En quoi consiste la conception d'un circuit RF ?

Les concepteurs de systèmes numériques connaissent sans doute certains composants RF et styles de routage, mais la conception de circuits RF ne s'arrête pas là. Un circuit RF peut comprendre des circuits intégrés, des semi-conducteurs discrets et des éléments RF imprimés qui interagissent afin de produire la fonctionnalité souhaitée.

La conception de circuits RF nécessite de combiner tous ces éléments pour créer un système complet et un routage de circuit imprimé.

Les circuits RF ne sont pas aussi intuitifs que les schémas de circuit électrique classiques, et il peut parfois sembler que certains schémas enfreignent les règles de base de la conception électrique. Cependant, en raison de la façon dont se propagent les ondes électromagnétiques, les circuits fonctionnant en radiofréquences ont un comportement très différent de celui des circuits intégrés classiques fonctionnant en courant continu ou sur bandes numériques.

Que vous conceviez un système de communication sans fil ou une ligne de transmission dotée d'une impédance précise, il est important de tenir compte des principes de base de la technologie micro-ondes.

1. Introduction à la conception de circuits RF
2. Planification de la structure de votre circuit
3. Conceptions courantes de circuits RF
4. Outils de conception et de routage de circuits RF

On dit souvent en plaisantant que la conception radiofréquence (RF) dans le domaine des circuits intégrés et imprimés est un sujet qui sert seulement à réussir les examens universitaires.

Aujourd'hui, cependant, on trouve de nombreux produits spécialisés qui nécessitent des composants à signaux mixtes, comportent un module de communication sans fil ou sont destinés à des applications haute fréquence telles que les radars.

Par conséquent, la conception RF revient sur le devant de la scène, et celles et ceux pour qui cette discipline n'est qu'un vieux souvenir sont invités à lire ce guide pour se rafraîchir la mémoire.

Introduction à la conception de circuits RF

Les circuits RF sont conçus pour imiter les éléments de circuit standard et certains circuits intégrés simples en créant des structures à l'aide d'éléments imprimés sur une carte.

Ils peuvent sembler quelque peu déroutants car ils n'utilisent pas toujours des composants standard. À la place, ils utilisent notamment des pistes sur circuit imprimé ou d'autres composants pour produire la fonctionnalité souhaitée.

Le circuit imprimé RF

Dans les circuits imprimés RF, les sections imprimées sont réalisées à l'aide de pistes de cuivre dans le but d'en constituer les différents éléments. La disposition des pistes, des condensateurs ou des inducteurs et des semi-conducteurs peut sembler peu intuitive à première vue, mais elle exploite les propriétés de propagation du champ électromagnétique pour produire le comportement électrique souhaité.

Il y a quelques principes importants à retenir concernant la conception de circuits RF, dont le comportement électrique des circuits RF sur circuit imprimé :

• La passivité : Tous les circuits imprimés RF sont passifs, sauf si un composant actif standard est ajouté à la conception. Néanmoins, des recherches sont en cours sur les composants RF actifs réalisés entièrement à partir de pistes imprimées.
• La linéarité : Les circuits RF réalisés à partir de pistes imprimées sont toujours linéaires, ce qui signifie que la tension et l'intensité sont liées par une fonction linéaire (ligne droite sur un graphique). Ces circuits deviennent non linéaires uniquement en cas d'ajout d'un composant semi-conducteur non linéaire, une diode par exemple.
• La propagation : Tous les circuits RF tirent parti de la propagation des ondes. Cela signifie que les impédances d'entrée doivent être prises en compte pour définir, d'une part, les impédances à utiliser dans le circuit RF, et d'autre part, comment créer des interfaces entre ses différentes sections.
• L'intégrité du signal : Elle repose sur le blindage et l'isolation électromagnétiques dans la mesure où les signaux RF doivent présenter le moins de bruit possible. De nombreuses structures de blindage et techniques de routage ont été spécialement mises au point pour assurer le blindage et l'isolation nécessaires dans les systèmes RF.

Le circuit RF actif

Les circuits RF actifs peuvent contenir toutes sortes de composants : oscillateurs, amplificateurs commandés, CAN ou encore émetteurs-récepteurs. Ces composants peuvent être utilisés en plus des pistes imprimées pour fournir des fonctionnalités supplémentaires.

De nombreux modules radar, systèmes sans fil, amplificateurs et composants de télécommunications utilisent des composants actifs avec des circuits passifs pour router les signaux RF et obtenir une propagation adéquate des signaux. L'échantillonnage, la manipulation et le traitement des signaux sont effectués par des composants actifs, qui peuvent également fournir une interface vers les systèmes numériques.

Planification de la structure de votre circuit RF

Tout comme pour les circuits imprimés numériques haute vitesse, la conception de circuits RF repose sur un empilage de couches bien précis. Cet empilage doit respecter l'impédance nominale des éléments RF présents – à noter que l'impédance de votre système, qui dépend du routage de votre circuit RF, est plus complexe.

