Lignes directrices pour la conception RF et micro-ondes

Les circuits RF et micro-ondes font désormais partie des conceptions de PCB les plus courantes dans l'industrie électronique, reconnus pour leur capacité à capturer des fréquences plus élevées que les circuits normaux. Autrefois trop coûteux à fabriquer pour quoi que ce soit en dehors des industries militaires et aérospatiales, les circuits RF et micro-ondes font désormais partie intégrante d'une large gamme de produits commerciaux et professionnels, en particulier les appareils de communication sans fil comme les téléphones portables, les diffuseurs par satellite et les réseaux sans fil. Avec des fréquences plus élevées, cependant, viennent plus de défis de conception.

Pour garantir le succès de ces circuits RF et micro-ondes haute fréquence, les fournisseurs doivent envisager plusieurs techniques de conception RF et micro-ondes pour les PCB.

Bases sur les circuits imprimés RF et micro-ondes

La façon la plus simple de décrire les PCB RF et micro-ondes est qu'ils contiennent des composants qui transportent des signaux RF ou micro-ondes. Ces signaux varient en fréquence et les différences de fréquence définissent les différences de composants entre les PCB RF et micro-ondes et les autres types de PCB. Cependant, comprendre les bases des fréquences RF et micro-ondes est la première étape pour comprendre la conception de PCB RF et la conception de PCB micro-ondes.

Essentiellement, un signal électronique est une quantité qui varie dans le temps et qui communique une sorte d'information. La quantité qui varie est généralement la tension ou le courant. Ces signaux sont transmis entre les appareils afin d'envoyer et de recevoir des informations, telles que des données audio, vidéo ou codées. Bien que ces signaux soient souvent transmis par des câbles, ils peuvent également être transmis dans l'air par des ondes radiofréquences ou RF.

Ces ondes de radiofréquence varient entre 3 kHz et 300 GHz, mais elles sont subdivisées en catégories plus petites pour des raisons pratiques. Ces catégories incluent les éléments suivants :

• Signaux basse fréquence : Ce sont les signaux gérés par la plupart des composants analogiques traditionnels, et ils incluent des signaux avec des fréquences allant jusqu'à 50 MHz.

• Signaux RF : Alors que les signaux de radiofréquence, ou RF, couvrent techniquement une large gamme de fréquences de signal, les concepteurs de circuits utilisent le terme dans une portée plus étroite. Dans ce domaine, une fréquence de signal RF est généralement comprise entre 50 MHz et 1 GHz. Ce sont les mêmes fréquences de signal utilisées dans la transmission AM/FM.

• Signaux micro-ondes : Les signaux micro-ondes présentent des fréquences supérieures à 1 GHz. La limite supérieure de ces signaux se situe autour de 30 GHz. Ce sont les mêmes micro-ondes que ceux utilisés pour cuire nos aliments dans les fours à micro-ondes. Ils sont également utilisés pour communiquer des signaux à très haut débit.

Les signaux décrits ci-dessus entrent dans la catégorie des signaux analogiques, bien que les signaux RF et micro-ondes soient nettement plus élevés que la plupart des signaux analogiques standard utilisés dans les conceptions de circuits imprimés traditionnels. Les signaux analogiques sont intrinsèquement différents des signaux numériques, et chaque catégorie nécessite des composants différents pour gérer leurs signaux. Ces signaux sont décrits plus en détail ci-dessous :

• Signaux analogiques : Un signal analogique varie continuellement dans le temps, et lorsque vous regardez ce signal sur un graphique, il apparaît comme une onde lisse. Sur cette vague, il existe un nombre infini de possibilités de valeurs dans une plage limitée de valeurs maximales et minimales. La plupart des composants électroniques (résistances, condensateurs, transistors, etc.) fonctionnent avec des signaux analogiques, bien que les circuits purement analogiques soient beaucoup plus difficiles à concevoir que les PCB numériques. Cela est principalement dû à leur sensibilité au bruit et à d'autres problèmes. Les signaux analogiques standard se situent généralement entre DC et 100 MHz environ, mais leur fréquence varie considérablement. Les signaux RF sont intrinsèquement des signaux analogiques.

