Sejak diperkenalkan pada tahun 2018, protokol komunikasi frekuensi radio seluler (RF) generasi ke-5 (5G) telah berjanji untuk mencapai peningkatan besar dalam cara pengguna individu, mesin industri, dan server komputasi awan mengirim dan menerima data. Untuk memenuhi persyaratan International Mobile Telecommunication-2020 (IMT-2020), Proyek Kemitraan Generasi Ketiga (3GPP) telah mengembangkan standar 5G, yang menetapkan kecepatan transmisi data sebesar 10 Gbps, yang 10 hingga 100 kali lebih cepat dibandingkan standar 4G sebelumnya. Dibandingkan dengan protokol 4G LTE, standar ini juga memerlukan peningkatan bandwidth 1000 kali lipat per unit area untuk memungkinkan peningkatan maksimum 100 kali lipat jumlah perangkat yang terhubung dalam area tersebut. Pada saat yang sama, organisasi tersebut bersikeras untuk mencapai ketersediaan jaringan sebesar 99,999% sekaligus mengurangi konsumsi energi stasiun pangkalan dan perangkat yang terhubung.
Pada pertengahan tahun 2025, akan ada lebih dari 2,25 miliar koneksi 5G di seluruh dunia, dengan lebih dari 182 juta di Amerika Utara. Kini, para arsitek jaringan telah mengalihkan perhatian mereka ke perangkat mandiri (SA), yang hanya mendukung frekuensi dan protokol 5G, dapat mencapai kecepatan unggah dan unduh yang lebih cepat, dan mendukung komunikasi Internet of Things (IIoT) industri canggih dan mesin ke mesin (M2M), dengan latensi jaringan serendah 1 ms.
Perkembangan perangkat baru untuk pembangunan infrastruktur 5G telah mendorong permintaan berbagai komponen elektronik, termasuk kapasitor yang ada di mana-mana. Dalam aplikasi 5G, kapasitor adalah perangkat serbaguna yang dapat menyaring frekuensi yang tidak diinginkan dan menghilangkan interferensi frekuensi radio, dipasangkan dengan induktor untuk mengatur antena, memisahkan rel daya untuk menstabilkan level tegangan, dan menyeimbangkan koneksi antena. Saat merancang perangkat 5G dan stasiun pangkalan seluler, para insinyur harus memilih kapasitor yang sesuai untuk memenuhi persyaratan kinerja, ukuran, dan biaya spesifik dari setiap aplikasi.
Kapasitor untuk aplikasi antena 5G
Antena infrastruktur 5G mendukung tiga pita frekuensi di wilayah RF yang lebih tinggi: pita frekuensi rendah di bawah 2 GHz, pita frekuensi menengah antara 2 GHz dan 6 GHz, dan pita frekuensi tinggi antara 24 GHz dan 100 GHz. Dengan memasangkan kapasitor keramik multi-lapis (MLCC) dengan induktor untuk membentuk osilator antena, dimungkinkan untuk menyetel frekuensi radio tertentu. Kapasitor infrastruktur 5G harus mampu menangani frekuensi protokol yang lebih tinggi (Gambar 1).
Penerapan MLCC di Bidang Komunikasi RF
Gambar 1: MLCC banyak digunakan di bidang komunikasi RF. Para insinyur harus hati-hati memilih kapasitor untuk mengelola arus RF yang lebih tinggi dalam infrastruktur 5G. (Sumber gambar: KEMET Perusahaan)
Kapasitor seri HiQ CBR KEMET (Gambar 2) adalah salah satunya. Kapasitansi rangkaian kapasitor ini berkisar antara 0,1 pF hingga 100 pF, dan dapat beroperasi dalam waktu lama pada rentang frekuensi 1 MHz hingga 50 GHz tanpa panas berlebih atau kehilangan karakteristik kapasitansi. Karena penggunaan dielektrik Kelas I, kapasitor HiQ CBR dapat beroperasi dalam kisaran suhu -55 ° C hingga+125 ° C dengan perubahan kapasitansi kurang dari ± 30 ppm/° C. Dalam rentang tegangan DC 6,3 V hingga 500 V, kapasitor ini juga dapat mempertahankan kinerja yang sangat stabil tanpa penuaan.
