Leiterplattentechnisch - Hochfrequenz (Rf) PCB Layout Design

Bisher ist Microstrip immer noch die am häufigsten verwendete Übertragungsleitungsstruktur im Hochfrequenz- und Mikrowellendesign. Mit zunehmender Geschwindigkeit und Dichte digitaler und hybrider Technologiedesigns nimmt die Situation jedoch immer weniger zu.

Weil bei gleicher Impedanz die Mikrostreifenleitung normalerweise breiter als die Streifenleitung ist und weil die mit der Mikrostreifenleitung verbundene Strahlung zunimmt, benötigt sie sowohl mehr Leiterplattenverdrahtungsraum als auch einen größeren Abstand in der Nähe von Leiterbahnen. Bei reinen HF- oder Mikrowellendesigns ist dies in der Regel kein Problem, aber mit der Nachfrage nach kleineren Produktgrößen und der daraus resultierenden Erhöhung der Bauteildichte wird es eine weniger leicht verfügbare Option.

Struktur

Die Mikrostreifenübertragungsleitung besteht aus einem Leiter (üblicherweise Kupfer) mit einer Breite von W und einer Dicke von t. Der Leiter wird auf einer Erdungsebene geführt, die breiter als die Übertragungsleitung selbst ist und durch ein Dielektrikum mit einer Dicke von H getrennt wird. Die beste Praxis besteht darin, sicherzustellen, dass die Massebeziehungsebene mindestens 3H auf beiden Seiten der Oberflächenmikrostreifenspur erstreckt.

Vorteil

Historisch gesehen kann der Hauptvorteil der Microstrip-Linie die Möglichkeit sein, nur zwei Schichten von Platinen zu verwenden, während alle Komponenten auf einer Seite montiert sind. Dies vereinfacht den Herstellungs- und Montageprozess und ist die kostengünstigste HF-Leiterplattenlösung. Da sich alle Anschlüsse und Komponenten auf derselben Oberfläche befinden, müssen beim Verbinden keine Vias verwendet werden. Neben Kostenfaktoren ist dies auch ideal, da die Verwendung von Durchkontaktierungen weder Kapazität noch Induktivität erhöht.

Wie für die gleiche Impedanz, ist die Mikrostreifenspur normalerweise breiter als die Streifenspur. Da die Ätztoleranz in der Herstellung ein absoluter Wert ist, ist es daher einfacher, die charakteristische Impedanz der Leiterbahn strenger zu steuern. Wenn also die Leiterplattenstraßenbreite 20 Mils beträgt und die Breite durch Überätzen um 1 Mil reduziert wird, dann ist dies eine sehr große Menge im Vergleich zum Überätzen von 5-Millionen-Streifenlinien und Verringerung der Breite auf 4 Mils. Kleine prozentuale Veränderung. Zum Beispiel wird in FR408-Material eine Mikrostreifenspur, die 20 Mio. höher als der Boden und 11,5 Mio. höher ist, mit einer Dielektrizitätskonstante von 3,8, ungefähr 50,8 Ohms produzieren. Wenn diese Spur auf 19 mils reduziert wird, beträgt die charakteristische Impedanz etwa 52,6 ohms, und die charakteristische Impedanz erhöht sich um 3,6%. Im gleichen Material erzeugt eine 5-Mil-Streifenlinie mit 6-Mils, die oben und unten geerdet sind, etwa 50,35 Ohms, aber wenn 1-Mil auf 4 Mils reduziert wird, beträgt die charakteristische Impedanz etwa 56,1 Ohms, eine Erhöhung von 11,5%. Bei der Fertigstellung bestimmter Entwürfe wird die charakteristische Impedanz der Endspur nicht angegeben, sondern die Endbreite wird angegeben. Im gleichen Überätzschema verringert die Verringerung der 5-Millionen-Spuren von 1-Millionen-Meilen die endgültige Spurenbreite um 20%, und die Verringerung der 20-Millionen-Spuren von 1-Millionen-verringert die Breite um 5%.

Mangel

Da die Microstrip-Übertragungsleitung in der Regel sehr breit und auf der Leiterplattenoberfläche verlegt ist, wird die für die Bauteilplatzierung verfügbare Fläche reduziert. Damit ist Microstrip für hochdichte Hybridtechnologien nutzlos, die fast immer für den Weltraum wertvoll sind.

Microstrip-Übertragungsleitungen strahlen mehr aus als andere Übertragungsleitungen, die der Hauptbeitrag zur gesamten ausgestrahlten EMI des Produkts sein werden.

Drittens, da die Strahlung aus dem Mikrostreifen zunimmt, wird Übersprechen zu einem Problem, so dass es notwendig ist, einen größeren Abstand von anderen Schaltungselementen bereitzustellen, was zu einer Verringerung der verfügbaren Verdrahtungsdichte führt.

Microstrip-Designs erfordern normalerweise eine externe Abschirmung, was Kosten und Komplexität erhöht. In der Tat ist dies zu einem der wichtigsten Themen bei der Gestaltung von tragbaren Geräten wie Mobiltelefonen geworden. Die treibende Kraft vieler Produkte wird immer kleiner und damit immer dünner. Dies bedeutet, dass die Abschirmschicht näher an der Oberfläche der Leiterplatte ist, was die Kapazität pro Einheitslänge der Übertragungsleitung erhöht und dadurch ihre Impedanz ändert. Wenn Sie sich für die Verwendung von Mikrostreifenübertragungsleitungen und die Ableitung von Impedanzmodellen entscheiden, beachten Sie bitte sorgfältig. Wenn die Leiterbahn durch eine externe Abschirmwand gehen muss, kann es notwendig sein, die Übertragungsleitungsbreite um einen kleinen Abstand zu ändern, normalerweise durch einen "Tunnel", der normalerweise näher an der Oberfläche der Leiterplatte als an der Oberseite des Schildes ist.

Die charakteristische Impedanz des Mikrostreifens wird durch Lotresist oder andere Oberflächenbeschichtungen beeinflusst. Von einem Hersteller zum anderen oder sogar von einer Platine zur anderen Platine desselben Leiterplattenlieferanten kann die Anwendung dieser Beschichtungen sehr inkonsistent sein. Daher ist der Einfluss dieser Beschichtungen auf die Impedanz von Oberflächenmikrostreifenspuren sehr unbekannt.