Circuits Hyperfréquences - Semestre 3

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PART A - Présentation Générale du Cours

Contexte et objectifs

Ce cours de S3 spécialisation ENOC introduit la conception de circuits fonctionnant aux fréquences RF et micro-ondes (100 MHz - 10+ GHz). Il combine théorie électromagnétique, simulation EM 3D et réalisation pratique sur PCB, avec caractérisation par analyseur de réseau vectoriel.

Objectifs principaux :

• Maîtriser les technologies de circuits RF planaires (microstrip, stripline, CPW)
• Concevoir filtres, adaptations d’impédance, diviseurs de puissance
• Simuler avec outils EM professionnels (ADS Momentum, HFSS, CST)
• Fabriquer sur PCB et mesurer avec VNA
• Comprendre phénomènes HF : effet de peau, pertes diélectriques, couplages

Prérequis

• Propagation et Hyperfréquences S3 (lignes de transmission, Smith chart, paramètres S)
• Électronique analogique (composants passifs, filtrage)
• Conception PCB (ER S1-S2)

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PART B: EXPÉRIENCE, CONTEXTE ET FONCTION

Module 1 : Technologies RF sur PCB

Substrats RF :

• FR-4 : εr≈4.3-4.7, tan δ≈0.02, économique, limité <3 GHz
• Rogers RO4003/RO4350 : εr stable (3.38/3.48), faibles pertes, 0-10+ GHz
• PTFE/Téflon : εr≈2.1, très faibles pertes, difficile à usiner

Lignes microstrip :

• Calcul largeur pour Z₀=50Ω : W≈3mm (FR-4 1.6mm), εr_eff≈3.2
• Pertes : conducteur (cuivre) + diélectrique (tan δ)
• Applications : alimentations, adaptations

Composants passifs RF :

• Résistances 50Ω (charges, atténuateurs)
• Condensateurs RF CMS (résonance série SRF critique)
• Inductances (bobines air, CMS, facteur Q)
• Vias de masse (stitching λ/10)

Module 2 : Circuits d’adaptation et filtres

Réseaux d’adaptation localisés (L, π, T) :

• Transformation impédance avec L/C CMS
• Calcul par Smith chart
• Bande étroite

Adaptation distribuée :

• Stub simple (série/parallèle) : position et longueur
• Ligne λ/4 : $Z_{\lambda/4} = \sqrt{Z_1 \cdot Z_2}$
• Double stub : positions fixes 3λ/8

Filtres microstrip :

• Passe-bas/haut/bande à éléments localisés
• Filtres à stubs (bande-stop)
• Filtres à lignes couplées (passe-bande)
• Synthèse : Butterworth, Chebyshev

Coupleurs et diviseurs :

• Diviseur Wilkinson : division égale, isolation, résistance 100Ω
• Coupleur directionnel : couplage -3/-10/-20 dB
• Rat-race : 180° hybrid, 3λ/2 circonférence

Module 3 : Simulation EM

Logiciels professionnels :

• ADS Momentum : 2.5D planar, rapide
• HFSS : 3D FEM, précis
• CST : 3D temps/fréquence
• Sonnet : 2.5D, gratuit version limitée

Workflow simulation :

1. Schématique circuit (calcul initial)
2. Layout PCB (dessin géométrie)
3. Simulation EM 3D (champs, courants)
4. Optimisation paramètres
5. Validation specs (S-parameters)

Paramètres analysés :

• S11 (adaptation), S21 (transmission)
• Champs E et H
• Courants de surface
• Pertes (conducteur, diélectrique, rayonnement)

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PART C: ASPECTS TECHNIQUES

Projets pratiques

Projet 1 : Filtre passe-bande 2.4 GHz

• Specs : f₀=2.4 GHz, BW=200 MHz, IL<3 dB
• Topologie : lignes couplées ou stubs
• Simulation ADS → Layout → Fabrication PCB → Mesure VNA

Projet 2 : Diviseur Wilkinson

• Division 50Ω → 2×50Ω
• Lignes λ/4 à 70.7Ω
• Isolation >20 dB

Projet 3 : Adaptation stub

• Charge complexe ZL → 50Ω
• Calcul Smith chart
• Stub court-circuit ou ouvert

Caractérisation VNA

Calibration :

• SOLT : Short, Open, Load, Thru
• TRL pour substrats spécifiques
• Kit de calibration précis

Mesures :

• Paramètres S (magnitude, phase)
• Smith chart impédance
• TDR (Time Domain Reflectometry)
• Comparaison simulation vs mesure

Fabrication PCB RF

Fichiers Gerber :

• Couches cuivre (Top, Bottom)
• Plans de masse continus
• Drill (vias)
• Soldermask, Silkscreen

Fabricants :

