PCB RF: guide de conception et d’exploitation

Les PCB à radiofréquence (RF) sont des circuits à très grande vitesse fonctionnant à des fréquences comprises entre 100 MHz et plus, généralement de 500 MHz à 2 GHz. Les PCB RF sont l’épine dorsale des réseaux sans fil, des gadgets de haute technologie comme les smartphones, les téléviseurs intelligents, etc. En outre, les PCB RF sont utilisés dans les applications automobiles, médicales, militaires et aérospatiales pour obtenir des fonctions de mesure, de détection et de surveillance efficaces.

Il existe une différence significative entre un circuit RF et tout circuit analogique et numérique typique. Le signal RF comprend des signaux analogiques à très haute fréquence qui peuvent être à n’importe quel niveau de tension ou de courant dans les limites définies à tout moment donné. La conception d’un tel PCB RF est assez complexe et doit suivre des directives strictes pour atténuer les problèmes d’interférence causés par les signaux haute fréquence.

Lors d’une conception de PCB RF, le sujet le plus souvent discuté est le choix d’un matériau approprié pour une application cible qui a un impact sur la conception finale. Le matériau de substrat sélectionné détermine le prix, l’épaisseur, la disposition du circuit, les possibilités de montage, etc., couvrant une grande partie de la fonctionnalité globale du produit.

Directives pour sélectionner le bon substrat stratifié pour les applications PCB RF haute fréquence

• Il est fortement recommandé de faire correspondre la constante diélectrique (Dk) de la résine et du matériau tissé d’un substrat. Des Dks non uniformes dans un substrat peuvent poser problème pendant les opérations à haute fréquence. Le concepteur doit garantir une correspondance étroite de Dk dans toutes les couches de substrat considérées dans la conception du PCB.
• Le degré d’expansion du substrat en réponse aux changements de température pendant la fabrication ou le fonctionnement du PCB est connu sous le nom de coefficient de dilatation thermique (CTE). Différentes couches d’un substrat stratifié peuvent se dilater à un rythme différent, provoquant des défaillances fonctionnelles et des problèmes de fiabilité. La correspondance des CTE de toutes les couches de substrat est obligatoire dans une conception de PCB RF.
• La sélection d’un substrat stratifié ayant des propriétés tissées pour un maillage serré est suggérée car cela peut avoir un impact direct sur Dk.
• La tangente de perte d’un matériau est la quantité d’énergie perdue dans la région diélectrique pendant la transmission du signal. La sélection d’un matériau de tangente de perte correct est cruciale pour l’intégrité du signal dans une conception de PCB RF. Le matériau polytétrafluoréthylène téflon (PTFE) est l’un de ces matériaux suggérés pour la conception de circuits imprimés RF.
• Le substrat choisi doit absorber le moins d’humidité de l’environnement pour éviter les dégradations de performances à hautes fréquences.
• Aux hautes fréquences, les signaux de courant ont tendance à se concentrer dans une petite zone près de la surface de la trace. C’est ce qu’on appelle l’effet peau. L’utilisation d’une feuille de cuivre lisse réduira ces pertes résistives lors des opérations à haute fréquence.

