Reculs et solutions dans la conception de circuits imprimés RF

De nombreuses incertitudes sont disponibles sur la conception de PCB (carte de circuit imprimé) RF (radiofréquence) qui est donc décrite comme "l'art noir". D'une manière générale, lorsqu'il s'agit de circuits à fréquence inférieure aux micro-ondes (y compris les circuits numériques basse fréquence et basse fréquence), une disposition soignée est la garantie d'un premier succès dans la conception de circuits avec tous les principes de conception maîtrisés. En ce qui concerne la fréquence au-dessus des micro-ondes et des circuits numériques de niveau PC haute fréquence, cependant, deux à trois versions de PCB sont capables d'assurer la qualité du circuit. En ce qui concerne les circuits RF à une fréquence supérieure aux micro-ondes, cependant, davantage de versions de conception de PCB sont nécessaires pour une amélioration constante. Par conséquent, de nombreuses difficultés seront certainement rencontrées lors de la conception d'un circuit RF.

Les problèmes les plus courants dans la conception de circuits RF

• Interférence entre le module de circuit numérique et le module de circuit analogique

Lorsque le circuit analogique (circuit RF) et le circuit numérique fonctionnent indépendamment, il est fort possible qu'ils fonctionnent parfaitement. Mais dès qu'ils sont mélangés sur le même circuit imprimé avec la même alimentation en dépend, l'ensemble du système deviendra éventuellement instable car les signaux numériques oscillent fréquemment entre la masse et l'alimentation positive (> 3 V) et la période sera très courte à une échelle de nanoseconde. En raison d'une plus grande amplitude et d'un temps de commutation plus court, tous les signaux numériques contiendront des éléments haute fréquence indépendants de la fréquence de commutation. Dans les sections analogiques, la tension est généralement inférieure à 1 μV de la boucle de syntonisation radio au récepteur de l'équipement radio. Par conséquent, la différence entre la boucle de syntonisation radio et les signaux RF peut atteindre 120 dB. Évidemment, si les signaux numériques et les signaux RF ne sont pas bien séparés, les signaux RF faibles risquent d'être endommagés. En conséquence, la maniabilité de l'équipement radio se détériorera ou ne pourra même pas fonctionner.

• Interférence de bruit de l'alimentation électrique

Le circuit RF est assez sensible au bruit, ce qui est particulièrement vrai pour la tension transitoire et les autres ondes harmoniques à haute fréquence. Le microcontrôleur absorbera soudainement la majorité du courant dans chaque période d'horloge interne, car tous les microcontrôleurs modernes sont fabriqués avec l'application de la technique CMOS. Par conséquent, supposons qu'un microcontrôleur fonctionne à une fréquence d'horloge interne de 1 MHz et qu'il extraira ensuite le courant de l'alimentation à une telle fréquence. Si un découplage de puissance approprié n'est pas appliqué, un problème de tension se produira sur les lignes électriques. Lorsque des problèmes de tension arrivent sur les broches d'alimentation du circuit RF, une panne peut être causée si elle est grave.

• GND déraisonnable

Si GND est défini de manière déraisonnable pour le circuit RF, des résultats étranges pourraient être générés. En ce qui concerne la conception de circuits numériques, même si GND n'est pas disponible, la plupart des fonctions de circuits numériques peuvent être parfaitement mises en œuvre. En ce qui concerne la RF, cependant, même une ligne de masse courte jouera un rôle équivalent en tant qu'inducteur. On sait que l'inductance avec 1nH est compatible avec une longueur de 1 mm, sur la base de laquelle on peut déterminer approximativement que la réactance inductive d'un PCB d'une longueur de 10 mm devrait être d'environ 27 Ω. Si GND n'est pas appliqué, la plupart des lignes de masse seront si longues que le circuit ne présentera pas de caractéristiques basées sur la conception.

• Interférence rayonnée par l'antenne sur d'autres circuits analogiques

Dans la conception de la disposition des circuits imprimés, d'autres circuits analogiques sont également disponibles sur la carte. Par exemple, de nombreux circuits contiennent un convertisseur analogique-numérique (ADC) ou un convertisseur numérique-analogique (DAC). Les signaux haute fréquence transmis par l'émetteur RF arrivent peut-être à la borne d'entrée analogique de l'ADC car toute ligne de circuit transmettra ou recevra des signaux RF comme le fait l'antenne. Si la borne d'entrée de l'ADC est traitée de manière inappropriée, les signaux RF peuvent devenir auto-excités dans la diode ESD de l'entrée ADC, ce qui provoque alors une déviation ADC.

