Filtre interdigital personnalisé (F1EBK)

Donnons la plume à Patrick, F1EBK, afin qu’il nous décrive son projet de filtre pour optimiser l’observation de la raie spectrale de l’hydrogène par le radiotélescope.

Je n’ai pas encore évoqué ce projet inclus dans le ‘Chant des étoiles’ car jusqu’à present tout c’est passé à l’Electrolab avec principalement Jean-Marie PATOU (qui est mon mentor en usinage), et un peu Yannick (F4HDA). Au sein de Dimension Parabole, je me suis contenté d’en parler un peu avec Rémi, et il m’avait paru favorable à la fabrication d’un filtre interdigital centré sur 1420 MHz avec un bande passante de 50MHz environ. Yannick ayant lancé de son côté la fabrication d’un filtre sur 435 MHZ (+/-5MHz) au sein de l’Electrolab, j’ai participé à la réalisation d’un prototype de filtre sur cette fréquence en espérant bien profiter de cette expérience pour réaliser notre filtre.

Calculs théoriques (https://www.changpuak.ch/electronics/interdigital_bandpass_filter_designer.php)

Modèle type de réalisation mécanique

Réalisation pratique

Voici quelques photos du ‘proto’ en PLA ! C’est juste pour donner une idée de ce qu’il faudra faire… Le fond a été réalisé en 2 parties car la pièce ne tenait pas sur l’imprimante 3D. Sur les copies d’écran, vous avez les deux pièces constituant les côtés avec le source OpenScad permettant de réaliser ces pièces. Au début du source (les 10 premières lignes), on trouve les paramètres donnés par le calculateur de filtre ainsi que les dimensions des éléments : – épaisseur des côtés. – Diamètre des vis de liaison. – Diamètre des vis des couvercles. Ces dimensions vont être modifiées pour le proto ‘métal’, car nous avons prévu de diminuer le diamètre des lignes à 8 mm au lieu de 12. D’autre part, l’épaisseur des côtés va passer de 12 mm à 20 mm car je n’ai pas trouvé de 12 mm chez WEBER Métaux.

Remarquez les cotes au 1/100e !

Le plan coté d’une des faces du filtre 1420MHz. Directement fourni par fusion 360.

Les mesures réalisées sur le proto ont été une véritable catastrophe, Yannick a décidé de simuler le filtre réalisé pour voir pourquoi nous étions aussi loin du résultat escompté. Sa simulation prenant beaucoup plus de temps que prévu, j’ai décidé avec Jean-Marie PATOU de réaliser un filtre beaucoup plus rigide… Sur 1420 MHz ! Dans un premier temps, j’ai réalisé un modèle en PLA sur l’imprimante 3D de F6KBF. Ce modèle, bien que réalisé en PLA est extrêmement rigide, ce qui augure bien pour la suite. Ce modèle représentant à l’échelle 1 un filtre sur 1420MHz (+/-50MHz), je comptais l’utiliser pour réaliser un filtre en aluminium + laiton à l’aide d’une fraiseuse à commande numérique ‘TOS’ disponible à l’Electrolab. Mais entre mon modèle réalisé avec OpenScad et la commande de la fraiseuse, il faut passer par un logiciel comme ‘Fusion 360’ pour fabriquer les fichiers de commande. J’avais réussi à importer mon modèle 3D dans Fusion 360, mais je me suis heurté à une levée de bouclier. Au sein de l’Electrolab, j’avais commis une sorte de crime de lèse majesté en essayant de commander une fraiseuse numérique à partir d’un modèle tout juste bon pour une impression 3D. Bien que l’importation ait réussi, je me suis donc formé sur ‘Fusion 360’ pour redéfinir le filtre interdigital. Comme pour mon modèle ‘OpenScad’, celui-ci est hautement paramétrable, et il peut aussi bien servir à fabriquer un filtre sur 1420MHz, qu’un autre sur 435MHz. J’ai donc avalé des heures de tutos sur Fusion 360, mais je suis tout juste capable des percer quelques trous taraudés dans les pièces. Enfin comme c’est un peu ce dont j’ai besoin, je ne me plains pas ! Aujourd’hui j’ai vu avec Ellyan (d’Electrolab) comment fixer les couvercles du filtre, et je dois dire que j’ai eu du mal à suivre ! Bref, aujourd’hui la réalisation d’un filtre interdigital sur une fraiseuse à commande numérique est toujours d’actualité, mais Jean- Marie PATOU voudrait bien savoir si le design utilisé va donner de meilleurs résultats que le premier proto (normal non ?). Il a donc été convenu que nous allions réaliser une second proto à partir de pièces de métal disponible au ‘lab, et sur des machines traditionnelles pour valider aussi bien le design que la réalisation. Donc si cette réalisation (manuelle) d’un filtre est un succès, nous allons avoir prochainement un filtre disponible pour la chaîne de réception. Je ne manquerai pas de vous tenir informés de l’avancement de cette réalisation. Pour le moment, rendez-vous a été pris le Jeudi 20 février pour les premiers usinages.

