Microstrip - Microstrip

Tværsnit af mikrostripsgeometri. Leder (A) er adskilt fra jordplanet (D) med dielektrisk substrat (C). Øvre dielektrikum (B) er typisk luft.

Microstrip er en type elektrisk transmissionslinje, som kan fremstilles med enhver teknologi, hvor en leder er adskilt fra et jordplan ved hjælp af et dielektrisk lag kendt som substratet. Microstriplines bruges til at overføre mikrobølgefrekvenssignaler .

Typiske realiseringsteknologier er printkort , aluminiumoxid belagt med et dielektrisk lag eller undertiden silicium eller andre lignende teknologier. Mikrobølgekomponenter såsom antenner , koblinger , filtre , effektdelere osv. Kan dannes af mikrobånd, hvor hele enheden eksisterer som mønster af metallisering på substratet. Microstrip er således meget billigere end traditionel bølgelederteknologi , såvel som at være langt lettere og mere kompakt. Microstrip blev udviklet af ITT-laboratorier som en konkurrent til stripline (først udgivet af Grieg og Engelmann i IRE-proceduren i december 1952).

Ulemperne ved microstrip sammenlignet med bølgeleder er den generelt lavere effekthåndteringskapacitet og højere tab. I modsætning til bølgeleder er mikrostrip typisk ikke lukket og er derfor modtagelig for krydstale og utilsigtet stråling.

For de laveste omkostninger kan microstrip-enheder bygges på et almindeligt FR-4 (standard PCB) substrat. Imidlertid findes det ofte, at de dielektriske tab i FR4 er for høje ved mikrobølgefrekvenser, og at den dielektriske konstant ikke er tilstrækkeligt tæt kontrolleret. Af disse grunde anvendes almindeligvis et aluminiumoxidsubstrat . Fra monolitisk integrationsperspektiv kan mikrotrips med integreret kredsløb / monolitisk mikrobølgeovn integreret kredsløbsteknologi være mulig, men deres ydeevne kan være begrænset af det / de dielektriske lag og ledertykkelse.

Microstrip-linjer bruges også i højhastigheds digitale PCB-design, hvor signaler skal dirigeres fra en del af enheden til en anden med minimal forvrængning og undgå høj krydstale og stråling.

Microstrip er en af ​​mange former for plan transmissionslinje , andre inkluderer stripline og coplanar bølgeleder , og det er muligt at integrere alle disse på det samme substrat.

En differentiel microstrip - et afbalanceret signalpar af microstrip linjer - bruges ofte til højhastigheds signaler såsom DDR2 SDRAM ure, USB Hi-Speed datalinjer, PCI Express datalinjer, LVDS datalinjer osv. Ofte alle på samme PCB. De fleste PCB-designværktøjer understøtter sådanne differentielle par .

Inhomogenitet

Den elektromagnetiske bølge, der bæres af en mikrostrimmelinje, findes dels i det dielektriske substrat og dels i luften over det. Generelt vil substratets dielektriske konstant være forskellig (og større) end luftens, så bølgen bevæger sig i et inhomogent medium. Som en konsekvens er udbredelseshastigheden et eller andet sted mellem hastigheden af ​​radiobølger i substratet og hastigheden af ​​radiobølger i luft. Denne adfærd beskrives almindeligvis ved at angive den effektive dielektriske konstant (eller effektiv relativ permittivitet) af mikrobåndet; dette er den dielektriske konstant for et ækvivalent homogent medium (dvs. en der resulterer i den samme formeringshastighed).

Yderligere konsekvenser af et inhomogent medium inkluderer:

  • Linjen understøtter ikke en ægte TEM- bølge; ved ikke-nul frekvenser vil både E- og H-felterne have langsgående komponenter (en hybridtilstand ). De langsgående komponenter er dog små, og så betegnes den dominerende tilstand som kvasi-TEM.
  • Linjen er spredt . Med stigende frekvens stiger den effektive dielektriske konstant gradvist mod substratets, så fasehastigheden gradvist falder. Dette gælder selv med et ikke-dispersivt substratmateriale (substratets dielektriske konstant falder normalt med stigende frekvens).
  • Linjens karakteristiske impedans ændres lidt med frekvensen (igen, selv med et ikke-dispersivt substratmateriale). Den karakteristiske impedans af ikke-TEM-tilstande er ikke entydigt defineret, og afhængigt af den anvendte nøjagtige definition stiger, falder eller falder impedansen af ​​mikrostrip enten med stigende frekvens. Lavfrekvensgrænsen for den karakteristiske impedans kaldes den kvasistatiske karakteristiske impedans og er den samme for alle definitioner af karakteristisk impedans.
  • Den bølge impedans varierer over tværsnittet af linjen.
  • Microstrip-linjer udstråler og diskontinuitetselementer som stubbe og stolper, som ville være rene reaktanser i stripline, har en lille resistiv komponent på grund af strålingen fra dem.

