harmonique radio

par **Mhz** Jeu 25 Juil - 21:41

En radio, un harmonique est un signal à une fréquence qui est un multiple entier de la fréquence fondamentale.
Par exemple, si la fréquence fondamentale est de 50 Hz, l'harmonique de rang 3 a une fréquence de 150 Hz, l'harmonique de rang 5 a une fréquence de 250 Hz, et ainsi de suite.

Introduction aux harmoniques dans les systèmes RF
Les harmoniques jouent un rôle crucial dans la compréhension du comportement des systèmes non linéaires, en particulier dans le domaine de la RF (radiofréquence). Pour ceux qui naviguent dans une carrière en RF, la nécessité de mesurer les harmoniques est inévitable. Dans cette exploration, nous allons nous plonger dans les principes fondamentaux des harmoniques et examiner les méthodes de leur mesure. Généralement exprimée en dBm, la puissance des harmoniques peut varier dans la représentation, mais est fondamentalement enracinée dans les effets non linéaires au sein d'un système. Ces effets sont souvent attribués à des charges non linéaires ou à des cas où la sortie tension/courant s'écarte de la linéarité. Dans les systèmes linéaires, la présence d'harmoniques est négligeable. Alors, à quoi ressemblent exactement les harmoniques ?
Elles reflètent la fréquence fondamentale et se manifestent sous forme de multiples de celle-ci. Par exemple, si la fréquence fondamentale est fixée à un gigahertz, la première harmonique se produira à 2 GHz, suivie des harmoniques suivantes à 3 GHz, 4 GHz, 5 GHz, etc. De plus, la puissance d'une harmonique diminue en amplitude à mesure que sa fréquence augmente.
Les harmoniques peuvent également être évaluées en termes de puissance relative, exprimée en dBc, qui désigne la différence de puissance entre le ton fondamental et son harmonique correspondant. Divers composants contribuent à la génération d'harmoniques, notamment les transistors, les amplificateurs de puissance, les commutateurs, les oscillateurs contrôlés en tension (VCO), les mélangeurs, les alimentations à découpage et certains dispositifs passifs magnétiques. La compréhension de ces éléments est essentielle pour une analyse harmonique efficace dans les systèmes RF.

Maintenant que nous avons une idée de ce que sont les harmoniques, explorons les méthodes employées pour les mesurer. Dans l'image et le graphique puissance/fréquence ci-joints, nous observons le ton fondamental désigné par fc, présentant un niveau de puissance nettement plus élevé par rapport à ses harmoniques. Comme mentionné précédemment, les niveaux de puissance des harmoniques diminuent avec l'augmentation de la fréquence. Le premier harmonique (fh1) est illustré avec un niveau de puissance inférieur et sa fréquence est deux fois supérieure à celle de la fréquence fondamentale. Le deuxième harmonique (fh2) se produit à trois fois la fréquence fondamentale, avec une baisse supplémentaire de puissance.

Pour mesurer les harmoniques, une configuration telle que celle illustrée ici peut être utilisée. Il est essentiel de noter qu'un capteur de puissance, comme illustré, n'a pas la capacité de faire la distinction entre les fréquences dans un large spectre. Il fournit la lecture de puissance totale sans spécifier la puissance de sortie pour chaque tonalité individuelle. Supposons que votre source RF soit l'entrée d'un amplificateur de puissance, un générateur d'harmoniques commun. Dans ce scénario, un atténuateur précède l'amplificateur de puissance, remplissant deux fonctions : atténuer le signal s'il est trop fort et présenter un coefficient de réflexion favorable à l'amplificateur de puissance.
Le signal se divise ensuite en deux chemins à l'aide d'un répartiteur de puissance. Le premier chemin intègre des atténuateurs et un commutateur, tandis que le second chemin comprend un filtre passe-haut et une autre partie du commutateur. Le commutateur alterne entre ces chemins, permettant au capteur de puissance d'en lire un seul à la fois.

L'inconvénient des capteurs de puissance est leur niveau de bruit élevé, ce qui incite à envisager des alternatives telles qu'un analyseur de spectre. L'analyseur de spectre offre un niveau de bruit plus faible et des capacités de mesure des harmoniques améliorées. Dans les deux cas, lorsque les deux chemins sont utilisés, le premier chemin, passant par des atténuateurs, est dédié à la mesure de la fréquence fondamentale. Cela permet non seulement de mesurer la puissance fondamentale, mais également d'atténuer les harmoniques à un niveau où elles ne sont plus significatives pour la puissance globale. L'inclusion d'atténuateurs dans ce chemin garantit que les tonalités telles que fh1 et fh2 peuvent devenir imperceptibles, ne laissant que la fréquence fondamentale fc.

