Aujourd’hui, les circuits imprimés radiofréquences (RF) sont intégrés dans une grande variété de produits commerciaux. La plupart de ces produits sont des appareils sans fil portatifs destinés à des applications médicales, industrielles et de communication. Il peut également s’agir d’applications qui migrent des modèles statiques vers des unités de communication portables. D’où l’importance de comprendre la conception des circuits imprimés radiofréquences.
Les défis de la conception de circuits imprimés RF
Les concepteurs de circuits imprimés sont confrontés à de nombreux défis lorsqu’ils conçoivent des cartes RF. Parmi eux, il y a quatre principaux facteurs :
- La radiofréquence est beaucoup plus sensible au bruit, ce qui entraîne des perturbations qui doivent être traitées avec le plus grand soin.
- L’adaptation de l’impédance est extrêmement critique pour les radiofréquences. Plus la fréquence est élevée, plus la tolérance diminue. En pratique, le contrôle d’impédance est nécessaire seulement si la longueur totale de la piste entre le pilote et le récepteur est supérieure à 1/16e de la longueur d’onde du signal (1/16e de la longueur d’onde = la longueur critique du signal). Par exemple, si vous acheminez un signal de 1 GHz et que sa longueur totale est supérieure à 10.795 mm, cette piste doit être contrôlée par impédance.
- La perte de retour doit être minimisée. Aux très hautes fréquences micro-ondes, le signal de retour emprunte le chemin de moindre inductance. Par conséquent, sans une bonne conception des circuits imprimés, le signal de retour passera par des plans de puissance, par les multicouches d’un circuit imprimé ou par un autre chemin, et il ne s’agira plus d’un signal contrôlé par l’impédance.
- La diaphonie est un problème majeur dans les conceptions à haute fréquence. En effet, la diaphonie est directement proportionnelle aux taux de front de la ligne active. Dans ce cas, l’énergie couplée de la ligne active se superpose à la ligne victime. Lorsque la densité des cartes augmente, le problème de la diaphonie devient plus critique.
Qu’est-ce que la radiofréquence ?
La gamme de fréquences RF s’étend généralement de 300 kHz à 300 GHz, et les conceptions supérieures à 300 kHz sont considérées comme RF. La gamme de fréquences des micro-ondes correspond à tout ce qui est supérieur à 300 MHz. Il existe une différence considérable entre les circuits RF et micro-ondes, et les circuits numériques et analogiques typiques. Par essence, les signaux RF sont des signaux analogiques à très haute fréquence donc, contrairement au numérique, à tout moment, un signal RF peut se trouver à n’importe quel niveau de tension et de courant entre les limites minimales et maximales. En outre, une bande de signal peut être très étroite ou très large, et transportée par une onde porteuse à très haute fréquence.
En bref, la conception de circuits imprimés RF est très différente et difficile, par rapport à celle des cartes de signaux numériques à grande vitesse.
Solutions de conception de circuits imprimés RF
Bruit
Une terminaison correcte du signal peut résoudre le problème de la réflexion ou de la résonance. Une autre solution consiste à optimiser le chemin de retour avec une mise à la masse appropriée.
Adaptation de l’impédance
Par exemple, le concepteur du circuit imprimé doit maintenir l’impédance à 50 ohms – 50 ohms à l’extérieur du pilote, 50 ohms pendant la transmission et 50 ohms dans le récepteur.
Perte de retour
Les plans de masse situés sous les signaux sont efficaces pour fournir ce chemin. Par conséquent, il ne doit pas y avoir de discontinuités dans le plan de masse sous le signal tout au long du trajet entre le pilote et le récepteur. Les plans de masse permettent de minimiser non seulement les courants de boucle de masse, mais aussi les fuites de radiofréquences dans les éléments du circuit.
Diaphonie
Laissez toujours un espace suffisant autour de la piste du signal pour que les courbes soient fluides et que le signal RF soit isolé. Veillez à ce que toutes les pistes sortant ou entrant dans les modules d’émission et de réception soient aussi petites que possible. Les signaux à grande vitesse doivent être acheminés le plus loin possible les uns des autres. La distance entre les lignes parallèles les unes aux autres doit également être réduite au minimum. Toutes les mesures ci-dessus réduiront la proximité des deux lignes et la distance sur laquelle les deux lignes sont parallèles l’une à l’autre, réduisant ainsi la diaphonie.
