En termes techniques, on parle de circuits imprimés RF lorsque la fréquence de fonctionnement des signaux est supérieure à 100 MHz. Dans cette catégorie, on trouve les circuits hyperfréquences dont les signaux RF ont des fréquences supérieures à 2 GHz. Les circuits RF sont employés dans de nombreuses applications, notamment les systèmes de transmission sans fil, les smartphones, les radars, les capteurs et les systèmes de sécurité. La conception des circuits RF est plus complexe que celle des circuits imprimés traditionnels, principalement en ce qui a trait à l'intégrité du signal, à l'immunité au bruit, aux interférences électromagnétiques et aux tolérances serrées en matière d'impédance.
Les signaux RF sont particulièrement sensibles au bruit. Par conséquent, il est fréquent de constater des phénomènes d'ondulation ou de réflexion du signal. L'impédance est également un élément particulièrement sensible dans ce type de circuits. En effet, il est nécessaire d'ajuster la valeur de l'impédance sur toutes les pistes du circuit. Il est également nécessaire de réduire les pertes de puissance résultant de la réflexion des signaux. Pour ce faire, il convient de prévoir des trajets appropriés pour le courant de retour qui, à mesure que la fréquence augmente, tend à emprunter les trajets ayant l'inductance la plus faible. Plus les performances et la densité des composants augmentent, plus les phénomènes de diaphonie (transfert d'énergie entre pistes adjacentes par couplage inductif ou capacitif) jouent un rôle important.
Lors de la conception de circuits RF, il convient de tenir compte des propriétés des matériaux comme le facteur de dissipation et la constante diélectrique. Un matériau courant tel que le FR-4 présente un facteur de dissipation supérieur à celui des matériaux spécialement conçus pour les hautes fréquences, tels que les laminés Rogers. Il en résulte des affaiblissements d'insertion importants qui augmentent lorsque la fréquence est élevée. En outre, la constante diélectrique du FR-4 peut augmenter jusqu'à 10 % lorsque la fréquence augmente, ce qui entraîne des variations d'impédance le long des pistes du circuit imprimé.
Les matériaux couramment utilisés dans la fabrication des circuits imprimés, tels que le FR-4 (ignifugé niveau 4), sont très bon marché. Cependant, ils ne sont généralement pas les plus adaptés aux applications RF haute fréquence, notamment en raison du manque d'uniformité de sa constante diélectrique et de son facteur de dissipation diélectrique de moindre qualité. Dans le cas des circuits imprimés RF, on utilise des matériaux spécifiques, tels que le FEP, le PTFE, la céramique, les hydrocarbures et divers types de fibres de verre. Les matériaux FEP et PTFE (famille des fluoropolymères) améliorent la résistance chimique du matériau de base, présentent des propriétés d'anti-adhérence et de lissage, ainsi qu'une excellente résistance à la chaleur (> 200 °C). Si votre budget vous le permet et que la qualité prime sur le prix, il est préférable d'utiliser du PTFE avec des fibres de verre, voire des fibres de verre tissées. À moindre coût, vous pouvez utiliser du PTFE avec un revêtement céramique, ce qui nécessite un processus de fabrication moins complexe. De nombreux fabricants de circuits imprimés utilisent les matériaux Rogers d'ACS (Advanced Connectivity Solutions), l'un des principaux fabricants de diélectriques, de laminés et de préimprégnés destinés aux applications RF haute fréquence. Bien que plus onéreux, les matériaux Rogers permettent de réduire jusqu'à 50 % les pertes de puissance et garantissent des performances élevées, même au-delà de 20 GHz, ainsi que de faibles valeurs de constante diélectrique, qui demeurent stables et reproductibles avec les variations de fréquence. Les circuits RF étant généralement multicouches, on utilise le plus couramment différents matériaux conformes aux exigences en matière de performances électriques, de propriétés thermiques et de coûts. Par exemple, il est possible d'utiliser des laminés Rogers haute performance sur les couches externes et des laminés époxy-verre moins chers sur les couches internes.
Les circuits RF nécessitent des lignes de transmission (microbandes, rubans, guides d'ondes coplanaires, etc.) dont les impédances doivent être rigoureusement ajustées afin d'éviter les pertes de puissance et de garantir l'intégrité du signal. L'impédance caractéristique des lignes de transmission à microbandes (Image 1), dont les valeurs typiques sont de 50 Ω et 75 Ω, dépend de la largeur de la piste, de l'épaisseur de la couche et du type de diélectrique. Les microbandes sont utilisées sur les couches externes, tandis que les lignes à rubans sont utilisées sur les couches internes. Les guides d'ondes coplanaires (mis à la masse), en revanche, offrent le meilleur degré d'isolation, notamment dans le cas de signaux RF qui parcourent des pistes très proches.
Image 1 : pistes à microbandes, à rubans et à guides d'ondes coplanaires
Il est possible de calculer l'impédance caractéristique (et par conséquent la largeur de la piste) à l'aide d'un des nombreux outils disponibles en ligne. Pour ce faire, il est nécessaire de connaître avec précision la valeur de la constante diélectrique εR de chaque couche. Par exemple, si une couche interne de FR-4 a une constante diélectrique εR de 4,2, une couche externe de laminé préimprégné peut avoir une constante diélectrique εR de 3,8.
