TP HF Manipulation 6 CARACTERISATION D`UN AMPLIFICATEUR

TP HF Manipulation 6 – Caractérisation d’un amplificateur micro onde
TP HF Manipulation 6
CARACTERISATION D’UN AMPLIFICATEUR
MICRO ONDE
I. Introduction
Les amplificateurs micro ondes sont aujourd’hui utilisés dans les chaînes de transmission des
systèmes de télécommunications. Il en existe de plusieurs types :
Amplificateur de bas de niveau : dont les performances sont indépendantes du niveau
appliqué sur l’entrée. Ils sont de type bande étroite, large bande suivant le circuit d’adaptation
(réactif, résistif, contre réaction)
Amplificateur bas niveau faible bruit : son but est de maximiser le rapport signal sur bruit de
manière à extraire un signal de très faible amplitude noyé dans le bruit (cas des liaisons
hertziennes ou satellites)
Amplificateur de puissance : il permet de délivrer une puissance élevée en sortie. Son
fonctionnement étant non linéaire, ses caractéristiques sont alors fonction du niveau de
puissance appliquée.
L’objectif de ce TP est donc la caractérisation d’un amplificateur hyperfréquence bas niveau
bande étroite (1 – 2,4 GHz).
Dans un premier temps, nous préciserons la définition d’un amplificateur puis dans une
seconde partie, nous étudierons un amplificateur (Advantek MSA-0304) afin de vérifier ses
caractéristiques. Pour cela, l’étude sera en régime linéaire et en régime non linéaire.
II. Définition d’un amplificateur
Un amplificateur aura un comportement différent suivant le niveau de la puissance d’entrée.
Ainsi pour des puissances faibles, un amplificateur sera en régime linéaire et à partir d’une
certaine puissance, il passera en régime non linéaire.
A. Le régime linéaire ou bas niveau
Un système linéaire a comme caractéristique de ne pas déformer le spectre fréquentiel. Ainsi,
un signal en entrée ne sera pas déformé en sortie.
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1. Taux d’onde stationnaire
Il permet la caractérisation de la réflexion en un point quelconque du système. Dans notre
exemple nous étudierons le TOS en entrée et en sortie de notre système.
Nous avons donc :
ρe =
1 + Γe
1 − Γe
ρr =
1 + Γr
1 − Γr
Γ
avec e et Γr coefficient de réflexion en entrée
et en sortie
Lorsque ρ est voisin de 1, le régime sur la ligne est proche du régime d’ondes progressives.
Pour ρ dépasse quelques unités, la désadaptation commence à être importante. Au delà, le
régime est dit régime d’ondes stationnaires.
2. Paramètres S de l’amplificateur
S11=
b1
onde recue sur la voie 1
=
a1 a 2 = 0
onde envoyé sur 1
Zcensortie
S21=
b2
onde recue sur la voie 2
=
a1 a 2 = 0
onde envoyé sur 1
Zcensortie
S12=
b1
onde recue sur la voie 1
=
a 2 a1= 0
onde envoyé sur 2
Zcenentrée
S22=
b2
onde recue sur la voie 2
=
a 2 a1= 0
onde envoyé sur 2
Zcenentrée
L’adaptation est nécessaire dans tout système pour qu’il fonctionne correctement. Le
coefficient de réflexion vaut alors 0. Une désadaptation se traduit par un coefficient de
réflexion infini.
En reportant les valeurs extrêmes des valeurs des coefficients de réflexion dans la formule du
TOS, nous obtenons une adaptation pour un TOS de 1.
Un TOS proche 1 caractérisera un bon amplificateur car il permet un transfert de puissance
maximum de l’entrée vers la sortie et un retour de charge minimal vers le générateur.
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3. Gain de l’amplificateur
Le gain est le paramètre essentiel d’un amplificateur, il est définie de la manière suivante :
G=
Ps
Ps
(soit G ( dB ) = 10 log
)
Pe
Pe
Différents types peuvent être définis selon les applications envisagées :
Gain d’insertion
1 − Γg .Γr
2
Gi = S 21 .
2
2
1 − S 22 .Γr .1 − Γg .Γe
2
C’est le gain mesuré de l’amplificateur lors des mesures. C’est donc le rapport de la sortie sur
l’entrée.
(1 − Γ ).(1 − Γ )
2
2
Gain transducique
2
Gt = S 21 .
r
g
2
1 − S 22 .Γr .1 − Γg .Γe
2
C’est le rapport entre la puissance de sortie et la puissance maximale que le générateur puisse
délivrer.
