Le guide de l'ingénieur numérique pour les directives de conception de PCB RF : agencement et routage

Je travaille avec de nombreuses personnes différentes dans l'industrie électronique, y compris quelques entreprises du côté des matériaux et des semi-conducteurs. Lors d'une réunion, un fondateur de startup m'a fait remarquer : « Les ingénieurs électriciens n'avaient besoin d'apprendre la conception RF que pour passer leurs examens de qualification. Maintenant, nous devons revenir, lire quelques livres sur la conception de PCB RF et réapprendre cela pour les produits que nous concevons. » Venant d'un background en laser et optique, la conception RF et la conception analogique en général me sont naturelles, et je sous-estime toujours la difficulté de la conception numérique. Maintenant, avec les systèmes modernes fonctionnant à des fréquences plus élevées, intégrant de multiples protocoles sans fil et interagissant avec de nombreux capteurs analogiques, les conceptions avancées nécessitent des connaissances dans les deux disciplines.

Si vous êtes concepteur numérique, vous êtes à l'aise dans le domaine temporel et vous avez probablement une excellente compréhension conceptuelle du comportement des électroniques dépendant du temps. Si vous commencez maintenant à travailler dans le domaine RF et que vous devez concevoir un système tout-analogique ou mixte, la mise en page de PCB RF devra devenir une nouvelle spécialité. Une fois que vous avez créé votre mise en page de PCB RF, il existe des outils de résolution de champs que vous pouvez utiliser pour évaluer vos conceptions et vous assurer que votre système fonctionnera comme prévu. Si vous êtes un concepteur numérique et que vous vous lancez maintenant dans la conception analogique haute fréquence, continuez à lire pour en savoir plus sur les directives de conception de PCB RF en matière de mise en page et de routage.

Commencer avec les directives de mise en page RF

Lorsque vous commencez une mise en page de PCB RF, certaines considérations sont typiques pour n'importe quelle carte. Quelle est la taille de la carte ? Où doivent se situer les composants ou connecteurs critiques ? Comment s'intégrera-t-elle mécaniquement dans son boîtier ? Ce sont toutes des questions importantes pour n'importe quel PCB, mais les systèmes RF comportent des considérations de conception uniques qui doivent être résolues.

Voici quelques-unes des questions importantes à répondre lors du développement d'une mise en page de PCB RF ou d'un système numérique avec une section RF haute fréquence :

• Quels protocoles sont impliqués ?Les systèmes RF devront faire quelque chose impliquant des hautes fréquences, qui pourraient fonctionner selon un protocole et une gamme de fréquences standardisés. Il pourrait également y avoir plus d'un protocole dans le système, et les différents protocoles ne devraient pas interférer les uns avec les autres.
• Quelles fréquences sont impliquées ? En général, les fréquences plus basses sont plus tolérantes que les fréquences plus élevées car les parasitiques sont moins perceptibles à des fréquences plus basses. Les systèmes RF sont également moins susceptibles de coupler le bruit rayonné entre eux à des fréquences plus basses.
• Quelles interfaces numériques sont impliquées ? Pour certains systèmes, les interfaces numériques peuvent avoir des taux de montée plus lents (SPI, I2C, etc.), donc elles pourraient ne pas avoir un effet majeur sur la performance analogique à moins que vous ignoriez les meilleures pratiques pour le routage et la disposition des PCB. Les systèmes embarqués avec une haute puissance de calcul utiliseront des protocoles à haute vitesse comme l'Ethernet gigabit, DDR, PCIe, et d'autres, qui créeront plus facilement du diaphonie dans un réseau de signal RF.

Évidemment, le terme « haute fréquence » est subjectif, mais le point important est que la fréquence affectera de nombreuses décisions de conception dans une disposition de PCB RF. Il y a ensuite des exigences spécifiques au système, comme vous pourriez le voir dans un PCB de radar ou un système avec des antennes MIMO. Les sections analogiques et numériques doivent être traitées différemment en raison de la manière dont les composants analogiques interagissent avec les signaux RF. Cela influencera alors vos choix de placement de composants et de routage dans la disposition.

Planification d'étage pour PCB à signaux mixtes

Les concepteurs numériques devraient aborder un système RF avec une approche de planification d'étage. L'objectif principal ici est de regrouper les composants en blocs fonctionnels basés sur leur rôle dans la fourniture de fonctionnalités au produit. Un objectif secondaire est d'éliminer une situation où vous devez router de longues interconnexions RF partout sur la carte pour réaliser les connexions requises. Mon équipe et moi ferons cela dans les schémas juste pour simplifier les choses une fois que nous les importons dans la disposition du PCB, et faire cela en amont aide à garder les choses organisées.

Essayez de garder les choses compactes et de segmenter les éléments en différents blocs lorsque c'est possible. Lorsque vous commencez à séparer vos blocs fonctionnels, vous risquez de devoir router des traces RF et numériques de part et d'autre de la carte. Cela crée alors plus d'endroits où un fort diaphonie peut se produire, et il devient plus difficile de suivre votre chemin de retour à travers la carte. La planification de l'implantation doit être réalisée en parallèle avec une autre tâche importante : la conception de l'empilement des PCB.