Kapasitor KEMET HiQ CBR
Gambar 2: Kapasitor HiQ CBR adalah MLCC yang dirancang untuk frekuensi lebih tinggi yang digunakan dalam infrastruktur 5G. Perangkat pemasangan permukaan (SMD) ini menggunakan dielektrik keramik Kelas I, dipasangkan dengan konduktor logam dasar, dan dilengkapi penutup ujung berlapis timah matte. (Sumber gambar: KEMET Corporation)
Kapasitor HiQ CBR terdiri dari beberapa lapisan elektroda logam dasar (Gambar 3). Bahan elektrodanya adalah tembaga, dan setiap lapisan elektroda dipisahkan dan ditempel dengan bahan keramik. Bahan keramik yang digunakan adalah dielektrik Kelas I C0G CaZrO3. Tutup ujung logam digunakan sebagai bagian sambungan listrik untuk elektroda, sehingga memudahkan penyolderan perangkat pemasangan permukaan (SMD) ke papan sirkuit cetak (PCB).
Lapisan MLCC elektroda internal tertanam dengan dielektrik keramik
Gambar 3: Lapisan elektroda internal MLCC (seperti produk seri HiQ CBR) tertanam dalam dielektrik keramik, dengan sambungan logam di penutup ujungnya. (Sumber gambar: KEMET Corporation)
Berkat material dan strukturnya, kapasitor HiQ CBR memiliki kinerja kerugian yang rendah, yang diwakili oleh faktor kualitas Q, yang merupakan kebalikan dari faktor disipasi (DF). Saat menguji kapasitor HiQ CBR dengan nilai kapasitansi 30 pF atau lebih tinggi dalam kondisi 1 MHz ± 100 kHz dan 1,0 ± 0,2 VRMS, nilai Q-nya lebih besar atau sama dengan 1000. Untuk kapasitor dengan nilai kapasitansi lebih rendah dalam seri produk ini, Q = 400 + 20C, Dimana C adalah nilai kapasitansi.
Saat merancang produk elektronik untuk aplikasi RF frekuensi tinggi, para insinyur juga mencari kapasitor dengan resistansi seri setara rendah (ESR) dan induktansi seri setara rendah (ESL), yang dapat membantu mencapai frekuensi resonansi diri (SRF) yang tinggi. SRF adalah frekuensi resonansi kapasitor sehingga menyebabkan kapasitor kehilangan kapasitansi dan bertindak sebagai induktor, oleh karena itu SRF harus jauh lebih tinggi daripada frekuensi operasi. Kisaran SRF kapasitor HiQ CBR adalah dari 600 MHz (kapasitor 100 pF) hingga 12000 MHz (kapasitor 0,1 pF).
Tutup ujung kapasitor HiQ CBR dilapisi dengan timah matte dan dapat disolder ke papan sirkuit cetak standar. Kapasitor jenis ini memiliki ukuran housing yang umum, antara lain 0201 (0,2" x 0,1"), 0402 (0,4" x 0,2"), 0603 (0,6" x 0,3"), dan 0805 (0,8" x 0,5"). Perangkat ini telah lulus sertifikasi bebas timah dan mematuhi peraturan RoHS.
Dengan karakteristik kinerja unik dan dimensi eksternalnya, kapasitor seri HiQ CBR berperan baik dalam stasiun pangkalan seluler 5G, jaringan komunikasi, penguat daya RF (PA), jaringan area lokal nirkabel (LAN), jaringan sistem penentuan posisi global (GPS), dan komunikasi Bluetooth. Rangkaian kapasitor ini juga dapat digunakan untuk pemrosesan sinyal seperti pemblokiran DC, penyaringan, pencocokan impedansi, penggandengan, dan bypass.
Untuk mengurangi interferensi dan gangguan sinyal, perancang dapat menambahkan KEMET FLEX SUPPRESSOR ® yang serupa. Bahan komposit logam polimer berbentuk lembaran atau gulungan ini (Gambar 4) mengandung partikel magnetik berukuran mikrometer yang tersebar dalam substrat polimer fleksibel untuk menekan gelombang atau resonansi elektromagnetik, meningkatkan konvergensi fluks magnet, atau mengurangi kebisingan yang dihasilkan oleh perangkat elektronik dalam rentang frekuensi 5G 3 GHz hingga 40 GHz.