Microstrip vs Stripline : Différence de disposition et quand les utiliser

La conception de circuits imprimés RF (Radiofréquence) est un domaine où l'ingénierie rencontre l'art. Parmi les outils de la boîte à outils d'un concepteur RF, les lignes de transmission microruban et triplaque sont les héros méconnus. Elles garantissent que les signaux voyagent de manière transparente à travers les circuits imprimés sans succomber aux interférences, aux pertes ou aux désadaptations d'impédance. Mais que sont ces lignes, et comment choisir entre elles ? Plongeons-nous dans le sujet, et pour en savoir plus sur les circuits imprimés, consultez notre article détaillé sur la fabrication de circuits imprimés.

Que sont les lignes de transmission microruban et triplaque ?

Ligne de transmission microruban :

Un microruban est une piste conductrice sur la surface d'un circuit imprimé, avec un plan de masse en dessous et un matériau diélectrique (substrat du circuit imprimé) pris en sandwich entre les deux. La face supérieure de la piste est exposée à l'air. Et son comportement en champ électromagnétique est donné comme suit :

• Les champs se propagent en partie dans le substrat et en partie dans l'air.
• Cela crée un milieu diélectrique hybride, conférant au microruban des propriétés uniques.

Ligne de transmission triplaque :

En revanche, une ligne triplaque est un conducteur enfoui entre deux plans de masse à l'intérieur d'un circuit imprimé. Elle est entièrement entourée de matériau diélectrique. Et son comportement en champ électromagnétique est donné comme suit :

• Les champs sont entièrement confinés au matériau diélectrique.
• Ce blindage la rend plus immunisée contre le bruit externe.

Pourquoi ces lignes sont-elles importantes dans la conception RF ?

Dans les conceptions RF, chaque millimètre compte, littéralement. Les lignes de transmission comme le microruban et la triplaque garantissent :

1. Intégrité du signal : Empêcher la distorsion sur de longues pistes.

2. Adaptation d'impédance : Maintenir une impédance constante (par exemple, 50 Ω ou 75 Ω) pour un transfert de puissance maximal.

3. Suppression du bruit : Contrôler le rayonnement et la susceptibilité aux interférences électromagnétiques externes.

4. Efficacité énergétique : Minimiser les pertes pour préserver la force du signal.

Quand utiliser le microruban ou la triplaque

Choisir entre ces deux options, c'est comme décider entre des baskets et des chaussures habillées : cela dépend de l'occasion.

Microruban :

• Signaux numériques à haute vitesse : La conception plus simple rend le microruban parfait pour les applications à haute vitesse où le coût et l'efficacité comptent.
• Fréquences plus basses (jusqu'à ~10 GHz) : Fonctionne bien lorsque les pertes et le bruit ne sont pas critiques.
• Conceptions sensibles au coût : Les pistes de surface simplifient la fabrication, ce qui les rend idéales pour les projets économiques.

Triplaque :

• Applications RF haute fréquence (au-dessus de ~10 GHz) : Un meilleur blindage minimise le rayonnement et les interférences.
• Circuits sensibles au bruit : À utiliser dans des environnements avec des exigences strictes de compatibilité électromagnétique (CEM).
• Dispositions de circuits imprimés à haute densité : Idéal pour les conceptions multicouches complexes nécessitant un contrôle d'impédance et une diaphonie minimale.

Exemples d'utilisation

Exemple 1 : Microruban pour antennes Wi-Fi

Une antenne patch microruban est souvent utilisée dans les routeurs Wi-Fi car elle est économique, légère et adaptée à la bande 2,4 GHz. La surface exposée aide à un rayonnement efficace du signal.

Exemple 2 : Triplaque dans les systèmes radar

Les systèmes radar fonctionnant à 77 GHz exigent précision et immunité au bruit. Les propriétés de blindage de la triplaque la rendent indispensable dans ces environnements haute fréquence et sensibles au bruit.