• PCBWay, JLCPCB (économique)
• Eurocircuits (professionnel EU)
• Spécifier : substrat, épaisseur, εr, finition (ENIG recommandé RF)

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PART D: ANALYSE ET RÉFLEXION

Évaluation

• Projets simulation + réalisation (60%)
• Mesures et rapports (25%)
• Examen théorique (15%)

Compétences acquises

• Simulation EM 3D professionnelle
• Conception circuits RF planaires
• Utilisation VNA
• Optimisation performances RF
• Design for Manufacturing RF

Applications industrielles

• Télécommunications (WiFi, 4G/5G, satellite)
• IoT (LoRa, Sigfox, Bluetooth)
• Radar automobile
• Instrumentation RF

📚 Contenu du cours

Technologies de circuits RF

Substrats RF

FR-4 :

• εr ≈ 4.3-4.7 (variable)
• tan δ ≈ 0.02 (pertes élevées)
• Économique
• Limité à quelques GHz

Rogers (RO4003, RO4350) :

• εr stable (3.38, 3.48)
• tan δ faible (0.0027)
• Bon jusqu’à 10+ GHz
• Plus cher

PTFE/Téflon :

• εr ≈ 2.1-2.5
• tan δ très faible
• Hautes performances
• Difficile à usiner

Lignes de transmission sur PCB

Microstrip :

• Ligne sur face supérieure
• Plan de masse en dessous
• Facile à fabriquer
• Émissions rayonnées

Stripline :

• Ligne entre deux plans de masse
• Bien blindée
• PCB multicouche requis

Coplanar waveguide (CPW) :

• Plans de masse sur même face
• Bon pour composants CMS
• Bonne isolation

Composants passifs RF

Résistances

• Charges 50Ω
• Atténuateurs
• Terminaisons
• Modèles hautes fréquences

Condensateurs

• Capacités de découplage
• Résonance série (SRF)
• ESL et ESR
• Condensateurs RF (ATC, AVX)

Inductances

• Bobines air
• Inductances CMS
• Facteur de qualité Q
• Auto-résonance

Vias

• Via de masse (stitching)
• Via thermique
• Inductance parasite
• Espacement recommandé

Circuits d’adaptation

Réseaux L, π, T

• Composants localisés
• Calcul analytique
• Simulation (Smith chart)
• Réalisation CMS

Adaptation distribuée

• Stubs microstrip
• Lignes λ/4
• Multi-sections
• Large bande

Filtres RF

Filtres à éléments localisés

• Passe-bas, passe-haut, passe-bande
• Butterworth, Chebyshev
• Transformation LC
• Réalisation CMS

Filtres distribués

• Filtres à stubs
• Filtres à lignes couplées
• Filtres interdigités
• Résonateurs

Coupleurs et diviseurs

Coupleur directionnel

• Couplage -3dB, -10dB, -20dB
• Isolation
• Directivité
• Applications (mesure, feedback)

Diviseur de Wilkinson

• Division de puissance égale
• Isolation entre sorties
• Impédances 50Ω
• Résistance d’isolation

Rat-race (anneau hybride)

• Combineur/diviseur 180°
• 4 ports
• λg × 3/2 circonférence

Oscillateurs RF

Oscillateurs à quartz

• Fréquence fixe précise
• Stabilité
• TCXO, OCXO

VCO (Voltage Controlled Oscillator)

• Fréquence variable
• PLL (Phase-Locked Loop)
• Plage d’accord
• Bruit de phase

Amplificateurs RF

Classes d’amplification

• Classe A (linéaire)
• Classe B, AB (push-pull)
• Classe C (RF, non linéaire)
• Classe E, F (commutation)

Caractéristiques

• Gain (dB)
• P1dB (point de compression à 1dB)
• IP3 (point d’interception d’ordre 3)
• Facteur de bruit (NF)
• Stabilité (K-factor, µ)

🛠️ Projets pratiques

Conception de composants RF

Projet 1 : Filtre passe-bande

• Spécifications (f0, BW, IL)
• Calcul et simulation
• Layout PCB
• Caractérisation

Projet 2 : Diviseur de puissance

• Wilkinson 50Ω
• Simulation EM
• Fabrication
• Mesure paramètres S

Projet 3 : Ligne d’adaptation

• Stub ou λ/4
• Dimensionnement
• Optimisation
• Tests sur VNA

Simulation et conception

Étapes

1. Calcul théorique : Formules, Smith chart
2. Simulation circuit : Schématique
3. Simulation EM : Layout 3D
4. Optimisation : Tuning paramètres
5. Génération Gerber : Fabrication

Fabrication

Méthodes

• Gravure chimique : Proto rapide
• Fraiseuse CNC : Précision
• Fabrication professionnelle : Production

Fichiers nécessaires

• Gerber (couches cuivre)
• Drill (perçages)
• Soldermask (vernis)
• Silkscreen (sérigraphie)

