équilibré à deux diodes sont plus qu’intéressants. Malheureusement, les techniques de fabrication de ce type de coupleur ne sont clairement pas à la portée des amateurs. Avec une fréquence de 1.3GHz, l’espacement entre les pistes est de l’ordre de 100µm et l’épaisseur des pistes elles mêmes est de 180µm. Ajouter à cela qu’il faut encore faire des petits ponts (bridges) à certains endroits. Vous savez, le genre de petits fils microscopiques en or qui relie le die aux pattes des composants… Le soudage des CMS ok, mais là, je déclare forfait !

Coupleur Lange

Merci tout de même M. Lange pour cette belle invention. Cette petite tentative de mise en application aura été intéressante.

Je vais me rabattre sur des coupleurs en quadrature plus classiques (rat-race coupler & transmission line coupler), mais je constate encore une fois que l’écart est grand entre les réalisations ordinaires sur typon et les technologies avancées dont disposent les fondeurs de composants. Les spec’s étant liées, difficile de rester près du composant et de ne pas céder à l’intégration.

Dernièrement, j’ai un planché sur la conception d’un récepteur SHF (hyperfréquence), toujours avec le principe du mixeur en quadrature (mixer de Tayloe). Sur le fond, cela ne change pas grand chose, mais les composants disponibles pour cette gamme de fréquence ne présentent plus les mêmes structures et caractéristiques.

Aussi, ces multiplexeurs RF sont souvent composés d’ampli-op suiveur/sélecteur, ce qui fait que l’on ne peux pas les utiliser en tant que démultiplexeur (le cas de la plupart des montages SDR). Lorsque ce n’est pas le cas, on trouve dans les switch RF une charge de 50 ohms placée sur les entrées non commutées. Suivant les versions, on trouve aussi des composants avec les entrées non commutées à la masse (pour les modes réflexion ou absorption).

Exemple de switch 4:1 RF

Le hic avec un mixer en quadrature utilisant un offset (ex : 2.5V), c’est que chacune des sorties débouche sur un condensateur qui va alors se décharger sur cette résistance de 50 ohms. A la prochaine alternance du mixer, le niveau sera donc différent de ce qu’il aurait du être, et ceci va donc entrainer une perturbation indésirable.

Simulation d’un mixeur en quadrature – Offset à 2.5V

Je me suis donc demandé comment résoudre ce problème. La solution la plus simpliste consiste à baisser l’offset suffisamment bas pour limiter cet effet de bruit de commutation. Mais se pose un autre problème : L’ampli-op qui se trouve derrière le mixer devra être capable de travailler en mode Rail-to-Rail (fonctionnement correct même lorsque le signal est proche des valeurs d’alimentation -Vs +Vs). Sauf que les ampli-op Rail-to-Rail on généralement un bruit intrinsèque plus important que leurs homologues non Rail-to-Rail…

Simulation d’un mixeur en quadrature – Offset à 0.1V

Une solution plus élégante mais également plus contraignante est de ne pas ajouter d’offset au signal et d’alimenter l’ampli-op avec une alimentation symétrique -5 +5. Les alim’s doubles, ce n’est pas trop mon truc. Certes, ce n’est pas le bout du monde, mais on quitte l’aspect pratique. C’est facile à faire avec une alim’ à découpage, mais le switch génère du bruit sur la ligne d’alimentation, ce qui n’est pas génial pour un récepteur haute sensibilité. Comme arme ultime on peut toujours utiliser ces bonnes vielles piles rechargeables, là au moins, pas de risque de parasite. Mais reste encore à les recharger…

C’est toujours comme cela en électronique, c’est le coup du drap, lorsque l’on tire d’un coté, il en manque de l’autre :)