Karakteristisk impedans

En lukket form tilnærmet udtryk for den kvasi-statiske karakteristiske impedans af en mikrobåndslinie blev udviklet af Wheeler :

hvor w eff er den effektive bredde , som er den aktuelle bredde af strimlen, plus en korrektion for at tage højde for metalliseringens ikke-nul tykkelse:

Her Z 0 er impedansen af ledig plads , ε r er den relative permittivitet af substrat, w er bredden af strimlen, h er tykkelsen ( "height") af substrat, og t er tykkelsen af strimlen metallisering.

Denne formel er asymptotisk for en nøjagtig løsning i tre forskellige tilfælde:

  1. w ≫ h , hvilken som helst ε r (parallel pladetransmissionsledning),
  2. w ≪ h , ε r = 1 (ledning over et jordplan) og
  3. w ≪ h , ε r ≫ 1 .

Det hævdes, at i de fleste andre tilfælde er fejlen i impedans mindre end 1% og altid mindre end 2%. Ved at dække alle størrelsesforhold i en formel forbedrer Wheeler 1977 Wheeler 1965, som giver en formel for w / h > 3,3 og en anden for w / h ≤ 3,3 (derved indføres en diskontinuitet i resultatet ved w / h = 3,3 ).

Mærkeligt nok kunne Harold Wheeler ikke lide både udtrykkene 'mikrostrip' og 'karakteristisk impedans' og undgik at bruge dem i sine papirer.

En række andre omtrentlige formler for den karakteristiske impedans er blevet fremført af andre forfattere. Imidlertid er de fleste af disse kun anvendelige til et begrænset spektrum af billedformater eller ellers dækker hele området stykkevis.

Især er det sæt ligninger, der er foreslået af Hammerstad, der ændrer på Wheeler, måske det hyppigst citerede:

hvor ε eff er den effektive dielektriske konstant, tilnærmet som:

Bøjer sig

For at opbygge et komplet kredsløb i microstrip er det ofte nødvendigt for stribens sti at dreje gennem en stor vinkel. En pludselig 90 ° bøjning i en mikrobånd vil medføre, at en betydelig del af signalet på strimlen reflekteres tilbage mod dens kilde, med kun en del af signalet transmitteret rundt om bøjningen. Et middel til at udføre en bøjning med lav refleksion er at kurve stribens sti i en bue med en radius mindst 3 gange båndbredden. En langt mere almindelig teknik og en, der forbruger et mindre substratområde, er imidlertid at bruge en mindsket bøjning.

Microstrip 90 ° dæmpet bøjning. Den procentvise gerning er 100 x / d .

Til en første tilnærmelse opfører en pludselig uhindret bøjning sig som en shuntkapacitans placeret mellem jordplanet og bøjningen i strimlen. Mitring af bøjningen reducerer metalliseringsområdet og fjerner dermed den overskydende kapacitans. Den procentvise gerning er den afskårne brøkdel af diagonalen mellem de indre og ydre hjørner af den uhindrede bøjning.

Den optimale gerning til en bred vifte af mikrostripgeometrier er bestemt eksperimentelt af Douville og James. De finder, at en god pasform til den optimale procentvise gerning er givet af

udsat for w / h ≥ 0,25 og med substratets dielektriske konstant ε r ≤ 25 . Denne formel er fuldstændig uafhængig af ε r . Det faktiske interval af parametre, for hvilke Douville og James præsenterer bevis, er 0,25 ≤ w / h ≤ 2,75 og 2,5 ≤ ε r ≤ 25 . De rapporterer en VSWR, der er bedre end 1,1 (dvs. et afkaststab, der er bedre end −26 dB) for en procentvis gering inden for 4% (af den oprindelige d ) af den, der er givet ved formlen. Ved minimum w / h på 0,25 er den procentvise gerning 98,4%, så strimlen næsten er gennemskåret.

For både de buede og afbøjede bøjninger er den elektriske længde noget kortere end stripens fysiske sti-længde.

Se også

Referencer

eksterne links