Calcul des longueurs de pistes et de l'impédance

L'impédance des pistes microruban et triplaque dépend de leurs dimensions et des propriétés du matériau du circuit imprimé. Utilisez les équations suivantes pour la conception :

Impédance microruban (Z₀)

Où :

• ϵ​ : Constante diélectrique du substrat
• h : Hauteur du diélectrique
• w : Largeur de la piste
• t : Épaisseur de la piste

Impédance triplaque (Z₀) :

Où :

• h : Distance entre les deux plans de masse
• w : Largeur de la piste

Conseils pour moduler le microruban et la triplaque

Pour adapter ces lignes de transmission à votre application :

1. Ajustez la largeur de la piste : Des pistes plus larges réduisent l'impédance ; des pistes plus fines l'augmentent.

2. Utilisez des outils de simulation : Des logiciels comme HFSS, ADS ou KiCad avec des modules RF intégrés aident à affiner les conceptions.

3. Contrôlez les matériaux diélectriques : Choisissez des substrats avec de faibles tangentes de perte pour de meilleures performances aux hautes fréquences.

4. Ajustez finement les hauteurs des couches : Dans les circuits imprimés multicouches, contrôlez précisément l'épaisseur entre les couches.

Conseils de conception de circuits imprimés RF utilisant le microruban et la triplaque

1. Meilleures pratiques de routage possibles

• Minimisez les coudes : Utilisez des courbes douces ou des coudes à 45° pour éviter la réflexion du signal.
• Court est préférable : Gardez les pistes aussi courtes que possible, surtout aux fréquences plus élevées.

2. Considérations sur le plan de masse

• Assurez un plan de masse continu et ininterrompu sous les lignes microruban.
• Pour la triplaque, maintenez la symétrie entre les plans de masse pour éviter le désalignement du signal.

3. Évitez la diaphonie

• Maintenez un espacement suffisant entre les pistes adjacentes.
• Utilisez des pistes de garde ou des plans de masse supplémentaires si nécessaire.

4. Testez, testez, et testez encore

• Utilisez un analyseur de réseau vectoriel (VNA) pour valider l'impédance et l'intégrité du signal après la fabrication.

Comment éviter les interférences entre les circuits RF, FI et basse fréquence ?

En règle générale, les circuits RF d'un système sont implémentés comme une carte unique indépendante pour la disposition et le routage, souvent enfermée dans un boîtier de blindage dédié. Les circuits RF sont généralement des cartes simple face ou double face avec une circuiterie relativement simple. Ces mesures minimisent l'influence des paramètres distribués sur les circuits RF et améliorent la cohérence des systèmes RF. Par rapport aux matériaux FR4 standard, les circuits imprimés RF ont tendance à utiliser des matériaux à facteur de qualité élevé. Ces matériaux ont une constante diélectrique plus faible, une capacité distribuée plus petite dans les lignes de transmission, une impédance plus élevée et des délais de transmission du signal plus courts.

Dans la conception de circuits mixtes, bien que les circuits RF et numériques puissent résider sur le même circuit imprimé, ils sont généralement séparés en sections RF et numériques, avec une disposition et un routage distincts. Des vias de masse et des boîtiers de blindage sont utilisés pour séparer ces sections et éviter les interférences.

Conclusion

Le microruban et la triplaque sont l'épine dorsale des conceptions modernes de circuits imprimés RF et haute vitesse. Le microruban offre simplicité et rentabilité, tandis que la triplaque excelle dans les applications haute fréquence sensibles au bruit. Savoir quand et comment les utiliser peut faire la différence entre un produit fiable et un presse-papier glorifié.

La conception RF n'est pas de la magie, c'est de la physique (avec une touche d'art). Choisissez judicieusement, concevez méticuleusement, et gardez toujours votre fer à souder chaud pour ces ajustements inévitables !

FAQ :

1. Les lignes de signal entre les plans d'alimentation et de masse peuvent-elles utiliser le modèle triplaque ?

Oui, les plans d'alimentation et de masse sont tous deux considérés comme des plans de référence lors du calcul de l'impédance caractéristique. Par exemple, dans une carte à 4 couches (couche supérieure - plan d'alimentation - plan de masse - couche inférieure), l'impédance de la piste de la couche supérieure utilise le plan d'alimentation comme référence dans le modèle microruban.