En matière d’électronique, l’expression « moins c’est mieux » est une phrase courante que les ingénieurs se retrouvent souvent à répéter. Les ingénieurs ont pu mettre en œuvre des composants plus petits grâce aux circuits imprimés haute fréquence, qui permettent la création de dispositifs plus petits.
Qu'est-ce qu'un circuit imprimé haute fréquence ?
Un circuit imprimé haute fréquence est une carte de circuit imprimé conçue pour fonctionner à haute fréquence. Ces cartes sont généralement fabriquées avec des matériaux spéciaux et ont des caractéristiques de conception spéciales pour minimiser les pertes de signal et assurer un fonctionnement fiable à haute vitesse.
Formule de fréquence
Pour les cartes de circuit imprimé haute fréquence, la formule suivante est utilisée pour définir la bande passante d’émission du signal, parfois également appelée bande passante d’émission EMI :
F=1/(Tr*π)
“F” est la fréquence (GHz) ; “Tr” (nanosecondes) fait référence au temps de montée ou de descente du signal.
Généralement, lorsque F≥1GHz, il peut être appelé un circuit haute fréquence. Selon cette formule, il peut être calculé qu’avec un temps de montée du signal inférieur à environ 0,318 ns.
caractéristiques du circuit imprimé haute fréquence
- Les PCB HF ont de petits DK et une meilleure intégrité des signaux que les PCB à basse fréquence.
- Plus résistants aux interférences de couplage et aux interférences électromagnétiques.
- Ils peuvent gérer des débits de données plus élevés.
- Plus chers que les PCB à basse fréquence.
- Excellente résistance aux chocs, résistance à la corrosion chimique et résistance à la chaleur.
directives de conception de PCB haute fréquence
1. Routage des cartes multicouches
Circuits haute fréquence ont souvent les caractéristiques d’une haute intégration et d’une haute densité. L’utilisation d’un routage multicouche sur une carte PCB haute fréquence est une façon efficace de réduire les interférences du signal. Lors de la disposition du PCB, utilisez la couche intermédiaire pour définir un blindage. Cela peut réduire efficacement l’inductance parasite et raccourcir la longueur de transmission du signal. En même temps, cela peut également réduire considérablement les interférences de signal croisées et les similaires. Tout cela est bénéfique à la fiabilité des circuits haute fréquence.
2. Évitez les pistes annelées
Toutes sortes de pistes de signaux haute fréquence ne doivent pas être annelées. S’il ne peut pas être évité, la zone d’anneau doit être aussi petite que possible.
3. Réduisez les pistes incurvées
Il est préférable d’utiliser des pistes droites dans le routage des circuits haute fréquence. Vous pouvez également utiliser une polyline de 45 degrés ou un arc circulaire si nécessaire. Cela peut réduire les émissions externes et les couplages mutuels des signaux haute fréquence.
4. Réduisez les vias entre les couches
Selon les mesures, un via peut apporter une capacité distribuée de 0,5pF. Par conséquent, réduire le nombre de vias peut considérablement améliorer la vitesse et réduire la probabilité d’erreurs de données.
5. Utilisez des pistes courtes
Sur les pistes de circuit imprimé à haute fréquence, plus la longueur de la piste est longue, plus l’intensité de la radiation est élevée. Cela facilite l’accouplement avec les composants voisins. Par conséquent, les pistes courtes sont meilleures pour les lignes de signal à haute fréquence telles que les horloges, les oscillateurs de cristal, les lignes LVDS, les lignes USB et les lignes HDMI.
6. Isoler le fil de masse des signaux numériques et analogiques
Le potentiel électrique du fil de masse dans le signal numérique à haute fréquence est différent de celui du signal analogique, et il existe une certaine différence de tension entre eux. De plus, le fil de masse des signaux numériques à haute fréquence a souvent des composantes harmoniques riches. Lorsque les fils de masse des signaux numériques et analogiques sont directement connectés, les harmoniques du signal numérique interféreront avec le signal analogique via le couplage du fil de masse. Par conséquent, les fils de masse des signaux analogiques et numériques doivent être connectés au fil de masse commun à l’aide de bobines d’arrêt à haute fréquence. Ou vous pouvez les connecter avec un point unique dans un endroit approprié.
