Mengatasi Tantangan Desain PCB RF: Solusi Teruji untuk Performa Handal
Banyak ketidakpastian menyertai desain PCB (printed circuit board) RF (radio frequency), sehingga desain ini sering disebut sebagai "seni hitam". Secara umum, untuk rangkaian dengan frekuensi di bawah mikrogolongan (termasuk rangkaian frekuensi rendah dan rangkaian digital frekuensi rendah), tata letak yang hati-hati menjadi jaminan keberhasilan desain rangkaian pada percobaan pertama, asalkan semua prinsip desain dikuasai. Namun, untuk frekuensi di atas mikrogolongan dan rangkaian digital PC-level berfrekuensi tinggi, dua hingga tiga versi PCB biasanya diperlukan untuk memastikan kualitas rangkaian. Terkait rangkaian RF dengan frekuensi di atas mikrogolongan, justru diperlukan lebih banyak versi desain PCB untuk perbaikan berkelanjutan. Oleh karena itu, berbagai kesulitan pasti akan dihadapi selama desain rangkaian RF.
Masalah Paling Umum dalam Desain Rangkaian RF
• Interferensi antara Modul Rangkaian Digital dan Modul Rangkaian Analog
Saat rangkaian analog (rangkaian RF) dan rangkaian digital bekerja secara independen, kemungkinan besar keduanya dapat bekerja dengan sempurna. Namun, begitu mereka digabungkan pada papan sirkuit yang sama dan bergantung pada sumber daya yang sama, seluruh sistem kemungkinan besar akan menjadi tidak stabil karena sinyal digital sering berosilasi antara ground dan sumber daya positif (>3V) dengan periode yang sangat pendek pada skala nanosekund. Karena amplitudo yang lebih besar dan waktu switching yang lebih pendek, semua sinyal digital akan mengandung elemen frekuensi tinggi yang independen dari frekuensi switching. Di bagian analog, tegangan biasanya kurang dari 1μV dari lingkaran penyesuaian radio hingga penerima peralatan radio. Oleh karena itu, selisih antara lingkaran penyesuaian radio dan sinyal RF dapat mencapai 120dB. Jelas, jika sinyal digital dan sinyal RF tidak dipisahkan secara rapi, sinyal RF yang lemah kemungkinan besar akan rusak. Akibatnya, kinerja peralatan radio akan menurun atau bahkan tidak dapat bekerja.
• Interferensi Kebisingan Sumber Daya
Rangkaian RF sangat sensitif terhadap kebisingan, yang berlaku terutama untuk glitch tegangan dan harmonik frekuensi tinggi lainnya. Mikrokontroler akan tiba-tiba menyerap mayoritas arus dalam setiap periode clock internal, hal ini karena semua mikrokontroler modern diproduksi dengan penerapan teknik CMOS. Oleh karena itu, asumsikan mikrokontroler berjalan pada frekuensi clock internal 1MHz, maka ia akan menarik arus dari sumber daya pada frekuensi tersebut. Jika decoupling daya yang tepat tidak diterapkan, glitch tegangan akan muncul pada garis daya. Ketika glitch tegangan sampai pada pin daya rangkaian RF, kegagalan kemungkinan besar akan terjadi jika serius.
• GND yang Tidak Wajar
Jika GND diatur secara tidak wajar untuk rangkaian RF, beberapa hasil aneh dapat dihasilkan. Dalam desain rangkaian digital, meskipun GND tidak tersedia, sebagian besar fungsi rangkaian digital masih dapat diimplementasikan dengan baik. Namun, untuk RF, bahkan garis ground yang pendek akan memainkan peran setara dengan induktor. Diketahui bahwa induktansi 1nH cocok dengan panjang 1mm, berdasarkan itu dapat diperkirakan bahwa reaktansi induktif PCB dengan panjang 10mm harus sekitar 27Ω. Jika GND tidak diterapkan, sebagian besar garis ground akan sangat panjang sehingga rangkaian gagal memiliki karakteristik berdasarkan desain.
• Interferensi Radiasi Antena pada Rangkaian Analog Lainnya
Dalam tata letak desain PCB, rangkaian analog juga tersedia pada papan. Misalnya, banyak rangkaian mengandung konverter analog-digital (ADC) atau konverter digital-analog (DAC). Sinyal frekuensi tinggi yang ditransmisikan oleh transmitter RF mungkin sampai pada terminal input ADC karena setiap garis sirkuit akan mentransmisikan atau menerima sinyal RF seperti antena. Jika terminal input ADC tidak diproses dengan tepat, sinyal RF kemungkinan besar akan berezonansi sendiri di dalam dioda ESD input ADC, yang kemudian memicu deviasi ADC.
Prinsip dan Skema Desain Rangkaian RF
• Definisi Tata Letak RF
Saat tata letak RF dirancang, prinsip umum berikut harus dipatuhi terlebih dahulu:
① Amplifier daya tinggi (HPA) dan amplifier dering rendah (LNA) harus dipisahkan sejauh mungkin. Secara singkat, rangkaian transmisi RF frekuensi tinggi ditempatkan jauh dari rangkaian penerima RF frekuensi rendah.