Une méthode largement employée par les concepteurs consiste à choisir une valeur d'impédance commune (généralement, 50 Ω), puis à sélectionner uniquement les composants RF (filtres, antennes, amplificateurs) ayant cette impédance caractéristique. La valeur de 50 Ω offre l'avantage d'être très répandue et de simplifier l'ajustement des impédances afin d'attribuer à chaque piste du circuit imprimé la largeur adéquate.
L'inductance, en revanche, peut avoir une incidence majeure sur la conception d'un circuit RF et doit donc rester la plus faible possible. Pour ce faire, il convient de prévoir une connexion de masse adéquate pour chaque composant RF, en utilisant plusieurs via et des plans de masse suffisamment larges ne présentant aucune lacune ni aucune discontinuité. Les plans de masse doivent être placés à proximité des composants et des pistes à haute fréquence.
Une première règle porte sur la courbure et les angles présents sur les pistes. Si la direction d'une ligne de transmission doit être modifiée à des fins de routage, il est préférable de créer un arc de cercle dont le rayon est supérieur ou égal à trois fois la largeur de la piste. L'impédance caractéristique reste ainsi constante tout au long de la section curviligne. À défaut, tracez un angle, en veillant toutefois à éviter les angles droits, lesquels doivent être remplacés par deux angles de 45 °.
Dans le cas où une ligne de transmission doit traverser deux couches ou plus, il est recommandé d'insérer au moins deux via à chaque intersection afin de minimiser la variation de l'inductance qui en résulte. Une paire de via est en effet capable de réduire de 50 % la variation de l'inductance, en utilisant la plus grande valeur de diamètre de via compatible avec la largeur de la piste. Les pistes qui relient les composants RF doivent être aussi courtes que possible, suffisamment espacées et disposées perpendiculairement aux couches adjacentes, surtout si des signaux sensibles les traversent.
En ce qui concerne l'empilage, la meilleure solution est la configuration multicouche composée de quatre couches. Bien que les solutions à double couche soient plus onéreuses, elles offrent de bien meilleurs résultats qui sont facilement reproductibles. Il convient de placer des plans de masse continus sous les pistes qui acheminent des signaux RF, car les hautes fréquences ne tolèrent pas les discontinuités sur les plans de masse.
Il convient de veiller tout particulièrement à éviter les couplages dangereux entre les signaux. Les lignes de transmission RF doivent être aussi séparées que possible des autres pistes (surtout si elles sont traversées par des signaux à grande vitesse tels que HDMI, Ethernet, USB, horloge, signaux différentiels, etc.) et ne pas parcourir de longues distances parallèlement les unes aux autres. En effet, le couplage entre les microbandes parallèles augmente lorsque la distance qui les sépare diminue et que la distance parcourue dans une direction parallèle augmente. De la même façon, les pistes transportant des signaux de forte puissance doivent également être isolées des autres parties du circuit. Il est possible de garantir une excellente isolation en employant des guides d'ondes coplanaires mis à la masse.
Afin d'éviter tout phénomène de couplage, les pistes transportant des signaux à grande vitesse doivent être acheminées sur une couche différente de celle des signaux RF. Les lignes d'alimentation doivent également être acheminées sur des couches dédiées, en insérant des condensateurs de découplage ou de dérivation appropriés.
En général, on insère des plans de masse continus (sans aucune discontinuité) à côté de chaque couche comportant des composants ou des lignes de transmission RF. Dans le cas des lignes à rubans, il est nécessaire de prévoir des plans de masse dédiés au-dessus et au-dessous du conducteur central. Il est possible d'ajouter des via sur les pistes RF et à proximité des composants RF afin de réduire l'effet des inductances parasites produites par les retours à la masse du courant. Les via permettent également de réduire le couplage entre les lignes RF et les autres signaux circulant dans le circuit imprimé.
Il convient de placer des condensateurs de dérivation de valeur appropriée à proximité des broches d'alimentation, en configuration simple ou en étoile. Dans le cas d’une configuration en étoile, particulièrement utile pour les composants comportant plusieurs broches d'alimentation, un condensateur de découplage de plus grande capacité (quelques dizaines de µF) doit être placé au centre de l'étoile, tandis que d'autres condensateurs de plus faible capacité doivent être placés près de chaque branche. La configuration en étoile évite la présence de longs chemins de retour à la terre, ce qui réduit les inductances parasites susceptibles de provoquer l'apparition de boucles de rétroaction indésirables. Une attention particulière doit être accordée à la valeur de fréquence propre (SRF) du condensateur. Au-delà de cette valeur, le condensateur présente des caractéristiques inductives qui annulent son effet de découplage.
Pour la plupart des circuits intégrés, il convient de placer un plan de masse continu sur la couche des composants (couche supérieure ou inférieure du circuit imprimé), directement sous les composants. Ce plan a pour fonction d'acheminer les courants de retour des signaux CC et RF vers le plan de masse attribué. En outre, les « plaquettes de masse » (Image 2) ont pour fonction secondaire de dissiper la chaleur excédentaire et doivent donc être pourvues de via appropriés. Ces via doivent traverser plusieurs couches du circuit imprimé, être métallisés à l'intérieur et remplis de pâte thermoconductrice afin de renforcer l'effet de dissipation.
Image 2: circuit imprimé avec zone réservée à une plaquette de masse