Guide de conception et d’implantation d’une alimentation Radio Fréquence

Zachariah Peterson
|  Créé: October 7, 2021
Conception d'une alimentation RF

Une chose est sûre : les conceptions d'alimentation peuvent être beaucoup plus complexes que le simple acheminement de lignes d'alimentation en courant continu vers vos composants. Les conceptions d'alimentation Radio Fréquence (RF) nécessitent une attention particulière pour s'assurer qu'elles fonctionnent sans transférer de bruit excessif entre les parties du système. Cela est difficile en raison des niveaux de puissance élevés impliqués. En plus d'une disposition soignée, les circuits doivent être conçus de manière à ce que le système assure une conversion et une distribution de l'énergie très efficaces à chaque sous-section du système.

Les systèmes de très haute puissance sont encore conçus avec des composants discrets qui peuvent être connectés dans un grand boîtier. Mais les systèmes de plus petite puissance peuvent être placés sur un circuit imprimé avec quelques composants et stratégies de régulation de puissance plus récents. Les défis posés par ces systèmes relèvent de deux grands domaines :

  • La génération de chaleur dans les transistors à effet de champ (FET) et les amplificateurs. Ce qui motive l'utilisation de semi-conducteurs avancés comme le GaN sur SiC pour l'amplification RF.
  • Les parasites qui pourraient permettre à la puissance élevée de fuir dans les circuits voisins le long de la ligne d'alimentation, ce qui nécessite un placement et un routage soignés.

Le premier point se produit en amont, lorsque les composants sont sélectionnés pour les circuits d'alimentation et placés dans vos feuilles de schémas. Le deuxième point ci-dessus est celui où le placement et le routage deviennent plus importants. Nous couvrirons ces deux domaines dans cet article afin que les concepteurs RF novices puissent réaliser leur empilage et leur placement avant le routage.

Commencer la conception de votre alimentation RF

Pour la conception des circuits, les alimentations RF nécessitent plusieurs étapes de régulation et de filtration identiques aux autres alimentations destinées à un système de courant continu (CC). Le rôle principal d'une alimentation RF est de fournir de l'énergie à un système RF à la fréquence d'intérêt. Cela comprend des composants standard utilisés pour générer et conditionner un signal RF (oscillateurs, filtres actifs, amplificateurs, etc.). L'alimentation doit être capable de répondre à la modulation. La conception d'une alimentation RF doit également répondre à certaines des mêmes exigences qu'une carte de circuit imprimé RF typique : à savoir de faibles pertes à haute fréquence, des températures nominales et des propriétés thermiques suffisamment élevées.

Le schéma fonctionnel ci-dessous montre à un niveau élevé comment générer de l'énergie RF à des fréquences élevées.

Conception d'une alimentation RF
RF power supply topology with an RF amplifier.

Les alimentations RF fonctionnent également à l'inverse, c'est-à-dire qu'elles reçoivent un signal RF et le rectifient en une tension continue. Cela nécessite la construction d'un circuit de redressement RF, que nous n'aborderons pas dans cet article, car il peut être assez complexe. Nous nous concentrerons plutôt sur l'aspect de l'approvisionnement en RF.

Régulateurs et filtration

Les alimentations RF qui doivent s'approvisionner à des fréquences élevées, c'est-à-dire des MHz ou des GHz élevés, sont généralement construites à partir de composants discrets. Cependant, vous pouvez mettre toutes les sections ci-dessus sur la même carte. La première étape est la sélection du régulateur et la conception du filtre. Dans le schéma fonctionnel ci-dessus, le filtre d'ordre supérieur et le régulateur de commutation doivent être construits pour suivre l'enveloppe de tout signal modulé (pour une sortie AM), ou pour moduler sa sortie à la fréquence de la bande de base (pour une sortie FM). Cela peut nécessiter une topologie multiphase et multiniveau pour votre conception.

Lors de la sélection de tout régulateur en aval (il peut s'agir d'un régulateur à découpage ou d'un régulateur à faible chute de tension LDO), faites attention à l'efficacité. Si vous utilisez un LDO, le différentiel de tension ne doit pas être trop élevé. Sinon cela fera chuter la puissance sur le LDO, et la résistance thermique élevée du composant peut le faire chauffer rapidement au-delà de sa température nominale. Dans un prototype récent construit par ma société, nous avons opté pour des LDO avec un refroidissement par conduction via le boîtier. Si vous devez abaisser la tension de façon importante, vous devez utiliser un régulateur à découpage et appliquer un autre filtre d'ordre supérieur pour garantir un faible bruit au port VDD, au port VGG et à l'oscillateur.

