Conseils pour la conception de circuits imprimés haute fréquence pour radars de voiture et applications 5G

Heureusement que nous nous sommes débarrassés de ce machin.
 

Ce matin, j'ai vu, dans la rue près de chez moi, quelque chose de très étrange : un ruban magnétique de cassette VHS tout emmêlé emporté par le vent. Cela m'a rappelé le bon vieux temps des loueurs de cassettes vidéo et des machines à rembobiner. Si vous trouviez que ces machines à rembobiner étaient rapides, les révolutions électroniques d'aujourd'hui vous donneront le tournis. Au cœur de l'une des dernières évolutions en matière de conception de circuits imprimés se trouvent deux technologies émergentes : les réseaux 5G et les voitures dotées du système d'aide à la conduite (ADAS). Ces deux technologies s'appuient sur un élément redouté par les concepteurs de circuits imprimés : la bande à fréquence extrêmement haute (EHF). Vous feriez mieux de préparer vos designs à la haute fréquence avant qu'ils ne tombent dans l'oubli comme le Bétamax et les radiocassettes.

Pourquoi utilise-t-on les ondes millimétriques ?

Les fréquences RF et microondes ne suffisaient-elles pas ? Pourquoi passer au champ des fréquences EHF ? Deux avancées sont à l'origine de l'utilisation de fréquences plus élevées : la 5G et les radars ADAS.

• La 5G - Les sociétés de télécommunication souhaitent nous faire abandonner les vitesses et latences 4G/LTE d'aujourd'hui en faveur d'un avenir en 5G. Les réseaux mobiles actuels nous offrent des vitesses de téléchargement de l'ordre de dizaines de mégaoctets par seconde et des latences d'environ 70 ms. La 5G représentera un bond en avant, offrant jusqu'à 10 Go de téléchargement et des latences de moins de 10 ms. Tout ceci devient possible grâce à la bande EHF dans lequel opère la 5G. Des bandes passantes à fréquence plus importante nous donneront des latences plus faibles et de meilleurs débits de données. Ce secteur estime que la 5G sera opérationnelle aux alentours de 2018. Et à ce moment-là, vous devrez être prêt à gérer des signaux de longueurs d'ondes millimétriques (mm).

• Le radar ADAS - La technologie des véhicules dotés de systèmes ADAS est déjà là. Auparavant, les radars de détection de collision fonctionnaient à moins de 30 GHz, mais la norme a récemment augmenté et est passée à 77 GHz. Les fabricants construisent de plus en plus de voitures dotées de fonctionnalités ADAS, il faut donc s'attendre à voir davantage de systèmes de radars au volant sur nos routes. Si vous souhaitez créer des circuits imprimés capables de gérer tout type de radar de véhicule, il vaudrait mieux vous préparer à travailler avec les signaux de fréquence EHF.

Au fur et à mesure que ces deux technologies se développent, vous devrez apprendre à gérer leurs fréquences opérationnelles. Et c'est là que j'interviens pour vous donner des conseils sur les matériaux et les méthodes de conception qui vous aideront à suivre l'évolution rapide de la conception des circuits imprimés.

Les périphériques 5G utiliseront des fréquences que nous avons rarement employées dans nos conceptions.

Conseils matériels

Je viens d'écrire un article sur le choix des matériaux destinés à des cartes haute fréquence. Néanmoins, les fréquences dont il s'agit ici sont un peu plus élevées que la normale ; je vais donc reprendre certains points.

• Constante diélectrique (Dk) très faible - En tant qu'ingénieurs, si nous trouvons quelque chose qui fonctionne, nous l'adoptons. Vous avez peut-être passé vos cartes haute fréquence au niveau au-dessus du matériau FR4 et vous estimez que ça ira très bien aussi pour les fréquences EHF. Pour les ondes mm, vous devez utiliser les matériaux dotés de la plus faible constante Dk que possible. Les pertes en constante Dk augmentent proportionnellement avec la fréquence. Cela signifie qu'une constante Dk modérément faible ne conviendra plus.

