Terdapat banyak ketidakpastian dalam reka bentuk PCB (papan litar bercetak) RF (frekuensi radio) yang oleh itu digambarkan sebagai “seni hitam”. Secara umum, apabila melibatkan litar pada frekuensi di bawah gelombang mikro (termasuk litar frekuensi rendah dan litar digital frekuensi rendah), susun atur yang teliti ialah jaminan kejayaan kali pertama dalam reka bentuk litar dengan semua prinsip reka bentuk dikuasai. Namun, apabila melibatkan frekuensi di atas gelombang mikro dan litar digital aras PC frekuensi tinggi, dua hingga tiga versi PCB sudah memadai untuk memastikan kualiti litar. Bagi litar RF pada frekuensi di atas gelombang mikro pula, lebih banyak versi reka bentuk PCB diperlukan untuk penambahbaikan berterusan. Oleh itu, banyak kesukaran pasti akan ditemui semasa reka bentuk litar RF.
Masalah Paling Lazim Dilihat dalam Reka Bentuk Litar RF
• Gangguan antara Modul Litar Digital dan Modul Litar Analog
Apabila litar analog (litar RF) dan litar digital berfungsi secara berasingan, besar kemungkinan kedua-duanya dapat berfungsi dengan sempurna. Tetapi sebaik sahaja ia digabungkan pada papan litar yang sama dan berkongsi bekalan kuasa yang sama, keseluruhan sistem berkemungkinan menjadi tidak stabil kerana isyarat digital kerap berayun antara tanah dan bekalan kuasa positif (>3V) dan tempohnya sangat singkat pada skala nanosaat. Disebabkan oleh amplitud yang lebih besar dan masa pertukaran yang lebih pendek, semua isyarat digital akan mengandungi komponen frekuensi tinggi yang tidak bergantung kepada frekuensi pensuisan. Dalam bahagian analog, voltan biasanya kurang daripada 1μV dari gelung penalaan radio ke penerima peralatan radio. Oleh itu, perbezaan antara gelung penalaan radio dan isyarat RF boleh mencapai 120dB. Jelas sekali, jika isyarat digital dan isyarat RF gagal dipisahkan dengan kemas, isyarat RF yang lemah berkemungkinan akan terjejas. Akibatnya, kebolehfungsian peralatan radio akan merosot atau ia mungkin langsung tidak dapat berfungsi.
• Gangguan Bunyi pada Bekalan Kuasa
Litar RF sangat sensitif terhadap hingar, terutamanya terhadap voltan gelinciran dan gelombang harmonik frekuensi tinggi yang lain. Mikropengawal akan secara tiba-tiba menyerap sebahagian besar arus dalam setiap tempoh jam dalaman, kerana semua mikropengawal moden dihasilkan menggunakan teknik CMOS. Oleh itu, andaikan sebuah mikropengawal beroperasi pada frekuensi jam dalaman 1MHz dan ia akan menarik arus daripada bekalan kuasa pada frekuensi tersebut. Jika penyahgandingan kuasa yang sesuai tidak digunakan, voltan gelinciran akan terhasil pada talian kuasa. Apabila voltan gelinciran sampai ke pin kuasa litar RF, kegagalan mungkin berlaku jika ia serius.
• GND yang tidak munasabah
Jika GND ditetapkan secara tidak wajar untuk litar RF, beberapa keputusan pelik boleh terhasil. Dalam reka bentuk litar digital, walaupun GND tidak tersedia, kebanyakan fungsi litar digital masih boleh dilaksanakan dengan sangat baik. Namun bagi RF, walaupun satu talian bumi yang pendek akan memainkan peranan setara dengan induktor. Diketahui bahawa induktans 1nH bersamaan dengan panjang 1mm, berdasarkan itu boleh dianggarkan secara kasar bahawa reaktans induktif bagi PCB dengan panjang 10mm adalah kira-kira 27Ω. Jika GND tidak digunakan, kebanyakan talian bumi akan menjadi terlalu panjang sehingga litar gagal menampilkan ciri-ciri seperti yang direka.
• Gangguan Terpancar oleh Antena pada Litar Analog Lain
Dalam reka bentuk susun atur PCB, litar analog lain juga terdapat pada papan tersebut. Sebagai contoh, banyak litar mengandungi penukar analog-ke-digital (ADC) atau penukar digital-ke-analog (DAC). Isyarat frekuensi tinggi yang dihantar oleh pemancar RF mungkin sampai ke terminal input analog ADC kerana sebarang talian litar akan menghantar atau menerima isyarat RF seperti antena. Jika terminal input ADC tidak diproses dengan betul, isyarat RF berkemungkinan menjadi teruja sendiri dalam diod ESD pada input ADC, yang kemudian menyebabkan sisihan ADC.
Prinsip dan Skema Reka Bentuk Litar RF
• Definisi Susun Atur RF
Apabila susun atur RF direka bentuk, prinsip umum berikut hendaklah dipatuhi terlebih dahulu:
① Penguat kuasa tinggi (HPA) dan penguat hingar rendah (LNA) hendaklah dipisahkan sejauh mungkin. Secara ringkasnya, litar penghantaran RF frekuensi tinggi diletakkan jauh daripada litar penerimaan RF frekuensi rendah.
