circuits de communication haute fréquence sur circuit imprimé

Qu'est-ce qu'un circuit imprimé à haute vitesse et à haute fréquence ?

Vitesse élevée et PCB haute fréquence fait référence aux cartes de circuits imprimés de fréquence supérieure à 1 GHz. Ses diverses propriétés physiques, sa précision et ses paramètres techniques requièrent des exigences très élevées et sont couramment utilisés dans les systèmes de communication, les systèmes ADAS automobiles, les systèmes de communication par satellite, les systèmes radio et d'autres domaines. Poussés par la demande des consommateurs pour une connectivité Internet plus rapide, la vidéo mobile haute définition et l'Internet des objets (IoT), les circuits imprimés à haute vitesse et à haute fréquence doivent également répondre au besoin de transmission de données numériques à grande vitesse. La 5G, ainsi que les grands centres de données et d'autres applications commerciales, ainsi qu'un nombre croissant d'applications personnelles, continuent de rafraîchir le rythme des exigences des systèmes de communication numérique.

Règles de conception des circuits imprimés HF

1. Théorie des lignes de transmission et adaptation
   In high-frequency circuits, the signal line is regarded as a transmission line, and the continuity and matching of its characteristic impedance becomes critical. Improper impedance matching can lead to signal reflection, affecting signal integrity and stable system operation. Common impedance control methods include selecting the appropriate line width, line spacing, and dielectric thickness, and using specific stacking structures to achieve the desired characteristic impedance value (common as 50Ω or 75Ω).
2. compétences en matière de câblage de signaux haute fréquence
   courtes et droites : les lignes de signaux à haute fréquence doivent être aussi courtes que possible et disposées en ligne droite, réduire les angles pour réduire l'inductance du chemin du signal et réduire le délai de transmission.
   Couches et couches superposées : La conception de cartes multicouches permet d'isoler les différents signaux et de réduire la diaphonie. Les signaux à haute fréquence sont généralement disposés dans la couche intérieure et aussi près que possible du plan de masse, ce dernier étant utilisé comme voie de retour pour améliorer l'effet de blindage du signal.
   Contrôle et adaptation de l'impédance : utiliser un logiciel avancé de conception de circuits imprimés pour la simulation et l'analyse afin de s'assurer que l'impédance caractéristique de toutes les lignes de transmission est la même, et mettre en œuvre l'adaptation de l'impédance au niveau de la source du signal et du côté de la charge.
   Découplage et dérivation : La pureté de l'alimentation et du plan de masse dans le circuit haute fréquence a un impact important sur la qualité du signal. Une disposition raisonnable des condensateurs de découplage, en particulier des condensateurs céramiques haute fréquence, peut filtrer efficacement le bruit de l'alimentation et maintenir la stabilité de la tension.
   Câblage de paires différentielles : pour les signaux différentiels à grande vitesse, le maintien de deux lignes de longueur et d'espacement égaux, qui contribue à améliorer la capacité anti-brouillage du signal, est l'option préférée pour la transmission de signaux à haute fréquence.
3. considérations relatives à la compatibilité électromagnétique
   La conception de circuits à haute fréquence doit strictement contrôler les problèmes d'EMI/EMC. Cela inclut l'utilisation de mesures de blindage appropriées, un système de mise à la terre bien conçu, une disposition raisonnable des composants à haute fréquence et l'application d'une technologie de filtrage. En outre, les essais CEM visant à garantir que le produit répond aux normes de compatibilité électromagnétique applicables font partie intégrante du processus de développement du produit.

Processus de fabrication des circuits imprimés HF

Le processus de fabrication d'un PCB HF est relativement complexe et comprend principalement les étapes suivantes

1. Conception et mise en page
   Tout d'abord, en fonction des exigences de l'application et des caractéristiques de transmission du signal du circuit imprimé haute fréquence, la conception du circuit et la planification de la mise en page sont effectuées. Cette étape doit tenir compte du chemin de transmission du signal, de l'adaptation de l'impédance, de l'intégrité du signal et d'autres facteurs afin de garantir la performance et la qualité du circuit imprimé haute fréquence.
2. Production de dessins
   Transforme la conception du circuit et la planification de la disposition en un schéma de câblage sur un dessin. La production de dessins doit exprimer avec précision et exactitude la disposition du circuit et la relation de connexion, en vue de la fabrication et du traitement ultérieurs.
3. Gravure et laminage
   Le schéma de circuit figurant sur le dessin est transféré sur le substrat par photolithographie et gravé pour former une couche conductrice. Ensuite, la couche conductrice sur le film protège la ligne et améliore la résistance mécanique. Cette étape nécessite un contrôle strict des paramètres du processus de gravure et de filmage afin de garantir la précision et la qualité du circuit imprimé haute fréquence.