Amélioration du coefficient de réflexion dans la configuration de mesure harmonique

Poursuivons notre exploration des configurations de mesure des harmoniques et examinons le placement stratégique d'un atténuateur après l'amplificateur de puissance (PA) pour un coefficient de réflexion amélioré. L'amplificateur de puissance est généralement adapté à une impédance caractéristique, souvent de 50 ohms.
Cependant, de nombreux filtres, y compris les filtres passe-haut couramment utilisés, sont de nature réfléchissante.
En d'autres termes, ils réfléchissent la puissance à leurs fréquences d'entrée au lieu de les bloquer complètement. Lorsque la fréquence fondamentale atteint le filtre passe-haut, elle subit une réflexion.

C'est ici que l'atténuateur post-PA devient crucial. Si, par exemple, le signal a été atténué de 10 dB lors du passage initial à travers l'atténuateur, même lorsqu'il est réfléchi et revient, il a déjà perdu une quantité importante de puissance. Maintenant, lorsqu'il rencontre le filtre réfléchissant, malgré la possibilité qu'une certaine puissance soit réfléchie, l'atténuateur agit une fois de plus pour atténuer le signal. Au total, il y a une atténuation cumulative de 20 dB.
Cette utilisation stratégique de l'atténuateur crée une illusion pour l'amplificateur de puissance, lui donnant l'impression qu'il présente un coefficient de réflexion très favorable et atténuant l'impact des ondes réfléchies par la charge. Cette approche nuancée permet d'obtenir des mesures harmoniques plus précises et plus fiables dans les systèmes RF.

Configuration de mesure harmonique optimale pour les DUT sensibles

Pour illustrer une approche différente de la mesure des harmoniques, considérons une configuration comprenant une source RF, un dispositif sous test (DUT), un coupleur, un wattmètre et un analyseur de spectre. Certains DUT, tels que les amplificateurs de puissance, sont très sensibles à la charge qu'ils rencontrent. Contrairement à l'exemple précédent avec un filtre réfléchissant, le coupleur et le wattmètre dans ce scénario sont tous deux configurés pour correspondre à l'impédance caractéristique de 50 ohms. Cela garantit que le DUT perçoit une charge de 50 ohms à sa sortie.

Ce réglage est essentiel car une partie de la puissance réfléchie par des composants tels que les filtres dans l'exemple précédent pourrait entraîner une altération de l'impédance de charge, ce qui pourrait entraîner des inexactitudes dans les mesures de puissance. En maintenant une impédance constante de 50 ohms tout au long de la configuration, les problèmes potentiels de sensibilité de charge sont atténués. Dans cette configuration, le coupleur permet à une partie de la puissance d'être couplée via son port de couplage et d'être introduite dans un analyseur de spectre. Cette configuration permet une mesure précise des harmoniques, offrant une représentation plus précise des performances du DUT.
Notamment, cette approche minimise les réflexions dans le trajet direct, garantissant que les mesures de l'amplificateur de puissance reflètent ses véritables caractéristiques de puissance.

Pour un contrôle et une personnalisation supplémentaires, un filtre passe-haut peut être introduit dans le chemin couplé, ce qui permet d'affiner davantage la mesure harmonique. De plus, si nécessaire, un atténuateur peut être placé stratégiquement entre le DUT et le coupleur pour optimiser les niveaux de puissance et améliorer la fiabilité globale des mesures harmoniques. Cette configuration adaptable constitue une solution polyvalente, particulièrement avantageuse lorsqu'il s'agit de DUT sensibles qui exigent des mesures précises et sans artefacts.

Conclusion:

En conclusion, il est impératif pour les professionnels qui naviguent dans le paysage complexe des systèmes RF de comprendre et de mesurer avec précision les harmoniques.
Les harmoniques, qui proviennent souvent d’effets non linéaires dans les systèmes, présentent des défis et des opportunités pour une évaluation précise.
Qu’il s’agisse d’utiliser des configurations avec des filtres réfléchissants et des atténuateurs stratégiques ou de configurer des configurations adaptées en impédance avec des coupleurs et des analyseurs de spectre, les nuances des mesures harmoniques nécessitent une attention particulière.
Le placement stratégique des composants, tels que les atténuateurs et les filtres passe-haut, joue un rôle essentiel dans l’optimisation de la précision des mesures, en particulier lorsqu’il s’agit de dispositifs sensibles sous test (DUT). À mesure que nous naviguons dans les complexités des configurations de mesure des harmoniques, il devient évident qu’une approche sur mesure, prenant en compte les caractéristiques du DUT et les résultats de mesure souhaités, est essentielle.
En adoptant des configurations polyvalentes et en exploitant des outils avancés tels que les analyseurs de spectre, les professionnels peuvent garantir des mesures harmoniques fiables et perspicaces, contribuant ainsi à la robustesse et à l’efficacité des systèmes RF.
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