• Signaux numériques : Contrairement aux signaux analogiques, les signaux numériques fonctionnent avec un ensemble fini de valeurs. Le nombre de valeurs dans cet ensemble peut être très grand, mais il n'est pas infini. Il est courant de voir ces signaux numériques fonctionner avec deux valeurs, mais le signal ne peut être qu'une de ces deux valeurs à la fois. Lorsque l'on regarde ce type de signal au fil du temps, les ondes créées par le changement de signaux sont carrées plutôt que continues. Les signaux numériques peuvent tenter de reproduire les ondes lisses des signaux analogiques, mais ces ondes numériques seront toujours constituées d'étapes discrètes plutôt que de courbes lisses. Cependant, ces signaux discrets signifient que les circuits numériques sont plus faciles à concevoir que les circuits analogiques, bien qu'ils soient généralement plus chers.

Il est courant de trouver les deux signaux fonctionnant dans un seul circuit, avec des composants conçus pour convertir un signal d'une forme à une autre. Cependant, ces types de circuits doivent être conçus avec soin, en particulier lorsque les composants analogiques traitent des signaux haute fréquence tels que les signaux RF. Plus la fréquence est élevée, plus il y a de risques de problèmes, comme le bruit.

Problèmes courants et solutions pour les conceptions de circuits imprimés RF et micro-ondes

Les configurations de PCB avec des circuits RF ou micro-ondes ont tendance à être beaucoup plus difficiles à concevoir que les PCB analogiques ou numériques typiques. Cela est dû à certaines des caractéristiques et qualités les plus problématiques associées aux signaux RF. Lors de la conception d'un circuit imprimé RF ou hyperfréquence, gardez à l'esprit les points et problèmes suivants.

Principes de base de la conception de circuits imprimés

Tout d'abord, les PCB RF et micro-ondes doivent être conçus pour minimiser tout risque d'erreur lors du processus d'assemblage. Certaines des directives de conception de disposition RF les plus élémentaires incluent :

• Garder les pièces séparées : Si une carte comporte plusieurs types de composants, tels que des composants analogiques, RF et numériques de bas niveau, ils doivent être séparés. Ce n'est pas seulement plus facile à gérer pour le concepteur, mais cela minimise le risque de problèmes catastrophiques lors de l'étape d'assemblage.
• PCB multicouche : Idéalement, les PCB RF et micro-ondes devraient inclure plus d'une couche. La couche supérieure doit inclure l'étage de puissance ainsi que les lignes et composants de signal RF. Assurez-vous que si vous avez un PCB multicouche, il y a une couche de masse sous toute couche qui comprend des lignes de signal RF ou micro-ondes.
• Sensibilité au bruit : Les concepteurs de circuits imprimés RF et micro-ondes doivent comprendre à quel point ces signaux haute fréquence sont sensibles au bruit. Alors que la plupart des concepteurs sont habitués à travailler avec une telle sensibilité dans les signaux numériques à grande vitesse, ils doivent être beaucoup plus prudents avec les signaux RF et micro-ondes, car ils sont encore plus sensibles. Ces signaux sont également sensibles à une plus grande variété de types de bruit. Cette sensibilité extrême signifie que toute possibilité de bruit de signal, de réflexion ou de sonnerie doit être atténuée.

Le bruit est un terme utilisé pour décrire les variations indésirables de tension, qui produisent des erreurs et des problèmes fonctionnels dans le circuit. Le bruit se présente sous diverses formes et entre dans les catégories suivantes selon la distribution de la fréquence :

• Bruit blanc : Il s'agit d'un type de bruit qui s'ajoute à toutes les fréquences de manière égale.
• Bruit rose : Le bruit rose ne produit pas une réponse plate, mais oscille à la place avec une fréquence croissante.
• Bande Limitée Bruit : La bande de fréquence de ce bruit est limitée soit par les filtres, soit par le circuit qu'il traverse.

