Comment concevoir un bias tee pour un amplificateur de puissance

Les bias tees RF servent à séparer l'alimentation DC et le signal AC le long d'une interconnexion. Il s'agit d'un composant à 2 entrées et 1 sortie, qui utilise des éléments réactifs pour faire circuler la puissance dans différentes directions. Dans un projet précédent de conception d'un amplificateur de puissance RF, la conception comprend un bias tee qui alimente l'amplificateur en DC tout en laissant la puissance RF se propager vers le connecteur SMA de sortie.

Dans cet article, je vais expliquer comment concevoir ce circuit et quels paramètres sont importants pour assurer une forte transmission de puissance vers votre charge. Ces composants existent sous forme de modules haute puissance pour la diffusion longue portée, mais ils peuvent aussi être réalisés sous forme de petits circuits sur un PCB pour des systèmes RF de plus faible puissance.

Qu'est-ce qu'un bias tee ?

Un bias tee est un circuit simple qui utilise une inductance et un condensateur pour orienter la circulation de la puissance AC et DC. Dans sa forme la plus simple, un bias tee est un composant à 2 entrées : une inductance laisse passer la puissance DC depuis un port d'entrée, et un condensateur laisse passer la puissance AC vers la sortie. Dans l'exemple précédent de notre amplificateur de puissance RF, un bias tee alimentait l'amplificateur tout en laissant passer la puissance RF de sortie par la même broche. Le circuit utilisé est présenté ci-dessous.

Le principe est simple : l'impédance de l'inductance bloque le signal AC, tandis que le condensateur empêche le signal DC d'atteindre la charge. Le signal DC correspond simplement à la puissance fournie à la broche VDD, qui alimente l'amplificateur ; le circuit interne de l'amplificateur achemine ensuite la puissance d'entrée de la manière requise.

Rapport d'impédance dans un bias tee simple

Un bias tee est conçu pour atteindre un rapport d'impédance donné. Dans un bias tee, le rapport d'impédance désigne le rapport entre l'impédance du chemin DC et l'impédance vue par le signal sur le chemin de sortie. Ce rapport doit être intégré à la conception du bias tee selon les objectifs suivants :

• L'impédance vue depuis le port DC doit être bien plus élevée que l'impédance vue depuis la sortie RF.
• La chute d'impédance équivalente à travers le bias tee (mesurée entre RFOUT et le côté sortie du condensateur) doit correspondre à l'impédance de la ligne de transmission LO_OUT.

On obtient ainsi deux définitions importantes pour calculer le rapport d'impédance :
 

Les valeurs de ces deux équations sont les réactances de l'inductance (L) et du condensateur (C) à la fréquence de fonctionnement du circuit. Le rapport d'impédance peut typiquement aller de n = 1 à n = 1 000. L'impédance du bias tee Z(tee) sera adaptée à l'impédance de la ligne de transmission, normalement 50 Ohms sur un PCB. Avec deux équations et deux inconnues, il est facile de calculer ces réactances.

Ces valeurs sont les valeurs minimales nécessaires pour converger vers une adaptation d'impédance. En reprenant la définition des réactances capacitive et inductive dans l'équation ci-dessus, on obtient la relation suivante entre la fréquence de fonctionnement cible et la capacité :

Cette relation montre que l'on peut décaler la bande passante du bias tee en ajustant C pour un rapport d'impédance cible, tout en gardant la valeur de L constante. On peut aussi utiliser la même relation avec L à droite de l'équation au lieu de C.

Par exemple, si l'on reprend les valeurs ci-dessus et que l'on multiplie la capacité par un facteur N, la fréquence de fonctionnement à laquelle on attend le transfert de puissance maximal vers la charge doit diminuer d'un facteur √N pour conserver le même rapport d'impédance. Cela peut modifier l'adaptation d'impédance en sortie : même si l'on observe une certaine réflexion et une désadaptation d'impédance, le bias tee décale sa bande passante de façon à augmenter la puissance transmise à la charge.

Calculateur de bias tee LC

Le calculateur ci-dessous permet de déterminer les valeurs de L et de C à utiliser dans un bias tee. Il suffit de saisir le rapport d'impédance souhaité et l'impédance cible. La fréquence indiquée correspond à la fréquence attendue du maximum de la bande passante du bias tee.

Filtrage d'ordre supérieur

Que se passerait-il si l'on plaçait une section de filtrage plus complexe côté DC ? C'est possible, en ajoutant un circuit de filtrage. L'étage DC présenté ci-dessus pourrait comporter un filtrage plus complexe entre le port d'alimentation d'entrée et le point de dérivation sur le réseau de sortie RF. On pourrait par exemple placer un filtre passe-bas bidirectionnel d'ordre supérieur entre le port DC d'entrée et le point de dérivation.

Cela donnerait un circuit comme celui ci-dessous. J'ai placé ici des circuits RL parallèles comme éléments de filtrage : ils limitent le courant à haute fréquence provenant de l'alimentation. En cherchant sur Internet, vous trouverez d'autres exemples de circuits RLC utilisés comme filtres passe-bas sur la connexion DC.

Dans ce circuit, l'impédance de l'inductance et de l'étage de filtrage RF est dimensionnée pour atteindre un rapport d'impédance donné par rapport à la ligne 50 Ohms et à l'objectif de rapport d'impédance. Il est aussi courant de voir un condensateur relié à la borne VDD. Pourquoi choisir cette approche pour l'étage de filtrage ? Il y a trois raisons possibles 

• S'agissant d'un filtre d'ordre supérieur, la pente d'atténuation (roll-off) sera plus raide à haute fréquence.
• Conséquence du point précédent, la section de filtrage peut filtrer le bruit provenant de la source DC.
• Le bias tee peut conserver un rapport d'impédance élevé sur une bande passante plus large.

