De nombreuses incertitudes existent dans la conception de circuits imprimés RF (radiofréquence), qui est donc décrite comme un « art noir ». De manière générale, pour les circuits dont la fréquence est inférieure à la bande micro-ondes (y compris les circuits basse fréquence et les circuits numériques basse fréquence), un routage soigné garantit la réussite du circuit dès la première conception, à condition de maîtriser tous les principes de conception. En revanche, pour les fréquences supérieures à la bande micro-ondes et les circuits numériques de niveau PC à haute fréquence, deux à trois versions de PCB suffisent à assurer la qualité du circuit. En ce qui concerne les circuits RF à des fréquences supérieures à la bande micro-ondes, cependant, davantage de versions de conception de PCB sont nécessaires pour une amélioration continue. Par conséquent, de nombreuses difficultés sont inévitables lors de la conception de circuits RF.
Les problèmes les plus couramment rencontrés dans la conception de circuits RF
• Interférences 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 très probable qu’ils puissent fonctionner parfaitement. Mais dès qu’ils sont mélangés sur la même carte de circuit imprimé en partageant la même alimentation, l’ensemble du système peut devenir instable, car les signaux numériques oscillent fréquemment entre la masse et l’alimentation positive (> 3 V) et leur période est très courte, de l’ordre de la nanoseconde. En raison de leur grande amplitude et de leur temps de commutation très court, tous les signaux numériques contiennent des composantes haute fréquence indépendantes de la fréquence de commutation. Dans les sections analogiques, la tension est généralement inférieure à 1 μV, depuis le circuit d’accord radio jusqu’au récepteur de l’équipement radio. Par conséquent, la différence entre le circuit d’accord radio et les signaux RF peut atteindre 120 dB. De toute évidence, si les signaux numériques et les signaux RF ne sont pas soigneusement séparés, les faibles signaux RF risquent d’être perturbés. En conséquence, les performances de l’équipement radio se dégraderont ou celui-ci pourra même cesser de fonctionner.
• Interférence de bruit de l’alimentation électrique
Le circuit RF est assez sensible au bruit, ce qui est particulièrement vrai pour la tension de glitch et les autres ondes harmoniques haute fréquence. Le microcontrôleur absorbera soudainement la majeure partie du courant à chaque période d’horloge interne, car tous les microcontrôleurs modernes sont fabriqués en utilisant la technologie CMOS. Par conséquent, supposons qu’un microcontrôleur fonctionne à une fréquence d’horloge interne de 1 MHz : il prélèvera alors du courant sur l’alimentation à cette fréquence. Si un découplage d’alimentation approprié n’est pas appliqué, des tensions de glitch apparaîtront sur les lignes d’alimentation. Lorsque ces tensions de glitch atteignent les broches d’alimentation du circuit RF, une défaillance peut éventuellement se produire si le phénomène est important.
• GND déraisonnable
Si la masse (GND) est définie de manière inappropriée pour un circuit RF, des résultats étranges peuvent apparaître. En ce qui concerne la conception de circuits numériques, même si la masse n’est pas disponible, la plupart des fonctions de circuits numériques peuvent être parfaitement mises en œuvre. En revanche, pour les circuits RF, même une courte piste de masse se comportera comme une inductance. Il est connu qu’une inductance de 1 nH correspond à une longueur de 1 mm ; sur cette base, on peut estimer grossièrement que la réactance inductive d’une piste de PCB de 10 mm de long devrait être d’environ 27 Ω. Si la masse n’est pas correctement appliquée, la plupart des pistes de masse seront si longues que le circuit ne présentera plus les caractéristiques prévues par la conception.
• Interférences rayonnées par l’antenne sur d’autres circuits analogiques
Dans la conception de circuits imprimés, d’autres circuits analogiques sont également présents 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 peuvent éventuellement atteindre la borne d’entrée analogique de l’ADC, car toute piste de circuit transmettra ou recevra des signaux RF comme le fait une antenne. Si la borne d’entrée de l’ADC est traitée de manière inappropriée, les signaux RF peuvent éventuellement s’auto-exciter dans la diode ESD de l’entrée de l’ADC, ce qui provoque alors une dérive de l’ADC.