(1 − Γ )
2 2
Gain disponible
2
Gd = S 21 .
g
2
2
1 − S11.Γg .(1 − Γe )
C’est le gain maximal que l’on peur obtenir lorsque l’entrée et la sortie sont adaptées
On remarque que le gain varie est en fonction fréquence, c’est pour cela que l’on étudie
l’amplificateur sur une large bande fréquence (1 à 2,4 GHz).
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B. Régime non linéaire ou fort niveau
1. Définition
Un fonctionnement se traduit toujours par la déformation du spectre fréquentiel. Ainsi il
apparaît des fréquences images qui peuvent être néfaste pour le signal : ce phénomène a un
nom : c’est le produit d’inter modulation.
Dans le graphe ci-dessus, le système a crée deux raies très proches des raies initiales. Elles
sont difficiles à éliminer, c’est le produit d’ordre 3.
2. Point de compression à 1dB
Pour déterminer quand l’amplificateur est en régime bas niveau ou haut niveau, on détermine
un point (Pe-1dB, Ps-1dB ). Il est défini tel que l’écart entre la courbe réelle et la courbe idéale
soit égal à 1dB.
Nous obtenons le graphe ci-dessous :
Dans la partie gauche, nous avons la zone linéaire.
Dans la partie droite, il s’ agit de la partie non linéaire : nous nous apercevons que
l’amplificateur ne peut pas délivrer une puissance supérieure à Psat.
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Ceci apparaît logique : en effet pour augmenter la puissance d’entrée, l’ampli se sert de sa
puissance d’alimentation qui lui fixe une puissance max de sortie.
Le point de compression à 1dB permet d’évaluer la puissance maximum susceptible d’être
disponible à la sortie de l’amplificateur.
3. Point d’interception d’ordre 3
Les produits d’intermodulation d’ordre 3 étant les plus néfastes, on a cherché à les représenter
schématiquement. Une droite de pente 3 symbolisera le phénomène.
Grâce à cette droite il sera possible de déterminer l’amplitudes des signaux parasites.
III.Manipulation : Caractérisation d’un amplificateur
L’amplificateur possède deux modes de fonctionnement : linéaire et non linéaire
Avant d’étudier ces modes, voyons le module amplificateur mis à notre disposition.
A. Descriptif du module amplificateur
L’amplificateur Avantek MSA-0304 est réalisé à partir de transistor bipolaires présentant un
ft = 10 Ghz (fréquence pour laquelle le gain en courant est égal à un, lorsque la sortie est en
court circuit) et un fmax = 25 Ghz (fréquence pour laquelle le gain en puissance Ps/Pe=1).
Données constructeurs de l’amplificateur Avantek MSA-0304 :
Gain de l’amplificateur à 1,8 Ghz :……………………………………………………..… 9dB
Bande passante à 3 dB : …………………………………………………………..…….1,6 Ghz
TOS maximum en entrée dans la bande 0,1 à 3 Ghz :………………………..…………….. 1,3
TOS maximum en sortie dans la bande 0,1 à 3 Ghz : ………………………….……………1,6
Puissance de sortie à 1 dB de compression à 1,8 Ghz : …………………………………6 dBm
Puissance maximal admissible en entrée : …………………………………………….400 mW
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Courant de polarisation maximum : ……………………………………………………..70 mA
B. Etude bas niveau de l’amplificateur
Les différents éléments sont :
La source vobulée (HP8620) :génère une puissance constante dans une bande de
fréquence précise sans introduire de composantes harmoniques
•
Analyseur de réseaux scalaire (Wiltron 560A) : permet de visualiser les modules
des paramètres S.
•
Détecteur HF (560-7N50) :permet de réaliser des mesures de puissance absolue et
relative.
•
Pont de mesure de TOS avec détecteur HF intégré : est capable d’extraire une
partie de la puissance pour permettre la mesure des paramètres S.
•
Diviseur de puissance :divise la puissance en deux parties égales.
•
DUT : élément à tester. ici un amplificateur.
•
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1. Calibrage du banc
La calibration du banc est nécessaire pour éliminer toutes les pertes générées par les
différentes éléments du système (câbles, pont, détecteur HF …). Ce sont les caractéristiques à
vide du montage. Un zéro relatif est ainsi créer pour connaître les spécifications réelles de
l’élément insérer.
De plus, la calibration du banc permet de vérifier la validité du banc de mesure.