Points à prendre en compte dans la conception des circuits imprimés HF

In PCB HF l'intégrité du signal est un indicateur clé de la performance du système, qui permet d'éviter les dommages et les erreurs de signal et de garantir le fonctionnement stable des systèmes HF.
PRINCIPALES CONSIDÉRATIONS EN MATIÈRE DE CONCEPTION
Contrôle de l'impédance : Le contrôle de l'impédance assure une largeur et un espacement constants de la trace afin de transmettre les signaux de manière adéquate et de protéger contre les déviations d'impédance sur le chemin du signal.
Techniques de câblage à impédance contrôlée : L'utilisation de techniques telles que les structures en microruban et en stripline permet de maintenir une impédance contrôlée, de minimiser les réflexions de signaux et de garantir l'intégrité des signaux.
Minimiser la diaphonie : Un espacement des lignes de signaux et un blindage soigneusement conçus évitent le couplage inutile des signaux et atténuent les interférences dues à des signaux de moindre qualité.
Mise à la terre et distribution : Une bonne distribution des réseaux électriques et l'utilisation d'une mise à la terre sur un grand plan réduisent le rebond de la terre et le bruit de tension afin de garantir l'intégrité du signal.
Emplacement et type de trou traversant : Placer et sélectionner correctement les structures de trous traversants à haute fréquence pour réduire la distorsion du signal. Utiliser des types d'interconnexions à haute fréquence pour atténuer l'affaiblissement du signal.
Procédés de fabrication et défis : La fabrication de circuits imprimés HF comprend des étapes critiques telles que la stratification, la gravure et le perçage, qui posent les problèmes suivants :
Tolérances plus strictes : Les circuits imprimés HF doivent respecter des tolérances strictes en matière de largeur d'alignement, d'espacement et de constante diélectrique afin de garantir l'intégrité du signal et le contrôle de l'impédance.
Techniques de forage avancées : Des techniques avancées telles que le perçage au laser ou le perçage à profondeur contrôlée sont utilisées pour créer des trous de passage, garantissant une perte de signal et une variation d'impédance minimales.
Manutention des matériaux : Les matériaux des circuits imprimés haute fréquence sont sensibles à une manipulation délicate et doivent être conservés dans des conditions de faible contrainte mécanique et de stockage respectueuses de l'environnement.

Alignement des cartes de signaux haute fréquence

Tout d'abord, la conception de circuits à haute fréquence exige une attention particulière aux caractéristiques de transmission du signal. Dans les circuits imprimés multicouches, un choix raisonnable des couches et des dimensions peut permettre d'utiliser pleinement la couche intermédiaire pour le blindage, de réaliser la proximité de la mise à la terre, de réduire l'inductance parasite, de raccourcir le chemin de transmission du signal, de réduire les interférences croisées du signal et d'améliorer la fiabilité du circuit.
Cependant, avec l'augmentation du nombre de couches de PCB, le processus de fabrication devient plus complexe et le coût augmente.Par conséquent, outre le choix du bon nombre de couches de circuits imprimés, une disposition raisonnable des composants et une planification du câblage sont également nécessaires lors de la conception. Voici un résumé de l'expérience acquise en matière de câblage à haute fréquence :

