Elektronik söz konusu olduğunda, “ne kadar küçük, o kadar iyi” mühendislerin sık sık tekrarladıkları yaygın bir sözdür. Mühendisler, yüksek frekanslı PCB’lerin kullanımı sayesinde daha küçük bileşenler uygulayabilmiş ve bu sayede daha küçük cihazların üretilmesini sağlamışlardır.
Yüksek Frekanslı PCB Nedir?
Yüksek frekanslı PCB, yüksek frekanslarda çalışmak üzere tasarlanmış bir baskılı devre kartıdır. Bu kartlar genellikle özel malzemelerden üretilir ve sinyal kayıplarını en aza indirgemek ve yüksek hızlarda güvenilir çalışma sağlamak için özel tasarım özelliklerine sahiptir.
Frekans Formülü
Yüksek frekanslı devre PCB'lerinde, sinyalin yayılım bant genişliğini tanımlamak için aşağıdaki formül kullanılır; bu, bazen EMI yayılım bant genişliği olarak da adlandırılır:
F=1/(Tr*π)
"F" frekanstır (GHz); "Tr" (nanosaniye) sinyalin yükselme veya düşme süresini ifade eder.
Genellikle F≥1GHz olduğunda, buna yüksek frekanslı devre denebilir. Bu formüle göre, sinyalin yükselme süresi yaklaşık 0,318 ns'den az olduğunda hesaplanabilir.
Yüksek frekanslı PCB özellikleri
- Yüksek frekanslı (HF) PCB'ler, düşük frekanslı PCB'lere kıyasla daha düşük dielektrik sabitine (DK) ve daha iyi sinyal bütünlüğüne sahiptir.
- Çapraz konuşma ve elektromanyetik parazite karşı daha dayanıklıdır.
- Daha yüksek veri hızlarını işleyebilirler.
- Düşük frekanslı PCB'lerden daha pahalıdır.
- Mükemmel darbe direnci, kimyasal korozyon direnci ve ısı direnci.
Yüksek frekanslı PCB tasarım kılavuzları
1. Çok katmanlı devre kartlarının yollandırılması
Yüksek frekanslı devreler genellikle yüksek entegrasyon ve yüksek yoğunluk özelliklerine sahiptir. PCB yüksek frekanslı kartlarda çok katmanlı yönlendirme kullanmak, sinyal parazitini azaltmanın etkili bir yoludur. PCB düzenlemesi sırasında, ara katmanı kullanarak ekranlama yapın. Bu, parazitik endüktansı etkili bir şekilde azaltabilir ve sinyalin iletim uzunluğunu kısaltabilir. Aynı zamanda, sinyal çapraz parazitini ve benzeri sorunları da büyük ölçüde azaltabilir. Tüm bunlar, yüksek frekanslı devrelerin güvenilirliği açısından faydalıdır.
2. Halka şeklindeki izlerden kaçının
Her türlü yüksek frekanslı sinyal izi halka şeklinde olmamalıdır. Kaçınılması mümkün değilse, halka şeklindeki alan mümkün olduğunca küçük tutulmalıdır.
3. Kavisli uçları azaltın
Yüksek frekanslı devrelerin düzenlenmesinde düz bağlantı hatları kullanmak daha iyidir. Gerekirse 45 derecelik çokgen çizgi veya dairesel yay da kullanabilirsiniz. Bu sayede, yüksek frekanslı sinyallerin dışa yayılımı ve karşılıklı kuplajı azaltılabilir.
4. Katmanlar arasındaki geçiş deliklerini azaltın
Ölçüm sonuçlarına göre, bir via yaklaşık 0,5 pF dağıtılmış kapasitans oluşturabilir. Dolayısıyla, via sayısını önemli ölçüde azaltarak hızı artırabilir ve veri hatası olasılığını azaltabilir.
5. Kısa izler kullanın
Yüksek frekanslı PCB izlerinde, iz uzunluğu ne kadar fazla olursa, yayılma yoğunluğu da o kadar artar. Bu durum, yakındaki bileşenlerle etkileşimi kolaylaştırır. Bu nedenle saat sinyalleri, kristal osilatörler, LVDS hatları, USB hatları ve HDMI hatları gibi yüksek frekanslı sinyal hatları için kısa izler daha uygundur.
6. Dijital ve analog sinyallerin topraklama kablolarını birbirinden ayırın
Yüksek frekanslı dijital sinyaldeki topraklama kablosunun elektrik potansiyeli, analog sinyaldekinden farklıdır ve aralarında belirli bir voltaj farkı vardır. Ayrıca, yüksek frekanslı dijital sinyallerdeki topraklama kablosu genellikle zengin harmonik bileşenler içerir. Dijital sinyal ile analog sinyalin topraklama kabloları doğrudan bağlandığında, dijital sinyalin harmonikleri, topraklama kablosu bağlantısı yoluyla analog sinyale parazit yapacaktır. Bu nedenle, analog ve dijital sinyalin toprak kabloları, yüksek frekanslı bobinler kullanılarak ortak toprak kablosuna bağlanmalıdır. Ya da bunları uygun bir konumda tek noktadan bağlayabilirsiniz.