De plus, la fréquence à laquelle fonctionne votre carte détermine la composition de l'empilage, les types de circuits imprimés dont vous avez besoin et les composants RF que vous pouvez utiliser. La conception RFIC reprend la plupart des principes de la conception de circuits imprimés RF, c'est pourquoi maîtriser ces concepts vous permettra de réussir dans tous les domaines de la conception RF.

Les matériaux utilisés dans la fabrication de circuits imprimés RF

Les matériaux FR4 conviennent aux lignes de transmission et aux interconnexions RF fonctionnant jusqu'aux fréquences WiFi (~6 GHz). Au delà, les ingénieurs recommandent d'utiliser des matériaux plus adaptés à la propagation des signaux RF et à la conception de circuits imprimés RF.

Les stratifiés FR4 standard utilisent des trames de fibre de verre enduites de résine pour maintenir les composants, or la présence de telles trames dans certains matériaux peut engendrer des problèmes d'intégrité du signal et de l'alimentation si les procédés de fabrication ne sont pas correctement spécifiés.

D'autres systèmes de matériaux utilisent des stratifiés et des matériaux adhésifs à base de PTFE pour lier les couches PTFE de l'empilage entre elles. Ces matériaux ont une tangente de perte plus faible que les matériaux FR4, ce qui permet aux signaux de parcourir de plus grandes distances sans atténuation tout en restant dans des limites acceptables.

Ces stratifiés doivent former le substrat qui supporte les lignes de transmission RF à très haute fréquence (radar 77 GHz par ex.), ou pour les très longues interconnexions à plus basse fréquence (WiFi 6 GHz par ex.).

Le tableau ci-dessous résume certaines propriétés importantes des matériaux couramment utilisés dans la fabrication de circuits imprimés RF.

L'empilage de couches de circuit imprimé à l'aide de matériaux RF

Une fois que vous avez sélectionné vos matériaux laminés et adhésifs pour concevoir votre circuit RF, il est temps de réaliser votre empilage de couches. Bien qu'il soit possible d'élaborer un empilage complet à l'aide de matériaux RF, cela n'est généralement pas nécessaire et peut s'avérer excessivement coûteux.

Une solution consiste à réaliser un empilage hybride. Le stratifié RF est placé sur une couche supérieure pour servir de support aux lignes de transmission et aux circuits RF, tandis que la couche interne est utilisée pour les plans de masse, le routage des signaux numériques et l'alimentation. La couche opposée peut également accueillir les composants numériques qui doivent interagir avec le front-end RF, les CAN pour la collecte des signaux RF ou d'autres composants.

Si votre circuit imprimé RF ne nécessite pas de section numérique, vous pouvez opter pour un circuit imprimé à 2 ou 3 couches avec des stratifiés RF d'épaisseur standard ou quasi standard. Une fois que vous avez déterminé l'épaisseur des couches et le système de matériaux, vous devez déterminer l'impédance de vos pistes RF.

Calcul de l'impédance des pistes RF

Une fois l'empilage de couches déterminé, il vous faut calculer la largeur des conducteurs sur le circuit imprimé afin que vos circuits RF possèdent l'impédance souhaitée (normalement 50 ohms). L'impédance d'une piste et ses dimensions sont liées à l'aide de formules dérivées d'une technique appelée « transformation conforme ».

À l'heure actuelle, la meilleure ressource pour trouver des formules permettant de calculer l'impédance d'une piste avec une constante diélectrique complexe est le manuel de Brian C. Waddell intitulé « Transmission Line Design Handbook ». Cependant, ces formules ne peuvent être appliquées à des largeurs spécifiques. Une méthode de calcul numérique est donc nécessaire pour déterminer la largeur requise afin qu'une ligne de transmission ait une impédance précise.

• En savoir plus sur le calcul de l'impédance des microrubans
• En savoir plus sur le calcul de l'impédance des rubans symétriques

Pour une disposition plus complexe (rubans ou guides d'ondes déportés), il est préférable d'utiliser un outil de conception d'empilage de couches équipé d'un solveur de champ intégré.

Ces outils peuvent prendre en compte la rugosité du cuivre, l'évasement pendant la fabrication, les schémas de routage différentiel ainsi que l'emplacement des pistes entre les couches. Ils sont également faciles à utiliser dans votre logiciel de conception de circuits imprimés.

Une fois que vous connaissez l'impédance de vos interconnexions, il vous faut encore déterminer les impédances correspondantes, soit en examinant les résultats de la simulation de réflexion, soit en consultant les fiches techniques.