D’autres solutions consistent à réduire l’espacement diélectrique entre la ligne et son plan de référence ou à introduire une structure coplanaire, où un plan de masse est inséré entre les traces. La terminaison de la ligne sur son impédance caractéristique peut également réduire la diaphonie jusqu’à 50 %.
Éviter les pertes
Outre les facteurs susmentionnés, il existe également d’autres pertes de signal. La première est la perte par effet de peau d’un signal, en particulier la perte par effet de peau sur la trace d’un signal.
La perte diélectrique va de pair avec la perte par effet de peau car toutes deux peuvent être créées à des fréquences extrêmement élevées, ce qui se produit lorsque des électrons circulent dans un conducteur. Ils rebondissent avec les électrons sur le substrat du circuit imprimé FR4, par exemple. Au cours de cette interaction, une partie de l’énergie des électrons circulant dans un conducteur est transférée aux électrons sur le FR4. Par conséquent, cette énergie est convertie en chaleur, puis perdue, et une perte diélectrique est créée.
Dans ce cas, pour les circuits micro-ondes à très haute fréquence, il est préférable d’utiliser du polytétrafluoroéthylène Téflon, connu dans l’industrie sous le nom de matériau PTFE. Ces stratifiés ont un facteur de dissipation d’environ 0,001 (comparé au facteur de dissipation de 0,02 du FR4). Deuxièmement, l’utilisation d’une finition or sans nickel sur les circuits imprimés radiofréquences peut réduire considérablement les pertes de peau.
Propriétés des matières
Lors de l’utilisation de circuits RF, le concepteur doit tenir compte des propriétés du stratifié, telles que le facteur de dissipation et la valeur de la constante diélectrique (Dk) et ses variations. Le FR4 a un facteur de dissipation plus élevé que les stratifiés haute fréquence tels que Rogers et Nelco. Cela signifie que les pertes d’insertion sont beaucoup plus élevées lorsque l’on utilise du FR4.
Ces pertes sont également fonction de la fréquence et augmentent à mesure que la fréquence augmente. Deuxièmement, la valeur Dk du FR4 peut varier jusqu’à 10 %. Cela fait varier l’impédance. Les stratifiés haute fréquence ont des propriétés de fréquence plus stables.
Enfin, il y a la valeur Dk elle-même. Lorsqu’il s’agit de circuits micro-ondes, la valeur Dk est liée à la taille des éléments du circuit, de sorte que le concepteur peut être en mesure de réduire la taille du circuit en choisissant un stratifié ayant une valeur Dk plus élevée.
Conseils aux concepteurs pour la conception de circuits imprimés RF
Afin d’obtenir une conception plus raisonnable et une meilleure capacité anti-interférence pour les circuits imprimés à haute fréquence (circuits imprimés RF à micro-ondes), l’ingénieur concepteur doit tenir compte des conseils suivants :
- Utiliser la couche intérieure comme couche de mise à la masse de l’alimentation, ce qui aura pour effet de blinder et même de diminuer l’inductance parasite, de raccourcir la longueur du fil de signal et de réduire les interférences croisées entre les signaux.
- Le circuit doit être tourné avec un angle de 45 degrés, ce qui permet de réduire l’émission de signaux à haute fréquence et le couplage entre eux.
- Plus la longueur du circuit est courte, mieux c’est.
- Moins il y en a, mieux c’est pour les trous de passage.
- La disposition entre les couches doit se faire dans le sens vertical, la couche supérieure dans le sens horizontal et la couche inférieure dans le sens vertical, ce qui permet de réduire les interférences entre les signaux.
- Augmenter la quantité de cuivre sur la couche de masse pour réduire l’interférence des signaux.
- L’utilisation d’un boîtier pour les traces de signaux importantes peut évidemment améliorer la capacité anti-interférence des signaux. Bien sûr, nous pouvons également emballer les sources d’interférence pour éviter les interférences avec d’autres signaux.
- La disposition des traces de signaux doit éviter les boucles, mais doit être conforme à la liaison chrysanthème.
- Dans la section de puissance du circuit intégré, le condensateur de découplage de pontage.
Les principales règles que le concepteur de circuits imprimés doit garder à l’esprit sont les suivantes :
- Aucune disposition RF ne peut être parfaite mais l’accord est possible.
- Faire en sorte que le signal RF soit de 50 ohms
- Disposer les RF en premier – TOUJOURS
- L’isolement est important
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