7. HF ayrıştırma kondansatörleri ekleyin
Her bir IC bloğunun güç pininin yakınına bir ayrıştırma kondansatörü yerleştirin; böylece güç pinleri üzerindeki yüksek frekanslı harmoniklerin neden olduğu paraziti etkili bir şekilde bastırabilirsiniz.
yüksek frekanslı PCB uygulaması
Yüksek frekanslı PCB'lerin bazı potansiyel uygulama alanları şunlardır:
- – askeri ve havacılık uygulamaları
- – telekomünikasyon
- – yüksek hızlı dijital cihazlar
- – tıbbi cihazlar
- – Cep telefonları
- – Uydu iletişimi
- – Wi-Fi ve diğer kablosuz ağlar
- – Yüksek hızlı bilgisayar ağları
- – Radar ve diğer elektronik savaş sistemleri
- – Tıbbi görüntüleme sistemleri
Yüksek Frekans ve RF
Elektromanyetik dalgaların iki ana türü vardır: yüksek frekanslı (HF) ve radyo frekanslı (RF). HF dalgaları, RF dalgalarından daha yüksek frekansa sahiptir ve bu nedenle daha fazla bilgi taşıyabilir. Bununla birlikte, HF dalgaları parazite karşı daha duyarlıdır ve RF dalgalarına kıyasla nesneler tarafından daha kolay emilebilir.
Yüksek Frekanslı PCB'lerin Avantajları
Yukarıda da belirtildiği gibi, elektronik söz konusu olduğunda daha küçük olan daha iyidir. Ancak, özellikle düşük frekanslı sinyaller kullanılıyorsa, daha küçük kartların üretimi daha zor olabilir. Yüksek frekanslı PCB’ler sayesinde mühendisler daha küçük kartlar ve bileşenler üretebiliyor ve bu da daha küçük cihazların geliştirilmesini kolaylaştırıyor. RF kartları, yüksek hızlarda veri aktarımı için kullanılabilir; bu da onları WiFi yönlendiricileri, cep telefonları ve bilgisayar ağları gibi uygulamalar için ideal kılar. Ayrıca, tıbbi görüntüleme cihazları, elektrokardiyogramlar (EKG) ve diğer tıbbi ekipmanlar gibi veri gönderen tıbbi cihazlarda da kullanışlıdır.
Yüksek Frekanslı Baskılı Devrelerin Dezavantajları
Yüksek frekanslı PCB'lerin tek gerçek dezavantajı, düşük frekanslı PCB'lere kıyasla çok daha yüksek frekanslarda çalışmasıdır. Bu, yüksek frekansların parazite daha duyarlı olması nedeniyle mühendislerin hangi sinyalleri kullandıklarına dikkat etmeleri gerektiği anlamına gelir. Bahsetilmesi gereken bir diğer husus ise, yüksek frekanslı PCB'lerin bakır gibi iletken malzemelerle yönlendirilemeyeceğidir, çünkü bu kısa devreye neden olur. Bu nedenle, yüksek frekanslı kartlar, poliimid bazlı malzemeler gibi iletken olmayan malzemelerle yönlendirilmelidir.
Yüksek Frekanslı PCB Malzemeleri
Yüksek frekanslı PCB malzemeleri seçerken dikkate alınması gereken birkaç husus vardır. Malzemenin dielektrik sabiti (Dk) ve dielektrik kaybı faktörü (Df), göz önünde bulundurulması gereken önemli özelliklerdir. Bir malzemenin Dk değeri, elektrik enerjisini ne kadar iyi depolayabileceğini belirlerken, Df değeri ise ne kadar enerjinin ısı olarak kaybedileceğini belirler. Düşük Dk ve Df değerlerine sahip malzemeler, yüksek frekanslı uygulamalar için idealdir.
FR-4, PCB'lerde yaygın olarak kullanılan bir dielektriktir. Dk değeri yaklaşık 4,5 ve Df değeri yaklaşık 0,02'dir. FR-4 genel amaçlı iyi bir dielektrik olsa da, belirli uygulamalar için daha uygun olabilecek başka malzemeler de vardır. Örneğin, Rogers RO4003C'nin Dk değeri 3,48 ve Df değeri 0,0037'dir. Bu, düşük kayıp önemli olan RF uygulamaları için iyi bir seçimdir.
Aşağıdaki tabloda, yüksek frekanslı PCB'lerin üretiminde yaygın olarak kullanılan bazı malzemeler gösterilmektedir:
Yüksek frekanslı PCB malzemeleri seçerken dikkate alınması gereken bir diğer önemli husus, dielektrik kalınlığıdır. Dielektrik ne kadar kalınsa, kapasitans o kadar yüksek olur. Bir PCB’nin kapasitansı empedansı etkilediği için bu hususu dikkate almak önemlidir. Genel olarak, gerekli kapasitansı korurken mümkün olduğunca ince bir dielektrik kullanmak en iyisidir.
Yüksek frekanslı PCB malzemeleri seçerken, Dk, Df ve dielektrik kalınlığını dikkate almak önemlidir. Dk ve Df değeri düşük bir malzeme kullanmak kayıpları azaltmaya yardımcı olurken, ince bir dielektrik kullanmak empedansı düşük tutmaya yardımcı olur.
Sonuç
Yüksek frekanslı devre kartları, düşük frekanslı devre kartlarına göre daha yüksek frekanslarda çalışır ve kablosuz iletişim cihazları ile bilgisayar ağlarında kullanılır. Yüksek frekanslı devre kartları, mühendislerin daha küçük cihazlar tasarlamasına yardımcı olur ve daha yüksek veri aktarım hızları sağlar. Bununla birlikte, yüksek frekanslı devre kartlarının yivleri iletken olmayan malzemelerle açılmalıdır; bakır gibi iletken malzemelerle yiv açılması mümkün değildir.
