TP HF Manipulation 6

TP HF Manipulation 6 Caractrisation dun amplificateur micro onde

TP HF Manipulation 6

CARACTERISATION DUN AMPLIFICATEUR MICRO ONDE

I. Introduction

Les amplificateurs micro ondes sont aujourdhui utiliss dans les chanes de transmission des systmes de tlcommunications. Il en existe de plusieurs types:

Amplificateur de bas de niveau: dont les performances sont indpendantes du niveau appliqu sur lentre. Ils sont de type bande troite, large bande suivant le circuit dadaptation (ractif, rsistif, contre raction)

Amplificateur bas niveau faible bruit: son but est de maximiser le rapport signal sur bruit de manire extraire un signal de trs faible amplitude noy dans le bruit (cas des liaisons hertziennes ou satellites)

Amplificateur de puissance: il permet de dlivrer une puissance leve en sortie. Son fonctionnement tant non linaire, ses caractristiques sont alors fonction du niveau de puissance applique.

Lobjectif de ce TP est donc la caractrisation dun amplificateur hyperfrquence bas niveau bande troite (1 2,4 GHz).

Dans un premier temps, nous prciserons la dfinition dun amplificateur puis dans une seconde partie, nous tudierons un amplificateur (Advantek MSA-0304) afin de vrifier ses caractristiques. Pour cela, ltude sera en rgime linaire et en rgime non linaire.

II. Dfinition dun amplificateur

Un amplificateur aura un comportement diffrent suivant le niveau de la puissance dentre. Ainsi pour des puissances faibles, un amplificateur sera en rgime linaire et partir dune certaine puissance, il passera en rgime non linaire.

A. Le rgime linaire ou bas niveau

Un systme linaire a comme caractristique de ne pas dformer le spectre frquentiel. Ainsi, un signal en entre ne sera pas dform en sortie.

1. Taux donde stationnaire

Il permet la caractrisation de la rflexion en un point quelconque du systme. Dans notre exemple nous tudierons le TOS en entre et en sortie de notre systme.

Nous avons donc:

EMBED Equation.3

Lorsque ( est voisin de 1, le rgime sur la ligne est proche du rgime dondes progressives. Pour ( dpasse quelques units, la dsadaptation commence tre importante. Au del, le rgime est dit rgime dondes stationnaires.

2. Paramtres S de lamplificateur

S11==

S21==

S12==

S22==

Ladaptation est ncessaire dans tout systme pour quil fonctionne correctement. Le coefficient de rflexion vaut alors 0. Une dsadaptation se traduit par un coefficient de rflexion infini.

En reportant les valeurs extrmes des valeurs des coefficients de rflexion dans la formule du TOS, nous obtenons une adaptation pour un TOS de 1.

Un TOS proche 1 caractrisera un bon amplificateur car il permet un transfert de puissance maximum de lentre vers la sortie et un retour de charge minimal vers le gnrateur.

3. Gain de lamplificateur

Le gain est le paramtre essentiel dun amplificateur, il est dfinie de la manire suivante:

(soit )

Diffrents types peuvent tre dfinis selon les applications envisages:

Gain dinsertion

Cest le gain mesur de lamplificateur lors des mesures. Cest donc le rapport de la sortie sur lentre.

Gain transducique

Cest le rapport entre la puissance de sortie et la puissance maximale que le gnrateur puisse dlivrer.

Gain disponible

Cest le gain maximal que lon peur obtenir lorsque lentre et la sortie sont adaptes

On remarque que le gain varie est en fonction frquence, cest pour cela que lon tudie lamplificateur sur une large bande frquence (1 2,4 GHz).

B. Rgime non linaire ou fort niveau

1. Dfinition

Un fonctionnement se traduit toujours par la dformation du spectre frquentiel. Ainsi il apparat des frquences images qui peuvent tre nfaste pour le signal: ce phnomne a un nom: cest le produit dinter modulation.

Dans le graphe ci-dessus, le systme a cre deux raies trs proches des raies initiales. Elles sont difficiles liminer, cest le produit dordre 3.

2. Point de compression 1dB

Pour dterminer quand lamplificateur est en rgime bas niveau ou haut niveau, on dtermine un point (Pe-1dB, Ps-1dB ). Il est dfini tel que lcart entre la courbe relle et la courbe idale soit gal 1dB.

Nous obtenons le graphe ci-dessous:

Dans la partie gauche, nous avons la zone linaire.

Dans la partie droite, il s agit de la partie non linaire: nous nous apercevons que lamplificateur ne peut pas dlivrer une puissance suprieure Psat.