Caractérisation

Mesures avec VNA

• Calibration (SOLT, TRL)
• Paramètres S (S11, S21)
• Smith chart
• Comparaison simulation/mesure

Paramètres mesurés

• Pertes d’insertion (IL)
• Pertes de retour (RL)
• Isolation
• Bande passante
• Impédance

💻 Outils utilisés

Simulation RF

• ADS (Advanced Design System) : Keysight
• AWR Microwave Office : Cadence
• Qucs : Open source
• LTspice : Circuits RF

Simulation EM

• Momentum : Intégré ADS (2.5D)
• HFSS : Ansys (3D)
• CST Microwave Studio : 3D
• Sonnet : 2.5D planar

CAO PCB

• Altium Designer
• KiCad : Open source
• Eagle
• PADS

Mesure

• Analyseur de réseau vectoriel (VNA)
• Analyseur de spectre
• Générateur RF
• Oscilloscope haute fréquence

📊 Évaluation

• Conception et simulation (25%)
• Réalisation PCB (25%)
• Caractérisation et mesures (30%)
• Rapport technique (15%)
• Présentation (5%)

🔗 Liens avec d’autres cours

• Propagation et Hyperfréquences : Théorie
• ER : Conception PCB
• Antennes (S4) : Systèmes rayonnants
• OL : Outils de simulation

📐 Exemples de dimensionnement

Ligne microstrip 50Ω (FR-4, h=1.6mm)

• Largeur W ≈ 3 mm
• εr = 4.3
• εr_eff ≈ 3.2
• Z0 = 50Ω

Stub λ/4 à 2.4 GHz

• λ0 = 125 mm
• λg = λ0/√εr_eff ≈ 70 mm
• Longueur stub ≈ 17.5 mm

Diviseur Wilkinson 2.4 GHz

• Lignes λ/4 à 70.7Ω
• Résistance isolation 100Ω
• Impédance entrée/sorties 50Ω

💡 Règles de conception RF

Layout PCB

• Plans de masse : Continus, via stitching
• Largeur de piste : Contrôlée (50Ω)
• Courbures : Rayon > 3× largeur
• Espacement : Éviter couplages parasites
• Vias : Minimiser sur lignes RF

Découplage

• Condensateurs proches des composants
• Multiple valeurs (nF, µF)
• Via court vers masse
• Plans de masse séparés (analogique/numérique)

Blindage

• Boîtier métallique si nécessaire
• Cloisons entre sections
• Absorption RF (ferrites, mousses)

📖 Compétences développées

• Simulation EM 3D
• Conception de circuits RF sur PCB
• Utilisation d’analyseur de réseau
• Optimisation de performances RF
• Fabrication de circuits micro-ondes
• Analyse de résultats de mesure

🎯 Phénomènes hautes fréquences

Effet de peau

• Profondeur de pénétration δ
• Résistance AC > DC
• Dépend de la fréquence
• Cuivre argenté pour améliorer

Pertes diélectriques

• tan δ du substrat
• Augmentent avec fréquence
• Chauffage du PCB
• Choix substrat crucial

Couplages

• Couplage capacitif (E-field)
• Couplage inductif (H-field)
• Couplage par substrat
• Espacement et blindage

Modes parasites

• Modes de cavité
• Résonances indésirables
• Rayonnement
• Via fencing pour mitiger

⚠️ Erreurs à éviter

Conception

• Plans de masse discontinus
• Lignes d’impédance non contrôlée
• Transitions brusques (stubs, angles droits)
• Sous-estimation des pertes

Fabrication

• Épaisseur cuivre non uniforme
• Gravure excessive ou insuffisante
• Désalignement des couches
• Qualité soudures CMS RF

Mesure

• Calibration inadéquate
• Connecteurs mal serrés
• Câbles endommagés
• Gamme de fréquence incorrecte

🔧 Processus de conception typique

Phase 1 : Spécifications

• Fréquence de travail
• Impédance (50Ω typique)
• Performances requises
• Contraintes (taille, coût)

Phase 2 : Conception théorique

• Calculs analytiques
• Choix de topologie
• Simulation schématique
• Validation concept

Phase 3 : Layout et EM

• Dessin PCB
• Simulation EM 3D
• Optimisation dimensions
• Vérification DRC

Phase 4 : Fabrication

• Génération fichiers Gerber
• Choix fabricant
• Réception et inspection
• Assemblage CMS

Phase 5 : Test

• Calibration VNA
• Mesures paramètres S
• Comparaison avec simulation
• Ajustements (tuning)

📚 Ressources

• Application notes fabricants (Mini-Circuits, Analog Devices)
• “Microwave Engineering” - Pozar
• “RF Circuit Design” - Bowick
• Tutoriels ADS/AWR
• Calculateurs en ligne (impédance, atténuation)