Analyse de la réponse du filtre en fréquence (lors de sa fabrication fin 2019)

Lundi 1er mars 2021 Patrick F1EBK / W6NE a pu se rendre à l’Electrolab (Nanterre) pour mettre au point le filtre 1420 MHz commencé il y a plus d’un an ! La veille Patrick avait repris les dimensions du filtre pour pouvoir calculer une variante de ce filtre avec des paramètres de base légèrement différents. Pendant le premier confinement, j’avais beaucoup discuté avec Bernard F6BVP et Jean-Marie PATOU et j’en était arrivé à la conclusion que le calculateur utilisé : https://www.changpuak.ch/electronics/interdigital_bandpass_filter_designer.php donnait des valeur erronées si on choisissait une ondulation de 0dB (ce qui déclenche le calcul d’un filtre Butterworth). J’avais calculé qu’un filtre Tchebychev avec une ondulation de 0,2dB ne provoquait pas de modifications fondamentales du filtre, mais seules 2 lignes devaient être déplacées de 1mm. Donc réalisable mécaniquement, mais j’ai eu peur de ne pas bien voir la différence à l’analyseur de réseau ! J’ai donc calculé un nouveau filtre avec une ondulation de 2dB, et j’ai trouvé que la longueur du filtre était augmentée de 6 mm, et 2 lignes devaient être déplacées de 3 mm chacune. Augmenter la longueur du filtre étant impossible, je me suis rappelé que la distance entre les lignes externes et le bord du filtre n’avait aucune influence ni sur les cotes du filtre, ni sur ses caractéristiques. Comme le filtre réalisé avait une distance de 25 mm entre les lignes et le bord, j’ai recalculé un filtre avec 22 mm. Le résultat est tombé : je pouvais réaliser un filtre avec 2dB d’ondulation dans le boîtier existant a condition de déplacer les lignes externes de 3 mm ! Cet après-midi, avec Jean-Marie, nous avons donc modifié le filtre existant. Après passage à l’analyseur de réseau (images en pièce jointe), nous avons constaté que : la fréquence centrale du filtre est sensiblement trop basse, mais la raie HI est largement à l’intérieur du filtre. L’ondulation dans la bande est de 3dB, mais je n’ai pas essayé de peaufiner les réglages ! L’atténuation hors bande à 50MHz de chaque fréquence de coupure est de l’ordre de 55dB (!) à 100MHz, elle est supérieure à 70dB (et nous sommes à la limite de l’appareil de mesure !). La perte d’insertion est de 1dB ce qui est beaucoup, mas je n’ai pas cherché à affiner les réglages. Je n’ai pas eu le temps de mesurer l’adaptation d’entrée (et de sortie). Faute de temps. Je pense essayer de régler la position des lignes pour une ondulation de 0.5dB (ce qui est possible avec la modif mécanique d’aujourd’hui).

Analyse de la réponse du filtre après les modifications qui ont réduit l’ondulation dans la bande passante

