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Simulation Electronique pour le Radioamateur

Note : ARRL Radio Designer (ARD) n'est plus vendu. Ce produit pourtant aussi fascinant qu'utile n'a, je pense, pas rencontré le succès escompté. Cette page reste cependant disponible, d'abord parce que je suis sûr que de nombreuses copies de ce programme sont toujours en existence, puis par intérêt général (je n'ose pas dire historique). L'entreprise ayant initialement créé ARD, a été rachetée par ANSOFT, qui offrait une version étudiante de la version « moderne » de SuperCompact (Ansoft Designer SV), le produit dont était dérivé ARD. Finalement ANSOFT a été racheté pas ANSYS, et il semble que ce simulateur n'existe plus (en tous cas dans sa version gratuite).

1 ARRL Radio Designer

1.1 Présentation

Dérivé d'un produit commercial (Super-Compact) vendu plus de US$ 6000.-, ARRL Radio Designer ou ARD a été présenté pour la première fois dans QST (mensuel de l'ARRL) d'octobre 1994. ARD a été introduit dans le but de stimuler l'expérimentation par les radioamateurs, mais aussi parce que l'usage des ordinateurs dans tous les domaines du radioamateurisme se confirme à chaque occasion. Etant donné que de plus en plus de radioamateurs possèdent un ordinateur personnel, et que les performances de ces derniers ont souvent peu à envier à ceux utilisés par les professionnels, il y fort à parier que ARD va trouver un certain succès auprès des radioamateurs parmis les plus férus de technique et de construction.

1.2 ARD : Principales fonctions


1.3 Limitations

ARD ne comporte pas d'éditeur de schéma, cela implique que le circuit à analyser doit être décrit pour ARD à l'aide d'un fichier texte. Ceci est en fait une limitation mineure, sauf pour les schémas les plus complexes, car l'utilisation d'un éditeur de schéma n'est pas toujours aisée, et son adjonction dans ARD aurait singulièrement augmenté la taille, la complexité et le coût du programme.

ARD est limité à des simulations linéaires; cela implique qu'il ne peut pas analyser des circuits en grands signaux, tels les étages de sortie d'un émetteur, ou un changeur de fréquence par exemple.

ARD étant essentiellement un simulateur dans le domaine fréquentiel, il est quelque peu limité pour les analyses dans le temps.

La dernière limitation de ARD, en contradiction avec ce qui a été dit à la page précédente sur les simulateurs fréquentiels, est son incapacité à simuler des circuits en très haute fréquence. En effet, au delà du GHz, approximativement, les éléments à modéliser (résistances, condensateurs, etc.) ne se comportent plus du tout comme tels, et il faut tenir compte de phénomènes parasites, il en va de même pour toute structure métallique (telle une simple piste de circuit imprimé) qui se transforme par exemple en circuit résonnant ou tout au moins en ligne de transmission. ARD n'étant pas à même de modéliser ces éléments en très haute fréquence, ils ne peuvent pas être simulés avec précision.

1.4 Format et entrée du netlist

Puisque ARD ne comporte pas d'éditeur de schéma, le netlist doit être entré au moyen d'un éditeur de texte ; il en existe de nombreux, par exemple Notepad fourni avec Windows mais qui représente le minimum absolu de ce que l'on peut attendre d'un éditeur de texte. Plusieurs rubriques sont à placer dans le netlist, entre autre le titre, la description du circuit, et une commande déterminant le genre de simulation à effectuer. La description du circuit consiste en deux opérations simples, la numérotation des noeuds du circuit, comme ci-dessous, et la description des éléments entre ces noeuds :

IND  1 2  L=90nH
CAP  2 0  C=20pF 
IND  2 3  L=140nH

Où CAP indique un condensateur et IND une inductance. Après l'adjonction de quelques lignes de commande, le netlist est prêt. Voir plus loin pour un exemple de simulation de ce circuit.

Schema LPF

1.5 Formats de sortie

ARD peut fournir des résultats sous forme de tableaux et de graphiques (rectangulaires et polaires) pour :


1.6 Optimisation

ARD renferme plusieurs fonctions intéressantes, mais l'une des plus utile est peut-être la fonction d'optimisation. En partant de valeurs approximatives, ARD est capable de déterminer la valeur exacte des composants d'un circuit pour obtenir les performances demandées. En fait, les valeurs des inductances de l'exemple ci-dessus ont été déterminées par ARD lors de la préparation de cet exemple.

1.7 Support

Le programme ARD est fourni avec plusieurs exemples, qui servent de tutorial pour l'apprentissage de son utilisation. De plus certains numéros de QST présentent quelques exemples de simulation et d'optimisation, et l'ARRL publie de temps à autre des exemples et articles qui font appel à ARD.

Les quelques articles suivants ont été publiés il y a déja quelques années et sont utiles à la mise en oeuvre initiale de ARD, car ils fournissent de bons exemples de son utilisation :

2 Exemple No 1 : Quartz

Voici deux petits exemples de simulation, le premier pour montrer la réponse d'un quartz, et le second démontrant les possibilités d'optimisation de ARD.