Conception de l'empilement des PCB pour les dispositifs RF

La conception de l'empilement est liée à la planification de l'implantation dans le sens où votre stratégie de routage et de disposition nécessitera une stratégie de mise à la terre, en particulier à des fréquences RF pratiques. L'empilement des PCB que vous utilisez déterminera votre accès à l'alimentation et à la terre dans la disposition du PCB, ainsi que l'espace disponible pour le routage des signaux dans votre carte. Un exemple d'empilement de PCB à 8 couches que vous pouvez utiliser pour une conception RF est montré ci-dessous. Bien que cela ne soit pas typique, cela fournit le modèle pour sélectionner les couches et organiser les couches de signal par rapport aux couches de plan dans l'empilement pour les signaux à basse vitesse, à haute vitesse et RF.

Dans cet exemple de superposition, il y a des pistes sur la couche de surface supérieure pour fournir des connexions directes entre les composants analogiques haute fréquence ; celles-ci pourraient être routées dans n'importe quel style de routage que je présenterai ci-dessous. Juste en dessous, nous avons des plans de masse/d'alimentation, qui sont adjacents pour fournir une capacité interplan et pour assurer qu'une alimentation stable est délivrée dans tout le système (à la fois pour les composants numériques et analogiques). Dans les couches internes, nous pouvons avoir d'autres signaux RF (de fréquence inférieure), ou nous pouvons avoir des signaux numériques à basse vitesse. Sur la surface inférieure, j'ai permis la possibilité de signaux numériques à haute vitesse, bien que nous pourrions avoir ces différents signaux mélangés à travers les couches supérieure et inférieure tant que les chemins de retour sont contrôlés.

Pour en savoir plus sur les techniques de conception de PCB RF, planifiez votre superposition de PCB pour des systèmes à signaux mixtes et tracez un chemin de retour dans un article récent de Kella Knack.

Si vous ne placez pas beaucoup de composants numériques sur le circuit, vous pouvez probablement renoncer à 2 couches. Je dirais que vous aurez besoin d'au moins 4 ou 6 couches même avec peu de composants, en raison de la nécessité d'une mise à la terre dans le système. L'objectif de la mise à la terre est de soutenir le routage, ce que je discuterai dans la prochaine section des directives de disposition RF.

Planifier la mise à la terre pour soutenir le routage

La mise à la terre est importante pour définir un chemin de retour dans une disposition RF, bien qu'il soit préférable de penser en termes d'espace occupé par les ondes électromagnétiques voyageant autour d'une trace. Notez que le signal se déplaçant sur un interconnecteur n'apparaît pas comme un courant coulant sur un conducteur ; ceci est un modèle conceptuel qui ne correspond pas à la réalité. La vérité est que le champ électromagnétique occupe un certain espace autour du conducteur, et la force du champ dans cet espace sera déterminée par la présence de conducteurs autour de l'interconnexion.

Le champ autour de la trace provoque alors l'apparition d'un courant de retour sous forme de courant de déplacement. Cela est dû au fait que, si nous observons l'agencement d'une trace microstrip et d'un plan de masse comme montré ci-dessous, nous avons deux conducteurs amenés à des potentiels différents qui sont séparés par un isolant (le matériau stratifié du PCB), formant un condensateur. Le courant de déplacement dans le plan de masse suit les lignes de champ électrique alors qu'elles se terminent au plan de masse.

Pourquoi tout cela est-il si important pour la disposition d'un PCB RF ? La raison est que placer un plan de masse près de vos interconnexions haute fréquence confine le champ autour de l'interconnexion, et cela assure que le courant de retour reste plus proche de la trace à des fréquences plus élevées. Sans le plan de masse près d'une trace, nous ne savons pas exactement où sera le courant de retour, créant une forte émission et réception d'EMI.

Pour résumer rapidement ce point sur la mise à la terre, nous avons deux directives de conception de PCB RF :

• Ne séparez pas physiquement ou ne divisez pas une couche de plan en îlots avec des composants numériques et analogiques et essayez de les relier avec un condensateur. Vous aurez un chemin de retour mal conçu qui crée un problème d'EMI. Utilisez simplement une seule couche de plan et apprenez à tracer les chemins de retour.
• Profitez des couches de plan pour garantir l'intégrité du signal et de l'alimentation. Cela signifie que, même si vous avez un simple circuit RF avec seulement quelques composants, vous aurez besoin d'au moins un circuit à 4 couches pour fournir les couches de plan nécessaires.

Pour en savoir plus sur l'importance de la mise à la terre dans une disposition de PCB RF, lisez plus sur les chemins de retour dans votre PCB dans cet article récent.