Ceci apparat logique: en effet pour augmenter la puissance dentre, lampli se sert de sa puissance dalimentation qui lui fixe une puissance max de sortie.

Le point de compression 1dB permet dvaluer la puissance maximum susceptible dtre disponible la sortie de lamplificateur.

3. Point dinterception dordre 3

Les produits dintermodulation dordre 3 tant les plus nfastes, on a cherch les reprsenter schmatiquement. Une droite de pente 3 symbolisera le phnomne.

Grce cette droite il sera possible de dterminer lamplitudes des signaux parasites.

III. Manipulation: Caractrisation dun amplificateur

Lamplificateur possde deux modes de fonctionnement: linaire et non linaire

Avant dtudier ces modes, voyons le module amplificateur mis notre disposition.

A. Descriptif du module amplificateur

Lamplificateur Avantek MSA-0304 est ralis partir de transistor bipolaires prsentant un ft = 10 Ghz (frquence pour laquelle le gain en courant est gal un, lorsque la sortie est en court circuit) et un fmax = 25 Ghz (frquence pour laquelle le gain en puissance Ps/Pe=1).

Donnes constructeurs de lamplificateur Avantek MSA-0304:

Gain de lamplificateur 1,8 Ghz:.. 9dB

Bande passante 3 dB: ...1,6 Ghz

TOS maximum en entre dans la bande 0,1 3 Ghz:.... 1,3

TOS maximum en sortie dans la bande 0,1 3 Ghz: .1,6

Puissance de sortie 1 dB de compression 1,8 Ghz: 6 dBm

Puissance maximal admissible en entre: .400 mW

Courant de polarisation maximum: ..70 mA

B. Etude bas niveau de lamplificateur

Les diffrents lments sont:

La source vobule (HP8620):gnre une puissance constante dans une bande de frquence prcise sans introduire de composantes harmoniques

Analyseur de rseaux scalaire (Wiltron 560A): permet de visualiser les modules des paramtres S.

Dtecteur HF (560-7N50):permet de raliser des mesures de puissance absolue et relative.

Pont de mesure de TOS avec dtecteur HF intgr: est capable dextraire une partie de la puissance pour permettre la mesure des paramtres S.

Diviseur de puissance:divise la puissance en deux parties gales.

DUT: lment tester. ici un amplificateur.

1. Calibrage du banc

La calibration du banc est ncessaire pour liminer toutes les pertes gnres par les diffrentes lments du systme (cbles, pont, dtecteur HF ). Ce sont les caractristiques vide du montage. Un zro relatif est ainsi crer pour connatre les spcifications relles de llment insrer.

De plus, la calibration du banc permet de vrifier la validit du banc de mesure.

Pour obtenir une bonne calibration, il est ncessaire de se placer dans un cas extrme savoir un court-circuit pour la rflexion et une charge adapte pour la transmission

Calibration en rflexion

Nous obtenons la valeur de 13.5 dB pour A-R. Nous avons enregistr cette valeur afin de pouvoir la soustraire au mesure avec le DUT:

(banc dessai+DUT) (banc dessai) = DUT

Calibration en transmission

De la mme manire que prcdemment, nous allons remplacer le DUT cette fois ci par une charge adapte. Nous obtenons alors une valeur de 7.8 dB. En effet, la transmission maximale est obtenue lorsque la sortie du systme est adapte.

Remarque: quelle que soit la frquence nous obtenons la mme valeur. Ceci provient de la bande de frquence dutilisation du pont de mesure (jusqu 25GHz).

2. Mesure des modules des paramtres S

Les paramtres S11 et S21Pour dterminer leur valeurs, nous avons besoin de b1, b2,a1. Nous allons placer lentre de lamplificateur sur le pont de mesure.

Nous avons ainsi:

b1 ( A (Puissance rflchie)

b2 ( B (Puissance en sortie)

a1 ( R (Puissance en entre)

En utilisant directement la touche A-R de lanalyseur, nous avons directement la valeur de |S11| pour le montage. En soustrayant le niveau enregistr prcdemment, nous avons le coefficient de rflexion de lamplificateur.

Pour des frquences variant entre 1 et 2.4 GHz nous avons les rsultats suivants: (voir courbe en annexe)

f en GHz11,21,31,41,51,61,71,922,2

S11 (dB)8,79,59,29,38,98,98,78,48,27,4

S21 (dB)-13,6-19,4-23,8-29,5-34-30,7-26,3-24,1-23,1-20,8

Gain en puissance maximum:

Bande passant 1dB sur |S21|:

Taux donde stationnaire maximum...

Remarque:

Un gain de 9.5 dB correspond en rel une multiplication par 8.9 de la puissance dentre.