Pour construire un PCB RF de haute qualité

• La principale préoccupation est la sensibilité des signaux haute fréquence à toute interférence de bruit comme la sonnerie, la réflexion ou la diaphonie. Cela exige une adaptation d’impédance prudente lors du routage des signaux RF. Les concepteurs utilisent largement une valeur d’impédance commune de 50 Ω, ce qui simplifie l’adaptation d’impédance des signaux RF.
• L’inductance a également un impact significatif sur une conception RF et doit être maintenue aussi faible que possible. Assurez une connexion à la terre adéquate aux composants RF sans discontinuité dans le chemin de terre de retour.
• Les traces RF transportent les signaux de fréquence les plus élevés, et il est suggéré de les acheminer d’abord en fournissant une courbure douce pour les traces si nécessaire.
• Les pistes reliant les composants RF doivent être courtes et suffisamment espacées pour éviter tout problème de diaphonie.
• Isoler les pistes RF est nécessaire pour éviter tout problème de surchauffe car ces pistes fonctionnent à une fréquence très élevée. Ceci peut être réalisé en cousant des vias autour des traces RF.
• Un empilement bien équilibré avec l’épaisseur uniforme des couches de cuivre améliore l’intégrité du signal d’un PCB RF.
• Pour éviter les effets de couplage, les traces de signaux haute vitesse doivent être acheminées sur différentes couches autres que les signaux RF.
• Les lignes d’alimentation doivent être acheminées dans des plans d’alimentation dédiés en insérant les condensateurs de découplage et de dérivation nécessaires.
• Les vias ajoutés sur les traces RF et les composants RF proches réduisent les effets d’inductance parasite et réduisent le couplage entre les signaux RF et d’autres traces de signaux sur le PCB.

Directives de conception

L’assemblage de circuits imprimés RF

Un PCB RF peut être fabriqué avec un rendement élevé en respectant certaines directives de conception de base requises pour un assemblage PCB RF. Ces règles étendent les règles DFM standard qui aideront à fabriquer un PCB RF haute vitesse avec un rendement élevé.

• La conception RF nécessite une prise en charge de puissance plus élevée. Ainsi, les coussins thermiques doivent être construits pour les besoins énergétiques essentiels et toujours être fabriqués avec le soulagement thermique nécessaire.
• Le placement des composants SMT doit être envisagé à l’avance pendant la phase de placement des composants. Dans une conception RF, beaucoup de métal est utilisé pour les réseaux électriques et à des fins de blindage. Ces espaces métalliques ne doivent pas être utilisés pour placer des composants CMS par les concepteurs.
• Les exigences complexes de routage des signaux d’un PCB RF peuvent conduire à une stratégie stricte de placement des composants. Mais les concepteurs doivent également prendre en compte les retouches nécessaires, les exigences de débogage lors de la production en série et fournir suffisamment d’espaces pour l’accès aux composants.

Trouver un terrain d’entente pour répondre à la fois aux exigences électriques et à la faisabilité de fabrication est possible si le concepteur a soigneusement pris en compte toutes les exigences de conception et d’assemblage d’un PCB RF.

Directives pour le fonctionnement sûr des PCB RF

L’essor de la technologie sans fil a assuré le besoin de PCB RF haute fréquence dans les produits de consommation ainsi que les applications militaires ou aérospatiales traditionnelles. De plus en plus de produits basés sur RF conduisent à un spectre RF encombré avec des interférences indésirables. Ainsi, il devient nécessaire d’exploiter ces applications RF PCB avec prudence.

Le blindage des circuits imprimés RF et de leurs composants sensibles peut réduire considérablement les menaces d’interférences électromagnétiques (EMI). Mais ce blindage peut également interférer dans la transmission du signal. Pour gérer les problèmes EMI, une mise à la terre appropriée du PCB est essentielle. De longues traces à grande vitesse peuvent servir d’émetteurs et de récepteurs d’EMI. Par conséquent, s’en tenir à la longueur de trace la plus courte possible est essentiel pour toute conception de PCB RF.

La conception et la fabrication d’un PCB RF nécessitent une bonne connaissance du domaine et une expérience exhaustive de la fabrication de PCB . Ce guide complet fournit une combinaison de facteurs de conception, d’assemblage et de sécurité à prendre en compte lors de la conception d’un PCB RF. N’oubliez pas d’impliquer votre fournisseur d’assemblage de circuits imprimés dès la phase de conception pour déployer des circuits imprimés RF hautes performances sur le marché.

A propos de l’auteur

par Ken Ghadia, ingénieur commercial, TechnoTronix

Ken travaille comme ingénieur commercial chez Technotronix . Il apporte 15 ans d’expérience dans la vente de PCB et les services clients techniques.

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