② Paling tidak satu ground lengkap harus tersedia pada area frekuensi tinggi pada papan PCB dan sebaiknya tidak ada lubang through-hole pada area tersebut. Semua luas area foil tembaga, semakin baik.
③ Decoupling untuk rangkaian dan daya sama pentingnya.
④ Keluaran RF harus jauh dari input RF.
⑤ Sinyal analog sensitif harus sejauh mungkin dari sinyal digital berkecepatan tinggi dan sinyal RF.
• Prinsip Desain Partisi Fisik dan Partisi Listrik
Partisi dapat diklasifikasikan menjadi partisi fisik dan partisi listrik. Yang pertama terutama berkaitan dengan tata letak komponen, orientasi, dan pelindung sementara yang kedua dapat diklasifikasikan lebih lanjut menjadi distribusi daya, routing RF, rangkaian sensitif, sinyal, dan partisi ground.
a. Prinsip Partisi Fisik
Prinsip tata letak komponen. Tata letak komponen memainkan peran esensial dalam berkontribusi pada desain RF yang berkinerja baik. Teknologi paling efektif adalah dengan pertama kali memfix komponen yang ditempatkan sepanjang jalur RF dan mengubah orientasinya sehingga jalur RF dapat diminimalkan dengan input jauh dari output dan rangkaian daya tinggi serta rangkaian daya rendah dipisahkan sejauh mungkin.
Prinsip desain lamination PCB. Metode lamination sirkuit paling efisien adalah dengan mengatur ground plane utama pada lapisan kedua di bawah lapisan pertama dan mengatur jejak RF pada lapisan pertama. Ukuran lubang through-hole pada jalur RF harus diminimalkan, yang dapat mengurangi induktansi jalur dan mengurangi jumlah lem pengatukan dingin pada ground utama. Selain itu, energi RF yang lebih sedikit akan bocor ke area lain dalam lamination.
Prinsip komponen RF dan jejak RF. Dalam ruang fisik, rangkaian linear seperti amplifier multistage mampu memisahkan semua area RF tetapi duplexer, mixer, dan amplifier frekuensi menengah/mixer sering menyebabkan interferensi saling antara banyak sinyal RF/IF. Oleh karena itu, pengaruh jenis ini harus diminimalkan dengan hati-hati. Jejak RF/IF harus disilangkan dan ground harus ditinggalkan di antara mereka. Jalur RF yang benar sangat penting untuk kinerja PCB, itulah sebabnya tata letak komponen menempati sebagian besar waktu dalam desain PCB ponsel.
b. Prinsip Partisi Listrik
Prinsip transmisi daya. DC dalam sebagian besar rangkaian ponsel biasanya sangat rendah sehingga lebar jejak tidak perlu dipertimbangkan dengan hati-hati. Namun, jejak dengan arus besar yang lebarnya sejauh mungkin harus dirancang secara independen untuk sumber daya amplifier daya tinggi sehingga tegangan yang ditransmisikan dapat diminimalkan. Untuk menghindari kehilangan arus terlalu banyak, banyak lubang through-hole harus diterapkan untuk mentransmisikan arus dari satu lapisan ke lapisan lain.
Decoupling daya perangkat daya tinggi. Jika coupling lengkap tidak tercapai pada pin daya amplifier daya tinggi, kebisingan daya tinggi akan radiasi ke seluruh papan dengan banyak masalah dihasilkan. Grounding amplifier daya tinggi sangat penting dan pelindung logam biasanya diperlukan untuk desainnya.
Prinsip pemisahan input/output RF. Untuk sebagian besar situasi, sama pentingnya untuk menjamin agar keluaran RF jauh dari input RF, hal ini juga berlaku untuk amplifier, bumper, dan filter. Dalam situasi terburuk, jika input amplifier dan bumper dikembalikan ke terminal inputnya pada fase dan amplitudo yang setuju, getaran berezonansi sendiri mungkin disebabkan. Dalam situasi terbaik, mereka akan dapat bekerja secara stabil pada setiap suhu dan tegangan. Sebuah kenyataan, mereka mungkin menjadi tidak stabil dan menambahkan kebisingan serta sinyal intermodulasi pada sinyal RF.
Secara keseluruhan, rangkaian RF memiliki efek kulit dan efek coupling karena rangkaian parameter terdistribusinya, yang membuatnya berbeda dari rangkaian frekuensi rendah dan DC. Akibatnya, masalah-masalah yang dibahas di atas harus ditekankan secara khusus selama desain PCB rangkaian RF sehingga desain rangkaian dapat efektif dan akurat.
Sumber Berguna
• Pedoman Desain PCB RF dan Mikrogolongan
• Desain PCB untuk Rangkaian Radio Frequency dan Kompatibilitas Elektromagnetik
• PCBCart menawarkan layanan pembuatan PCB Radio Frequency
