Simulation des paramètres S d'un réseau d'adaptation d'impédance

Un réseau d'adaptation d'impédance est important pour le transfert de puissance et la prévention des réflexions. Plutôt que de se concentrer sur le transfert de puissance, les tensions et les courants, les ingénieurs RF examinent normalement les paramètres S pour évaluer les circuits d'adaptation d'impédance en tant que réseaux à 2 ports. En particulier, les quantités pertinentes pour l'adaptation d'impédance sont normalement la perte d'insertion et la perte de retour, qui peuvent être calculées en utilisant les paramètres S pour un réseau d'adaptation d'impédance à 2 ports.

Ici, je vais développer un post précédent et utiliser l'ensemble des outils de simulation SPICE dans Altium Designer pour concevoir un simple réseau LC et simuler son comportement. Pour des manipulations complexes, vous pouvez facilement exporter les données de simulation d'Altium Designer et les utiliser dans tout autre programme d'analyse. Cela vous permettra d'extraire les paramètres S à large bande en fonction de la fréquence et de les convertir facilement en perte d'insertion et perte de retour.

Paramètres S pour un réseau d'adaptation d'impédance

L'adaptation d'impédance peut être évaluée de plusieurs manières. Pour les éléments de circuit placés en série, les impédances sont adaptées lorsque les impédances d'entrée et de charge sont des conjugués complexes l'un de l'autre. Dans la plupart des situations pratiques, cela ne se produit que dans une bande passante étroite, et il est rare d'obtenir une adaptation large bande sans filtration d'ordre supérieur. L'objectif de conception est généralement de réduire la perte d'insertion au plus près de 0 dB possible (S21 → 1), et de réduire la perte de retour bien en dessous d'un certain seuil (généralement en dessous de -10 dB, ou S11 → 0).

Le schéma ci-dessous montre le réseau d'adaptation d'impédance que nous souhaitons simuler. Ici, l'objectif est de déterminer la fréquence pour une adaptation d'impédance optimale en extrayant les paramètres S, la perte d'insertion et la perte de retour. Ici, la source est réglée à une amplitude de 1 V, et des balayages de fréquence seront utilisés pour déterminer la perte d'insertion et la perte de retour.

Perte d'Insertion et Perte de Retour

En l'absence du réseau, la puissance dissipée par la résistance de charge R2 peut être facilement calculée à partir de nos mesures de sonde. Nous voulons simuler la puissance dissipée à travers la charge en présence du réseau d'adaptation, qui peut être quantifiée en utilisant la perte d'insertion et S21. Nous avons également besoin de la puissance entrant dans le réseau, qui peut être calculée comme le courant d'entrée à travers R1 et la tension différentielle à travers le circuit (réseau + charge). Pour évaluer la perte d'insertion et S21, vous pouvez utiliser la formule suivante :

La perte de retour et S11 peuvent être calculées en considérant toute réflexion entre l'impédance d'entrée et l'impédance du réseau d'adaptation + charge.

Ici, nous savons que la valeur de Z0 est l'impédance de source à l'entrée du réseau (50 Ohms), et nous devons calculer Znetwork, qui est l'impédance d'entrée du réseau (en d'autres termes, l'impédance du réseau + charge). Cela nous donnera S11 et S21, qui sont deux des paramètres importants pour ce réseau d'adaptation d'impédance. Notez que ce réseau est réciproque même s'il n'y a pas de symétrie dans l'arrangement des éléments du circuit. Nous avons toujours la relation simple entre S12 = S21, mais nous pourrions ne pas avoir le même type d'équivalence pour S11 et S22. Étant donné que c'est le cas, vous pouvez déterminer les paramètres S pour d'autres ports en déplaçant la source de l'autre côté du réseau et en plaçant la charge de 70 Ohms comme l'impédance de source.

Commencer

Pour commencer, créez un profil MixedSim et configurez un balayage de fréquence. Ici, nous souhaitons balayer la fréquence de 100 MHz à 1 GHz. Lancez votre simulation en choisissant l'option depuis le menu Simuler, ou appuyez sur F9 sur votre clavier. Mes résultats de balayage AC sont montrés dans le graphique ci-dessous. Le graphique supérieur montre la puissance dissipée à travers la résistance, qui sera utilisée pour calculer la perte d'insertion. Cela se calcule simplement en sélectionnant l'onde r2[p].

Le graphique inférieur montre l'impédance totale du réseau d'adaptation + charge, qui sera utilisée pour calculer la perte de retour à l'entrée. Cela doit être calculé en prenant la chute de tension à travers tout le réseau (onde netl1_1), et en divisant cela par le courant entrant dans le réseau (onde l1[i]).

Ici, la dissipation de puissance maximale à travers la charge est observée à environ 448 MHz, donc nous nous attendrions à voir un minimum dans le spectre de perte d'insertion à ce point. Pour aller plus loin, vous pouvez utiliser les fonctionnalités d'analyse de forme d'onde pour calculer vos résultats, ou vous pouvez exporter vos données en tant que fichier .CSV pour utilisation dans un programme externe. J'ai décidé de prendre mes résultats dans Excel pour plus de commodité. Pour ce faire, allez dans Fichier → Exporter → Graphique, et sélectionnez l'option “Complexe” pour exporter les parties réelles et imaginaires de vos données. Le graphique ci-dessous montre l'amplitude et la phase de S11 et S21. Ces valeurs peuvent être facilement converties en perte d'insertion en utilisant les formules ci-dessus.

Ici, l'impédance est la plus proche possible de l'adaptation à environ 445 MHz et S11 reste assez plat sur une bande passante d'environ 200 MHz, ce qui est cohérent avec les données de puissance montrées dans les graphiques ci-dessus. Cependant, S11 est encore assez élevé (minimum de 0,452, ou -7 dB de perte de retour), indiquant une certaine inadéquation restante. La manière de procéder est d'itérer à travers différentes valeurs de composants en utilisant des balayages de paramètres ; le premier inducteur et le condensateur de sortie sont de bons points de départ.

Une autre manière de considérer la perte d'insertion, la perte de retour et les paramètres S est de voir le réseau d'adaptation d'impédance comme un filtre avec des sources et des charges adaptées. Lors de la conception du réseau ci-dessus en tant que filtre, vous pouvez déterminer l'impédance ou la fonction de transfert en utilisant les mêmes étapes présentées ci-dessus. Cela implique de retirer les résistances de source et de charge et de simuler le réseau en T seul. Vous pouvez utiliser la même procédure lors de la simulation de l'adaptation d'impédance pour une charge capacitive ou résistive. Dans tous les cas, si vous souhaitez assurer une réflexion de puissance minimale, votre objectif est d'examiner la fréquence du réseau d'adaptation d'impédance à laquelle se produit l'adaptation conjuguée à la charge.

L'exemple présenté ici tire parti des fonctionnalités de simulation pré-implantation dans Altium Designer®. Lorsque vous utilisez cette plateforme de conception de PCB puissante, vous aurez accès à des outils CAO qui vous aident à prendre vos conceptions de réseaux d'adaptation et à les placer dans un véritable agencement de PCB. Vous disposerez également des outils nécessaires pour importer vos données dans un nouvel agencement et commencer la conception de votre PCB.

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