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Comprendre les réseaux correspondants

Date:2020/5/22 15:46:06 Hits:


Découvrez pourquoi les réseaux correspondants sont utilisés et comment ils sont conçus.

Nous avons discuté de l'impédance caractéristique, des lignes de transmission et de l'adaptation d'impédance. Nous savons que les lignes de transmission ont une impédance caractéristique et nous savons que cette impédance est un facteur important dans les circuits RF, car les impédances doivent être adaptées pour empêcher les ondes stationnaires et assurer un transfert efficace de l'énergie de la source à la charge. Et même si nous n'avons pas besoin de traiter un conducteur particulier comme une ligne de transmission, nous avons toujours des impédances de source et de charge qui doivent être adaptées.

Nous avons également vu que l'adaptation d'impédance est grandement simplifiée par l'utilisation de valeurs d'impédance normalisées (la plus courante étant 50 Ω). Les fabricants conçoivent leurs composants ou interconnexions pour une entrée et une sortie de 50 Ω, et dans de nombreux cas, un ingénieur n'a pas à prendre de mesure spécifique pour obtenir des impédances adaptées.

Cependant, il existe des situations dans lesquelles l'adaptation d'impédance nécessite des circuits supplémentaires. Par exemple, considérons un émetteur RF composé d'un amplificateur de puissance (PA) et d'une antenne. Le fabricant peut concevoir le PA pour une impédance de sortie de 50 Ω, mais l'impédance d'une antenne variera en fonction de ses caractéristiques physiques ainsi que des caractéristiques des matériaux environnants.

De plus, l'impédance de l'antenne n'est pas constante par rapport à la fréquence du signal. Ainsi, un fabricant pourrait concevoir une antenne ayant une impédance de 50 Ω à une fréquence spécifique, mais vous pourriez avoir un décalage non trivial si vous utilisez l'antenne à une fréquence différente. Le tracé suivant est tiré de la fiche technique d'une antenne en céramique à montage en surface destinée aux systèmes 2.4-2.5 GHz.


La courbe correspond au rapport de la puissance réfléchie à la puissance incidente. Vous pouvez voir que la qualité de l'adaptation d'impédance se détériore rapidement à mesure que la fréquence du signal s'éloigne de 2.45 GHz.



Terrain tiré de ce dfiche technique.


Le réseau de jumelage
Si votre circuit RF contient des composants qui n'ont pas d'impédances adaptées, vous avez deux options: modifier l'un des composants ou ajouter des circuits qui corrigent la non-concordance. De nos jours, la première option n'est généralement pas pratique; il serait en effet difficile d'ajuster l'impédance en modifiant physiquement un circuit intégré ou un câble coaxial fabriqué.


Heureusement, cependant, la deuxième option est parfaitement adéquate. Le circuit supplémentaire est appelé réseau d'adaptation ou transformateur d'impédance. Les deux noms sont utiles pour comprendre le concept fondamental: un réseau d'adaptation permet une adaptation d'impédance appropriée en transformant la relation d'impédance entre la source et la charge.

La conception de réseaux correspondants n'est pas particulièrement simple, et ce n'est pas quelque chose que nous discuterons en détail dans un manuel comme celui-ci. Néanmoins, nous pouvons considérer certains des principes de base, et nous allons également jeter un oeil à un exemple assez simple. Voici quelques points saillants à garder à l'esprit:

* Un réseau correspondant est connecté entre une source et une charge, et son circuit est généralement conçu de telle sorte qu'il transfère presque toute la puissance à la charge tout en présentant une impédance d'entrée égale au conjugué complexe de l'impédance de sortie de la source. Alternativement, vous pouvez considérer un réseau d'adaptation comme transformant l'impédance de sortie de la source de telle sorte qu'elle soit égale au conjugué complexe de l'impédance de charge.

(Dans les circuits réels, l'impédance de la source n'a souvent pas de partie imaginaire, et donc nous n'avons pas besoin de toujours nous référer au conjugué complexe. Nous pouvons simplement dire que l'impédance de charge doit être égale à l'impédance de la source, car le conjugué complexe n'est pas '' t pertinent lorsque l'impédance est purement réelle.)