Le bruit RF peut provenir d'un certain nombre de sources, qui sont également classées en fonction du type. Ceux-ci sont décrits ci-dessous, ainsi que des solutions pour chaque type de bruit :

• Bruit thermique : Aussi appelé bruit Johnson ou Johnson Nyquist, ce type de bruit est le résultat d'une agitation thermique. Cette perturbation thermique affecte les porteurs de charge dans un conducteur, les excitant plus que prévu, produisant ainsi du bruit. Ces problèmes peuvent généralement être résolus en minimisant les effets de la température sur le circuit, souvent en régulant la température via des systèmes de refroidissement autour du circuit ou des dispositifs de dissipation de chaleur sur le circuit lui-même.
• Bruit de tir : Ce bruit provient des fluctuations du courant électrique dans le temps, causées par la nature discrète des charges des électrons. Étant donné que ce bruit est causé par le flux de courant, il est difficile de s'en débarrasser, bien que les résistances métalliques aient tendance à minimiser leur apparition. Heureusement, le bruit de grenaille n'est apparent que dans des dispositifs tels que les jonctions tunnel et les diodes barrières.
• Bruit de phase : Ce type de bruit RF est visible sur les signaux de radiofréquence et peut affecter considérablement les performances d'un système. Ce bruit apparaît sous forme de gigue de phase, ou de fluctuations, dans le signal lui-même, qui se manifeste par des bandes latérales se propageant de chaque côté du signal ou de la porteuse. Cela peut être un type de bruit particulièrement problématique lors du transport d'informations numériques, car le bruit de phase peut dégrader le taux d'erreur sur les bits et, par conséquent, la qualité des données transmises. Des signaux plus propres sont le meilleur moyen de réduire ce bruit, qui doit être pris en compte dès le début du processus de conception.
• Bruit de scintillement : Également appelé bruit 1/f, ce bruit se produit dans presque tous les appareils électroniques et est généralement causé par le flux de courant continu. Il est proportionnel à l'inverse de la fréquence du signal, mais il se manifeste de la même manière que le bruit de phase. Le traitement du signal via un filtre spécialisé permet généralement de réduire ce type de bruit.
• Bruit d'avalanche : Ce bruit est causé par une diode à jonction fonctionnant trop près du point de rupture par avalanche. Le résultat est beaucoup de bruit produit au niveau de la diode. La suppression de ce bruit d'avalanche est aussi simple que d'utiliser un filtre à condensateur ou un réseau de lissage.

Beaucoup de bruit peut être atténué avec des filtres passe-bande appropriés, qui transmettent les signaux dans une "bande d'intérêt". Seuls les signaux dans une plage de fréquences spécifique peuvent passer à travers ce filtre, tandis que le filtre bloque le reste. Cependant, cela ne résout pas le problème des signaux imprécis dans la plage de fréquences. Idéalement, la source du bruit doit être supprimée par l'une des méthodes ci-dessus.

Adaptation d'impédance

L'adaptation d'impédance est une autre exigence importante pour les PCB RF. Bien que les signaux numériques à grande vitesse soient quelque peu tolérants en ce qui concerne l'adaptation d'impédance, plus la fréquence est élevée, plus la tolérance est faible. Avec les signaux RF et micro-ondes, cette tolérance est particulièrement étroite.

Il y a plusieurs choses à garder à l'esprit lorsque vous envisagez l'adaptation d'impédance dans votre conception. Il s'agit notamment des éléments suivants :

• Perte de l'effet cutané : À des fréquences plus élevées, les électrons commenceront à circuler le long de la surface extérieure du conducteur. C'est ce qu'on appelle un « effet de peau ». À la trace, une petite zone est utilisée pour canaliser les électrons. Cependant, cet entonnoir emprisonne également certains des électrons circulant à l'extérieur du conducteur, convertissant leur énergie de signal en chaleur. C'est ce qu'on appelle la "perte d'effet de peau". Cette perte est mieux minimisée avec une adaptation d'impédance appropriée et même un placage de PCB avec de l'or.