Mardi dernier, avec Jean-Marie PATOU, nous avons réalisé des trous oblongs destinés à déplacer les lignes extérieures de 3mm, et diminuer le couplage. Le détail de cette modification est visible en pièce jointe dans le fichier Détail_modif.jpg Aussitôt après, nous avons réalisé un réglage rapide ce qui nous a donné la courbe du document premier_réglage.jpg. Cette courbe montre une ondulation dans la bande d’environ 3dB, sensiblement supérieure à ce qui était attendu (2dB). Aujourd’hui, j’ai voulu essayer une position intermédiaire des lignes externes (au milieu de la plage de réglage) pour tenter de diminuer l’ondulation. Les résultats ont été décevants car le couplage est de nouveau trop important, et l’ondulation dans la bande augmente au lieu de diminuer (image Position_intermédiaire.jpg). Je suis donc revenu à la position de Mardi (lignes déplacées de 3mm), et j’ai essayé de régler les vis du filtre pour obtenir les meilleures caractéristiques possibles sur 1420MHz (sans trop se soucier de la forme générale du filtre). Le résultat est dans le fichier Vue_generale.jpg Sur ce document, on voit que l’atténuation hors bande augmente très rapidement pour atteindre plus de 70 dB à 100 MHz des fréquences de coupure du filtre. A ce niveau de réjection, nous sommes à la limite des possibilité de l’appareil ( apparition de bruit sur la courbe ). Ensuite, j’ai voulu faire un détail sur la partie ‘utile’ de la courbe, c’est à dire sur la région 1415-1425MHz qui montre une légère variation de la perte d’insertion. Les marqueurs ont été placés arbitrairement sur 1417 et 1423 MHz, mais en fait la région utile est centrée sur 1419.5 MHz et fait 5MHz de large. Enfin, dernière mesure, j’ai voulu vérifier l’adaptation d’entrée qui est visible sur l’image Adaptation.jpg. Sur 1420MHz, le RL n’est que de -16.4dB, ce qui n’est pas extraordinaire, mais sur la fréquence de 1420.4 MHz (fréquence nominale de la raie HI), l’adaptation est un peu meilleure (vers -18dB). En résumé, ce filtre n’est pas extraordinaire, mais c’est un rescapé ! Les calculs initiaux avec un filtre Butterworth ayant donné des dimensions erronées. Sa conversion en Chebyshev avec une ondulation dans la bande de 2dB a été l’occasion de diminuer le couplage entre les lignes. Mais les lignes centrales n’ont pas été retouchées, et les vis de réglage des lignes extérieures ne sont déjà plus tout à fait en face de la ligne correspondante. C’est ce qui m’a conduit a ne pas torturer plus ce filtre. Nous allons probablement réaliser un filtre 1296MHz en optant dès le départ pour un filtre Chebyshev (peut être avec une ondulation de 0.5dB ?). 73’s à tous.

Projet de filtre 1296 MHz

Voici les premiers éléments de calcul d’un filtre 1296 MHz basé sur le calculateur du site ‘Changpuak.ch’. J’ai évidemment tenu compte des résultats du filtre 1420 MHz, principalement le fait que les données d’un filtre Butterworth sont erronées. Principales modifications : – La bande passante a été réduite à 10MHz car la bande ‘utile’ ne dépasse pas 100 KHz ! – Le nombre de pôles à été réduit à 3, car la réjection hors bande était largement suffisante. Voici le résultat des calculs préliminaires :

Commentaires (personnels) : Ce filtre est beaucoup plus compact que le filtre 1420 MHz principalement du fait du nombre réduit de pôles, mais aussi par la diminution de la distance entre les lignes extérieures et le bord du filtre. Son coefficient ‘Q’ est beaucoup plus élevé (111 contre 25). L’utilisation d’un filtre 3 pôles laisse espérer la présente d’un pôle sur la fréquence de 1296 MHz (fréquence utile), et 2 pôles répartis de part et d’autre. La réalisation de ce filtre est prévu sur une fraiseuse à commande numérique à partir des plans déjà réalisés avec le logiciel ‘FUSION 360’. La partie usinage de ce logiciel restant à renseigner en fonction des éléments fournis par Zenos (principalement outils disponibles, vitesse de coupe, vitesse d’avance). Zenos a préconisé que cette réalisation soit faite sur un support MDF (de 10 ou 15mm), la pièce à usiner étant collée sur ce support. Ce support étant détruit pendant les phases de contournement de la pièce. Ces supports seront fixés sur la table de la CNC par des Vis (diamètre à vérifier) espacées de 80mm.

19-04-2021

Patrick F1EBK assisté de Jean-Marie PATOU a remis son ouvrage sur le métier. Plusieurs étapes ont été nécessaires. Après les calculs théoriques du filtre 1296 MHz, programmation des dimensions de la pièce sur ‘FUSION 360’ et passage des coordonnées des trous à percer au logiciel de commande de la perceuse numérique.

Voici la vidéo d’usinage du filtre 1296MHz. Dans celle-ci, la fraiseuse réalise des trous de diamètre 5,1mm pour les vis de liaison avec les autres côté du filtre ainsi que pour les vis de fixation des lignes.