Comment gérer le plan de masse ?

Comme pour toute autre conception à signaux mixtes, n'essayez pas d'isoler galvaniquement la sortie de votre régulateur à découpage (si vous en utilisez un) de la section RF en la faisant passer par des masses séparées. Vous créerez le même type de problème d'interférences électromagnétiques que vous verriez lorsqu'un signal numérique asymétrique est acheminé sur un espace dans un plan de masse. C'est une erreur courante dans les systèmes à signaux mixtes, et il est facile de faire la même erreur dans un système RF en supposant que la sortie du régulateur à découpage est purement continue. Même avec le suivi d'enveloppe, vous continuez à tirer votre puissance moyenne dans le temps à la fréquence de la bande de base, qui peut être de l'ordre de dizaines ou de centaines de MHz.

Plan de masse de l'alimentation RF
An example of bad grounding between a regulator output and an amplifier/oscillator section. Routing at high frequencies over this ground plane gap creates radiated EMI.

Gardez un sol uniforme et pratiquez un bon placement tout en maintenant le contrôle de l'impédance sur les lignes coplanaires, plutôt que d'essayer de prendre la voie la plus facile et de diviser votre couche de sol. Si vous pouvez placer les composants RF et les composants de régulation dans leurs propres sections, vous pouvez éviter les interférences entre eux tant que vous pouvez suivre correctement les chemins de retour.

Conception de l'empilage et sélection des matériaux

Lors de la conception de votre empilement, vous devez tenir compte de la fréquence de fonctionnement de votre régulateur et de la longueur de vos lignes RF sur la carte. Pour les lignes RF plus longues, vous devrez utiliser un stratifié à faible perte, éventuellement un stratifié PTFE. Pour les alimentations RF qui ne routent pas de longues lignes, vous pouvez opter pour des laminés FR4 comme matériaux d'empilage. Une façon de concilier faible perte et faible coût est d'utiliser un empilage hybride avec un diélectrique à faible perte supportant vos lignes RF.

L'exemple ci-dessus avec le routage des rails d'alimentation sur le plan de masse peut être réalisé sur une carte à 4 couches, à condition que les lignes RF soient également routées sur une couche de surface. Vous pouvez également utiliser une masse uniforme et un plan de puissance pour fournir l'alimentation de la section du régulateur aux composants. Cela permettra aussi d’acheminer les lignes RF sur la couche de surface pour conserver une carte à 4 couches. C'est une bonne façon d'utiliser un empilage hybride avec du PTFE à faible perte sur la couche de surface. Cependant, la seule isolation que vous pouvez obtenir de manière fiable sur cette carte provient de la coplanarité de votre routage. C'est-à-dire de la barrière de via que vous placez autour des lignes RF et autour des composants pour empêcher le couplage du bruit entre les sections de la carte.

Empilage d'alimentations RF
These 4-layer stackups could be used for low or moderate power levels. The goal is to provide isolation as power levels increase as well as accommodate the high voltage/current that might be needed at higher power levels.

Vous pouvez également utiliser un empilage de 6 ou 8 couches pour ce type de conception lorsque vous devez travailler avec des puissances plus élevées tout en assurant une forte isolation. Par exemple, vous pouvez faire de L3 une couche de signal pour les lignes RF coplanaires entre deux plans de fil de terre (sur L2/L4). Puis placer l'alimentation sur L5, et éventuellement acheminer tout autre signal dont vous pourriez avoir besoin sur les couches de surface ou L6 (voir ci-dessous). Cette méthode est préférable pour une conception de haute puissance qui nécessite beaucoup d'isolation, car le plan de masse fournira un blindage entre les couches.

Empilage d'alimentations RF
This 8-layer stackup provides a power plane and high isolation for the RF signals on an inner layer. This could also be used as a 6-layer board by removing the two bottom layers.

En assurant l'isolation entre les différentes sections de la conception, vous pouvez éviter le type de couplage parasite qui permet au bruit de se propager dans la sortie. La sortie de l'alimentation doit présenter un niveau de bruit et de distorsion suffisamment faible pour fournir une alimentation propre aux autres composants. Il existe deux sources principales de bruit dans ce type de conception :

  • Le bruit du régulateur à découpage ou une entrée Courant Continu bruyante. 
  • Le couplage du bruit à l'entrée de l'amplificateur à partir de la sortie.