• Conservez des longueurs de ligne faibles : Plus les lignes qui transportent les signaux RF/micro-ondes sont longues, plus il y a de risque de perte de signal. Idéalement, la ligne devrait être 1/20 de la longueur d'onde. S'il doit être plus long que 1/16 de la longueur d'onde, également appelée longueur de signal critique, vous devrez appliquer un contrôle d'impédance à cette trace avec les composants L et C jusqu'à la fin de la ligne.

Perte de retour

La perte de retour est souvent causée par la réflexion du signal. Malheureusement, étant donné que les signaux RF et micro-ondes sont plus sensibles au bruit du signal, la perte de retour est un problème plus important. Alors que les signaux de retour suivent généralement le chemin de moindre résistance, les signaux de fréquence plus élevée ont tendance à emprunter le chemin de moindre inductance. Ces chemins ont tendance à inclure les plans de masse sous le signal d'origine.

Pour minimiser la perte de retour, les plans de masse doivent être continus du pilote au récepteur, sinon le signal de retour pourrait passer par d'autres plans d'alimentation. Étant donné que ces chemins alternatifs sont moins idéaux, ils peuvent provoquer un bruit de signal important par réflexion et sonnerie, ou même être perdus sous forme de chaleur.

diaphonie

La diaphonie est un transfert involontaire d'énergie entre les conducteurs, résultant en un signal couplé. Un tel transfert est généralement le résultat d'une inductance mutuelle et d'une capacité shunt, et l'incidence de la diaphonie a tendance à augmenter à mesure que la densité et les performances d'un PCB augmentent. La proximité des conducteurs, la distance sur laquelle ils sont parallèles et le taux de bord de la ligne active jouent également un rôle important. La diaphonie a tendance à être un problème sérieux pour les conceptions à haute fréquence, comme les conceptions RF et micro-ondes, c'est pourquoi les concepteurs doivent faire ce qu'ils peuvent pour éviter la diaphonie.

La diaphonie doit être minimisée autant que possible. Heureusement, il existe plusieurs façons de le faire. Ces méthodes incluent :

• Séparer les signaux : La distance de centre à centre devrait idéalement être d'environ quatre fois la largeur de trace des signaux.

• Réduire les lignes parallèles : Si les lignes doivent absolument être parallèles les unes aux autres, maintenez au minimum la distance sur laquelle les lignes sont parallèles les unes aux autres.

• Réduire l'espacement diélectrique : L'espacement diélectrique entre une ligne et son plan de référence doit être minimisé.

• Introduire une structure coplanaire : Insérez un plan de masse entre les tracés.

• Terminer la ligne : Terminer la ligne sur son impédance caractéristique peut réduire la diaphonie jusqu'à 50 %.

Propriétés du stratifié

Les propriétés d'un stratifié PCB peuvent avoir un effet significatif sur la fonctionnalité d'un PCB RF ou micro-ondes. FR4, par exemple, a un facteur de dissipation plus élevé que les stratifiés haute fréquence, ce qui signifie que les stratifiés FR4 peuvent entraîner des pertes d'insertion plus élevées à mesure que les fréquences du signal augmentent. De plus, la constante diélectrique, ou valeur Dk, de FR4 a tendance à être plus élevée et plus variable que celle des stratifiés haute fréquence. Les valeurs FR4 Dk peuvent varier jusqu'à 10 %, ce qui à son tour fait varier l'impédance.

La perte diélectrique est un problème courant associé aux propriétés du stratifié. Semblable à la perte par effet de peau, la perte diélectrique se produit lorsque les électrons traversent un conducteur et rebondissent sur les électrons du substrat du PCB FR4. Au cours de l'interaction de ces électrons, une partie de l'énergie du signal des électrons en circulation est transférée aux électrons FR4, qui à leur tour convertissent l'énergie en chaleur. Ce type de perte peut être évité en utilisant des substrats avec des facteurs de dissipation très faibles, comme le polytétrafluoroéthylène téflon, qui a un facteur de dissipation d'environ 0,001 par opposition au facteur de dissipation de FR4 de 0,02.

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