Pour obtenir une bonne calibration, il est nécessaire de se placer dans un cas extrême à savoir
un court-circuit pour la réflexion et une charge adaptée pour la transmission
Calibration en réflexion
Nous obtenons la valeur de –13.5 dB pour A-R. Nous avons enregistré cette valeur afin de
pouvoir la soustraire au mesure avec le DUT :
(banc d’essai+DUT) – (banc d’essai) = DUT
Calibration en transmission
De la même manière que précédemment, nous allons remplacer le DUT cette fois ci par une
charge adaptée. Nous obtenons alors une valeur de –7.8 dB. En effet, la transmission
maximale est obtenue lorsque la sortie du système est adaptée.
Remarque : quelle que soit la fréquence nous obtenons la même valeur. Ceci provient de la
bande de fréquence d’utilisation du pont de mesure (jusqu’à 25GHz).
2. Mesure des modules des paramètres S
•
Les paramètres S11 et S21
Pour déterminer leur valeurs, nous avons besoin de b1, b2,a1. Nous allons placer l’entrée de
l’amplificateur sur le pont de mesure.
Nous avons ainsi :
S11 =
b1
a1 a 2 = 0
b1 ⇔ A (Puissance réfléchie)
b2 ⇔ B (Puissance en sortie)
a1 ⇔ R (Puissance en entrée)
S11 (dB) = 10 log(
b1
) = 10 log(b1) − 10 log(a1)
a1
= A(dB) − R(dB)
En utilisant directement la touche A-R de l’analyseur, nous avons directement la valeur de
|S11| pour le montage. En soustrayant le niveau enregistré précédemment, nous avons le
coefficient de réflexion de l’amplificateur.
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Pour des fréquences variant entre 1 et 2.4 GHz nous avons les résultats suivants : (voir courbe
en annexe)
f en GHz
1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,9
2
2,2
S11 (dB)
8,7
9,5
9,2
9,3
8,9
8,9
8,7
8,4
8,2
7,4
-19,4
-23,8
-29,5
-34
-30,7
-26,3
-24,1
-23,1
-20,8
S21 (dB) -13,6
Gain en puissance maximum :…………………………………………Pour f=1.2 GHz G=9.5 dB
Bande passant à 1dB sur |S21| :………………………………………………930 MHz (1.95-1.02)
Taux d’onde stationnaire maximum…………………………………………...TOS=
1 + S 11
1 − S 11
=1.09
Remarque :
Un gain de 9.5 dB correspond en réel à une multiplication par 8.9 de la puissance
d’entrée.
Notre valeur du gain se rapproche de celle du constructeur qui est comprise entre 10
et 11 dB
Pour calculer le taux d’onde stationnaire, il est nécessaire de transformer S11(max)
en valeur naturelle. Nous obtenons alors S11=0.0436.
Il faut également noter que Γe = S11 car Γr=0
•
Les paramètres S12 et S22
Pour calculer les valeurs de S12 et S22 nous avons besoin des valeurs de a1, a2, b2 définissant
S12 et S22. l’entrée de l’amplificateur est cette fois ci connecté à l’analyseur. La méthode de
calcul est la même , elle ne sera pas définie
Ci-dessous les résultats obtenus :
f en GHz
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,9
2
2,2
S12 (dB) -17,5
-15,2
-14,9
-14,6
-14,4
-13,7
-13,55
-13,3
-14,5
-16,44
S22 (dB)
-8,6
-10
-11,5
-13,5
-16,4
-17,5
-18,2
-17,7
-16,4
TOS=
1
-5,6
1 + S 22 max
1 − S 22 max
=1.76
avec
S 22 max =0.275 en valeur naturelle pour f = 1GHz
Il faut également noter que Γs = S22 car Γg = 0.
Ce TOS se rapproche de celui donné par le constructeur à savoir 1.6 pour la bande
[0.1;3GHz].
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S21 est le coefficient de transmission. La contre réaction traduit l’effet inverse. Il s’agira de
S12, coefficient de transmission inverse.
−13.3
10
10
= 0.0467 = 4.6 %
Il n’y a que 4.6% du signal réfléchi qui revient sur la charge.
Paramètres S de l'amplificateur en fonction de la
fréquence
15
10
5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
dB
-5
S21
S11
S12
S22
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
Fréquence en GHz
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C. Etude haut niveau
Faute de temps cette partie n’a pu être réalisée.
IV.
Conclusion
Les résultats obtenus sont souvent supérieurs aux informations données par le constructeur :
nos résultats apparaissent donc tout à fait correct.
Ce TP nous a aussi permis de nous familiariser avec le matériel HF : analyseur de réseaux
scalaire, pont de mesure de TOS, détecteur HF, source vobulée
Enfin nous avons pu être sensibilisé à l’importance du calibrage lors de l’utilisation d’un banc
d’essai.
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