Les deux points sont résolus avec les conseils de conception de l'empilage mentionnés ici, ainsi qu'avec un placement intelligent des sections bruyantes loin de la section de sortie RF. Le second point est plus difficile à résoudre à des fréquences plus élevées. Il est possible de voir la sortie RF subir une rétroaction positive en se couplant à l'entrée de l'étage amplificateur. L'acheminement et la filtration sont également très importants, car ils peuvent contribuer à fournir une isolation et une élimination du bruit supplémentaires.

Placement et routage

Ces deux aspects de la conception sont essentiels, car vous devez supprimer les problèmes de bruit que j'ai mentionnés dans les deux points précédents. Acheminez les tracés RF de l'oscillateur, à travers l'amplificateur et jusqu'à la sortie sous forme de guides d'ondes coplanaires mis à la terre (soit sur la surface, soit sur les couches internes) pour garantir une certaine isolation. N'utilisez pas de tracés de garde pour fournir un blindage, car ils créeraient davantage de couplage de bruit. Utilisez uniquement le style de clôture de via que vous avez calculé pour vos lignes coplanaires. De plus, si vous travaillez sur une couche interne, assurez-vous de déterminer si vous avez besoin d'un perçage arrière en analysant vos vias stubs.

Tout autre conditionnement qui pourrait être nécessaire sur la sortie dépend de la fonction de l'alimentation. Sera-t-elle dirigée directement vers une antenne ou vers une ligne coaxiale SMA/u.FL ? Il est courant de faire passer la sortie RF par un filtre (un filtre BAW ou SAW), mais faites attention à la sélection des composants, car les filtres BAW et SAW intégrés dans les puces ne peuvent pas toujours accepter les puissances RF élevées utilisées dans certaines alimentations RF.

Un autre composant dont vous pourriez avoir besoin sur le réseau de sortie RF est un isolateur/circulateur pour empêcher toute réflexion de revenir vers l'amplificateur. Il existe des isolateurs SMD que vous pouvez utiliser sur la sortie. Cela est particulièrement important si vous mettez en œuvre une alimentation par RF ou si vous envoyez votre sortie RF directement à une antenne.

Isolateur RF smd
SMD RF isolators like these are compatible with reflow soldering processes and can handle high powers (up to 20 W or more).

Si vous devez faire passer des signaux par un module RF externe, vous pouvez placer des connecteurs SMD u.FL ou SMA pour effectuer ces connexions. Vous pouvez faire sortir le signal de la carte, puis le faire passer par le module et enfin le faire revenir sur la carte si nécessaire. Ce procédé est utile dans le cas où votre niveau de puissance dépasserait la valeur autorisée pour un composant SMD/à trou traversant équivalent sur la carte.

En résumé

Alors que les amplificateurs de puissance et les alimentations RF ont généralement été construits à partir d'éléments de filtrage discrets, les composants plus récents vous permettent d'être très agressif avec votre facteur de forme et de consolider plusieurs de ces éléments sur une seule carte. Avant de commencer, assurez-vous de consulter votre fabricant au sujet de votre empilage pour vérifier qu'il est possible de le fabriquer en tant que carte hybride. Veillez également à prendre en compte la rugosité du cuivre et la dispersion diélectrique dans la conception de votre ligne de transmission, afin de vous assurer que l'impédance de votre ligne de transmission RF a une valeur typique de 50 Ohms.

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A propos de l'auteur

A propos de l'auteur

Zachariah Peterson possède une vaste expérience technique dans le milieu universitaire et industriel. Avant de travailler dans l'industrie des PCB, il a enseigné à la Portland State University. Il a dirigé son M.S. recherche sur les capteurs de gaz chimisorptifs et son doctorat en physique appliquée, recherche sur la théorie et la stabilité du laser aléatoire. Son expérience en recherche scientifique couvre des sujets tels que les lasers à nanoparticules, les dispositifs électroniques et optoélectroniques à semi-conducteurs, les systèmes environnementaux et l'analyse financière. Ses travaux ont été publiés dans diverses revues spécialisées et actes de conférences et il a écrit des centaines de blogs techniques sur la conception de PCB pour de nombreuses entreprises. Zachariah travaille avec d'autres sociétés de PCB fournissant des services de conception et de recherche. Il est membre de l'IEEE Photonics Society et de l'American Physical Society

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