Principes et schéma de conception de circuits RF
• Définition de la disposition RF
Lors de la conception de la disposition RF, les principes généraux suivants doivent d’abord être respectés :
① Les amplificateurs de puissance élevée (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 un plan de masse complet doit être disponible dans les zones à haute fréquence sur le circuit imprimé, et il est préférable qu’aucun trou traversant ne s’y trouve. Plus la surface de feuille de cuivre est grande, mieux c’est.
③ Il est tout aussi important pour les circuits et l’alimentation de passer par un découplage.
④ La sortie RF doit être éloignée de l’entrée RF.
⑤ Les signaux analogiques sensibles doivent être aussi éloignés que possible des signaux numériques à haute vitesse et des signaux RF.
• Principes de conception du partitionnement physique et du partitionnement électrique
Le partitionnement peut être classé en partitionnement physique et partitionnement électrique. Le premier concerne principalement l’implantation des composants, leurs orientations et le blindage, tandis que le second peut être subdivisé en distribution de puissance, routage RF, circuits sensibles, signaux et partitionnement de la masse.
a. Principe de partitionnement physique
Principe de disposition des composantsLa disposition des composants joue un rôle essentiel dans la réalisation d’une conception RF performante. La méthode la plus efficace consiste d’abord à fixer les composants placés le long du trajet RF et à ajuster leur orientation de manière à minimiser ce trajet RF, en maintenant l’entrée aussi éloignée que possible de la sortie et en séparant autant que possible les circuits de forte puissance et les circuits de faible puissance.
Principe de conception de la stratification des PCB. La méthode de stratification de circuit la plus efficace consiste à disposer le plan de masse principal sur la deuxième couche sous le premier plan et à disposer les pistes RF sur le premier plan. La taille des trous traversants sur le trajet RF doit être réduite au minimum, ce qui permet de diminuer l’inductance du trajet et de réduire le nombre de soudures froides sur la masse principale. De plus, moins d’énergie RF sera fuitée vers d’autres zones au sein de la stratification.
Composants RF et principe de traçage RF. Dans l’espace physique, les circuits linéaires comme les amplificateurs multétages 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 se croiser et une masse doit être laissée entre elles. Un chemin RF correct est très important pour les performances du PCB, c’est pourquoi l’implantation des composants représente la majeure partie du temps dans la conception de PCB de téléphones portables.
b. Principe de partitionnement électrique
Principe de transmission de puissanceDans la plupart des circuits de téléphones portables, le courant continu est généralement assez faible, de sorte que la largeur des pistes n’a pas besoin d’être soigneusement prise en compte. Cependant, une piste à fort courant, dont la largeur est aussi grande que possible, doit être conçue indépendamment pour l’alimentation des amplificateurs de forte puissance afin de réduire au minimum la chute de tension. Pour éviter une perte de courant excessive, plusieurs vias doivent être utilisés pour transférer le courant d’un plan à un autre.
Désaccouplement de puissance des dispositifs haute puissanceSi le couplage complet ne peut pas être obtenu au niveau des broches d’alimentation d’un amplificateur de forte puissance, un bruit de haute puissance sera rayonné sur l’ensemble de la carte, entraînant de nombreux problèmes. La mise à la masse de l’amplificateur de forte puissance est très essentielle et un capot de blindage métallique est généralement nécessaire pour sa conception.
Principe de ségrégation des entrées/sorties RF. Dans la plupart des situations, il est tout aussi essentiel de garantir que la sortie RF soit éloignée de l’entrée RF, ce qui s’applique également à l’amplificateur, au tampon et au filtre. Dans les pires situations, si le signal d’entrée de l’amplificateur et du tampon est renvoyé à leur borne d’entrée avec une phase et une amplitude appropriées, une auto-oscillation peut être provoquée. Dans les meilleures situations, ils pourront fonctionner de manière stable à n’importe quelle température et tension. En réalité, 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 sa nature de circuit à paramètres répartis, ce qui le distingue des circuits basse fréquence et du courant continu. Par conséquent, les problèmes évoqués ci-dessus doivent être particulièrement pris en compte lors de la conception du PCB de circuit RF afin que la conception du circuit soit efficace et précise.
Ressources utiles
•Directives pour la conception de circuits imprimés RF et micro-ondes
•Conception de circuits imprimés pour les circuits radiofréquence et la compatibilité électromagnétique
•PCBCart propose un service de fabrication de circuits imprimés à radiofréquence
