Création d’un bon filtre RF pour SA868 de manière itérative

Première publication le jeu. 11 mai 2023

J’ai découvert il y quelques mois le module SA-868 de NiceRF. Ce petit module est un module talkie-walkie pour de fréquences VHF (il existe également une version UHF) plutôt sympa et qui peut se piloter avec n'importe quel microcontrôleur de type Arduino ou STM via une connexion série. Je l’utilise avec un Arduino Nano pour faire les premiers tests de pilotage.

Je ne parle pas dans cet article de comment piloter ce module TRX ; je parlerais plus tard du projet général sur lequel je travaille et qui est centré dessus. Ici, je parle du filtrage nécessaire avant d'émettre avec. Je savais déjà que le signal de sortie n’était pas très propre, je voulais confirmer cela par la mesure et l’objectif de ce billet est de présenter les différentes étapes du raisonnement amenant à l’usage d’un filtre adapté pour ce module.

Mesure du spectre en émission du module

Cette première étape consiste à réaliser la mesure du spectre d'émission en utilisant mon petit Geekcreit LTDZ et le logiciel SNASharp de David F4HTQ. Comme il est possible de l’observer dans l’image ci-dessous, le signal n'est pas vraiment propre du tout... On voit bien la fondamentale à 144Mhz mais on observe également une très importante seconde harmonique autour de 280MHz, qui est tout juste 5dB inférieure par rapport à la fondamentale et une f3 autour de 440MHz.

sa868-spectre-emission

Bref, avant de mettre une antenne au bout de ce module et d'émettre, il va falloir nettoyer le signal émis en le filtrant correctement, notamment l’harmonique à 280MHz qui est totalement hors bande radioamateur autorisée. Il faudra également prendre en compte tant que faire ce peu d’avoir un impact réduit sur la puissance d’émission.

Premier test, un filtre passe bas

Ma première idée est partir avec un filtre passe bas plutôt simple et de couper tout ce qui est après 160Mhz. Mon choix s’est porté sur le filtre de type Tchebitchev de 5ème ordre ci-dessous. La simulation est bien comme première validation théorique de la solution, cependant il faut mieux confirmer cela par l’étape pratique.

filtre_tchebitchev_ordre5

On passe donc en mode fabrication d’un prototype afin de vérifier le résultat via les mesures en utilisant le LDTZ et observable ci-dessous. Pour ce prototype j’ai utilisé le même mode de fabrication que pour mon filtre coupe-bande FM. Cela présente des points négatifs, je ne maîtrise pas l’impact de ce PCB de fortune, cependant cela permet une première validation d’un concept. Attention, dans certains cas, cette étape n’est pas possible du tout.

Je mesure le filtre seul avec le LDTZ et je reprends la courbe bleu qui représente le signal d’émission. La mesure du filtre passe bas est la courbe verte.

lpf_v1_TRX

On peut observer que la fréquence de coupure est trop haute, Le signal commence déjà à être coupé à partir de 150MHz, autour de la fondamentale et l’atténuation à 280MHz n’est que de 13-14dB, l’harmonique à filtrer nécessite plus de 20dB d’atténuation. Ce filtre n’est donc pas efficace et ce même en jouant avec l’écartement des bobines.

Deuxième test, notch ou coupe bande ?

J’étais partir au départ sur un filtre passe bas classique en me disant que cela fonctionnerait tout de suite et nous avons pu observer que ce n’était pas le cas. Après cette première tentative infructueuse, j'ai décidé de changer de fusil d'épaule et de partir sur un filtre notch avec pour but de complètement décimer cette F2. En pensant que je trouverais une solution pour F3 par la suite.

Me voilà donc reparti sur le design.

theorie_notch_440MHz_v2

La simulation du nouveau filtre en utilisant LTSpice et en comparant avec filtre passe bas du premier test. L'effet sur l’harmonique ciblé est clairement très important.

simulation_lpf_notch

Il faudrait également couper F3, un autre notch serait possible, en théorie. J’avais en premier lieu tenter de réaliser un filtre notch qui couperait à 440MHz avec des fréquences hautes et basses de coupures très proches à 10MHz, ce qui ferait un filtre très très précis… Vraiment trop précis car il faudrait utiliser des condensateurs de valeurs inférieures à 1pF… de l’ordre de 370 femto Farad ! C’est trop peu et cela tire sur les limites physiques de ce composant, avec tous les effets de bords possible associé !

theorie_notch_440MHz_femtofarad

Faire 2 filtres notch m’aurait demandé de réaliser 6 bobines différentes. Avec tous les effets induits, j’abandonne l’idée du notch et je bascule plutôt vers un coupe bande qui engloberait les 2 fréquences harmoniques à 280MHz et à 440MHz et je suis arriver au résultat suivant en simulation.

simulation_coupe_bande

Le fer à souder est à nouveau chaud et prêt pour la fabrication du prototype de nouveau filtre. Pour rappel, j’avais mesuré indépendamment mon premier filtre passe bas. Dans le graphique ci-dessous, on observe le signal d’émission mesuré après être passé dans le filtre coupe bande fabriqué. Le résultat est sans appel et ces mesures parlent d’elles-mêmes, ce coupe bande n’est pas assez fort pour casser l'harmonique à 280MHz....

trx_with_cutband_filter

Je réalisais moi-même les bobines et il est plutôt difficile d’arriver aux bonnes valeurs théoriques utilisées lors des simulations, cela impacte les résultats.

Troisième test, un filtre passe bas de grand ordre

Contrairement aux passe-bandes et coupe-bandes qui sont rapidement difficile à calibrer, un filtre passe bas ou un passe haut sans cellule résonnante (comme dans l'elliptique) est plus simple à réaliser. Je reviens donc à mon idée initiale mais en augmentant l’ordre. Plus l’ordre est important plus, un « mur » sera observé sur le spectre de fréquence.

Le nouveau filtre est dans LTSpice et la simulation se veut confirmer l’effet désiré.

lpf_v2_TRX

Je vais passer à la phase de fabrication, mais ce coup-ci, j’ai décidé de changer mon fusil d’épaule. Je travaille en effet sur un PCB qui intégrera ce filtre. J’en parlerais plus en détails dans un prochain article.

Réaliser le bon filtre n'est pas la tâche la plus simple. Ces différentes étapes m’ont permis d’en apprendre un peu plus sur les filtres. La simulation c’est bien mais le comportement réel peut être très différent au final... Ce paramètre est clairement à prendre en compte. Ma méthodologie est assez basique et ne prend par exemple pas en compte certains aspects comme l'ESR, SRF (self resonnance frequency) et ESL des condensateurs qui peuvent avoir un impact sur le filtre. Affaire à suivre !

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