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.
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.
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.
ARD peut fournir des résultats sous forme de tableaux et de
graphiques (rectangulaires et polaires) pour :
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.
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 :
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.
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
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).
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
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).
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.
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.
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.
ARD est un programme conséquent et de ce fait requiert au minimum :
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.
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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