1. Réduire l'alternance des couches de plomb : Dans le processus de connexion des composants, il faut minimiser l'utilisation des vias, car chaque vias apportera une capacité distribuée supplémentaire, ce qui affectera la vitesse et la stabilité de la transmission des signaux.
2. raccourcir la longueur du fil : l'intensité du rayonnement des signaux à haute fréquence est directement proportionnelle à la longueur de l'alignement ; par conséquent, pour les lignes de signaux à haute fréquence telles que les horloges, les cristaux, etc., la longueur de l'alignement doit être raccourcie autant que possible pour réduire les interférences de couplage.
3. Évitez de plier le plomb : dans le câblage des circuits à haute fréquence, il faut essayer d'utiliser des lignes droites, comme la nécessité de tourner, il faut utiliser une ligne de pliage à 45 degrés ou un arc, pour réduire le signal à l'extérieur de l'émission et du couplage.
4. contrôler la diaphonie : La diaphonie est la ligne de signal due au couplage de champ électromagnétique entre le bruit indésirable. Pour réduire la diaphonie, il est possible d'insérer des lignes sérieuses entre la terre ou le plan de masse, d'augmenter l'espacement des lignes de signal ou d'utiliser l'alignement vertical dans les couches adjacentes.
5. Isolation des masses numériques et analogiques : la masse du signal numérique haute fréquence et la masse du signal analogique doivent être isolées pour éviter que les harmoniques haute fréquence n'interfèrent avec les signaux analogiques par couplage de masse.
6. Augmenter la capacité de découplage : Augmentez la capacité de découplage haute fréquence près des broches d'alimentation du bloc IC, ce qui peut supprimer les harmoniques haute fréquence sur les broches d'alimentation et réduire les interférences.
7. Éviter la formation de boucles : l'alignement des signaux à haute fréquence doit éviter la formation de boucles ; si elle est inévitable, la zone de la boucle doit être réduite au minimum.
8. Assurer l'adaptation de l'impédance du signal : Une mauvaise adaptation de l'impédance entraînera une réflexion du signal, ce qui affectera la stabilité du signal. Par conséquent, l'impédance caractéristique de la ligne de transmission du signal doit être égale à l'impédance de la charge, afin d'éviter les changements soudains ou les angles de la ligne de transmission.
   Lors de la conception du câblage des circuits imprimés à grande vitesse, il est également nécessaire de respecter des règles de câblage spécifiques, telles que les règles d'alignement différentiel pour des signaux tels que LVDS, USB, HDMI et DDR, afin de contrôler l'impédance des paires de signaux et de réduire la diaphonie.

Câblage du circuit imprimé pour réduire la diaphonie des signaux à haute fréquence

Dans la conception de circuits à haute fréquence, la diaphonie entre les lignes de signaux est un problème qui requiert une attention particulière. La diaphonie désigne le phénomène de couplage entre les lignes de signaux qui ne sont pas directement connectées, ce qui aura un impact sérieux sur les performances et la fiabilité du circuit. Voici quelques mesures efficaces pour réduire la diaphonie des signaux à haute fréquence
Insertion d'une masse ou d'un plan de masse : L'insertion d'une masse ou d'un plan de masse entre deux lignes présentant une diaphonie importante peut servir d'isolation, réduisant ainsi la diaphonie.
Aménagement d'un grand terrain : If it is impossible to avoid parallel distribution, you can arrange a large area of “ground” on the opposite side of the parallel signal lines to significantly reduce the interference.
Augmenter l'espacement des lignes de signalisation : Si l'espace disponible pour le câblage le permet, l'augmentation de l'espacement entre les lignes de signaux adjacentes peut réduire la longueur parallèle des lignes de signaux, réduisant ainsi la diaphonie.
Alignement vertical : Si l'alignement parallèle au sein d'une même couche ne peut être évité, dans les deux couches adjacentes, la direction de l'alignement est perpendiculaire l'une à l'autre, ce qui permet de réduire efficacement la diaphonie.
Autour de la ligne d'horloge : la ligne d'horloge doit être entourée de fils de terre et d'un plus grand nombre de trous de terre afin de réduire la capacité de distribution et, partant, la diaphonie.
Utilisation d'un signal d'horloge différentiel à basse tension : le signal d'horloge à haute fréquence doit autant que possible utiliser un signal d'horloge différentiel à basse tension et un paquet de masse, ce qui permet de réduire efficacement la diaphonie.
Mettre à la terre ou connecter à l'alimentation électrique : Les entrées au ralenti ne sont pas suspendues, mais sont connectées à la terre ou à l'alimentation, ce qui permet de réduire les interférences inutiles.