Notre valeur du gain se rapproche de celle du constructeur qui est comprise entre 10 et 11 dB

Pour calculer le taux donde stationnaire, il est ncessaire de transformer S11(max) en valeur naturelle. Nous obtenons alors S11=0.0436.

Il faut galement noter que car (r=0

Les paramtres S12 et S22Pour calculer les valeurs de S12 et S22 nous avons besoin des valeurs de a1, a2, b2 dfinissant S12 et S22. lentre de lamplificateur est cette fois ci connect lanalyseur. La mthode de calcul est la mme , elle ne sera pas dfinie

Ci-dessous les rsultats obtenus:

f en GHz11,21,31,41,51,61,71,922,2

S12 (dB)-17,5-15,2-14,9-14,6-14,4-13,7-13,55-13,3-14,5-16,44

S22 (dB)-5,6-8,6-10-11,5-13,5-16,4-17,5-18,2-17,7-16,4

TOS==1.76avec

=0.275 en valeur naturelle pour f = 1GHz

Il faut galement noter que car (g = 0.

Ce TOS se rapproche de celui donn par le constructeur savoir 1.6 pour la bande [0.1;3GHz].

S21 est le coefficient de transmission. La contre raction traduit leffet inverse. Il sagira de S12, coefficient de transmission inverse.

%

Il ny a que 4.6% du signal rflchi qui revient sur la charge.

C. Etude haut niveau

Faute de temps cette partie na pu tre ralise.

IV. Conclusion

Les rsultats obtenus sont souvent suprieurs aux informations donnes par le constructeur: nos rsultats apparaissent donc tout fait correct.

Ce TP nous a aussi permis de nous familiariser avec le matriel HF: analyseur de rseaux scalaire, pont de mesure de TOS, dtecteur HF, source vobule

Enfin nous avons pu tre sensibilis limportance du calibrage lors de lutilisation dun banc dessai.

avec EMBED Equation.3 et EMBED Equation.3 coefficient de rflexion en entre et en sortie

Pour f=1.2 GHz G=9.5 dB

930 MHz (1.95-1.02)

TOS= EMBED Equation.3 =1.09

EMBED Excel.Chart.8 \s

IUP STRI 2eme anne: ADROIT Laurent, FOUQUES Fabrice

1

_1044622623.unknown

_1044622803.unknown

_1044623010.unknown

_1044623061.unknown

_1044647698.xlsGraph1

8.7-13.6-17.5-5.6

9.5-19.4-15.2-8.6

9.2-23.8-14.9-10

9.3-29.5-14.6-11.5

8.9-34-14.4-13.5

8.9-30.7-13.7-16.4

8.7-26.3-13.55-17.5

8.4-24.1-13.3-18.2

8.2-23.1-14.5-17.7

7.4-20.8-16.44-16.4

S21

S11

S12

S22

Frquence en GHz

dB

Paramtres S de l'amplificateur en fonction de la frquence

Feuil1

11.21.31.41.51.61.722.2

8.79.59.29.38.98.98.78.27.4

-13.6-19.4-23.8-29.5-34-30.7-26.3-23.1-20.8

f en GHzS11 (dB)S21 (dB)S12 (dB)S22 (dB)f en GHzS11 (dB)S21 (dB)

18.7-13.6-17.5-5.618.7-13.6

1.29.5-19.4-15.2-8.61.29.5-19.4

1.39.2-23.8-14.9-101.39.2-23.8

1.49.3-29.5-14.6-11.51.49.3-29.5

1.58.9-34-14.4-13.51.58.9-34

1.68.9-30.7-13.7-16.41.68.9-30.7

1.78.7-26.3-13.55-16.31.78.7-26.3

1.98.4-24.1-13.3-18.21.98.4-24.1

28.2-23.1-14.5-17.728.2-23.1

2.27.4-20.8-16.44-16.42.27.4-20.8

f en GHzS12 (dB)S22 (dB)

1-17.5-5.6

1.2-15.2-8.6

1.3-14.9-10

1.4-14.6-11.5

1.5-14.4-13.5

1.6-13.7-16.4

1.7-13.55-17.5

1.9-13.3-18.2

2-14.5-17.7

2.2-16.44-16.4

Feuil1

00

00

00

00

00

00

00

00

00

S11

S21

0000

0000

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0000

0000

0000

0000

0000

0000

0000

S21

S11

S12

S22

Frquence en GHz

dB

Paramtres S de l'amplificateur en fonction de la frquence

_1044622994.unknown

_1044622774.unknown

_1044622788.unknown

_1044622760.unknown

_1044612280.unknown

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