Le routage de vos traces RF

Il est maintenant temps pour la partie amusante : le routage RF. Tout routage RF nécessite une impédance contrôlée. Cela pourrait nécessiter de placer un réseau de terminaison pour assurer le transfert de puissance dans un composant (par exemple, un diviseur ou une antenne), ou de placer un filtre/amplificateur pour ajuster les fréquences spécifiques se déplaçant le long d'un interconnect. Les composants qui ont une sortie RF intégrée pourraient avoir la terminaison requise sur la puce, alors assurez-vous de vérifier cela avant de placer des composants de terminaison à l'extrémité du conducteur de votre interconnexion RF.

Géométries des Traces

Une fois qu'il est temps de router vos traces RF critiques, vous devrez décider d'une géométrie de trace. À des fréquences Wifi et plus élevées, la plupart des notes d'application des composants recommanderont d'utiliser un guide d'onde coplanaire avec plan de masse pour router vos traces RF. Cependant, il vous appartient, en tant que concepteur, de peser le pour et le contre des différentes géométries de trace. J'ai résumé celles-ci dans le tableau ci-dessous.

Dans toutes les géométries mentionnées ci-dessus, nous traitons généralement des signaux à bande étroite, et les stratifiés FR4 ont tendance à avoir une dispersion assez faible dans les bandes étroites que vous trouveriez dans les normes de signalisation sans fil/RF pratiques. La seule exception à laquelle je peux penser pour le moment est la radio définie par logiciel, qui nécessite la même approche pour concevoir une impédance cible que les traces pour les traces numériques (c'est-à-dire, une approche large bande). Mis à part ce domaine d'application, vous pouvez généralement ignorer la dispersion FR4 et vous obtiendrez un calcul d'impédance précis avec un solveur de champ tant que vous connaissez les valeurs de Dk et d'angle de perte à votre fréquence cible.

L'impact de la longueur des traces et des vias

Je soulève la question de la longueur des pistes et des vias sur les interconnexions RF car elles peuvent avoir des effets similaires sur la perte totale et la distorsion du signal dans un PCB RF, mais pas de la même manière. Certains concepteurs affirmeront que vous devriez toujours utiliser les longueurs de pistes les plus courtes possibles sur les signaux haute fréquence, mais ils ne semblent pas tout à fait comprendre pourquoi c'est important. La perte est un facteur, mais l'impédance d'entrée l'est également, ce qui est particulièrement important dans les réseaux de terminaison et les interconnexions avec des condensateurs de couplage.

En résumé, il existe une liste de directives de disposition RF à suivre concernant les longueurs de pistes et le nombre de vias sur les interconnexions :
Les pistes entre composants dans les circuits RF, tels que les passifs dans un filtre, peuvent se comporter comme des lignes de transmission, même si le routage entre les pistes est court.

• Les pertes sont importantes, mais les pertes sur les interconnexions courtes sont dominées par la perte de retour, qui est due à un désaccord entre deux impédances. Le désaccord doit être traité en concevant pour une impédance précise, normalement avec un solveur de champ.
• Si vous avez conçu une microbande avec une impédance contrôlée, alors routez-la comme une microbande. Ne routez pas une microbande comme un guide d'onde coplanaire car placer un plan de masse et des vias autour d'une microbande modifiera son impédance.
• Les vias peuvent commencer à agir comme des filtres ou des résonateurs à haute fréquence, tels que les vias traversants à des fréquences mmWave. Ne faites pas passer le circuit par trop de vias car les pertes s'accumuleront, et ne laissez pas de stubs de via sur les lignes de transmission haute fréquence.
• Suivez d'autres directives de routage standard pour les PCB à haute vitesse/haute fréquence pour vous assurer que vous maintenez l'impédance et minimisez les pertes/distorsions. Je discuterai plus du routage dans un futur article.

La disposition des PCB RF peut être complexe pour les concepteurs numériques, mais les fonctionnalités de conception dans Altium Designer® vous aideront à router avec une grande précision et à exporter votre conception pour analyse dans les solveurs de champ Ansys avec l'utilitaire EDB Exporter. Altium Designer et Ansys se sont associés pour offrir aux ingénieurs RF et aux concepteurs de PCB une manière simple de collaborer sur des conceptions haute fréquence et d'évaluer complètement une disposition de PCB RF.

Lorsque vous avez terminé votre conception et que vous souhaitez transmettre les fichiers à votre fabricant, la plateforme Altium 365 facilite la collaboration et le partage de vos projets. Des fonctionnalités telles que les commentaires, le partage de conception et la gestion des accès utilisateurs vous permettent de faire avancer facilement votre mise en page de PCB RF à travers une révision de conception de PCB, où les modifications requises peuvent être marquées dans la mise en page du PCB et renvoyées à un concepteur pour modification. Altium 365 facilite également le partage rapide de vos données de fabrication avec votre fabricant de PCB, sans avoir à envoyer d'e-mails ou à utiliser des programmes de chat externes.

Nous n'avons fait qu'effleurer la surface de ce qu'il est possible de faire avec Altium Designer sur Altium 365 dans ce blog de conception RF. Vous pouvez consulter la page du produit pour une description plus approfondie des fonctionnalités sur les techniques de conception de PCB RF ou l'un des Webinaires à la Demande.