Champ d'application des circuits imprimés HF

Les circuits imprimés à haute fréquence jouent un rôle important dans de nombreux domaines en raison de leurs excellentes performances et de leur large éventail de scénarios d'application. Voici quelques-uns des principaux domaines d'application :

1. Équipements de communication
   Les circuits imprimés haute fréquence jouent un rôle essentiel dans les équipements de communication.Elles sont largement utilisées dans des équipements tels que les téléphones, les téléphones cellulaires, les radios, les systèmes de communication par satellite, etc., afin de fournir des voies de transmission de signaux fiables et d'assurer une transmission précise des données. Les excellentes performances des circuits imprimés haute fréquence permettent aux équipements de communication de maintenir une qualité de communication stable dans des environnements complexes et changeants.
2. Équipement médical
   Les équipements médicaux ont des exigences extrêmement élevées en matière de précision et de fiabilité.Les circuits imprimés haute fréquence sont largement utilisés dans les équipements de diagnostic et de surveillance médicale, les instruments chirurgicaux, les dispositifs implantables, etc. en raison de leur haute précision et de leur stabilité.Les circuits imprimés haute fréquence peuvent garantir le fonctionnement normal des équipements médicaux et la sécurité des patients.
3. Systèmes de contrôle industriel
   Les circuits imprimés haute fréquence jouent un rôle essentiel dans les systèmes de contrôle industriel.Elles sont utilisées dans divers équipements d'automatisation, tels que les robots, les machines-outils à commande numérique, l'automatisation des chaînes de production, etc.Les excellentes performances des circuits imprimés haute fréquence permettent aux systèmes de contrôle industriel de fonctionner de manière efficace et stable.
4. Électronique automobile
   Un grand nombre de circuits imprimés haute fréquence sont utilisés dans les automobiles, notamment les modules de contrôle du moteur, les modules de contrôle de la carrosserie, les systèmes de contrôle des airbags, etc.Ces circuits imprimés contrôlent les différents systèmes du véhicule et assurent leur fonctionnement normal.Les excellentes performances des circuits imprimés haute fréquence permettent aux systèmes électroniques automobiles de maintenir des performances stables dans des environnements de conduite complexes et changeants.
5. Aérospatiale
   Le domaine aérospatial exige un haut degré de fiabilité et de précision des équipements.Les circuits imprimés haute fréquence, en raison de leurs excellentes performances et de leur stabilité, sont largement utilisés dans les avions, les fusées, les satellites, etc., pour réaliser diverses fonctions complexes de contrôle et de surveillance.Les excellentes performances des circuits imprimés haute fréquence permettent aux équipements aérospatiaux de fonctionner de manière stable dans des environnements extrêmes.
6. Ordinateurs et serveurs
   Les ordinateurs et les serveurs nécessitent également l'utilisation d'un grand nombre de cartes de circuits imprimés haute fréquence. Ces cartes fournissent des voies de transmission de signaux fiables et assurent une transmission et un traitement rapides des données. Les excellentes performances des circuits imprimés haute fréquence permettent aux ordinateurs et aux serveurs de fonctionner à des vitesses élevées tout en conservant des performances stables.
7. Internet des objets (IoT)
   Le nombre d'appareils IoT est énorme et doit réaliser diverses fonctions intelligentes. Les circuits imprimés haute fréquence fournissent des voies de contrôle et de transmission de données stables et fiables pour les appareils IoT, réalisant ainsi une gestion intelligente et une surveillance à distance des appareils. La large application des circuits imprimés haute fréquence favorise le développement rapide de la technologie IoT.

En résumé, la conception de circuits à haute fréquence est un processus complexe qui nécessite une prise en compte complète de la transmission du signal, des interférences électromagnétiques, du coût et du processus de fabrication, ainsi que d'autres facteurs.Grâce à un choix raisonnable des couches du circuit imprimé et à une planification minutieuse de la disposition des composants et du câblage, nous pouvons concevoir des circuits haute fréquence à la fois efficaces et fiables pour répondre aux besoins des équipements électroniques modernes en matière de performances élevées.