② Sekurang-kurangnya satu satah bumi yang lengkap hendaklah disediakan pada kawasan frekuensi tinggi pada papan PCB dan adalah lebih baik jika tiada lubang melalui (via) wujud di atasnya. Lebih besar kawasan kerajang kuprum, lebih baik.
③ Ia sama pentingnya bagi litar dan kuasa untuk melalui penyahgandingan.
④ Output RF hendaklah berada jauh daripada input RF.
⑤ Isyarat analog sensitif hendaklah diletakkan sejauh mungkin daripada isyarat digital berkelajuan tinggi dan isyarat RF.
• Prinsip Reka Bentuk Pembahagian Fizikal dan Pembahagian Elektrik
Pembahagian boleh diklasifikasikan kepada pembahagian fizikal dan pembahagian elektrik. Yang pertama tertumpu terutamanya pada susun atur komponen, orientasi dan penghalangan manakala yang kedua boleh diklasifikasikan lagi kepada pengagihan kuasa, penghalaan RF, litar sensitif, isyarat dan pembahagian tanah.
a. Prinsip Pembahagian Fizikal
Prinsip susun atur komponen. Susun atur komponen memainkan peranan penting dalam menyumbang kepada reka bentuk RF yang berprestasi baik. Teknologi yang paling berkesan ialah terlebih dahulu menetapkan komponen yang diletakkan sepanjang laluan RF dan mengubah suai orientasinya supaya laluan RF dapat diminimumkan dengan bahagian input berada jauh daripada output serta litar berkuasa tinggi dan litar berkuasa rendah dipisahkan sejauh mungkin.
Prinsip reka bentuk laminasi PCB. Kaedah laminasi litar yang paling cekap ialah menyusun satah bumi utama pada lapisan kedua di bawah satah pertama dan menyusun jejak RF pada satah pertama. Saiz lubang tembus pada laluan RF hendaklah dikurangkan ke minimum, yang boleh mengurangkan induktans laluan dan mengurangkan bilangan sambungan pateri sejuk pada bumi utama. Selain itu, kurang tenaga RF akan bocor ke kawasan lain dalam laminasi.
Komponen RF dan prinsip pengesanan RF. Dalam ruang fizikal, litar linear seperti penguat berbilang peringkat mampu memisahkan semua kawasan RF tetapi dupleks, pengadun dan penguat/pengadun frekuensi pertengahan sering menyebabkan gangguan bersama antara berbilang isyarat RF/IF. Oleh itu, jenis pengaruh ini harus diminimumkan dengan teliti. Jejak RF/IF hendaklah disilangkan dan satu pembumian hendaklah ditinggalkan di antara keduanya. Laluan RF yang betul adalah sangat penting kepada prestasi PCB, sebab itulah susun atur komponen mengambil sebahagian besar masa dalam reka bentuk PCB telefon bimbit.
b. Prinsip Pembahagian Elektrik
Prinsip penghantaran kuasaDC dalam kebanyakan litar telefon bimbit biasanya agak rendah jadi lebar jejak tidak perlu dipertimbangkan dengan teliti. Walau bagaimanapun, satu jejak dengan arus besar yang lebarnya selebar mungkin mesti direka secara bebas untuk bekalan kuasa penguat berkuasa tinggi bagi mengurangkan voltan penghantaran ke tahap minimum. Untuk mengelakkan terlalu banyak kehilangan arus, beberapa lubang tembus hendaklah digunakan untuk menghantar arus dari satu satah ke satah yang lain.
Penyahgandingan kuasa bagi peranti berkuasa tinggi. Jika gandingan lengkap gagal dicapai pada pin kuasa penguat berkuasa tinggi, hingar berkuasa tinggi akan dipancarkan ke seluruh papan dan menghasilkan banyak masalah. Pembumian penguat berkuasa tinggi adalah sangat penting dan penutup perisai logam biasanya diperlukan dalam reka bentuknya.
Prinsip pengasingan input/output RF. Untuk kebanyakan situasi, adalah sama penting untuk memastikan bahawa keluaran RF berada jauh daripada masukan RF, yang juga terpakai untuk penguat, penimbal dan penapis. Dalam situasi yang lebih buruk, jika masukan penguat dan penimbal dikembalikan ke terminal masukan mereka pada fasa dan amplitud yang sesuai, getaran teruja sendiri mungkin berlaku. Dalam situasi yang terbaik, ia akan dapat berfungsi dengan stabil pada sebarang suhu dan voltan. Sebenarnya, ia mungkin menjadi tidak stabil dan menambah hingar serta isyarat intermodulasi kepada isyarat RF.
Secara keseluruhannya, litar RF mempunyai kesan kulit dan kesan gandingan disebabkan oleh sifat litar parameter teragih, yang membezakannya daripada litar frekuensi rendah dan DC. Oleh itu, isu-isu yang dibincangkan di atas perlu diberi penekanan khas semasa reka bentuk PCB litar RF supaya reka bentuk litar dapat dijalankan dengan berkesan dan tepat.
Sumber yang Berguna
•Garis Panduan untuk Reka Bentuk PCB RF dan Gelombang Mikro
•Reka Bentuk PCB untuk Litar Frekuensi Radio dan Keserasian Elektromagnet
•PCBCart menawarkan perkhidmatan fabrikasi PCB Frekuensi Radio
