PCB
Plusieurs couches métalliques sont utilisées pour router le nombre important de signaux au niveau du
PCB. Néanmoins, pour ce qui concerne les signaux millimétriques, on ne s’intéresse qu’à la couche
supérieure. Dans ces conditions, un plan de masse métallique plein peut séparer ce niveau des autres
couches (Figure 41). Le matériau diélectrique de ce dernier niveau doit répondre à des spécifications
électriques bien définies, que ce soit pour les pertes diélectriques ou la variation des caractéristiques
électriques en fonction de la température. Les couches métalliques utilisées sont des couches de cuivre
d’une épaisseur de l’ordre de la dizaine de microns pour une épaisseur du diélectrique RF de l’ordre de
la centaine de microns.
Passivation (Solder mask)
TOP (signal RF)
Diélectrique compatible RF
BOTTOM (plan de masse RF)
Autres couches du PCB
Figure 41 : niveaux métalliques (stack-up) du PCB utilisé dans ces travaux
La passivation est la couche verte qu’on aperçoit sur la grande majorité des PCB. Elle permet de protéger
ce dernier mais ses propriétés électriques ne sont pas maitrisées en hautes fréquences. Par conséquent,
des masques négatifs sont appliqués au niveau des pistes transmettant des signaux de fréquences
millimétriques pour éviter que le vernis dégrade les performances. Un autre élément important entrant
dans la conception des structures passives microondes intégrées sur le PCB est le trou métallisé (via).
Les vias ne sont pas utilisés explicitement pour le routage du signal de fréquence millimétrique, mais ils
connectent les deux derniers niveaux métalliques pour les contacts à la masse. La gestion des vias se
révèle être une source d’amélioration importante pour les performances RF de la transition. La Figure
Chapitre 3 Conception et optimisation de boitiers pour l’émetteur-récepteur radar automobile 77-GHz
42 présente une coupe transversale d’une section de PCB où on peut distinguer des vias RF s’arrêtant
au niveau du plan métallique de masse:
Figure 42 : coupe transversale du PCB au niveau des vias
La description des couches du PCB et les coupes réalisées permettent d’acquérir de nombreuses
informations utiles pour la conception d’éléments passifs sur PCB pour les fréquences millimétriques.
Ces informations seront complétées par la validation expérimentale des performances des structures
modélisées. Ces travaux permettront ainsi de caractériser rigoureusement le PCB utilisé dans la
constitution de la transition boitier. Le résonateur en anneau est particulièrement intéressant pour cette
caractérisation comme on le verra par la suite.
3.2.2 Modélisation électromagnétique et validation expérimentale
Différentes structures sur PCB sont étudiées dans cette partie pour caractériser le plus rigoureusement
possible ce PCB. Il s’agit dans un premier temps de s’assurer de la validité de ses propriétés électriques,
puis de confirmer la qualité des modèles avant l’introduction du modèle du boitier. Tout le savoir-faire
acquis à travers la modélisation des lignes et des plots sur puce sera exploité et appliqué au PCB. Nous
commençons par la modélisation de résonateurs en anneau afin de valider la précision de la simulation
et d’extraire la permittivité effective grâce à la mesure. Nous étudions aussi par la suite des lignes
microrubans 50 Ω largement utilisées pour connecter les entrée/sorties du boitier aux antennes et pour
interconnecter, combiner ou diviser des signaux RF au niveau du PCB.
3.2.2.1 Résonateurs en anneau
Les résonateurs en anneau font partie des structures préférées des concepteurs PCB pour la
caractérisation des constantes diélectriques des matériaux [3.2]- [3.3]. Ces résonateurs sur PCB ont
également d’autres utilisations plus exotiques comme la détection de fissures dans les métaux [3.4] ou
l’évaluation de la qualité d’aliments comme la viande grâce à l’évolution de la constante diélectrique de
cette dernière [3.5].
On utilise ici un résonateur à base d’un seul anneau et dans lequel les lignes de transmission microrubans
sont finies par des arcs, comme il peut être relevé sur la Figure 43.
Chapitre 3 Conception et optimisation de boitiers pour l’émetteur-récepteur radar automobile 77-GHz
Figure 43 : vue 3D du modèle EM du résonateur en anneau
Une propriété très intéressante du résonateur en anneau est la relation qui lie son rayon à sa fréquence
de résonance et à la permittivité effective du diélectrique. L’équation (15) permet de caractériser
facilement un matériau diélectrique à partir de la mesure de la fréquence de résonance puisque le rayon
de l’anneau est imposé par la conception. La résonance se produit quand la circonférence de l’anneau
est égale à un multiple de la longueur d’onde guidée (𝜆𝑔) [3.6].
2 𝜋 𝑟 = 𝑛 𝜆𝑔 avec 𝑛 = 1, 2, 3 … (15)
Où r est le rayon moyen de l’anneau et n le numéro de la fréquence harmonique.
En outre, 𝜆𝑔exprimé en fonction de la fréquence de résonance (𝑓0) permet d’écrire la relation (15) qui
lie cette fréquence au rayon de l’anneau:
2 𝜋 𝑟 =𝑓 𝑛 𝑐
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