Principes et schéma de conception de circuits RF

• Définition de la disposition RF

Lors de la conception de la configuration RF, les principes généraux suivants doivent d'abord être respectés :
① Les amplificateurs haute puissance (HPA) et les amplificateurs à faible bruit (LNA) doivent être séparés autant que possible. En bref, les circuits de transmission RF haute fréquence sont placés loin des circuits de réception RF basse fréquence.
② Au moins une terre complète doit être disponible sur la zone haute fréquence sur la carte PCB et il est préférable qu'aucun trou traversant ne prenne place là-dessus. Plus la surface de la feuille de cuivre est grande, mieux c'est.
③ Il est tout aussi important que les circuits et l'alimentation passent par le découplage.
④ La sortie RF doit être éloignée de l'entrée RF.
⑤ Signaux analogiques sensibles doit être aussi éloigné que possible des signaux numériques à haut débit et des signaux RF.

• Principes de conception du cloisonnement physique et du cloisonnement électrique

Le partitionnement peut être classé en partitionnement physique et en partitionnement électrique. Le premier concerne principalement la disposition, les orientations et le blindage des composants, tandis que le second peut être classé en distribution de puissance, routage RF, circuit sensible, signaux et partitionnement au sol.

un. Principe de partitionnement physique

Principe de disposition des composants. La disposition des composants joue un rôle essentiel en contribuant à une conception RF performante. La technologie la plus efficace consiste à fixer d'abord les composants qui sont placés le long du chemin RF et à modifier leurs orientations afin que le chemin RF puisse être minimisé avec une entrée éloignée de la sortie et des circuits haute puissance et des circuits basse puissance séparés autant que possible. /P>

Principe de conception de la stratification de PCB. La méthode de stratification de circuit la plus efficace consiste à disposer le plan de masse principal au niveau de la deuxième couche sous le premier plan et à disposer les pistes RF au niveau du premier plan. La taille des trous traversants sur le chemin RF doit être réduite au minimum, ce qui peut réduire l'inductance du chemin et diminuer le nombre de joints de soudure à froid sur la masse principale. De plus, moins d'énergie RF sera transmise à d'autres zones du laminage.

Composants RF et principe de traçage RF. Dans l'espace physique, les circuits linéaires tels que les amplificateurs à plusieurs étages sont capables de séparer toutes les zones RF, mais le duplexeur, le mélangeur et l'amplificateur/mélangeur à moyenne fréquence entraînent souvent des interférences mutuelles entre plusieurs signaux RF/IF. Par conséquent, ce type d'influence doit être soigneusement minimisé. Les pistes RF/IF doivent être croisées et une masse doit être laissée entre elles. Un chemin RF correct est très important pour les performances du PCB, c'est pourquoi la disposition des composants représente la majorité du temps dans la conception du PCB du téléphone portable.

b. Principe de cloisonnement électrique

Principe de transmission de puissance. Le courant continu dans la plupart des circuits des téléphones portables est généralement assez faible, de sorte que la largeur de la trace n'a pas besoin d'être soigneusement prise en compte. Cependant, une piste à fort courant dont la largeur est la plus large possible doit être conçue indépendamment pour l'alimentation des amplificateurs de forte puissance afin de réduire au minimum la tension transmise. Pour éviter trop de perte de courant, plusieurs trous traversants doivent être appliqués pour transmettre le courant d'un plan à l'autre.

Découplage de puissance des appareils de forte puissance. Si un couplage complet ne peut pas être atteint au niveau des broches d'alimentation de l'amplificateur haute puissance, un bruit haute puissance sera transmis à l'ensemble de la carte avec de nombreux problèmes générés. La mise à la terre de l'amplificateur haute puissance est très essentielle et un couvercle de blindage métallique est généralement nécessaire pour sa conception.

Principe de ségrégation entrée/sortie RF. Dans la plupart des situations, il est tout aussi essentiel de garantir que la sortie RF soit éloignée de l'entrée RF, qui fonctionne également pour l'amplificateur, le pare-chocs et le filtre. Dans les pires situations, si l'entrée de l'amplificateur et du pare-chocs est renvoyée à leur borne d'entrée à une phase et une amplitude agréables, des vibrations auto-excitées peuvent être provoquées. Dans les meilleures situations, ils pourront fonctionner de manière stable à n'importe quelle température et tension. En fait, ils peuvent devenir instables et ajouter du bruit et des signaux d'intermodulation aux signaux RF.

Dans l'ensemble, le circuit RF présente un effet de peau et un effet de couplage en raison de son circuit de paramètres distribués, ce qui le rend différent du circuit basse fréquence et du courant continu. Par conséquent, les problèmes évoqués ci-dessus doivent être particulièrement mis en évidence lors de la conception du circuit imprimé RF afin que la conception du circuit puisse être efficace et précise.

Ressources utiles
• Directives pour la conception de circuits imprimés RF et hyperfréquences
• Conception de circuits imprimés pour circuit radiofréquence et compatibilité électromagnétique
• PCBCart propose un service de fabrication de circuits imprimés radiofréquence