7. Ajouter des condensateurs de découplage HF
Placez un condensateur de découplage à proximité de la broche d’alimentation de chaque bloc de circuit intégré pour supprimer efficacement les interférences des harmoniques haute fréquence sur les broches d’alimentation.
application de circuit imprimé à haute fréquence
Certaines applications potentielles pour les circuits imprimés à haute fréquence comprennent :
- – applications militaires et aérospatiales
- – télécommunications
- – dispositifs numériques à haute vitesse
- – dispositifs médicaux
- – téléphones portables
- – communications par satellite
- – Wi-Fi et autres réseaux sans fil
- – réseaux informatiques à haute vitesse
- – systèmes de guerre électronique tels que la radar et l’imagerie médicale
- – systèmes d’imagerie médicale
HF vs RF
Il existe deux principaux types d’ondes électromagnétiques : les ondes à haute fréquence (HF) et les fréquence radio (RF). Les ondes HF ont une fréquence plus élevée que les ondes RF et peuvent donc transporter plus d’informations. Cependant, les ondes HF sont également plus susceptibles aux interférences et peuvent être plus facilement absorbées par les objets que les ondes RF.
Avantages des PCB à haute fréquence
Comme mentionné précédemment, plus petit est mieux lorsqu’il s’agit d’électronique. Cependant, les petites cartes peuvent être plus difficiles à mettre en œuvre, en particulier si elles utilisent des signaux à basse fréquence. Avec les PCB à haute fréquence, les ingénieurs sont capables de mettre en œuvre des cartes et des composants plus petits, ce qui facilite la création d’appareils plus petits. Les cartes RF peuvent être utilisées pour transférer des données à des vitesses élevées, ce qui les rend idéales pour des applications telles que les routeurs WiFi, les téléphones cellulaires et les réseaux informatiques. Elles sont également utiles dans les appareils médicaux qui envoient des données, tels que les appareils d’imagerie médicale, les électrocardiogrammes (ECG) et d’autres équipements médicaux.
Inconvénients des circuits imprimés à haute fréquence
Le seul véritable inconvénient des PCB à haute fréquence est qu’elles fonctionnent à des fréquences beaucoup plus élevées que les PCB à basse fréquence. Cela signifie que les ingénieurs doivent faire attention aux signaux qu’ils utilisent, car les fréquences plus élevées sont plus susceptibles au bruit. Une autre chose à mentionner est que les PCB à haute fréquence ne peuvent pas être routées avec des matériaux conducteurs, tels que le cuivre, car cela provoquerait un court-circuit. Pour cette raison, les cartes à haute fréquence doivent être routées avec des matériaux non conducteurs tels que des matériaux à base de polyimide.
Matériaux PCB à haute fréquence
Il y a quelques éléments à prendre en compte lors du choix de matériaux pour PCB à haute fréquence. La constante diélectrique (Dk) et le Facteur de dissipation (Df) du matériau sont des propriétés importantes à considérer. Le Dk d’un matériau détermine dans quelle mesure il peut stocker l’énergie électrique, tandis que le Df détermine la quantité d’énergie perdue sous forme de chaleur. Les matériaux avec un Dk et un Df faibles sont idéaux pour les applications à haute fréquence.
FR-4 est un diélectrique courant utilisé dans les PCB. Il a un Dk d’environ 4,5 et un Df d’environ 0,02. Bien que FR-4 soit un bon diélectrique général, il existe d’autres matériaux qui pourraient être mieux adaptés à des applications spécifiques. Par exemple, Rogers RO4003C a un Dk de 3,48 et un Df de 0,0037. Cela en fait un bon choix pour les applications RF où la faible perte est importante.
Le tableau ci-dessous présente quelques matériaux couramment utilisés pour fabriquer des PCB à haute fréquence :
Une autre considération importante lors du choix de matériaux pour PCB à haute fréquence est l’épaisseur du diélectrique. Plus le diélectrique est épais, plus la capacitance est élevée. Il est important de prendre cela en compte car la capacitance d’un PCB affecte l’impédance. En général, il est préférable d’utiliser le diélectrique le plus fin possible tout en maintenant la capacitance requise.
Lors du choix de matériaux pour PCB à haute fréquence, il est important de prendre en compte le Dk, le Df et l’épaisseur du diélectrique. L’utilisation d’un matériau avec un Dk et un Df faibles aidera à réduire les pertes, tandis que l’utilisation d’un diélectrique fin aidera à maintenir l’impédance faible.
Conclusion
Les cartes à haute fréquence fonctionnent à des fréquences plus élevées que les cartes à basse fréquence et sont utilisées dans les appareils de communication sans fil et les réseaux informatiques. Les PCB à haute fréquence aident les ingénieurs à créer des appareils plus petits et permettent également des vitesses de transmission de données plus élevées. Cependant, les PCB à haute fréquence doivent être routées avec des matériaux non conducteurs et ne peuvent pas être routées avec des matériaux conducteurs tels que le cuivre.