* Les réseaux d'appariement typiques (appelés réseaux «sans perte») n'utilisent que des composants réactifs, c'est-à-dire des composants qui stockent de l'énergie plutôt que de la dissiper. Cette caractéristique découle naturellement de la finalité d'un réseau adapté, à savoir permettre un transfert de puissance maximal de la source à la charge. Si le réseau correspondant contenait des composants qui dissipent de l'énergie, il consommerait une partie de l'énergie que nous essayons de fournir à la charge. Ainsi, les réseaux correspondants utilisent des condensateurs et des inductances, et non des résistances.


* Il est difficile de concevoir un réseau de correspondance à large bande. Cela n'est pas surprenant quand on se souvient que le réseau d'adaptation est composé de composants réactifs: l'impédance des inductances et des condensateurs dépend de la fréquence; ainsi, la modification de la fréquence des signaux passant par le réseau d'adaptation peut rendre celle-ci moins efficace.


Le réseau L
La topologie de réseau d'appariement la plus simple est appelée le réseau L. Cela se réfère à huit circuits différents en forme de L composés de deux condensateurs, deux inductances ou un condensateur et une inductance. Le diagramme suivant montre les huit configurations de réseau L:




Le réseau L est simple et efficace, mais il n'est pas adapté aux applications large bande. Nous devons également garder à l'esprit que les inductances et les condensateurs présentent un comportement sérieusement non idéal aux hautes fréquences (comme discuté à la page 4 du chapitre 1), et donc le comportement du réseau L sera moins prévisible lorsque les fréquences grimperont dans la gamme des gigahertz.

Il est certainement utile de comprendre les concepts impliqués dans le calcul manuel des valeurs du réseau de correspondance en fonction des impédances de source et de charge, bien qu'il s'agisse davantage d'un exercice académique ou intellectuel à une époque où les outils de calcul peuvent accomplir facilement cette tâche. Nous ne passerons pas en revue un exemple de calcul ici, mais nous utiliserons une simulation pour explorer les effets d'un réseau correspondant.

Un exemple
Disons que nous avons une impédance de source de 50 Ω et une impédance d'antenne de 200 Ω, et que nous fonctionnons à 100 MHz. Nous utiliserons un réseau L composé d'une inductance suivie d'un condensateur:




L'outil de conception de réseau en L d'AAC donne les valeurs suivantes pour l'inductance et le condensateur: 138 nH et 13.8 pF. Cela signifie que notre circuit adapté à l'impédance ressemble à ceci:




Pour évaluer l'efficacité du réseau d'adaptation, nous pouvons exécuter une simulation, puis tracer la tension aux bornes de la charge divisée par le courant circulant dans la charge, qui est égale à l'impédance d'entrée. (Dans ce cas, le courant circulant dans la charge est le courant traversant l'inductance L1.)


Une analyse AC est particulièrement utile car nous pouvons voir comment l'effet du réseau correspondant change avec la fréquence. Le graphique suivant concerne une simulation avec une plage de fréquences de 10 MHz à 190 MHz (c'est-à-dire 90 MHz au-dessus et au-dessous de la fréquence pour laquelle le réseau correspondant a été conçu). Voici les résultats:




Comme vous pouvez le voir, à 100 MHz, la charge est très étroitement adaptée à l'impédance de la source de 50 Ω, malgré le fait que la charge d'origine a une impédance de 200 Ω. Cependant, nous avons dit plus haut que le réseau L n'est pas une topologie large bande, et la simulation le confirme certainement: l'impédance d'entrée change rapidement à mesure que la fréquence du signal s'éloigne de 100 MHz.

Résumé
* Un réseau d'adaptation, également appelé transformateur d'impédance, est utilisé pour créer une impédance adaptée entre une source et une charge (par exemple, entre un amplificateur de puissance et une antenne).


* Les réseaux d'appariement sans perte se composent uniquement de composants réactifs; les composants résistifs sont évités car ils dissiperaient la puissance, alors que le réseau d'adaptation est destiné à faciliter le transfert de puissance de la source à la charge.


* Une topologie de réseau d'appariement à bande étroite simple est le réseau L. Il se compose de deux composants réactifs.


* Les outils de calculatrice peuvent être utilisés pour concevoir rapidement un réseau adapté en fonction de l'impédance de la source, de l'impédance de charge et de la fréquence du signal.




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