Schema Quartz Equivalent

2.1 Netlist

Voici, avec quelques commentaires, le netlist qui a permis de produire le graphique ci-dessous et qui représente le schéma ci-dessus équivalent à un quartz :

******************************************
* Quartz 10 MHz   Zin et Zout  12.5 ohms *
******************************************
BLK
RES 1 3 R=20OH ;Résistance de perte
CAP 1 2 C=5PF  ;Capacité parallèle
IND 3 4 L=5mH  ;Inductance équivalente
CAP 4 2 C=56fF ;Capacité série (56 femto-farad)
XTAL: 2POR 1 2 ;bornes du quartz
END
FREQ           ; fréquences de simulation
ESTP 9.45MHZ 9.65MHZ 511
END

Quartz S-parm

2.2 Simulation et résultats

En quelques dizaines de secondes, ARD est prêt à afficher les résultats. Voici le graphique de l'amplitude (ligne rouge, échelle de gauche) et de la phase (ligne bleue, échelle de droite) du paramètre S21 qui représente la sortie du circuit en fonction de son entrée. On note la première pointe dans la réponse vers 9,51 MHz, avec un déphasage de 0 degré qui correspond à la résonance série du quartz; vient ensuite le creux vers 9,56 MHz aussi associé à un déphasage de 0 degré, qui correspond à la réponse parallèle du quartz.

Note : le circuit est configuré de telle façon que le signal est injecté entre la borne 1 et la masse, et mesuré entre la borne 2 et la masse. La source et la charge sont de 12,5 ohms. Le quartz est donc l'élément de transmission entre la source et la charge.

Les paramètres-S indiquent une atténuation très faible pour la résonance série, c'est pourquoi l'indication est proche de zéro à la fréquence série et atteint -85 dB à la fréquence parallèle, le quartz se comportant alors comme un circuit bouchon (trappe).

3 Exemple No 2: optimization d'un circuit d'adaptation d'impédance

3.1 Netlist

Ici le schéma est celui du paragraphe 1.4 ci-dessus, mais la valeur des deux inductances n'est pas connue; ainsi dans le netlist ci-dessous, on constate que leur valeur est désirée entre 20 nH et 1 µH, en commençant par une valeur de 200 nH.

***********************************************
* T network antenna tuner                     *
* Optimisation pour une entrée de (20,0) ohms *
***********************************************
*
BLK
  IND 1 2 L=?20NH 200NH 1000NH? ; à optimiser
  CAP 2 0 C=20PF                ; capa fixe
  IND 2 3 L=?20NH 200NH 1000NH? ; à optimiser
  RES 3 0 R=50            ; Ceci est la charge
  ONEPORT:1POR 1
END
*
FREQ                  ; fréquences pour graphique
  STEP 100MHZ 200MHz 1MHz
END
*
OPT
  ONEPORT
  F=145MHZ       ; optimisation a 145 MHz
  RZ11=20        ; pour une source de 20 ohms
  IZ11=0
  TERM=1E-4      ; erreur résiduelle acceptable
END

3.2 Simulation et résultats

Après quelques secondes seulement, le résultat est disponible, ARD fournit les valeurs suivantes :

  IND 1 2 L=91.3346NH 
  IND 2 3 L=138.051NH

Afin de vérifier ce résultat, voici le graphique du paramètre Z11 qui représente l'impédance (complexe) d'entrée du réseau. On constate qu'à 145 MHz, l'impédance est bien de 20 ohms résistifs (Le trait rouge - amplitude passe par 20 et le trait bleu - phase passe par zero).

LPF Z-resp pol

L'échelle de gauche et le trait rouge représentent la partie résitive de l'impédance d'entrée. Pour 145 MHz, l'impédance est effectivement de 20 ohms. L'échelle de droite et le trait bleu représentent la phase de l'impédance d'entrée. Pour 145 MHz, cette dernière est effectivement nulle. On reste donc avec une impédance résistive de 20 ohms. Ceci est une représentation 'polaire' de l'impédance d'entrée. Il est aussi possible d'obtenir une représentation 'rectangulaire' de cette impédance ; c'est ce qui est représenté ci-dessous.

LPF Z-resp rect

On voit ici que la partie réelle de l'impédance passe par 20 ohms pour 145 MHz et que pour cette fréquence, la partie réactive (imaginaire) de l'impédance est de zéro.

4 ARD information

4.1 Manuel

Le manuel fournit avec ARD est un livre de 400 pages, dont à peu près la moitié consiste en un manuel de référence, alors que la première partie, contient le tutorial, ainsi que des indications sur l'emploi du programme avec l'interface Windows.

Seul réel inconvénient, mais probablement de taille pour certains, est la langue anglaise, dans laquelle sont écrits le livre et les interfaces utilisateur du programme.

4.2 Capacité du système ordinateur

ARD est un programme conséquent et de ce fait requiert au minimum :

4.3 Commande

ARRL Radio Designer peut être commandé auprès de l'ARRL (No. de commande 6796) pour US$ 150.- (plus frais d'envois et de TVA à l'arrivée en Suisse ou en Europe).
Note : ARRL Radio Designer (ARD) n'est plus disponible.

Il n'est bien entendu pas nécessaire d'être membre de l'ARRL, ni d'ailleurs Radioamateur, pour commander ARD.

4.4 Conclusion

Le monde des Radioamateurs dispose maintenant avec ARD, d'un outil de simulation fréquentiel performant, et il y a fort à parier que ce n'est que le premier. D'autres simulateurs existent déjà, tels SPICE et ses dérivés, dans le domaine temporel, qui permettent de compléter la panoplie de simulation disponible. Avec l'engouement actuel pour les ordinateurs, peut-on espérer par ce biais une relance du homemade par les OM ?


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