• Masque de soudure peu important - Vous demandez peut-être à votre fournisseur des informations quant à l'absorption de l'humidité dans votre substrat, mais je doute que vous ne lui parliez du masque de soudure. La plupart des masques de soudure ont un taux élevé d'absorption, ce qui leur permet de se remplir d'eau, qui a une constante Dk de 70. Un masque de soudure humide va provoquer de grandes pertes dans votre circuit à ondes mm. C'est pourquoi vous devez utiliser aussi peu de masque de soudure que possible dans ce type de circuit imprimé.

• Cuivre très lisse - Le cuivre que vous utilisez dans ces cartes doit être le plus lisse possible. La profondeur de pénétration du courant à ces fréquences est très superficielle. Si superficielle d'ailleurs qu'on pourrait parfois la comparer à un paysage de montagnes et de vallées, constituant une surface rugueuse. Un cuivre rugueux donnera au courant un chemin plus long, favorisant les pertes en résistance. Utilisez un cuivre lisse.

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Nous devrons apprendre de nouvelles techniques de conception pour les radars des voitures dotées de systèmes ADAS.

Conseils pratiques

Parallèlement aux considérations matérielles, vous devez penser à la géométrie et à d'autres caractéristiques physiques. Il faut retenir deux éléments importants : l'épaisseur du revêtement et les caractéristiques de la ligne de transmission.

• L'épaisseur du revêtement - Il vous faut non seulement choisir un type de revêtement adapté, mais aussi une épaisseur de revêtement adaptée. En règle générale, vous aurez une épaisseur de revêtement d'environ ¼ et ⅛ de longueur d'onde de la plus haute fréquence de fonctionnement. Si votre revêtement est trop épais, il peut résonner et même propager ses propres ondes. N'oubliez pas que l'épaisseur du revêtement peut influer sur les largeurs du conducteur ; il faut donc tenir compte de cela avant de choisir le revêtement.

• Caractéristiques de la ligne de transmission - Vous devrez décider quel type de conducteur vous souhaitez utiliser : microstrip, stripline, ou guide d'ondes coplanaire (GCPW). Le microstrip est probablement le plus connu, mais il a des difficultés avec les pertes irradiées et la propagation du mode intermittent au-delà de 30 GHz. Le GCPW est un choix convenable, mais il souffrira de pertes de conducteur plus importantes qu'un microstrip ou stripline. Le stripline est très bien, mais il peut être compliqué à fabriquer, d'où un coût plus élevé. Par ailleurs, vous devrez utiliser les microvias pour connecter le stripline aux couches extérieures en évitant au maximum les réflexions de signal. Les microvias étant difficiles à fabriquer, si vous choisissez cette option, parlez-en à votre fabricant afin de limiter les défauts potentiels.

Nous autres férus de technologie aimons les discussions. Nous avons eu d'abord Bétamax versus VHS, puis Blu-Ray versus DVD HD, Firewire versus USB, etc. Malheureusement pour nous, nous ne pourrons pas discuter des hautes fréquences qui seront dans les circuits imprimés nouvelle génération. Des débits de données de plus en plus élevés, ainsi que des technologies émergentes telles que la 5G ou les voitures dotées de systèmes ADAS, entraînent des fréquences de plus en plus élevées. Quant à nous, nous devons apprendre à les gérer, tout simplement. Vous devrez être prudent dans vos choix de matériaux à utiliser dans ces nouveaux circuits imprimés haute fréquence. Vous devrez aussi rester vigilant en matière de caractéristiques physiques de vos circuits.

L'avenir peut parfois paraître un peu alarmant, mais heureusement que nous ne sommes pas seuls. Un excellent logiciel de conception de circuits imprimés, tel qu'Altium Designer, peut vous aider à maîtriser les techniques de demain. Altium Designer est doté d'un vaste éventail d'outils avancés pour faciliter la conception à des ingénieurs.

Vous avez des questions à propos de la conception de circuits EHF ? Contactez un expert Altium.