Dans l'exemple ci-dessus, un filtre d'ordre supérieur est utilisé sur le port d'entrée DC. La principale difficulté est que la topologie du filtre de blocage peut présenter une ondulation dans la bande passante en fonction de la fréquence ; l'impédance du bias tee peut donc elle aussi présenter cette ondulation. Il est donc important de simuler le fonctionnement de la section de filtrage, ce qui peut se faire avec une simulation SPICE.

Exemple : simulation SPICE d'un bias tee LC

Dans cette section, je vais présenter quelques résultats de simulation pour le bias tee LC plus simple présenté dans les schémas ci-dessus, issu de notre projet de module d'amplificateur de puissance. Tel qu'il a été conçu à l'origine, ce bias tee fonctionne comme prévu en large bande, et l'adaptation d'impédance est presque exactement de 50 Ohms. Il n'est toutefois pas optimisé pour le transfert de puissance vers une charge de 50 Ohms, en raison de l'action de filtrage du bias tee liée à son rapport d'impédance élevé.
 

Le schéma ci-dessous montre le circuit initial utilisé pour simuler le bias tee.

Pour cette simulation, nous allons examiner une simulation AC du bias tee, en nous intéressant à la tension de sortie, au courant entrant côté RF et à la puissance délivrée à RLOAD. Nous voulons aussi connaître l'impédance vue depuis l'entrée RF, qui devrait idéalement être aussi proche que possible de 50 Ohms. Les premiers résultats AC sont présentés ci-dessous.

Cette première simulation donne d'assez bons résultats. La bande passante de ce bias tee est très large, et l'adaptation d'impédance semble extrêmement précise jusqu'à la fréquence de fonctionnement du circuit, 6,3 GHz. Bien que l'impédance cible semble atteinte, le transfert de puissance vers la charge n'est pas maximal à la fréquence souhaitée. En effet, 6,3 GHz se situe dans la zone de décroissance (roll-off) de la bande passante.

Supposons maintenant que l'on règle le rapport d'impédance à 1:1 pour ce circuit. Il faudrait alors une inductance de 1,2 nH et un condensateur de 0,5 pF. Les résultats de cette nouvelle configuration sont présentés ci-dessous.

On constate que la bande passante s'est déplacée vers des fréquences plus élevées, sans pour autant que le bias tee délivre davantage de puissance à RLOAD. On voit aussi que l'impédance ne converge vers la cible qu'à une fréquence bien plus élevée (environ 10 GHz). La conception n'est donc toujours pas parfaite.

Enfin, voyons ce qui se passe si l'on augmente les paramètres à L = 6 nH et C = 1 pF (soit un rapport d'impédance de 3,14 à environ 6,45 GHz). Dans ce cas, l'adaptation à l'impédance cible est bien meilleure, même si la puissance délivrée à la charge est un peu plus faible. Bien que la bande passante se soit déplacée beaucoup plus haut, l'impédance visée par ce circuit à 6,45 GHz est d'environ 77,4 Ohms, ce qui pourrait expliquer la puissance délivrée plus faible.

Un balayage de paramètres permettrait de trouver le meilleur compromis entre L et C dans une plage donnée. L'autre simulation possible est une analyse transitoire, qui montre ce qui arrive au bias tee lors de la mise sous tension du circuit jusqu'à sa puissance de fonctionnement. Essayez-la vous-même : c'est assez simple, et elle devrait illustrer les pièges potentiels d'un filtrage d'ordre supérieur côté DC.

Cette analyse présente-t-elle un défaut ? Oui ! Deux points ne sont pas pris en compte dans cette simulation :

1. Aux fréquences de l'ordre du GHz auxquelles ce système fonctionnera, le condensateur et l'inductance peuvent présenter des éléments parasites (ESR/ESL pour le condensateur, EPC pour l'inductance).
2. Le bias tee est le siège d'une propagation d'ondes : les connexions entre les composants sont donc en réalité des lignes de transmission.

D'après le point n° 2, et sachant que la sortie d'un amplificateur peut être terminée en interne sur 50 Ohms, l'impédance du bias tee est parfois réglée très bas. Cela peut convenir tant que le bias tee est placé très près de la broche de sortie de l'amplificateur de puissance. Il est toutefois bien préférable d'assurer l'adaptation d'impédance sur toute l'interconnexion pour maximiser le transfert de puissance vers la charge.

Les simulations SPICE ne sont pas très efficaces pour simuler la propagation sur les lignes de transmission entre les composants et en sortie du bias tee. C'est pourquoi la simulation SPICE ci-dessus utilise une charge de 50 Ohms pour représenter l'impédance d'entrée vue dans la charge de notre exemple de module d'amplificateur de puissance. Si la charge était placée près de la sortie du bias tee, on pourrait tout à fait adopter l'approche de circuit idéalisée de cet exemple de simulation SPICE.

Une fois les composants de votre bias tee sélectionnés, utilisez l'ensemble des outils de conception de PCB d'Altium pour concevoir votre carte. Altium est la plateforme de CAO de référence du secteur, et elle intègre un simulateur SPICE simple à utiliser dans l'éditeur de schémas. Une fois votre conception terminée, lorsque vous souhaitez transmettre vos fichiers à votre fabricant, Altium facilite la collaboration et le partage de vos projets.