La problématique ultra haute fréquence (UHF)
Contrairement aux PCB conventionnels, les PCB RF présentent des règles de conception uniques en raison des fréquences élevées et des exigences strictes en matière de performances.
L'un des défis majeurs du routage de PCB RF est l'adaptation d'impédance. À des fréquences élevées, les pistes de signaux agissent comme des lignes de transmission, et il est crucial de garantir que l'impédance caractéristique de ces lignes corresponde à celle des composants et des sources de signaux pour minimiser les réflexions et les pertes. Un mauvais couplage d'impédance peut entraîner des pertes de signal, des distorsions et une mauvaise performance globale du système.
D'autres problématiques courantes dans le routage de PCB RF incluent la minimisation des pertes de propagation, la réduction des couplages indésirables entre les pistes, la gestion des interférences électromagnétiques et la conception de plans de masse efficaces pour minimiser les boucles de masse.
Le substrat
Le choix des paramètres du substrat influe sur l’impédance des lignes de transmission mais également sur les pertes et sur la solidité de la carte face aux chocs. Il faut donc choisir ces paramètres stratégiquement.
Dans mon cas, j’ai pris en compte la disponibilité des matériaux auprès du fabricant de ma carte, la taille des pads de mes composants et la solidité du matériau. Par exemple, l’alumine (Alâ‚‚O₃) possède une permittivité relative de 9.8, ce qui permet de réaliser des pistes d’impédance 50 Ohms très fines (de l’ordre de 0.8 mm), mais l’alumine est un matériau très fragile qui risquerait de se briser au moindre choc. J’ai donc choisi d’utiliser du FR4 qui possède une permittivité relative de 4.5
Dimensionnement largeur de piste
Avant de modéliser mon circuit, je dimensionne les largeurs de piste à 50 Ohms. Pour cela, j’utilise l’outil de calcul de ligne de Qucs-studio (disponible dans l’onglet « Tools » de la barre d’outils).
Figure 1 : Menu « Tools »
Cet outil me permet de calculer la largeur de piste équivalente à une impédance de 50 Ohms. Je rentre les paramètres précédemment calculés pour mon substrat. Dans mon cas, j’obtiens une largeur de piste équivalente à 50 Ohms de 1.6 mm.
Figure 2 : Outil « Line calculation »
Schéma de routage prévisionnel
Plusieurs schémas de routage sont possibles pour mon système. J’ai choisi de faire une piste principale dans laquelle circule le signal de mon antenne jusqu’au rectifier pour minimiser les pertes, avec un plan de masse en dessous et autour (ligne de transmission coplanaire).
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Pour ce schéma de routage à haute fréquence, la piste qui part vers le switch agit comme un stub ouvert. Lorsque le signal RF se propage le long d'une ligne de transmission et rencontre un stub à une certaine distance de son origine, une partie du signal est réfléchie à l'interface entre la ligne de transmission principale et le stub. Cette réflexion se produit en raison de la différence d'impédance entre le stub et le reste du circuit. La longueur de ce stub est donc importante. Je vais pouvoir déterminer la longueur de cette piste à l’aide du logiciel Qucs-Studio.
Figure 3 : Schéma de routage
Modélisation Qucs-Studio
Je souhaite déterminer la longueur idéale de la piste qui va vers le switch pour optimiser au maximum le transfert de puissance, car à haute fréquence, la piste agit comme un stub ouvert. J’ai donc choisi d’utiliser le logiciel Qucs-Studio.
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Pour les simulations suivantes, j’utilise des lignes de transmission pour représenter les pistes de transmission du signal de l’antenne jusqu’au rectifier. Ces pistes sont considérées comme ayant une impédance de 50 Ohms sur Qucs-Studio. Dans le cas réel, pour avoir des pistes ayant une impédance de 50 Ohms, j’utilise les paramètres précédemment calculés dans la partie dimensionnement de la largeur de piste.
Dans un premier temps, je rentre les paramètres physiques de mon PCB tels que le substrat. Dans mon cas, j’ai choisi d’utiliser du FR4 d’épaisseur 0,8 mm avec une épaisseur de cuivre de 30μm. Ces paramètres ont été choisis pour avoir une épaisseur de ligne à 50 Ohms adaptée aux pads de mes composants.
Figure 4 : Composant substrat
J’ai réalisé deux circuits de simulation :
Le circuit n°1 modélise les effets de la ligne de transmission vers le switch (Effets de stub).
Figure 5 : Circuit n°1
Pour représenter ce système, j’ai utilisé des lignes de transmission « transmission lines » disponible dans l’onglet composants. Ces lignes sont considérer comme « déjà adapter » et ici le paramètre que l’on va faire varier est la longueur de cette dernière (ici appelée "gap").
Figure 6 : Menu « Components »
Le circuit n°2 modélise les effets dus à l’espacement du plan de masse par rapport à la ligne de transmission.
Figure 7 : Circuit n°2
Pour représenter ce système, on utilise le composant « microstrip gap » disponible et où le paramètre que l’on va faire varier est le gap entre les deux microstrips ce qui vas simuler l’espacement entre nos lignes de transmissions principales et le plan de masse.
Je rentre les paramètres de ma simulation (components -> simulations). Ici, je souhaite acquérir les paramètres-S à 916.3 MHz (s-parameter simulation de type « list ») et je réalise un « parameter sweep » linéaire sur ma simulation pour faire varier la variable gap de 0.1 mm à 6 mm.
Figure 8 : Paramètres de la simulation
Je peut tracer par la suite les résultats en dB du coefficient de réflexion des deux circuits de simulation en fonction de la distance du "gap".
Pour cela je lance la simulation :
Figure 9 : Lancement de la simulation
​Et je trace sur un diagramme « Cartesian » (Components->diagrams).
Figure 10 : Résultats
On peut voir sur la figure 10 le tracé de la simulation. La courbe bleue correspond au circuit n°1 et la courbe rouge au circuit n°2.
Sur ce graphique, on souhaite déterminer le point idéal où les deux circuits ont le coefficient de réflexion le plus bas (axe des ordonnées). Ce point correspond au croisement des deux courbes.
On peut donc noter que le gap idéal pour nos paramètres fixés, pour minimiser les pertes, est de 1.6 mm entre la piste de transmission et le plan de masse.