Dalam dunia elektronik, ungkapan “semakin kecil, semakin baik” sering kali diulang-ulang oleh para insinyur. Para insinyur telah berhasil menerapkan komponen yang lebih kecil berkat penggunaan PCB frekuensi tinggi, yang memungkinkan pembuatan perangkat yang lebih ringkas.
Apa itu PCB Frekuensi Tinggi?
PCB frekuensi tinggi adalah papan sirkuit cetak yang dirancang untuk beroperasi pada frekuensi tinggi. Papan-papan ini biasanya dibuat dari bahan khusus dan memiliki fitur desain khusus untuk meminimalkan kehilangan sinyal serta memastikan kinerja yang andal pada kecepatan tinggi.
Rumus Frekuensi
Untuk PCB sirkuit frekuensi tinggi, rumus berikut digunakan untuk menentukan lebar pita emisi sinyal, yang kadang-kadang juga disebut lebar pita emisi EMI:
F = 1/(Tr × π)
“F” adalah frekuensi (GHz); “Tr” (nanosekon) mengacu pada waktu naik atau waktu turun sinyal.
Biasanya, jika F ≥ 1 GHz, sirkuit tersebut dapat disebut sebagai sirkuit frekuensi tinggi. Berdasarkan rumus ini, dapat dihitung bahwa waktu naik sinyal kurang dari sekitar 0,318 ns.
Karakteristik PCB frekuensi tinggi
- PCB frekuensi tinggi (HF) memiliki nilai DK yang lebih kecil dan integritas sinyal yang lebih baik dibandingkan PCB frekuensi rendah.
- Lebih tahan terhadap crosstalk dan gangguan elektromagnetik.
- Dapat menangani kecepatan data yang lebih tinggi.
- Lebih mahal daripada PCB frekuensi rendah.
- Ketahanan benturan, ketahanan korosi kimia, dan ketahanan panas yang sangat baik.
pedoman desain PCB frekuensi tinggi
1. Perancangan jalur papan sirkuit berlapis
Sirkuit frekuensi tinggi sering kali memiliki karakteristik integrasi tinggi dan kepadatan tinggi. Penggunaan rute multi-lapis pada papan PCB frekuensi tinggi merupakan cara yang efektif untuk mengurangi gangguan sinyal. Selama proses tata letak PCB, gunakan lapisan tengah untuk membuat pelindung. Hal ini dapat secara efektif mengurangi induktansi parasit dan memperpendek jarak transmisi sinyal. Pada saat yang sama, hal ini juga dapat secara signifikan mengurangi gangguan silang sinyal dan sejenisnya. Semua hal tersebut berkontribusi pada keandalan sirkuit frekuensi tinggi.
2. Hindari jejak berbentuk cincin
Semua jenis jalur sinyal frekuensi tinggi sebaiknya tidak berbentuk cincin. Jika hal ini tidak dapat dihindari, area berbentuk cincin tersebut harus dibuat sekecil mungkin.
3. Kurangi kabel yang melengkung
Sebaiknya gunakan jalur lurus dalam perancangan rangkaian frekuensi tinggi. Anda juga dapat menggunakan polilin 45 derajat atau busur lingkaran jika diperlukan. Dengan demikian, hal ini dapat mengurangi emisi eksternal dan kopling timbal balik pada sinyal frekuensi tinggi.
4. Kurangi jumlah lubang penghubung antar lapisan
Berdasarkan pengukuran, sebuah via dapat menimbulkan kapasitansi terdistribusi sekitar 0,5 pF. Dengan demikian, hal ini dapat meningkatkan kecepatan dan mengurangi kemungkinan terjadinya kesalahan data, karena pengurangan jumlah via dapat dilakukan secara signifikan.
5. Gunakan jalur yang pendek
Pada jalur PCB frekuensi tinggi, semakin panjang jalurnya, semakin tinggi pula intensitas radiasinya. Hal ini membuat jalur tersebut lebih mudah terhubung dengan komponen di sekitarnya. Oleh karena itu, jalur yang pendek lebih disarankan untuk jalur sinyal frekuensi tinggi seperti sinyal jam, osilator kristal, jalur LVDS, jalur USB, dan jalur HDMI.
6. Pisahkan kabel ground sinyal digital dan analog
Potensial listrik kabel ground pada sinyal digital frekuensi tinggi berbeda dengan yang ada pada sinyal analog, dan terdapat selisih tegangan tertentu di antara keduanya. Selain itu, kabel ground pada sinyal digital frekuensi tinggi seringkali mengandung komponen harmonik yang tinggi. Ketika kabel ground sinyal digital dan sinyal analog dihubungkan secara langsung, harmonik dari sinyal digital akan mengganggu sinyal analog melalui kopling kabel ground. Oleh karena itu, kabel ground sinyal analog dan digital harus dihubungkan ke kabel ground bersama menggunakan choke beads frekuensi tinggi. Atau, Anda dapat menghubungkannya pada satu titik di lokasi yang sesuai.
7. Tambahkan kapasitor pemisah HF
Pasang kapasitor pemisah di dekat pin daya setiap blok IC untuk menekan gangguan harmonik frekuensi tinggi pada pin daya secara efektif.