Pour les circuits imprimés RF, on utilise l'impédance d'entrée des différentes sections de lignes de transmission pour déterminer les impédances correspondantes d'un circuit donné. En cas d'interfaçage des lignes de transmission et des composants dans les circuits RF, il vous faut tenir compte de l'impédance d'entrée lors de la conception d'un réseau d'adaptation d'impédance pour les composants RF.

• En savoir plus sur les valeurs d'impédance des lignes de transmission (en anglais)
• En savoir plus sur la longueur critique des lignes de transmission (en anglais)

Conceptions courantes de circuits RF

Il est important de concevoir l'empilage de couches de votre circuit imprimé avant vos circuits RF, en particulier pour les circuits RF passifs, car ils devront atteindre des valeurs d'impédance bien précises pour fonctionner correctement.

En outre, les circuits imprimés RF tirent parti de la propagation des ondes électromagnétiques sur les lignes de transmission, et la propagation des signaux dépendra de la fonction diélectrique du matériau du substrat. Une fois ces détails réglés, vous pouvez commencer à concevoir vos circuits RF et sélectionner les autres composants de votre système.

Ensuite, il est nécessaire de calculer les sections de lignes de transmission à utiliser dans les diverses structures d'un circuit imprimé. Les lignes de transmission guideront les ondes vers les composants tout en offrant les fonctions suivantes : atténuation, amplification, filtrage, résonance et émission, à la manière d'une antenne.

La transformation de l'impédance au niveau des métallisations, des interfaces avec les composants et des antennes est souvent nécessaire pour compenser les différences d'impédance observées lors de la propagation d'un signal RF. Les différentes structures imprimées qui produisent ces fonctions sont bien connues dans de nombreux manuels.

Voici quelques exemples de structures et de composants utilisés dans les circuits RF et les circuits imprimés :

• Les filtres passifs et actifs
• Les atténuateurs
• Les circulateurs
• Les amplificateurs
• Les diviseurs, répartiteurs et combinateurs de puissance RF
• Les antennes
• Les résonateurs
• Les cavités de guide d'ondes

Une fois que vous avez ajouté vos autres composants, vous devez créer des schémas de vos circuits avant de commencer le routage. Le placement des circuits RF sur le schéma obéit au même procédé que celui utilisé pour les systèmes numériques. Les simulations de circuits sont également importantes dans la conception du front-end RF, étant donné que vous devez évaluer le fonctionnement électrique de votre système avant de créer votre routage de circuit imprimé.

Cette opération est habituellement réalisée à l'aide de la simulation SPICE. Les éléments imprimés de votre carte sont alors définis comme des objets de ligne de transmission. Les meilleurs éditeurs de schémas incluent des objets de ligne de transmission pour vous permettre de simuler avec précision le comportement électromagnétique de votre circuit imprimé.

Outils de routage de circuits RF

Une fois que votre conception de circuit RF est terminée et qu'elle a été soumise aux outils de simulation adéquats dans la gamme de fréquences requise, vous pouvez passer au routage physique. Les concepteurs de circuits imprimés RF doivent souvent adopter une approche mécanique pour concevoir avec soin leurs interconnexions RF tout en respectant les règles de conception haute fréquence standard – réduire les vias et la longueur des pistes par exemple.

Tout circuit haute fréquence placé sur un circuit imprimé doit respecter des valeurs d'impédance et des tolérances géométriques précises. Par conséquent, pensez à bien configurer vos règles de conception électrique dans vos outils de CAO afin de garantir le respect de ces objectifs.

Si des composants numériques doivent également interagir avec vos circuits RF, il convient de les placer dans un schéma de circuit imprimé à l'aide des mêmes outils. Un placement soigné et un empilage de couches bien conçu permettront d'éviter les interférences qui corrompent les circuits haute fréquence et la collecte des signaux RF.

Les outils de conception 3D natifs peuvent également être utiles ici, car certains systèmes RF sont constitués de plusieurs circuits et l'assemblage global doit être inspecté avant la mise en fabrication.

Pour concevoir des systèmes RF avancés qui préservent également l'intégrité du signal, il vous faut une boîte à outils composée d'outils de simulation de circuits, d'outils de routage de circuits imprimés et d'un outil de conception d'empilage de couches pour vous aider à obtenir les valeurs d'impédance souhaitées.

Qu'il s'agisse d'un amplificateur à faible bruit pour la collecte de signaux, d'un amplificateur de puissance RF pour la diffusion de signaux ou d'interconnexions complexes assorties de structures de pistes et de via uniques, les meilleurs outils de routage vous permettront de réaliser le routage de vos circuits imprimés RF avec une flexibilité remarquable.

Les concepteurs de circuits, les ingénieurs chargés du routage et les ingénieurs SI/PI se servent des outils de conception avancés d'Altium Designer® pour concevoir des circuits RF et en réaliser le routage physique. Lorsqu'une conception est terminée et prête à être mise en fabrication, la plateforme Altium 365™ facilite la collaboration et le partage de vos projets.

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