Conception et fabrication des PCB RF | JLCPCB

La conception d'un PCB RF repose sur plusieurs règles fondamentales qui nécessitent une bonne connaissance des circuits numériques et analogiques. Une comparaison directe avec les conceptions analogiques ou numériques classiques reste toutefois difficile, car les fréquences peuvent atteindre plusieurs GHz. À ces fréquences, presque tous les aspects du PCB doivent être étudiés avec attention:

• Discontinuités d'impédance
• Longueur des pistes
• Mise à la masse
• Blindage

Une mauvaise maîtrise de ces paramètres peut entraîner une défaillance complète du système. Une conception ne tenant pas compte de toutes les contraintes peut également provoquer une dégradation des performances, des pertes de signal, des interférences électromagnétiques (EMI) et une augmentation de la consommation électrique. Cet article présente les matériaux adaptés, les méthodes de routage des pistes sur un PCB RF hyperfréquence ainsi que les principales règles relatives à l'intégrité du signal et au contrôle de l'impédance. Un placement et un routage rigoureux sont indispensables pour limiter la dégradation du signal et la diaphonie entre les différentes sections. Avant de commencer le routage d'un PCB RF, examinez les paramètres suivants.

7 critères essentiels pour le routage d'un PCB RF

1. Choix du matériau

Un PCB RF nécessite un substrat aux caractéristiques stables. Cette stabilité concerne principalement la constante diélectrique (Dk) et le facteur de dissipation (Df). Les matériaux couramment utilisés pour les applications RF comprennent les laminés Rogers RO4000, Rogers RO3000, Taconic RF et le PTFE. Une constante diélectrique plus faible réduit généralement le délai de propagation, tandis qu'un faible facteur de dissipation limite les pertes d'énergie.

2. Impédance contrôlée

Les pistes RF peuvent utiliser des structures microruban, stripline ou guide d'ondes coplanaire, présentées plus loin dans cet article. La largeur des pistes et leur distance par rapport au plan de masse de référence doivent rester constantes. Cette géométrie permet de définir une impédance caractéristique, généralement de 50 Ω ou 75 Ω. Si l'impédance de la ligne ne correspond pas à celle du réseau, des réflexions et des pertes apparaissent. Privilégiez également les courbes ou les angles à 45° plutôt que les virages brusques à 90°. Après la conception du circuit et du PCB, la simulation est essentielle. Des calculateurs d'impédance et des outils de simulation en ligne permettent de déterminer les dimensions adaptées des pistes et de vérifier leur fonctionnement. Consultez également notre article détaillé sur le contrôle de l'impédance.

3. Conception et routage des pistes

Aux hautes fréquences, les effets parasites doivent être réduits au minimum. Les pistes RF doivent donc être aussi courtes et directes que possible. Évitez les angles brusques et utilisez des virages à 45° ou des courbes afin de limiter les discontinuités d'impédance. Réduisez les changements de couche sur les chemins RF et utilisez, si nécessaire, des vias borgnes ou des vias avec contre-perçage. Évitez de router parallèlement des pistes RF et non RF afin de limiter leur couplage. Placez les points de test en dehors des chemins RF critiques pour préserver la continuité de l'impédance. Isolez physiquement les sections numériques et RF et conservez, lorsque l'espace le permet, une distance d'au moins 20 mm. Pour maîtriser le confinement des champs entre les plans, la règle 20H peut également être prise en compte. La valeur H correspond à la distance entre deux couches, par exemple l'épaisseur du prepreg séparant L1 et L2 sur un PCB à 4 couches.

4. Utilisation de lignes de transmission RF

1. Microruban: piste de signal routée sur une couche externe avec un plan de masse continu directement en dessous.

2. Stripline: piste de signal routée sur une couche interne entre deux plans de masse, offrant des caractéristiques électriques équilibrées.

3. Guide d'ondes coplanaire avec masse: conducteur central entouré de zones de masse et de rangées de vias de couture afin d'assurer une excellente isolation.

5. Mise à la masse et chemins de retour

Une stratégie de masse rigoureuse est essentielle pour limiter le bruit et les EMI. Utilisez un plan de masse continu directement sous les pistes RF et évitez toute interruption susceptible de couper les chemins du courant de retour. Une configuration courante consiste à router les signaux RF sur la couche supérieure et à placer le plan de masse sur la couche immédiatement inférieure. Les changements de couche doivent rester limités. Des rangées de vias de couture peuvent toutefois être ajoutées autour des zones où les champs risquent de se propager afin d'améliorer leur confinement et de réduire les effets parasites. Organisez les sections numériques et RF de manière à limiter le couplage du bruit. Si des zones de masse distinctes sont nécessaires, leur raccordement doit être défini après une analyse précise des chemins du courant de retour.

6. Découplage de l'alimentation

Une alimentation propre est indispensable au bon fonctionnement des circuits RF. Utilisez plusieurs condensateurs de valeurs différentes afin de filtrer une large plage de fréquences. Placez les condensateurs de découplage aussi près que possible des broches d'alimentation des circuits intégrés RF pour réduire le bruit. Routez séparément les pistes d'alimentation et isolez-les avec des filtres lorsque cela est nécessaire. Un PMIC correctement entouré de ses composants externes illustre l'application de ces principes.

7. Blindage et isolation

Les EMI peuvent dégrader les performances RF lorsqu'elles ne sont pas correctement maîtrisées. Utilisez des capots de blindage reliés à la masse pour isoler les sections RF. Séparez les zones RF, numériques et analogiques sur le PCB. Ajoutez des pistes de garde reliées à la masse autour des signaux RF sensibles afin de réduire le couplage. Conservez également un espacement adapté entre les pistes pour limiter la diaphonie.

Conclusion

La conception d'un PCB RF commence par le choix rigoureux du substrat, comme présenté dans la première étape. Viennent ensuite la définition de l'empilement des couches et le routage à impédance contrôlée. Les circuits RF sont particulièrement sensibles aux pertes provoquées par le routage, la diaphonie et les effets parasites des matériaux. L'application de ces recommandations permet de créer des PCB RF capables de fonctionner à des fréquences élevées avec un minimum de pertes et d'interférences. Lorsque les fréquences atteignent plusieurs GHz, les simulations et les essais deviennent indispensables.