Aplikasi PCB frekuensi tinggi
Beberapa aplikasi potensial untuk PCB frekuensi tinggi antara lain:
- – aplikasi militer dan dirgantara
- – telekomunikasi
- – perangkat digital berkecepatan tinggi
- – perangkat medis
- – Ponsel
- – Komunikasi satelit
- – Wi-Fi dan jaringan nirkabel lainnya
- – Jaringan komputer berkecepatan tinggi
- – Radar dan sistem perang elektronik lainnya
- – Sistem pencitraan medis
Frekuensi Tinggi vs RF
Ada dua jenis utama gelombang elektromagnetik: frekuensi tinggi (HF) dan frekuensi radio (RF). Gelombang HF memiliki frekuensi yang lebih tinggi daripada gelombang RF dan oleh karena itu dapat membawa lebih banyak informasi. Namun, gelombang HF juga lebih rentan terhadap gangguan dan lebih mudah diserap oleh benda-benda dibandingkan gelombang RF.
Manfaat PCB Frekuensi Tinggi
Seperti yang telah disebutkan di atas, dalam hal perangkat elektronik, semakin kecil semakin baik. Namun, papan sirkuit yang lebih kecil bisa jadi lebih sulit untuk diimplementasikan, terutama jika menggunakan sinyal frekuensi rendah. Dengan PCB frekuensi tinggi, para insinyur dapat merancang papan sirkuit dan komponen yang lebih kecil, sehingga memudahkan pembuatan perangkat yang lebih ringkas. Papan sirkuit RF dapat digunakan untuk mentransfer data dengan kecepatan tinggi, sehingga sangat ideal untuk aplikasi seperti router WiFi, telepon seluler, dan jaringan komputer. Papan ini juga berguna dalam perangkat medis yang mengirimkan data, seperti perangkat pencitraan medis, elektrokardiogram (EKG), dan peralatan medis lainnya.
Kekurangan Sirkuit Cetak Frekuensi Tinggi
Satu-satunya kelemahan nyata dari PCB frekuensi tinggi adalah bahwa PCB ini beroperasi pada frekuensi yang jauh lebih tinggi daripada PCB frekuensi rendah. Hal ini berarti para insinyur harus berhati-hati dalam memilih sinyal yang digunakan, karena frekuensi yang lebih tinggi lebih rentan terhadap gangguan. Hal lain yang perlu disebutkan adalah bahwa PCB frekuensi tinggi tidak dapat dirutekan menggunakan bahan konduktif, seperti tembaga, karena hal ini akan menyebabkan korsleting. Oleh karena itu, papan PCB frekuensi tinggi harus dirutekan menggunakan bahan non-konduktif, seperti bahan berbasis polimida.
Bahan PCB Frekuensi Tinggi
Ada beberapa hal yang perlu dipertimbangkan saat memilih bahan PCB frekuensi tinggi. Konstanta dielektrik (Dk) dan Faktor Disipasi (Df) bahan merupakan sifat-sifat penting yang perlu diperhatikan. Nilai Dk suatu bahan menentukan seberapa baik bahan tersebut dapat menyimpan energi listrik, sedangkan nilai Df menentukan seberapa banyak energi yang hilang dalam bentuk panas. Bahan dengan nilai Dk dan Df yang rendah sangat ideal untuk aplikasi frekuensi tinggi.
FR-4 adalah dielektrik umum yang digunakan dalam PCB. FR-4 memiliki Dk sekitar 4,5 dan Df sekitar 0,02. Meskipun FR-4 merupakan dielektrik serbaguna yang baik, ada bahan lain yang mungkin lebih cocok untuk aplikasi tertentu. Misalnya, Rogers RO4003C memiliki Dk sebesar 3,48 dan Df sebesar 0,0037. Hal ini menjadikannya pilihan yang baik untuk aplikasi RF di mana kerugian rendah sangat penting.
Tabel di bawah ini menunjukkan beberapa bahan yang umum digunakan untuk membuat PCB frekuensi tinggi:
Pertimbangan penting lainnya saat memilih bahan PCB frekuensi tinggi adalah ketebalan dielektrik. Semakin tebal dielektriknya, semakin tinggi kapasitansinya. Hal ini penting untuk diperhatikan karena kapasitansi PCB memengaruhi impedansi. Secara umum, sebaiknya gunakan dielektrik setipis mungkin sambil tetap mempertahankan kapasitansi yang diperlukan.
Saat memilih bahan PCB frekuensi tinggi, penting untuk mempertimbangkan nilai Dk, Df, dan ketebalan dielektrik. Menggunakan bahan dengan nilai Dk dan Df yang rendah akan membantu mengurangi kerugian, sementara menggunakan dielektrik yang tipis akan membantu menjaga impedansi tetap rendah.
Kesimpulan
Papan sirkuit berfrekuensi tinggi beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi daripada papan sirkuit berfrekuensi rendah dan digunakan dalam perangkat komunikasi nirkabel serta jaringan komputer. PCB berfrekuensi tinggi membantu para insinyur merancang perangkat yang lebih kecil dan juga memungkinkan kecepatan transmisi data yang lebih tinggi. Namun, PCB berfrekuensi tinggi harus dirancang menggunakan bahan non-konduktif dan tidak boleh menggunakan bahan konduktif seperti tembaga.
